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电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析【开题报告+外文翻译】【3张图纸】【优秀】

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关键词：: 电控汽油发动机尾气检测装置设计分析开题报告外文翻译图纸电控汽油发动机

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电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析

52页 26000字数+说明书+开题报告+外文翻译+3张CAD图纸【详情如下】

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1 绪言1

1.1 本课题的研究背景1

1.2 国内外研究现状1

1.3 本课题研究内容简介3

1.3.1 研究意义3

1.3.2 研究内容3

1.3.3 研究方案与技术路线4

2 尾气排放控制与空燃比5

2.1 尾气的构成及产生机理5

2.2 控制尾气排放的措施6

2.3 空燃比控制8

2.3.1 空燃比简介8

2.3.2 空燃比对动力性、经济性的影响11

2.3.3 空燃比对排放的影响12

2.3.4 不同工况对发动机空燃比的要求13

3 发动机样机的选择14

3.1 发动机的选择及其参数14

3.2 原机主要性能技术参数14

4 尾气检测装置与控制系统中央控制模块15

4.1 系统总体介绍15

4.2 电控单元芯片选择16

5 前向通道模块与后向通道模块18

5.1 氧传感器18

5.1.1 氧传感器工作原理及选择18

5.1.2 氧传感器电路设计部分19

5.2 转速传感器20

5.2.1 转速传感器介绍20

5.2.2 转速传感器电路设计部分21

5.3 节气门位置传感器21

5.3.1 节气门位置传感器简介22

5.3.2 节气门位置传感器电路设计部分22

5.4 喷油时刻与喷油脉冲控制电路部分23

5.4.1 执行器的介绍23

5.4.2 电路设计部分24

6 尾气检测与控制系统软件设计25

6.1 空燃比控制器软件设计25

6.2 系统的主要模块25

6.2.1 初始化模块25

6.2.2 采样模块26

6.2.3 中断模块28

6.2.4 显示扫描模块29

6.2.5 空燃比调节模块30

7 MAP图制取与实验结果36

7.1 MAP制取36

7.2 MAP图的补充37

7.3 生成的MAP图的程序38

7.3.1 生成喷油脉冲的程序38

7.3.2生成喷油提前角的程序40

7.4 实验结果41

8技术与经济性分析42

8.1经济性分析42

8.2技术性分析42

9 结论43

致谢44

参考文献45

摘要

随着我国经济的持续发展和汽车保有量的不断提升，由此而带来的环境污染问题也越来越严重。为应对越来越严格的排放标准，尾气检测装置得到广泛的应用。首先，三元催化装置减少了各种化学污染物尤其是氮氧化合物的排放，为使这个装置达到更合适的工作状态，必须使空燃比尽可能的保持在14.7水平；其次，通过在排气管中安装氧传感器，将尾气的氧含量信号反馈给ECU,它会在采集到如发动机转速、进气管压力等数据的基础上，调整喷油的脉宽，改变喷油量，以达到最佳的空燃比。

419QE发动机是我国较早的发动机型，仍然采用较为传统的化油器式供油系统，本文以此款发动机的数据作为设计电控系统的依据。

本文分析了汽车尾气排放物的种类及其生成机理以及它所产生的影响，阐述了国内外日益严格的排放法规，进一步说明电控汽油喷射的必要性和电子控制在解决尾气排放问题中所起的作用。

本文选择了待改进的发动机类型并取得了一些参数，也选择了各种传感器的类型和参数，还着重设计了由传感器（转速、进气门压力、氧传感器）到中央处理器再到执行器（喷油器）的整个电控电路。

本文还通过一些参数值确定并优化map图，为ECU控制喷油器和火花塞的工作提供了可靠的基础。选择单片机的类型并设计软件，实现预定的功能。

关键词：汽油发动机，尾气检测，单片机，控制

本课题运用开环和闭环来控制燃气喷射量与喷油的时刻。当发动机处于过渡工况，如加载、卸载和加减速时，运用开环控制，根据转速信号和节气门位置信号对事先制取的燃气喷射占空比MAP图进行取值操作，从而控制喷油量和喷油时刻。当发动机处于稳定工况时，系统就采用开环与闭环相结合的方式控制，根据闭环系统中氧传感器反馈的废氧浓度信号不同，采取不同的空燃比控制策略实时计算喷气占空比，使系统工况较快稳定并达到较佳废气排放浓度。在闭环控制系统中，当废氧浓度波形信号较大程度偏离理想波形信号时，系统就采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范围(表现为过量空气系数。处于在λ窗口内)；当废氧浓度波形信号接近理想波形信号时，系统就采用PI控制，使空燃比稳定于理想空燃比范围:当废氧浓度波形信号处于低速振荡时，系统就采用固定增量法，使空燃比收敛于理想空燃比值。

　　　为实现研究目的，本课题主要工作包括如下几个部分：

　　　首先是空燃比控制系统电路设计。在电路中可实现对转速、节气门位置及氧传感器信号的采集、对电磁阀的驱动、喷油时刻的驱动及对上述参数的显示。

　　　其次，制取部分工况的燃气喷射占空比MAP图。在这些实验数据的基础上，通过线性插值方式对MAP图进行补充，为燃气喷射控制系统执行开环控制提供完善的燃气喷射占空比数据。

　　　最后是空燃比控制系统软件设计，使系统在不同的工况下按预定的控制方案对空燃比进行控制。

内容简介：: 附录附录 %MATLAB程序（制取MAP图）clear%-原始数据的整理-q=10:15:85;n=1000:400:5400;% q代表标定负荷点，n代表标定转速点PWM_Q=1.0 2.1 5.1 8.3 8.4 9.2 10.2 10.6 12.3 13.2 16.9 0.000 0.114 0.254 0.376 0.454 0.532 0.643 0.704 0.760 0.813 0.885 0.931 0.000 0.400 0.557 0.934 1.057 1.271 1.476 1.616 1.750 1.881 1.913 2.010 0.000 0.424 1.059 1.537 1.722 2.053 2.432 2.810 3.102 3.530 3.865 4.100 0.000 0.551 1.255 1.702 2.300 2.641 3.032 3.429 4.001 4.412 4.759 4.992 0.000 0.901 1.385 1.742 2.100 2.641 3.132 3.629 4.010 4.596 4.952 5.560;%在试验中得到的不同转速不同负荷下汽油的供给量MAPTpwm=0.91 1.3 1.7 2.1 2.5 2.9 3.3 3.7 4.1 4.5 4.9 5.3 5.7 6.1 6.5 6.9;Qpwm=0 1.87 3.83 5.79 7.75 9.71 11.67 13.63 15.59 17.55 19.51 21.47 23.43 25.39 27.35 29.31;%电磁阀喷气特性曲线,Tpwm表示电磁阀的开启时间，Qpwm表示汽油的喷射量%PWM_Q_C= ;% 生成的计数值map控制图PWM_Q_last= ; % 离散插值后生成的map控制图%-关于循环每缸喷气量的计算-i=length(q); % 计算标定实验中所选取负荷点的个数j=length(n); % 计算标定实验中所选取转速点的个数for n0=1:i; for n1=1:j;Qxh (n0,n1) =( PWM_Q(n0,n1 )* 16666.666)/n(1,n1);% 计算每缸循环喷气量，生成循环天然气供给MAP endendsurf(PWM_Q)%-电磁阀开启时间MAP图的生成-for n0=1:i; for n1=1:j;PWM_T(n0,n1)=interp1(Qpwm,Tpwm,Qxh(n0,n1), cubic); % 采用三次样条内插法生产电磁阀开启时间map图 endendsurf(PWM_T); % 显示计数值MAP%surf(PWM_Qxy); % 显示每缸循环喷气量MAP% -电磁阀开启时间MAP图的生成-for n0=1:i; for n1=1:j;PWM_C(n0,n1)= PWM_T(n0,n1)*6000;% 采用三次样条内插法生产电磁阀开启时间map图(系统的时钟频不选择6MHZ)endend%surf(PWM_C); % 显示计数值MAP%surf(PWM_Qxy); % 显示每缸循环喷气量MAP% -插值计算后详细的计数值MAP图的生成-q1=10:5:85;n1=1000:22:5400; % q1代表插值计算负荷点, n1代表插值计算转速点x,y=meshgrid(n,q);x1,y1=meshgrid(n1,q1);PWM_Q_last=interp2(x,y,PWM_C,x1,y1,cubic) ;% 采用二元三次样条插值函数interp2函数产生新的控制计数器MAP图mesh(n1,q1,PWM_Q_last) ;xlabel(发动机转速 r/min)ylabel(节气门开度/%)zlabel(控制计数值)Title( 电磁阀的控制计数值MAP图)PWM_T_last=interp2(x,y,PWM_T,x1,y1,cubic) ;mesh(n1,q1,PWM_T_last) ;xlabel(发动机转速 r/min)ylabel(节气门开度/%)zlabel(开启时间/ms)Title( 电磁阀开启时间MAP图)附录A译文模拟研究发动机空燃比的闭环控制系统张付军，赵长禄，黄英，郝利军（机械与车辆工程学院，北京理工大学，北京，100081，中国）摘要为了研究空燃比的影响因素，空燃比波动的振幅和频率，改变空着策略，提高三元催化剂的效率，开发了闭环控制系统的模型，包括:发动机、混合气的输送、氧传感器、控制器等。模拟研究了影响空燃比的各种影响因素。模拟结果表明：氧传感器的参考电压会影响空然比的数值，控制器的参数会影响空燃比波动的振幅，发动机工况决定了空燃比波动的波动的频率，通过合理选择信号的获得方法和控制器的参数可以将空燃比波动的数值降到要求的范围内，通过控制器的软件延时可以将在高转速和负荷下的更高的空燃比波动频率下降。基于模拟仿真结果的空燃比闭环控制系统，与三元催化剂中的稀土元素一起，是有害的尾气实现更有效的转化。关键词空燃比；闭环控制；模拟仿真随着尾气排放法规越来越严格，空燃比闭环控制系统在火花塞点燃发动机上的应用越来越广泛。火花塞点燃发动机的排放水平受到三元催化装置的效率、发动机排放和空燃比控制精度的影响。如果空燃比得不到精确控制，就必须采用高效率的三元催化装置，这样就会成本上升。但是如果空燃比控制精度得到提高，则在符合统一排放法规的时候，可以采用更低价格的三元催化装置。这篇论文中，建立了装有开关型废弃氧传感器的空燃比闭环控制仿真模型。分析了控制器参数、发动机工况、EGO参考电压、EGO关于空燃比的获得信号的间隔、空燃比波动的振幅和频率的影响。发展了基于比例积分控制器的空燃比闭环控制系统，可以通过它，调节EGO参考电压和空燃比波动频率。实验显示：通过这个系统和三元催化装置中稀土元素的应用，提高了转化效率。1空燃比闭环控制系统仿真模型ECU通过修改喷油器的流量控制空燃比。燃油流量控制模式包括开环和闭环两种模式。开环控制又可以进一步分为两种情况：稳定和动态。在稳态情形下，燃油的流量主要由空气量和发动机转速决定。在动态情形下，喷油量有发动机温度和节气门位置传感器进行修正。在闭环控制模式中，ECU根据安装在排气系统总的EGO信号修改喷油量，这个信号能说明空燃比是出于较大或是较小的状态。所以，将空燃比控制在最佳空燃比的附近并且三眼催化装置有更高的效率。由于EGO传感器反应较慢和闭环控制，空燃比的控制主要是通过动态的状况下的动态喷油补偿来实现。这篇论文，主要研究稳态工况下空燃比的闭环控制。仿真模型包括：进气模型、油气混合传输模型、EGO传感器模型和控制器模型。1.1 吸气模型根据速度密度函数，吸气进气流量可以计算如下：其中：Vd是发动机的排放量，Tm是吸入空气的温度，R是通用的进气的常量，v（n，pm）是转化效率，这是一个关于发动机转速n和进气歧管压力pm 函数。在正常的工况下，转化效率主要由发动机转速和负荷决定。泰勒研究了转化交换的过程，分析了各种因素对它的影响，最终得到了如下表达式1：通过研究某一发动机，Dave Trumpy得到如下转化效率和进气歧管压力之间的关系：为了表达转速对转化效率的影响，表达式（2）改善如下：其中：o（n）和po（n)是节气门全开状况下的转化效率和进气歧管压力，可以通过性能模拟或标定试验得到。根据表达式（3），有： 1.2 EGO模型1.2.1 EGO稳态模型 EGO是空燃比闭环控制系统中的重要传感器，它的信号值在最优化的值附近跳动，这能反映空燃比究竟是较优还是较差。用如下函数式说明它的输出特性：其中：t是信号跳跃处的空燃比，k是控制控制跳跃率的函数，在这片论文中，k=4，t=14.61.2.2 EGO的动态模型稳态模型描述了当空燃比变化缓慢时空燃比和EGO信号Vs之间的关系。实际上，空燃比的变化速率很快，所以EGO的动态特性对空燃比闭环控制的影响就得考虑。William J.Fleming用图一所示的电路图表达了EGO动态特性。其中：Riga是二氧化锆传感器的电阻，Ra是电极的电阻，Vm是内部的电子电压，Vs是EGO的输出。这个电路描述了内部电场对EGO输出信号的影响，这个模型描述了EGO传感器作为一阶延迟，转化函数是：处于数十到数百微妙之间。其中：Te0是操控条件确定的的时间1.3 油气混合气输入模型油雾的输送过程包括在进气口油、气的混合，发动机工作循环，排气管中尾气的形成与输送，最终到达EGO传感器。Onder 开发了一种滞后的六阶模型以控制单个气缸的空燃比3。这个模型不仅考虑了进气口处油膜的动态过程，也考虑了排气管的布置方式。在空燃比闭环控制系统中，输送模型通常用二参数模型来描述4,5。参数之一用来表示由于发动机气体输送的非持续过程引起的延时（用Le表示），另一个参数用来表示混合气的形成和尾气的混合吗，其作为一阶延时（时间常量是Te）。Le由两部分构成：一是发动机工况非持续过程，另一个是气体输送的非持续过程。前一部分是由诱导期确定曲轴转角常量。后一部分是由气体流速所决定。根据文献4，Le可以表示为：其中：Le0是操控条件的延时（n0，pm0），n是发动机转速。时间常量Te主要由电流的大小所确定。电流越大，时间常量越小。1.4 控制器模型修改因子模型可以由人工智能控制器的模型得到。对于一个连续系统，人工智能控制器的输出可以表示为：其中：m（t)是人工智能控制器的输出，e（t）是控制参数实际值和目标值的差值，Kp、d分别是比例参数和系统输送的延时。表达关于公式（4）的Z过渡：其中：Ts是信号获得期。d是信号输送延时。表达关于公式（5）的反Z过渡：其中：n表示离散时间点。而对于开关型EGO，只有两种输出值，假设输出为：其中：Vs是输出电压，Vs0是最佳空燃比的数值。此时，e（n）接近于0，将Vs控制与最佳值的附近。公式两边都加上一，得到空燃比的修正系数：对于开关型EGO，e（n）只能是+1或-1，所以也可以表示为： 2 空燃比闭环控制模拟仿真为了鉴定模型的精度，在典型的工况条件下测定空燃比波动的周期与振幅。当控制器参数一致时，试验与模拟仿真结果比较在表一中给出。从中可以看出，仿真模型可以表示闭环系统的特征。表一：试验与模拟仿真结果比较（控制器参数一致） 2.1 EGO的参考电压对空燃比的影响表二说明了EGO的参考电压对空燃比的影响。试验和模拟仿真的结果都说明：不断提高的EGO参考电压将导致空燃比的下降，不断下降的EGO参考电压将导致空燃比的上升。所以说明模拟仿真模型说明了空燃比控制系统的特性，也具有更好的精度。根据这个结果，设计的控制器要具有调节EGO参考电压的能力。所以可以根据不同工况下不同的排放控制空燃比为不同的数值。这项措施可以提高循环试验中汽车的排放水平。表2 EGO参考电压对空燃比的影响2.2 控制器参数对空燃比的影响表三说明了：在两种工况下控制器参数对空燃比波动周期与范围和空燃比平均数值的影响。从表三中可以看出：比例积分参数对空燃比的范围有很大的影响，过大的数值将会导致大范围的空燃比。控制器参数也会影响到周期和平均数值，但是这种影响很小。空燃比波动的周期主要由运行工况决定。表3 控制器参数对空燃比波动周期与范围和空燃比平均数值的影响2.3 获得方法、EGO信号间隔、控制器参数之间的关系对于空燃比波动的周期、振幅速度的曲线，图二给出的是基于时间获取，图三是基于角度获取。从图二可以看出：在基于时间获取的情况下，更低转速下小获取间隔的曲线，图二给出的是基于时间获取，图三是基于角度获取。从图二可以看出：在基于时间获取的情况下，更低转速下小获取间隔图三说明：在基于角度获取的情况下，与基于时间获取相比，振幅随着速度的变化正好相反。这是由于随着速度的上升，获取时间间隔成比例的下降。但是空燃比波动周期的下降率要下降。这将导致在更高的转速范围内，EGO信号持续呈现高水平。所以这个影响因素很大，空燃比振幅上升很快。然而但获取的时间间隔增大时，振幅随着速度的变化很小。所以在基于角度获取时，根据跟高转速的要求决定获取的时间间隔。2.4 操控条件对空燃比的影响从表一和表三中可以看出：空燃比波动频率在高转速和大负荷下将会上升到5.0到6.0赫兹。但是已经证明，频率应该控制在0.5到2.0赫兹之间。在这个频率范围内，将会提高氧气储存容量和高转化效率，这也会提高控制系统相对于发动机运行变化和三元催化装置的适应性。为了避免高转速和大负荷下的过高的频率，在控制器中应用软件延时的方法。根据一阶转化函数，有：用拉普拉斯算子进行反向转换，我们得到一阶延时函数的原函数，假设采集时间是，得到离散形式：递推公式是：图3空燃比函数的周期、振幅转速（基于转角获得）图2空燃比函数的周期、振幅转速（基于时间获得）改变软件延时常量Td将会改变波动频对于操控条）和同一控制器参数，Td可以有效的控制空燃比波动频率，仿真表明：Td分别每增加0.03、0.15、0.30，频率就会分别下降4、3、2赫兹。3 控制系统的实验根据模拟仿真，控制软件发展了如下特征：利用基于时间的EGO信号采集方法，采集间隔时0.03秒。可以根据转速和负荷标定EGO信号的参考电压。可以根据转速和负荷标定软件时间常数Td。应用以上控制器和稀土元素的三元催化转化装置，建立排放控制系统。稳态下的排放比较I见表四。表4 排放比较4结论以下结论是由仿真和实验研究获得：空燃比的波动频率主要由操控条件决定，控制器参数应该和操控条件兼容。信号获得方法对空燃比的控制有很大的影响。采集间隔根据基于时间的获取和基于角度的获取分别由高速和低速的要求来决定。采集间隔和控制器参数的灵活选择而确定的灵活的数值，可以控制发动机整个操控范围内的空燃比波动的振幅。 EGO参考电压影响空燃比平均值。这个值越高，平均值越小；这个值越低，平均值越大。可以通过在控制器中引入软件延时控制在高转速和大负荷下的空燃比波动的过高的频率。所以可以提高三元催化装置的氧储存容量和转化效率。也可以提高控制系统相对于发动机工况变化三元催化转化装置的兼容性。这个控制系统和三元催化装置一起获得了更好的转化效率。参考文献1Talor.CF .内燃发动机的理论与实践，第一、二卷M.剑桥：麻省理工大学出版社，1965.2Fleming.W J.氧化锆氧传感器等价的电路模型R.汽车工程师协会800020,1980.3Oder.C H,Roduner C A,Geering H P.人工智能发动机空燃比路径的模型辨识R.汽车工程师协会970612,1997.4Ishii Junichi,Amamo Matsuo,Yamauchi Teruo 等.广范围空燃比控制系统R.汽车工程师协会880134,1988.5Hamburg D R,Cook J A,Kaiser W J等.用于三元催化转化装置和废气氧传感器之间的空燃比的发动机测功计研究R.汽车工程师协会830986,1988. 附录B外文文献中文题目：电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析外文题目：THE DESIGN AND ANALYSIS OF THE EXHAUST GAS DETECTING DEVICE IN THE ELECTRONICALY CONTROLLED GASOLINE ENGINE 毕业设计（论文）共 61 页（其中：外文文献及译文14页）图纸共5张完成日期 2010年6月答辩日期 2010年6月I摘要随着我国经济的持续发展和汽车保有量的不断提升，由此而带来的环境污染问题也越来越严重。为应对越来越严格的排放标准，尾气检测装置得到广泛的应用。首先，三元催化装置减少了各种化学污染物尤其是氮氧化合物的排放，为使这个装置达到更合适的工作状态，必须使空燃比尽可能的保持在14.7水平；其次，通过在排气管中安装氧传感器，将尾气的氧含量信号反馈给ECU,它会在采集到如发动机转速、进气管压力等数据的基础上，调整喷油的脉宽，改变喷油量，以达到最佳的空燃比。 419QE发动机是我国较早的发动机型，仍然采用较为传统的化油器式供油系统，本文以此款发动机的数据作为设计电控系统的依据。本文分析了汽车尾气排放物的种类及其生成机理以及它所产生的影响，阐述了国内外日益严格的排放法规，进一步说明电控汽油喷射的必要性和电子控制在解决尾气排放问题中所起的作用。本文选择了待改进的发动机类型并取得了一些参数，也选择了各种传感器的类型和参数，还着重设计了由传感器（转速、进气门压力、氧传感器）到中央处理器再到执行器（喷油器）的整个电控电路。本文还通过一些参数值确定并优化map图，为ECU控制喷油器和火花塞的工作提供了可靠的基础。选择单片机的类型并设计软件，实现预定的功能。关键词：汽油发动机，尾气检测，单片机，控制 ABSTRACTWith Chinas sustained economic development and car ownership is on the rise, thus environmental pollution problems is becoming more and more serious. In response to increasingly stringent emission standards, exhaust gas detection devices are widely used. First, the three-way catalytic device have done a lot to reduce a variety of chemical pollutants, especially nitrogen oxides emissions.And in order to make the device more work in a more suitable station, air-fuel ratio must remain at 14.7 level as possible; second, through the oxygen sensor installed in the exhaust pipe and the signal on oxygen content in the exhaust gas backed to the ECU, it would be collected, such as engine speed, intake manifold pressure based on the data, and then adjuste the fuel injection pulse width, change the fuel injection quantity to achieve the best possible air fuel ratio. 419QE engine is the engine of our earlier model, still using more traditional carburetor-type fuel injection system, this paper use the engine data as the basis for design of electrical control system.This paper analyzes the types of vehicle exhaust emissions and the formation mechanism and its impact，and introduce the increasingly stringent emissions regulations at home and abroad，and further shows the need for electronic control fuel injection and electronic control to solve the problem in the role of reducing emissions .This paper choose the type of engine to be improved and make a number of parameters, and also choose a variety of sensors and their parameters, and focuses on the design of the electronic control circuit from the sensors (speed, intake valve pressure, oxygen sensor) to the CPU and then to the actuator ( injector) .The article also identifies and optimizes Map diagram through a number of parameters，it provide a reliable basis for the ECU to control the fuel injectors and intended function.Key Words:Gasoline engine, exhaust gas detection, microcontroller, control大学本科毕业设计（论文）开题报告题目电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析指导教师院（系、部）机械工程学院专业班级学号姓名日期教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状1.1选题的目的世界范围内发生的能源危机及各国对汽车排放标准的不断提高，使人们对节约能源的要求越来越高。但是与此同时，新能源的汽车或者说电动车的发展缓慢，尤其是高额的成本和技术不成熟成为其普及的最大障碍。与此同时电子科技的发展与传统的发动机技术相结合，做到最大的程度的节省燃油，作为新能源汽车普及之前的过度技术变得越来越重要。这也是如今全球各大汽车厂商努力的方向。作为整车心脏的发动机，对于提高燃油经济性有更直接的作用。发动机需要根据各种工况，随时调整空燃比、喷油量、点火提前角等一些直接关系到燃油经济性的因素，所以准确的判断出各种工况是前提。通过各种传感器对发动机的运行状况进行分析便可得到其工况。本文就是用氧传感器通过对尾气进行分析，确定发动机的工况，然后将电信号传给ECU，与已经设定好的最优工况进行对比，作出反应，控制并调节节气门开度、喷油量和点火提前角。从而大大提高燃油经济性。1.2 选题的意义在新能源汽车普及之前，这是节约能源、保护环境的最佳措施。通过这个装置的设计，可以大大提高发动机燃油经济性。同时，这也具有巨大的社会意义。1.3研究现状现在的尾气检测装置，主要有传感器应用的差别和中央处理器的优劣。由于尾气中含有多种成分，所以单一的一种传感器并不能识别所有的气体的含量。所以尾气检测装置就无法做到精确的控制。英国最近研制出一种光谱传感器，它通过对尾气的光谱分析，可以精确测算各种气体成分，从而为实现精确控制提供了可能。二、研究方案及预期结果（设计方案或论文主要研究内容、主要解决的问题、理论、方法、技术路线及论文框架等） 2.1论文主要研究内容与解决问题 1.发动机和氧传感器的选择及其参数了解。 2.电信号的转变，即数模转换。设计电路将氧传感器输出的信号输入ECU。 3.ECU的选择，熟悉各个引脚的功能。 4.编制程序，以实现对信号的处理，并向执行元件发出控制指令。 5.执行元件的选择。本文中选择节气门开度执行元件和点火装置作为执行元件来控制。 6.设计控制电路。 7.选择合适的发动机型号，并得到其调整特性。 8.将整个装置集成到一起，形成整个控制电路，不断进行调试，使其能很好的工作。2.2主要的理论方法 1.主要是通过单片机的模拟软件和电路的模拟软件，不断的进行调试，使得单片机和电路都能正常工作。对输入信号能做出正确的应有的反应。2.3论文的主要框架绪论第一章绪言第二章尾气排放控制与空燃比第三章发动机样机选择第四章尾气检测装置与控制系统中央控制模块第五章前向通道模块与后向通道模块第六章尾气检测与控制系统软件设计第七章 MAP图制取与实验结果第八章技术与经济性分析第九章结论致谢附录：1.信号采集与控制电路图纸一张 2.执行元件-点火装置图纸一张 3.程序设计清单 4.设计说明书一份三、研究进度在总共十四周的毕业设计的时间内，安排如下：第1-2周：毕业实习,查阅相关资料，熟悉毕业设计任务；第3-4周：根据所查资料，撰写开题报告；第5-6周：选取原样机（化油器式）和各种传感器并确定其参数，选取执行机构；第7-8周：初步确定各种模块（传感器、执行机构）的外围电路；第9-10周：单片机的选择，准备程序的编制；第11-12周：编制单片机的程序；第13-14周：综合的检测整个系统的运行情况并修正；第15-16周：打印说明书和图纸，装订整理，准备答辩。四、主要参考文献1吴建华.汽车发动机原理M.机械工业出版社.2008 第一版 2曾秦煌.电子技术M.高等教育出版社.20063 胡乾斌，李光斌，李玲，喻红.单片微型计算机原理及应用M.华中科技大学出版社.20014魁金文，王慧. 液压传动M.东北大学出版社.20015周云山，钟勇. 汽车电子控制技术M.机械工业出版社.20016赵丽娟，解中宁. 控制工程基础M.东北大学出版社.20027中国电子技术协会敏感技术分会，北京电子协会，北京电子商会传感器分会.编传感器与执行器大全 M.机械工业出版社.20088陈家瑞. 汽车构造（上）M.机械工业出版社.20069李凤平，张世庆，苏猛，屈振生.机械图学M.东北大学出版社.200110 赵振武，刘得新，李志军，刘书亮.TJ376Q轿车电控撰油喷射(EFI)汽油机动态空姗比特性实验研究 J.天津大学.200111胡武，毕建权，陈忠官.机动车尾气检测装置 J.浙江大学.200112向禹.419QE型汽油机电控系统的匹配标定研究 J.武汉理工大学.200613 李光飞，李良儿，楼然苗.单片机c语言程序设计M.北京航空航天大学出版社.200514 沙占友，孟志勇，王彦鹏.单片机外围电路设计M.电子工业出版社.200615邢登军.发动机空燃比控制系统中的传感器 J.合肥工业大学.20085、指导教师意见指导教师签字：6 1目录1 绪言.11.1 本课题的研究背景.11.2 国内外研究现状.11.3 本课题研究内容简介.31.3.1 研究意义 .31.3.2 研究内容 .31.3.3 研究方案与技术路线 .42 尾气排放控制与空燃比.52.1 尾气的构成及产生机理.52.2 控制尾气排放的措施.62.3 空燃比控制.82.3.1 空燃比简介 .82.3.2 空燃比对动力性、经济性的影响 .112.3.3 空燃比对排放的影响 .122.3.4 不同工况对发动机空燃比的要求 .133 发动机样机的选择.143.1 发动机的选择及其参数.143.2 原机主要性能技术参数.144 尾气检测装置与控制系统中央控制模块.154.1 系统总体介绍.154.2 电控单元芯片选择.16电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析25 前向通道模块与后向通道模块.185.1 氧传感器.185.1.1 氧传感器工作原理及选择 .185.1.2 氧传感器电路设计部分 .195.2 转速传感器.205.2.1 转速传感器介绍 .205.2.2 转速传感器电路设计部分 .215.3 节气门位置传感器.215.3.1 节气门位置传感器简介 .225.3.2 节气门位置传感器电路设计部分 .225.4 喷油时刻与喷油脉冲控制电路部分.235.4.1 执行器的介绍 .235.4.2 电路设计部分 .246 尾气检测与控制系统软件设计.256.1 空燃比控制器软件设计.256.2 系统的主要模块.256.2.1 初始化模块 .256.2.2 采样模块 .266.2.3 中断模块 .286.2.4 显示扫描模块 .296.2.5 空燃比调节模块 .307 MAP 图制取与实验结果.3637.1 MAP 制取.367.2 MAP 图的补充.377.3 生成的 MAP 图的程序.387.3.1 生成喷油脉冲的程序 .387.3.2 生成喷油提前角的程序.407.4 实验结果.418 技术与经济性分析.428.1 经济性分析.428.2 技术性分析.429 结论 .43致谢.44参考文献.45电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析4摘要随着我国经济的持续发展和汽车保有量的不断提升，由此而带来的环境污染问题也越来越严重。为应对越来越严格的排放标准，尾气检测装置得到广泛的应用。首先，三元催化装置减少了各种化学污染物尤其是氮氧化合物的排放，为使这个装置达到更合适的工作状态，必须使空燃比尽可能的保持在 14.7 水平；其次，通过在排气管中安装氧传感器，将尾气的氧含量信号反馈给 ECU,它会在采集到如发动机转速、进气管压力等数据的基础上，调整喷油的脉宽，改变喷油量，以达到最佳的空燃比。 419QE 发动机是我国较早的发动机型，仍然采用较为传统的化油器式供油系统，本文以此款发动机的数据作为设计电控系统的依据。本文分析了汽车尾气排放物的种类及其生成机理以及它所产生的影响，阐述了国内外日益严格的排放法规，进一步说明电控汽油喷射的必要性和电子控制在解决尾气排放问题中所起的作用。本文选择了待改进的发动机类型并取得了一些参数，也选择了各种传感器的类型和参数，还着重设计了由传感器（转速、进气门压力、氧传感器）到中央处理器再到执行器（喷油器）的整个电控电路。本文还通过一些参数值确定并优化 map 图，为 ECU 控制喷油器和火花塞的工作提供了可靠的基础。选择单片机的类型并设计软件，实现预定的功能。关键词：汽油发动机，尾气检测，单片机，控制5 ABSTRACTWith Chinas sustained economic development and car ownership is on the rise, thus environmental pollution problems is becoming more and more serious. In response to increasingly stringent emission standards, exhaust gas detection devices are widely used. First, the three-way catalytic device have done a lot to reduce a variety of chemical pollutants, especially nitrogen oxides emissions.And in order to make the device more work in a more suitable station, air-fuel ratio must remain at 14.7 level as possible; second, through the oxygen sensor installed in the exhaust pipe and the signal on oxygen content in the exhaust gas backed to the ECU, it would be collected, such as engine speed, intake manifold pressure based on the data, and then adjuste the fuel injection pulse width, change the fuel injection quantity to achieve the best possible air fuel ratio. 419QE engine is the engine of our earlier model, still using more traditional carburetor-type fuel injection system, this paper use the engine data as the basis for design of electrical control system.This paper analyzes the types of vehicle exhaust emissions and the formation mechanism and its impact，and introduce the increasingly stringent emissions regulations at home and abroad，and further shows the need for electronic control fuel injection and electronic control to solve the problem in the role of reducing emissions .This paper choose the type of engine to be improved and make a number of parameters, and also choose a variety of sensors and their parameters, and focuses on the design of the electronic control circuit from the sensors (speed, intake valve pressure, oxygen sensor) to the CPU and then to the actuator ( injector) .The article also identifies and optimizes Map diagram through a number of parameters，it provide a reliable basis for the ECU to control the fuel injectors and intended function.Key Words:Gasoline engine, exhaust gas detection, microcontroller, control电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析61 绪言1.1 本课题的研究背景随着汽车工业的不断发展，汽车产量和保有量与日俱增，汽车排放对大气污染也日益严重，人类生活环境受到严重威胁。开发动力性、经济性和排放俱佳的汽车已成为汽车工业发展的必然趋势。世界各国都制定了日益严格的排放法规。1960 年美国南部的加利福尼亚州制定了世界上第一个汽车排放污染限制法规，1968 年美国又颁布了联邦排放法规，以后一再修订，日本与欧共体国家(即如今欧盟国家)也相继制定出排放法规。排放法规的日益严格，使传统的化油器及机械点火发动机难以满足要求。也制定了相应的政策。从 2003 年 7 月 1 日起，我国实行欧排放标准，而北京在 2002 年 8 月 1 日就提前执行了欧排放标准，并计划到 2008 年的奥运年将执行接近于欧 IV 水平的新排放标准。世纪内燃机问世以来，随着各种新技术的不断应用，其性能有了显著的提高。特别是近三、四十年内，电子技术得到飞速发展，各种高性能和高可靠性的传感器、微处理器和执行器相继问世，使得电控技术在发动机性能优化中的应用成为可能。电控技术所带来的高燃油经济性、大功率输出、低排放、优良的冷启动和暖机性能、怠速控制精确等优点使其在现代发动机中处于举足轻重的地位。其中，空燃比的精确控制是一直关注的焦点问题。众所周知，空燃比是发动机运行时的一个重要参数，对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。随着空气污染的日益严重，对汽车尾气排放要求越来越严格，需要对空燃比进行精确的控制。目前，电控燃油喷射结合三元催化转化技术己成为车用发动机降低排放的最直接有效的方式。然而，三元催化器的转化效率受空燃比的影响很大，研究表明，要想获得较高的转化效率(80%以上)，要求空燃比控制在化学计量比(即空燃比为 14.71误差不超过士 3.5%2。进气流量的精确测量是空燃比控制的基础，按所采用的传感器不同分为基于进气压力测量和基于进气流量两类，其中，基于进气流量的空气质量传感器在汽车上得到了较为广泛的应用。1.2 国内外研究现状传感器的特性问题成为研究的重点，对传感器的建模精度有了更高的要求，种传感器都存在传感器动态非线性，再使用线性动态模型和校正方法无法解决上述问题3。为此，国内外专家开始研究传感器的动态非线性问题，目前主要集中在传感器的动态非线性建模上。有以下几种模型:(1)volterra 级数4。该模型的物理意义清晰，但系数较多，尤其是7Volterra 级数高阶核非常复杂，还需要构造特殊要求的输入信号，不易辨识。(2)神经网络模型。神经网络函数为非线性，但其实时性差，计算量大，对传感器输入信号有要求。同时，模型存在收敛问题。(3)块联模型，典型的有 Wiener 和 Hammerstein 模型。此类模型结构简单，非线性和线性分开识别，大大降低识别复杂度。同时，也便于非线性校正。为了精确控制空燃比，需要研究关键传感器的动态特性。针对上述传感器，国内外专家使用各种方法进行动态特性的研究。Buehler 等提出以综合信息方法分析和控制热膜/线式MAF 传感器，以节流阀位置传感器和发动机速度传感器的信息，来预测空气质量流量传感器的输出，并将预测值与实测的空气质量流量传感器输出进行比较，调整模型参数，得到空气质量流量传感器在不同进气量下的特性，以控制进气量5。Mrad 等提出用时变自回归滑动平均(TARMAX)模型描述 MAF 传感器的动态非线性特性，预测传感器的响应6。Follmer W C 和 Ziesmer D A 等人利用扰动测量技术对热线式 MAF 传感器小信号激励下的响应特性进行了研究7，但由于对其呈现出的整个变化特性缺乏了解，因而在 ECU传统的控制策略中传感器的动态特性并未被充分考虑，以至于存在大的进气脉动时，无法准确地测量平均进气量8。但是这些方法或计算复杂，或难于实现，也不利于传感器的动态校正。国内，针对 MAF 传感器动态特性和动态非线性建模的研究较少。上海理工大学的李长武等设计了适用于内燃机的热线式态性能的研究9。上汽集团工程研究院研制了热膜式空气质量流量传感器，但没有进行动态性能研究10。长安大学的吴克刚从理论山分析了热模式传感器的动态特性11。但给出的数学模型与敏感元件的结构、材料、电桥电路和放大器的参数有关，仅对传感器设计有指导意义，无法用来分析产品型传感器的实际特性。氧传感器的响应特性不仅影响到空燃比的精确测量，而且影响到反馈控制器的调节时间和控制精度。出于各种目的，人们通过实验对不同氧传感器的动态性能进行了研究。合肥工业大学的谈建等在发动机实验台上，采用比较法对 EGO 传感器进行了稳态标定实验，根据实验数据，利用分段多项式法和非线性回归分析法建立了传感器的静态模型，取得了较好的结果12。任好等初步设计了动态标定实验方案，研究 EGO 传感器的动态特性，并采用了块联模型的建模方法解决其动态非线性问题13。LiMaoqing 等人将 TioZ 薄膜氧传感器安装在温度恒定的电加热炉内，通过改变 CO 和 CO2 的流量或 N2 和 O2 的流量来调整炉内气压，研究了传感器动态特性，正、负阶跃的时域响应对比。为了估计氧传感器的中毒情况，MassimoCarriero 等人14通过采用两个不同的加热装置(高温硅油和电加热器)把气体加热到实际废气温度，利用计算机控制 3 种不同模拟气体的流量，以实现电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析8N2/O2 混合气和 N2/CO 混合气的快速切换，并利用 N2 来排出管道中的残余气体。根据一组在汽车上使用过的氧传感器的动态特性测量结果，得到了不同的兄传感器开关特性与 AFR 漂移对称性的关系。罗志安15等人在汽油发动机台架上，对自行研制的 HEGO 传感器响应特性进行了研究。研究表明，若定义响应时间为入值发生变化，传感器输出达到始、末状态变化量的 2/3 所需时间，当入在 0.961.04 之间变化、排温为 350和 800时，混合比由稀到浓和由浓到稀的传感器响应时间分别为 95ms、600ms 和80ms、580ms。为了研究不同工作条件对 HEGO 传感器氧敏响应特性的影响，林健等人16在氧传感器专用测试平台上进行了一系列实验研究。结果表明，当定义响应时间为传感器输出在 300mV600mV 之间的切换时间时，在排温分别为 350、650、850，从 1.1 变化到 0.97 和 0.97 变化到 1.1 时，氧传感器响应时间分别为6lms、106ms、144ms 和 98ms、30ms、22ms。根据 CookJ.A 等人的研究，认为 ZrO:EGO传感器对空燃比阶跃变化的典型响应时间小于 300ms17。1.3 本课题研究内容简介1.3.1 研究意义目前，日益严重的全球环境恶化己威胁到人类的生存和社会的发展，环境问题己被公认是当今世界所面临的最为严峻的挑战，机动车尾气排放是造成环境污染的主要原因之一18。据有关资料介绍，世界汽车保有量己经达到 6.5 亿辆以上，我国汽车也超过 1000万辆，汽车数量和行驶密度的不断增加，加剧大气污染程度。我国首都北京地区大气环境中 CO、HC、NOx 的含量己经超过国家二级标准的规定，大气污染物中 60.6%的CO、8.68%的 HC、5.47%的 NOx 来自机动车辆的排放19。同时，有限的地下石油资源枯竭之日己近在眼前，据有关经济学家的反复论证，到 2010 年世界经济将发展到能源消耗的高峰，而世界上现已探明的石油储量到届时够用时间已缩短到 30 年，原先的产油国在21 世纪将变成进口能源的国家，各国为能源安全而展开的石油争夺战将更加激烈20。为此，减少同等汽车数量条件下的汽车排放，提高汽车对石油的使用效率成了如今的一个重要议题，其中，提高三元催化转化装置的转化效率是一个重要的措施。然而，只有通过准确的将空燃比控制的 14.7 的水平，三元催化转化装置才能以最高的效率工作，本文就是研究怎样将空燃比控制在 14.7 的水平。1.3.2 研究内容本课题研究燃用气体燃料发动机的空燃比控制技术。在本课题中采用过量空气系数。9来表征发动机运转过程中的空气量和燃料量之比。当 al.000 时，说明这时混合气状态为稀。本课题所研究的空燃比控制器要求燃料空燃比控制系统能够根据不同的 a 况快速反应，调整燃料喷射量，使发动机过址空气系数 a 稳定在三元催化转化器有效工作范围内（0.995-1.005），实现良好的排放性能。另外为实现空燃比控制系统有效的转化，本文还设计了实现此功能的控制电路；选择了作为输入装置的废气氧传感器、转速传感器、节气门位置传感器；燃油喷射时间和喷射时刻的控制电路。1.3.3 研究方案与技术路线本课题运用开环和闭环来控制燃气喷射量与喷油的时刻。当发动机处于过渡工况，如加载、卸载和加减速时，运用开环控制，根据转速信号和节气门位置信号对事先制取的燃气喷射占空比 MAP 图进行取值操作，从而控制喷油量和喷油时刻。当发动机处于稳定工况时，系统就采用开环与闭环相结合的方式控制，根据闭环系统中氧传感器反馈的废氧浓度信号不同，采取不同的空燃比控制策略实时计算喷气占空比，使系统工况较快稳定并达到较佳废气排放浓度。在闭环控制系统中，当废氧浓度波形信号较大程度偏离理想波形信号时，系统就采用增量逼近法，使空燃比快速地逼近理想空燃比范围(表现为过量空气系数。处于在窗口内)；当废氧浓度波形信号接近理想波形信号时，系统就采用 PI 控制，使空燃比稳定于理想空燃比范围:当废氧浓度波形信号处于低速振荡时，系统就采用固定增量法，使空燃比收敛于理想空燃比值。为实现研究目的，本课题主要工作包括如下几个部分：首先是空燃比控制系统电路设计。在电路中可实现对转速、节气门位置及氧传感器信号的采集、对电磁阀的驱动、喷油时刻的驱动及对上述参数的显示。其次，制取部分工况的燃气喷射占空比 MAP 图。在这些实验数据的基础上，通过线性插值方式对 MAP 图进行补充，为燃气喷射控制系统执行开环控制提供完善的燃气喷射占空比数据。最后是空燃比控制系统软件设计，使系统在不同的工况下按预定的控制方案对空燃比进行控制。电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析102 尾气排放控制与空燃比2.1 尾气的构成及产生机理发动机排放污染物有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和微粒等21，这些污染物对人体健康构成了极大危害，而且，排出的二氧化碳由于温室效应，对大气环境有严重的影响。一氧化碳是无色、无味、有窒息性的毒性气体，由于 CO 和血液中有输氧能力的血红素蛋白的亲和力比氧气的亲和力大 300 倍，很快会形成碳氧血红蛋白，阻碍氧的运输，导致低氧血症，是心脏、器官的功能严重受损，引起头晕、恶心、头痛等症状，轻度中毒将机理主要有以下几条：1.燃烧不完全燃烧。CO 是烃类燃烧在燃烧过程中由于缺氧而不完全燃烧的产物，理论上空燃比 a=14.9 时，烃类能完全燃烧，生成 CO2 和 H2O；当a14.9）时，混合气也不可能绝对的均匀，总会有过浓区，就会产生 CO。3.CO2 与 H2O 在高温下裂解。当发动机的缸内温度超过 2000，CO2 就会发生高温裂解反应，温度越高，离解反应越严重，生成的 CO 愈多。碳氢氧化物有数百种成分，基本上无色无味，对血液和神经系统有害，特别是多环芳香烃类有致癌作用。其中碳氢化合物（HC）的排放的生成与排放有以下三个方式：1.未燃的 HC 随着燃烧后的尾气、通过活塞与气缸之间的间隙漏入曲轴箱、从发动机和汽车的燃油系统三个方式散发。2.冷激效应。燃烧室壁面对火焰的迅速冷却时火焰不能一直传播到缸壁的表面，在表面山留下一薄层未燃烧的的或不完全燃烧的混合气。冷激效应是冷启动、暖机和怠速工况时 HC 的重要来源。3.油膜和沉积物吸附。在进气和压缩过程中，汽缸套壁面和活塞顶面上的润滑油膜会吸附未燃混合气的燃油蒸汽，随后当混合气中燃油浓度由于燃烧而降到零度时，油膜就释放出油气。由于释放时刻较迟，只能部分被氧化。这种机理产生的 HC 占总量的 25%30%。4.火焰淬熄。在冷启动和暖机工况下，因发动机温度较低只是燃油雾化蒸发和混合气形成变差，从而导致燃烧变慢和不稳定，有可能使火焰在到达壁面前因膨胀是缸内气体温度和压力下降造成可燃混合气大容积淬熄，使 HC 排放激增。这种情况在混合气过稀和过浓时，或排气再循环率大时，或怠速和小负荷工况下发生。加、减速瞬态工况更容易发生溶剂淬熄，是 HC 排放激增。11氮氧化合物，这主要是指的 NO。 NO 为无色无味气体，只有轻度浓度时，刺激性和毒性都不大，工浓度时会造成中枢神经有轻度障碍，但 NO 易被氧化成 NO2，这是一种毒性有刺激性的有毒气体。对人体个器官尤其是肺部影响严重。 Oo22 NNOON2 21ONONO2影响 NO 的因素有三个：1.氧的浓度。在高温条件下，氧的浓度时生成 NO 的重要因素。在氧浓度低时，即使温度高，NO 的生成也要受到限制。2.温度。高温时最重要的条件，即使氧很充足，但燃烧温度不高，氧的分解进行也很慢，NO 的生成浓度很低。当反应温度从 2237到 2337时，NO 的生成速率几乎可以快一倍。燃烧进行的愈充分，燃烧温度愈高，NO 的浓度也愈高，这也就是 NO 与消耗之间相互矛盾的原因。因为从燃油经济性观点来看，就要求燃烧效率高，燃烧进行的越充分完全，也就是要求燃烧速率快，并使燃烧散热集中在上止点附近，而这样燃烧温度必然高，因而 NO 生成量就多。3.反应滞留时间。如果燃气在高温富氧的条件下滞留时间长，NO 生产量必然增多。NO 生成反应是可逆的反应，但 NO 在燃气中逆反应速率缓慢，从而使缸内的 NO 实际浓度由于逆向反应速率太低而几乎没有下降，NO 就会冻结在一个非平衡的高浓度水平上而从尾气中排出。2.2 控制尾气排放的措施影响汽油机有害物生成的主要因素有混合气的成分、点火正时、负荷、转速、工况等几个因素。2.2.1 混合气的成分汽油机是一种预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，而且在怠速、满负荷工况下处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放的的最主要的因素。随着空燃比下降混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧物生成增加，使 CO、HC 迅速增加，在空燃比大于 14.9 以后，CO 浓度已经很低了，但随空燃比浓度比再增加时，因混合气浓度不均匀造成局部缺氧仍有少量 CO 生成。同时，因为 CO 氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使 HC排放也增加。NOx 浓度峰值出现在理论空燃比偏稀的一侧，反应出高的 NO 生产率必须高温、富氧两个条件。HC 的走向则是两头高，中间低，与燃油消耗率的变化基本山一致。电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析12当混合气逐渐变稀时，在缝隙容积与激冷层中混合气燃料比例减少，因此 HC 量减少。处于最佳燃烧的空燃比范围内，HC 及油耗均为最低。但当混合气过稀，火焰有可能熄灭，所以 HC 的生产量又会上升。2.2.2 点火正时如图 2-1。点火提前角较少时，后燃增加，膨胀时的温度及排气温度均上升醋精了未燃烧成分的氧化，这对 HC 减少有利。同时减小点火提前角，可以降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时间，可以降低 NOx 十分有利。可见，减少点火提前角降低 NO 及 HC 均有利，只是以牺牲动力性为代价。图 2-1 点火提前角对有害排放物的影响 Fig2-1 the impact of ignition advance angle on harmful emissions2.2.3 负荷负荷是通过混合气的成分对燃烧产物中有害物质发生影响的。汽油机在怠速及小负荷工况运行时，节气门分别在几乎关闭和小开度的位置，进气量激怒少，废气相对增多，供给的混合气偏浓，而且燃烧温度较低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，是 CO 排放量增加；又因为燃烧室温度低，燃烧室壁面激冷现象严重，未燃烧的燃油量增加，结果导致 HC 排放量增加。在中等负荷，供给经济混合气，容易完全燃烧，废气中的 CO 减少，HC 也减少。由于燃烧室温度提高，NOx 增多。在满负荷时，供给浓混合气，使燃烧气体压力、温度提高，致使 NOx 生成量增多；同时提高了排气温度，是 HC 在排气中继续燃烧，13其排放量减少；但因混合气过浓，是 CO 增加。2.2.4 转速随着发动机转速的提高，混合气经过进气系统的流速及活塞运动速度也提高，缸内紊流加强，促进了混合，盖上了缸内的燃烧，减少了冷激层的厚度，使 CO、HC 排放减少。NOx 的生成与混合气成分有关，当混合气过浓时，由于转速过高散热时间相对缩短，缸内燃烧温度升高，使 NOx 生成量增加。当混合气的浓度稀时，由于燃烧持续角度增加，燃烧温度反而下降，使 NOx 生产量减少。提高怠速转速使混合气变稀，CO 及 HC 排放减少。因此，从减少发动机排气污染出发，可适当提高怠速转速，但同时应注意到随着转速升高油耗也会有所上升。2.2.5 工况汽车发动机主要是在不稳定工况下工作，包括怠速运转、加速运转、定速运转、减速运转等。不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。怠速与减速是 HC生成的主要工况。在怠速工况下，燃烧环境温度比较低，缸内残余废气量比较大，混合气比较浓，致使燃烧恶化，HC 排放浓度增加，在减速工况下，很高的进气管真空度使进气管内沉积的燃料油膜大量蒸发，这是 HC 的主要原因。2.3 空燃比控制基于以上的叙述可知，鉴于空燃比与尾气有害物质排放的关系与三元催化转化装置的工作特点，可以得出结论：控制尾气有害物质排放的实质就是控制空燃比的大小。因此，接下来就介绍空燃比的控制方法。2.3.1 空燃比简介发动机空燃比控制的核心是喷油控制，目的是保持给定的空气和燃油比，其实质是比值控制。空燃比控制主要由前馈和反馈控制组成。常见的空燃比闭环控制框图如图 l一 l 所示。空气质量流量传感器(MassAirFlowMeter，MAF)安装在节气门前的进气管中，用于测量空气质量流量，电子控制单元(ECU)根据 MAF 传感器测量的流量和设定的比例关系产生相应的喷油量，实现给定空燃比的前馈控制。开环控制无法保证空燃比的控制精度，因此在排气管中安装废气氧传感器(Exhaust gas oxygen sensor，EGO)，测量尾气中的氧含量，反馈给 ECU，进一步调节喷油的依据，由此形成反馈控制，来实现准确的空燃比控制。电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析14 所谓空燃比(AF)，即表示燃烧时空气量和燃料量之比。它的关系为: 燃料流量空气流量空燃比此外还可运用过量空气系数()来表示燃烧时空气量和然料量之比，它烧 1kg 的燃料的实际空气量与理论空气量之比。 lgmob1式中：实际进入气缸的新鲜空气的质量 kg，m1 侮循环燃料供给星 kg，gb 燃料完全燃烧所需的理论空气量 kg 。lo过量空气系数兄(当 =l 时，为理论混合比)值在 1 附近时(实际上在 0.9951 之间)，三元催化转换器可以取得最好的催化效果（如图 1-2）3，即趋向于同时 CO、HC、NO、保持在相对最小。这些性能与反馈系统中的氧传感器甚为关，氧传感器是在电子燃油喷射式发动机上进行空燃比反馈控制的传感器，安装在发动机的排气管上，作用是通过检测排放气体中氧的含量来获得混合的空燃比浓度信号，并将检测结果转变成电压信号输入 ECU，ECU 根据氧传器输入的信号，不断地对喷油脉宽进行修正，使混合气浓度保持在理想范围内实现空燃比的反馈控制，即闭环控制。由于发动机控制的复杂性，还需要综考虑转速、压力、温度等其他传感器提供的信息，才能真正完成空燃比控制。图 2-1 A/F 闭环控制框图Fig 2-1Closed-loop control block diagram15 图 2-2 空燃比与 TWC（三元催化转化装置）转化效率大小Fig 2-2 The relationship between Air-fuel ratio and the efficiencyTWC (three-way catalytic conversion device) 图 2-3 过量空气系数 a 对点燃式发动机排放的影响Fig2-3 The impact of air coefficient a on the SI Engine Emissions电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析16图 2-4 空燃比对动力性、经济性的影响Fig2-4 The impact of Air-fuel ratio on the power, economic2.3.2 空燃比对动力性、经济性的影响图 2-4 给出空燃比与发动机燃油消耗率输出功率和火焰温度的关系。当空燃比略小于理论空燃比时，燃烧火焰温度最高空燃比偏离时，火焰温度都会降低的火焰燃烧速度最大时的空燃比是比火焰温度最高的空燃比还要小一些。此时发动机输出功率最大称为功率空燃比。混合气浓度加大时燃烧不完全同时燃烧速度和温度都下降发动机油耗明显上升功率下降空燃比在 16 附近变化时发动机油耗最低火焰温度和发动机功率均下降这种略稀混合气的空燃比称为经济空燃比，在功率空燃比与经济空燃比之间的混合气成分是汽油机常用的混合气它可使发动机获得较好的使用性能根据以上分析可以看出提高发动机功率和降低油耗是矛盾的要提高功率就会降低经济性提高经济性必然降低动力性因此对发动机空燃比的控制要同时兼顾动力性和经济性。17图 2-5 空燃比对尾气排放的影响Fig2-5 The impact of Air-fuel ratio on exhaust emissions图 2-6 空燃比与汽油机负荷的关系Fig2-6 the relationship between the Air-fuel and gasoline engine load2.3.3 空燃比对排放的影响汽油机的排气是汽车排放污染物的主要来源。它们的排放量与空燃比点火提前角、发动机结构等因素有关其中空燃比和点火提前角的影响最大（图 2-2 所示为排放中有害气体浓度随空燃比变化的关系）。有害气体浓度与燃烧时空燃比有密切关系。图中可以看出排气中 CO 的浓度，大致上取决于空燃比。当混合气较稀，空燃比在 16 以上时，空燃比的变化对 CO 的影响不大。而当空燃比小于 16 时随着空燃比的减小，CO 的浓度便急剧增加，HC 排放主要取决与燃烧过程中未燃混合气的多少。HC 排放在空燃比为 17 时具电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析18有最佳值。空燃比偏离 17H 排放加大。发动机排出的氮氧化物，除少量 NO2 外，大量是 NO 其生成条件是高温富氧，当混合气空燃比为 15.5、16 时 NO 浓度最高。空燃比增大或减小，NO 浓度会逐渐降低。由以上分析可以看出 CO、HC、NOX 随 A/F 变化的规律也是不一致的，有时是截然相反的，另外排放指标与动力性、经济性之间也有矛盾，所以空燃比控制要兼顾各种因素的影响。2.3.4 不同工况对发动机空燃比的要求由于不同的运行工况对发动机工作的稳定性动力性和燃油经济性的要求侧重点不同，所以对混合气的空燃比的要求也有所不同。1) 稳定工况要求的空燃比在稳定工况运转过程中没有转速和负荷的突然变化，对混合气空燃比的要求根据实际运行的转速与负荷而定稳定工况大致可分为怠速小负荷中等负荷、大负荷及全负荷几种情况。怠速工况发动机空负荷运行，废气稀释作用大，为保证混合气正常燃烧，必须供给很浓的混合气。如图 2-6 所示 A 点小负荷时随节气门开大，稀释作用减小，空燃比沿图 2-6 中 AB 线段逐渐变大中等负荷时，要求供给发动机稀混合气以获得最佳燃油经济性。这种工况如图 2-6 所示 BC 段。空燃比约 16、17。在大负荷时，要求逐渐加浓混合气满足功率要求。如图 2-6 中 CD 线段，实际上节气门全开前所有部分负荷工况都应供给经济混合气。只是在全负荷时节气门已全开。为获得最大功率，必须加浓供给功率混合气，空燃比为 13 如图 2-6 中 D 点，从大负荷过渡到全负荷，混合气逐渐加浓。 2) 过渡工况要求的空燃比。汽车实际行驶中发动机经常处于非稳态的过渡工况，负荷或转速随时间不断变化，如冷启动、暖机、加减速等工况。冷车起动时为保证冷起动顺利，混合气空燃比要减小，暖机阶段也要求浓混合气，直到发动机达到正常温度以正常混合气稳定运转，加、减速时，加、减速瞬间要适当加浓（切断）混合气以获得良好的加、减速过渡性。综上所述，汽车发动机对空燃比的要求非常严格，特别是过渡工况。空燃比影响因素之多，变化范围之大是难以想象的，只有采用微机控制空燃比才能满足其要求。 193 发动机样机的选择3.1 发动机的选择及其参数本论文所研究的 49lQ 汽油机原机是 49lQ 型系列汽油机，主要用作各类轻型载货汽车、轻型越野汽车、旅行车、客货两用车及轿车的配套动力，也可作为同类进口汽车的更新动力。下面主要针对原机性能和结构分别作以介绍。本文主要列出了改型发动机在不同空燃比下各种尾气排放量。然后通过改装，加装尾气检测与控制系统，然后再计量此时的在不同空燃比的情况下各种尾气的排放量，并保持动力性基本不变，以此来证明所设计的检测装置的有效性。3.2 原机主要性能技术参数表 3-1 491Q 型发动机技术参数性能指标22Table 3-1 491Q engine performance technical parameters型号BN491Q型式四冲程、水冷、直列、楔形燃烧室汽缸数4汽缸直径，mm91活塞行程，mm86总排量，L2.237总功率/转速， kw r/min68/42004600怠速转速，r/min75050燃油牌号无铅 RON90（SH004193）最低燃油消耗率，g/kw.h292机油燃油消耗率，%u-T，u+T 一 u-T 称为回差电压)时，触发器才能翻转回原来的状态。施密特触发器最主要的应用是对波形的整形，它能够将上升、下降过程变化很缓慢的波形转换为上升、下降都十分陡峭的矩形脉冲，而且因其回差电压而具有很强的抗干扰能力。窗口比较器同施密特触发器的基本特性相同如图所示氧传感器的输出信号在理论空燃比附近具有开关特性。因此，在实验系统中，采用由比较器构成的窗口比较器对汽车氧传感器的输出信号进行处理。氧传感器输出微弱信号首先经过滤波之后，再进行二级放大到 05V 电压信号，该信号再经过 LM358 进行限幅保护后输入到由 LM393 比较器构成的窗口比较器，实现将氧传感器输出的陡峭信号转变为方波脉冲信号，输到单片机。比较器 LM393，将原始信号转换为矩形波。当输入信号的电压低于其同相端与地之间的电压时，LM393 输出端的电平就为高，反之则为低。25图 5-2 氧传感器电路Fig5-2 The circuit oxygen sensor5.2 转速传感器转速传感器也是发动机控制喷油量和点火时刻的重要依据参数，主要用来获取发动机的转速。5.2.1 转速传感器介绍转速传感器，将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器。转速传感器属于间接式测量装置，可用机械、电气、磁、光和混合式等方法制造。按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。把被测参量转换成数字量输出的传感器。它是测量技术、微电子技术和计算技术的综合产物，是传感器技术的发展方向之一。转速传感器选用霍尔式传感器，此传感器输出数字脉冲信号，可以直接为单片机所用。因此，转速信号经过 RC 滤波后输入单片机，当测速齿轮的齿对准霍尔转速传感器时，传感器会输出一个矩形脉冲，单片机在一定时间内读取转速脉冲次数，经过计算，即可得到发动机的转速。一般的数字式转速传感器的引脚如下图：（JN383）电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析26 图 5-3 转速传感器的引脚 Fig5-3 The pin of speed sensor5.2.2 转速传感器电路设计部分由于此转速传感器的输出量为数字量，所以可以直接与单片机相连，RPM 接 INT0口。图 5-4 转速传感器外围电路 Fig5-4 The external circuit of speed sensor5.3 节气门位置传感器与转速传感器一样，节气门位置传感器也是一个发动机控制喷油量和点火时刻的重要参数。这两个传感器的信号共同决定了以上提到的两个量，所以，其精度直接关系到尾气排放的控制。275.3.1 节气门位置传感器简介节气门传感器属于可变电阻型传感器，输出的是一个模拟信号，所以在输入到单片机之前，需要用数模转换器将其变成为检测节气门的开度，节气门体处加装一个直线式节气门位置传感器 7 结构和原理分别如图它是日本日立公司生产，型号为 HITACHI SERA484-2。打开节气门时，节气门开度信号动触点与怠速信号动触点(IDL)在电阻膜上滑移。VC 端子上一直加有稳定的 5V 电压，动触点则依照节气门的开度在电阻上滑移，由此在 VTA端子上就会有与节气门开度成比例的电压输出，所以，通过测量 VTA的电压值，就可以知道节气门的开度。当节气门全闭时，检测怠速状态的动触点使 IDLE2 两个端子导通，从而输出怠速状态信号25。在使用过程中，应注意对传感器进行维护，防止电阻膜上的灰尘过多，导致触点与电阻膜接触不良，对实验产生不良影响。5.3.2 节气门位置传感器电路设计部分节气门位置信号的输入时一路唯一的模拟量输入信号。单片机所能接受的信号必须是数字信号，所以要有一个能将节气门位置的电压模拟量转换成为二进制数字量的转换器件。常用的模/数(A/D)转换器有两大类型，一类称为“双积分型”A/D 转换器。另一类称为“逐次逼近型”A/D 转换器。双积分型 A/D 转换器的价格较低，抗干扰能力较强，转换精度高，但转换速度较慢。每秒只能完成数次转换，只适用于对数据采集速度要求较低的合。在这选择逐次逼近型 A/D 转换器 ADC0809。ADC0809 是 8 位、具有地址锁存控制的 8 路模拟开关，应用单一+5V 电源，其模拟量输入电压的范围为 05V，对应的数字量输出为 00H 司 FFH，转换时间为 100ps，芯片的时钟频率最高可 1 工作于640kHz，在微机数据的采集方面使用较为普遍。在电路中，ADC0809 的片选端与74LS138 的 Y7 相连，频率信号由单片机的品振频率 20MHz 经二进制计数器 74LS393 分频后得到 625kHz 时钟频率。ADC080926的主要组成部分是一个 8 位逐次逼近型 A/D 转换器。为了实现 8 路模拟信号的实时采集，片内设置了带有所存功能的的 8 路模拟选通开关，以及相应的的通道地址锁存和译码电路，可对 8 路 05V 的输入模拟电压进行分时转换，转换后的数据动如三态输出数据锁存器。ADC 主要特征如下：1）分辨率为八位；2）最大不可调误差小于;ULSB3）可锁存三态输出，能与 8 位处理器接口；电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析284）输出与 TTL 兼容；5）不必进行零点和满度调整；6）单电源供电，供电电压为+5V；7）转换频率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是 101280Hz；当时钟频率选为 500Hz 时，对应的转换时间为 128us。图 5-5 节气门位置传感器外围电路Fig5-5 The external circuit of the throttle position sensor 5.4 喷油时刻与喷油脉冲控制电路部分5.4.1 执行器的介绍执行器是单片机系统对控制对象实现控制操作的元件。单片机完成控制处理后，总是以数字信号通过 I/O 口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数/模转换成模拟量控制信号。执行器主要包括火花塞和和喷油电磁阀。这些都可以根据需要选用。数字点火控制系统主要由电源、传感器、电子控制系统（ECU）、点火控制模块、分电器、火花塞等组成。电源主要提供点火能量。ECU 通过各种传感器（主要是转速和进气管绝对压力传感器）的信号，想点火控制模块发出控制指令，由点火控制模块将点火信号放大驱动点火线圈工作。本文主要选用电磁阀驱动点火。电磁阀采用 12V 进行供电。电磁阀驱动电路如图所示，PWM 信号由 ECU 给出，并经过 Q1、Q2 实现两级放大，实29现对电磁阀开启、关闭动作，最终实现对点火线圈的控制。因负载呈电感性，所以在输出装置中加入消除反向电动势的保护二极管 DI。同理，ECU 在综合了各种信号之后，找出了最佳的喷油量，并通过控制喷油阀的开闭，实现对喷油量的控制。针阀打开的升程约为 0.1mm，具体选择的喷油器见附录。5.4.2 电路设计部分由于由单片机输出的只是数字量，及矩形的脉冲信号，最高不过+5V,无法驱动执行器的工作。为此，必须经过两级的反向放大器将信号放大，直到+12V，使之能完全达到驱动电压。图 5-6 执行器的电路图Fig5-6 The actuator circuit电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析306 尾气检测与控制系统软件设计6.1 空燃比控制器软件设计本项日着重研究空燃比控制器，要求控制系统能随时根据发动机的工况，给出最适量的燃油，发动机的过量空气系数 a 处于人窗口(a=l 士 0005)，这样就可保证催化转化器效率最高，排放性能最好。当工况突变时，如果燃油量仍然按照突变前的燃油量供给发动机，或者燃气供给量的变化率不适应工况参数变化率，那么氧传感器所检测到的的废氧浓度状态必然会产生变化，或者表现为浓状态，或者表现为稀状态。如果废氧浓度信号旱现高低电平信号周期性交替出现时，那么此时过量空气系数 a 较接近窗口状态，在这种情况下，若喷油量变化过大，则可能使初步稳定的废气排放条件被破坏，发动机义处于排放恶化状态。为了尽快地使空燃比达到较佳状态，本研究的土要设计思想为开闭环互相结合，粗、细、微调逐步精确。由于因产地、季节的变化使燃气的成份、热值等热力参数发生改变，仅靠开环控制无法满足废气低排放的要求，需要闭环控制对由各种变化引起的不足进行修正。在喷气量的变化上要做到逐步逼近最优值，以防控制过于粗暴，造成状态控制不稳定 a 在这种控制方法的基础上，再根据不同的工况，进行调整时间的控制。6.2 系统的主要模块尾气排放控制器软件主程序流程图见图 6-1。整个程序包括初始化模块、采样模块、显示扫描模块、中断模块和确定，空比模块共 5 个人模块。其中，确定空燃比模块还可分为取值粗调模块、增量逼近细调模块。6.2.1 初始化模块在这一模块中程序对各个相关口位、专用寄存器单元、位单元及数据单元进行初始化，规定了这些单元的初始状态，以防这些单元的初始值影响程序的执行结果。31图 6-1 尾气排放控制系统主程序流程图Fig6-1 The main program flow chart exhaust emission control system 6.2.2 采样模块采样模块包括三种采集功能；转速采样、废气氧浓度采样、节气门位置采样。6.2.2.1 转速采样模块在转速采样模块中，转速计数是由外部中断 INT0 口(低有效)完成的。中断请求采用跳变触发方式。转速传感器不停地检测到转速脉冲，当 INT0 引脚(低有效)上出现负跳变时，该负跳变经边沿检测器使 IE0 置 l，向 CPU 中请中断。CPU 响应中断后由硬件自动清除 IE0，然后执行外部中断 0 的程序，将转速脉次数加 1，如此反复，转速脉冲数就累加为 NRPM。则转速值的计算公式为: （式 6.1）TNTNTNRPMRPMRPMRPMRPMRPMZn100060100060601000式中： n转速，单位 rpm（转/分）转速采样周期，单位为 msTRPM电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析32 转速采样周期内总的脉冲个数NRPM Z测速齿轮的齿数，本实验中 Z=60 在定时器/计数器 2 的中断程序中，当转速采样周期结束后，按照式 6.1 计算TRPM转速值，然后清除累加数累加单元，以便开始下一个采样周期的工作。6.2.2.2 废气氧浓度采样模块废废氧浓度采样模块主要检测在废氧浓度采样周期内，比较器 LM393 输出端的废氧浓度高(低)电平的时间和电平跳变次数，废氧浓度采样程序框图如图 6-2。在检测废氧浓度电平时，若检测到 LM393 的输出端电平为高电平时，废氧浓度高电平计数累加单元数加 l，若 LM393 的输出端电平为低电平，程序则不对高电平次数进行累加计算:接着程序判断上次检测到的废氧浓度电平是否与这次图 6-2 废气氧浓度采样流程图Fig6-2 The sample flow chart of Exhaust gas oxygen concentration 33 检测到的废氧浓度电平同为高(或低)电平，若二者电平不相同，则在电平跃变次数单元加1 后判断系统的振荡性，若二者电平相同，程序不执行上述两步;然后程序判断废氧浓度采样周期结束了没有，若采样周期结束了，就计算本采样周期内废氧浓度高电平的时间和电平跳变次数以及其它相关单元的量，若木次采样周期未结束，程序就不对上述单元的值进行计算。在程序退出废氧浓度采样模块之前，需将本次 LM393 输出端的电平值(新电平)赋给上次 LM393 输出端的电平值旧电平)单元，以便下回采样流程中对新旧电平值的比较。6.2.2.3 节气门位置采样在节气门位置采样模块中，主要是读取 ADC0809 的一节气门位置值通道的转换结果。6.2.3 中断模块在中断系统的 6 个中断源中，有用到的中断源有 3 个，分别是外部中断 0、定时器/计数器 1 和定时器/计数器 2。它们的优先顺序从高到低为:外部中断 0定时器/计数器 l中断定时器/计数器 2 中断。外部中断 0 模块用于累计转速脉冲数。定时器/计数器 1中断用于.产生驱动喷气阀的脉冲信号，然后对相应的控制口位进行操作。设脉冲周期是ms，分成 Pulse_Max 等分，则每个等分的分辨率为:TvpTAVG 个机器周期（式 6.2）TTTCYVPAVGMaxPulse_1000式中：系统时钟机器周期，usTCY 定时器/计数器 l 经过 X 定时时间后开始对电磁阀的控制口位进行控制，而 X 己经包含原来进入定时器/计数器 1 预置的初值时间 Th1Tll 了，故而在计算开通电磁阀的初值时间要对它补偿。（式 6.3）655361_TllThXSumrPTAVG 式中：喷油阀可开启的电平宽度SumrP_预置的开通电磁阀的初值时间是： TllThSumrPTTAVGHL1_655361电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析34 = TllThSumrPHTAVG1_0 （式 6.4）TAVGSumrPTllTh_1预置的关闭电磁阀的初值时间； TllThSumrPMaxPusleTTAVGHL1)_(655361 TllThSumrPMaxPusleHTAVG1)_(0 （式 6.5）TAVGSumrPMaxPusleTllTh)_(1 定时器/计数器 2 主要是起定时和设置启动参数的作用。当采样定时、显示扫描定时到了的时候，程序就对它们的功能标志位进行操作;当取转速定时到了的时候，程序就读取转速值;当发动机处于起动过程时，根据不同阶段，赋给它固定的喷油量使发动机能保持基本运转的需要;一旦完成起动过程，程序马上对计算允许位赋值，使发动机在后续的运转过程中能根据实际需要计算喷油量。当发动机停止运转时，程序对一些单元及口位进行相应的操作，如占空比值单元和增量单元，运转标志位和计算允许标志位。6.2.4 显示扫描模块在显示模块中，有 4 项内容要显示:空燃比比值显示、转速显示、节气门位置值显示和废氧浓度值显示，显示内容由开关电路决定。在程序中，把要显示的内容值转换成 BCD码后送入显示缓冲区每 20m 刷新缓冲区 1 次。扫描模块用于扫描 4 个按键是否有被按下和是哪个按键被按下主要用于人工制取取MAP 图阶段。在白动控制阶段这 4 个键被禁用以防误动作。4 个按键的功能分别为:键 1 是调节空燃比变化量是粗调还是细调。当键被按下时，调节量状态就变为与上次状态不同的另一状态。键 2 是的功能是减少空燃比正脉冲宽度。每按一次键，就减少一个单位量正脉冲宽度。键 3 是的功能是增加空燃比正脉冲宽度。每按一次键，就增加一个单位量比正脉冲宽度。键 4 的功能是存储工况。当发动机稳定于所希望的工况，而且过量空气系数a=l.00 时，就认为此时的空燃比是该工况的最佳空燃比，这时就可将空燃比比值写入ROM 中，暂存转速、节气门位置和废氧浓度这三个工况参数。要扫描某键时，某键的片选端被选通，这时若该键被按下则此时单片机将CSi 235检测到低电平信号，否则将检测到高电平信号。每 T1 ms 扫描 1 路，即每 4T1、ms扫描一遍所有的按键。这个扫描频率为 250/T1Hz，大于一般手动速度，不会造成扫描遗漏。当扫描确认为某键按下时，设定循环 3 次，即 34T1ms 才执行该键功能，这部分其实起“消抖”作用，防止造成一次按键多次误执行某功能。扫描流程框图见图 6-3。图 6-3 键扫描流程图 Fig6-3 The flow chart of key scan6.2.5 空燃比调节模块当发动机结束起动过程并进入正常运转时所需的喷油量就可根据各种信号来综合进行计算。怎样更快地让发动机进入正常工况，排放量达到最优状态，这是本研究的重点。因此怎样给出各工况的相应喷油空燃比是非常关键的。为此本研究提出了开闭环互相结合，粗、细、微调逐步精确的控制方式。本模块包括取值粗调模块、增量逼近模块、PI 微调模块和低速振荡微调模块。其中取值粗调模块是根据节气门位置传感器信号和转速信号来决定，其余均由氧传感器信号来决定。电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析366.2.5.1 取值粗调模块当工况发生变化时，相应地其喷油量的调节和其它条件的变化也要跟上工况的变化，才会使新的工况较快地稳定并有较好的排放性能，否则会造成混合气浓度太稀或太浓，影响发动机的排放性能，严重时会造成发动机飞车或熄火现象，这样不但不利于空燃比控制，而且.还会对发动机造成损害。当控制系统在工况变化时，若不对空燃比进行粕调，则当工况变化太快时，发动机容易出现熄火现象;当工况缓慢变化时，调整时间过长，控制系统易出现振荡，最终要经过几十秒才可达到较好的氧信号输出波形。即使对控制系统的参数进行调整，其结果都不是很理想。工况缓慢变化而不易造成发动机熄火，其原因是由于当节气门或负载变化缓慢时，控制系统有足够的时间不断检测发动机的状态及计算新的喷油占空比，从而对当前喷油量进行补偿，虽然混合气浓度状态仍然偏稀或偏浓，但它还是可保证发动机不熄火。在粗调模块中运用开环控制，一旦工况变化超过系统允许值时，系统可直接根据节气门位置值和转速值，在 MAP 图中杳出相应的喷油量来控制发动机当前工况。取值粗调模块中还注意到对空燃比饱和点的控制，限制了喷油量最大值和最值。此模块的调节精度，主要取决于 MAP 数据的精确性。所以，要制定决定精确的MAP 图式前提。6.2.5.2 增量逼近模块经过粗调后系统取得的喷喷油量快速地逼近理想值，但其控制结果大部分与理想结果还有相当大的差距。这时控制系统就要对当前喷油量进行进一步的控37图 6-4 用增量逼近法计算喷油量的流程图 Fig6-4 Flow chart of approximation method to calculate the incremental volume of fuel injection 制。它需要根据系统反馈信号不同而调整喷油量的变化量，使该变化量符合工况的需求。文献27指出:当前大部分空燃比反馈控制系统所采用的经典 PI 具有白振荡性。这些系统必须测出在废氧传感器出现某信号到喷射开始之间的延时时研究在控制系统中运用增量逼近法实现对喷气.生了空比的细调功能。增量逼近法就是根据氧传感器的反馈信号，控制系统按照喷油增量的计算规律给出一个当前空燃比增量，让该增量与上次喷油增量进行增量加减运算，若废氧状态为浓则执行减法运算；若废氧状态为稀则执行加法运算，得到一个当前喷油量，使之作用于系统。程序流程框图见图 6-4。占空比增量的计算规律为:系统检测当前废气氧浓度反馈信号，若当前废气氧浓度与上次废气氧浓度相同，均为稀状态或均为浓状态，这表明喷油增量较小，不足以使混合气浓度大小正常值。因此，必须把上次的喷油增量扩大一倍，得到当前喷油的增量；若当前废气氧浓度与上次不同，废气氧浓度表现为从上次的高电平翻转为低电平，或从以前的低电平翻转为现在的高电平，这表明上次的喷油增量较大，使混合气浓度超过正常状态，因此将上次的喷油增量减少一半。得到当前喷油增量。在增量逼近法中，有两个参数对控制结果产生较大的影响：一为增量逼近周期；二电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析38为系统赋予的增量逼近初值。在计算过程中要对这两个参数进行调节。6.2.5.3PI 微调模块在稳定工况下，为提高系统稳定性，在细调模块之后，控制系统增加了对喷油量的微调功能。在微调模块中，本控制系统采用 PI 调节器。PI 调节器是 PID 调节器的变种，PID 是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，它具有技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要求出控制对象的数学模型、控制效果好等优点25，在现代仍能得到广泛应用。 PID 调节器是一种线性调节器。其框图如图 6-5 所示。其原理是把设定值 W 与实际输出值 Y 相减，得到控制偏差 e,偏差 e 经比例积分和微分后通过线性组合构成控制量 u，然后用 u 对对象进行控制。图 6-5 PID 控制框图Fig6-5 The control block diagram of PID PI 调节器是由比例(P)环节和积分(I)环节共同作用的。比例环节的控制规律为: (式 6-6）uKopeu 式中 KP 为比例系数，u0 为控制常量，即误差为零时的控制变量。比例环节对误差 e是即时响应的，误差一旦产生，调节器立即产生控制作用，使被控制的过程变量 Y 向减小误差的方向变化。但是比例环节不能减小到零，它有残存的误差(静差)。加大比例系数KP 可以减小静差，但当 KP 过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。总之，比例环节的优点是反应快，缺点是不能完全消除静差。为了消除比例环节中残存的静差，在比例环节的基础上加入积分环节，组成比例积分(PI)环节，其控制规律为:39 (式 6-7）uTKopedteu01)1( 其中为积分常数，越大积分作用越弱。T1T1 积分环节的输出值取决于对误差的累积结果，虽然误差不变，但积分环节的输出还在增大，直至使误差护 0。因此，积分环节的加入能自动调节控制常量，消除静差，uo使系统趋于稳定。在采样时刻(T 为采样周期，i 为正整数)，式 6.7 可通过数值公式Tit (式 6-8）ueTeKuoijjpT0111近似计算得到位置式 Pl 控制算法。如果采样周期取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。由(式 6-8)的及，两式相减，得出增量式 PI 控制算法。uiui 1 111eTeeKuuuiiipiiiT (式 6-9） eKKeeKKijjiipp21121)(变换式 6-9 得到： (式 6-10）eKKeeKKuuuuijjiippiiii2112111)( 本研究采用增量式 PI 算法。因为位置式 PI 算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，容易产生较大的累积计算误差。而增量式 PI 算法只ej需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的影响较小。6.2.5.4 低速振荡微调模块如前所述，经过增量逼近法的细调后，在低速会产生周期性的振荡。如何消除振荡是低速阶段控制的重点。当系统产生周期性的振荡时，基本上过量空气系统数值都处在 0.991.01 范围内。这说明此时系统已处于或即将处于最佳空燃比输出状态，但是如前所述，系统根据所检测的氧传感器振荡波形状态使喷油值的输出就按增量逼近法忽增忽减，这又进一步造成电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析40了喷油浓度的偏浓或偏稀，于是系统就振荡于一个动态平衡的循环中。缩小喷油计算周期，将周期缩小至增量逼近法周期的 3Tcal/4、Tcal/2 和 Tcal/4，随着周期的变小，经过增量逼近法细调模块的调节后，低速稳定状态控制效果有所改善，尤其是Tcal/4 周期的计算结果，己可满足控制要求，但是它会产生一个不可忽视的缺点:发动机运转不稳，经常在运行过程中熄火。这是由于控制系统响应提高了，但是在低速时发动机及传感器的响应跟不上控制系统的响应频率，如转速变化速度较慢等，所以导致实际油量供给状态过浓或过稀，由此产生熄火。故当发动机处于低速振荡状态时仅依靠调节喷油计算周期是不够的，需专门为发动机的低速振荡状态提供一个喷油量调节模块。只要检测到发动机处于低速振荡状态，就不再进入增量逼近模块或 Pl 计算模块，直接进入低速振荡调节模块。在这个模块中，吸收了增量逼近法中短周期控制响应快的优点，其控制模式实际上是增量逼近法的变形，采用较小计算周期，固定增量控制模式。控制系统对喷油量执行增加或减少喷油量的操作是由振荡状态最后的跃变电平来决定的。废氧采样的振荡判断对本模块来说是关键的一个环节。由于不同工况下振荡时各个振荡周期并不相同，因此须以两个跃变沿之间的宽度作为一个状态，在这个判定中需要用 4 个跃变状态，才可以较全面地判断系统是否处于振荡状态。振荡状态的判定依据是: l)跃变宽度小于某一值的状态不得连续 3 次出现 2)四个跃变宽度中至少有 2 个跃变宽度大于大部分振荡跃变宽度四个跃变宽度总的高电平值与总的低电平值之比不得超出 2/33/2 范围。至此，由取值粗调增量逼近法细调PI 或低速振荡微调控制流程结束，空燃比控制系统对发动机的控制也取得了较好的效果。417 MAP 图制取与实验结果电控汽油机要正常运转必须先有一个初始的喷油脉宽 MAP 图和点火提前角 MAP 图。初始控制 MAP 是保证控制系统正常工作的最基本的控制数据，在此基础上才能进行大量的优化匹配试验并最终确定控制数据。初始控制以 P 主要包括喷油脉宽毗 P 和点火提前角 MAP。发动机怠速时，主要保证发动机的怠速稳定性，兼顾到经济性;全开油门时，每一转速对应一个空气流量，不可能通过增加空气量来提高功率，因此以发出最大功率为原则;部分油门开度下获得最低的燃油消耗率。对于发动机每一工况，均有一最佳喷油脉宽值，在该脉宽值对应的喷油量下发动机能得到最佳的性能，这些喷油脉宽值的点的集合就是通常所说的 MAP，把这些数据存入 ECU 的 EPROM 中。在实际运转过程中 ECU根据发动机的工况从表中查出喷油脉宽值，然后根据发动机的实际运行状态进行修正，修正后的数据即为发动机当前所需的最佳脉宽值，这就是电控系统工作的一般原理。7.1 MAP 制取在开环控制阶段，电控汽油发动机喷油量控制单元根据各相关信号条件，提取实施控制策略前预存的实验数据值(所形成的图表称之为 MAP 脉谱图)，以达到快速控制燃料喷射量的目的。MAP 图是发动机开环控制的核心，而开环控制的结果影响后续的空燃比逼近理论空燃比的速度，所以 MAP 在很大程度上影响着控制的结果。故在制取脉谱值时要尽可能地排除其它影响因素，力求得到最精确的数据。若将 MAP 图数据按速度特性顺序制取，由于实验过程中转速的波动，不但会造成制取条件的不连续性，影响 MAP 值的电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析42准确程度，而且浪费实验时间，故 MAP 图依按负荷特性来制取，即转速不变时，测出其余参数(节气门位置、空气流量、流量和发动机的有效功率)随负荷的变化而变化的关系。本研究以节气门开度来表征负荷的大小。整个 MAP 制取实验过程中必须保持发动机喷射压力不变。其中在制取某个转速下的负荷特性时，对该负荷特性上的每个一工况点都ni必须按如下的步骤进行:首先需调整适合的载荷和节气门开度，将转速调整固定于该转速值;然后在保持转速值不变的基础上，通过调节载荷和节气门开度、增减喷气量占空nini比等措施，过量空气系数 a=l.00。此时的喷油量即被认为是此工况下的最优喷油量，并将此值存入 ROM 中。至此已完成-个 MAP 工况点的制取。接着在转速值保持不变的前ni提下，让节气门按一定的顺序(逐渐增加或逐渐减小)连续变化，并按同样的顺序调整发动机的载荷，按同样的操作步骤，取得该负荷特性上其余各工况点的喷气量占空比。这样就完成了转速的负荷特性。最后调整不同转速值，按照制取 n 转速值负荷特性的步nini骤重复操作，这样就可得到不同的转速 n 的负荷特性。这些负荷特性构成了一个以节气门位置和转速为坐标的二维脉谱图。最后在 ROM 中共存有 48 个原始脉谱值，所制取值的转速范围为 2000rpm-2400rpm。同样的方法，我们可以获取点火提前角的 MAP 图。7.2 MAP 图的补充为了使每个工况执行取值操作时都能取到一个预存的 MAP 值，因此，在己制取的多个原始 MAP 图工况点的基础上，对未做到的点进行人工插值。人工插值采用线性插值方式，内插时根据两个原始制取点的值和其变化率对该段数值进行插值计算。外插时根据最外端的点和这条负荷特性线上平均变化率进行插值，这样可以防止由于某些原始点的偏移导致外插值的异常。在插值时，考虑到制取原始点时两负荷特性的转速只相差 100rpm，可满足控制的要求，所以没有进行转速间的插值，只进行节气门位置之间的插值。当插值完成后，为防止在小节气门开度情况下，由于喷气量太小造成发动机熄火或大节气门开度情况下，由于喷气量太大引起发动机转速的急剧上升，本研究对 MAP 数据的最高喷射油量及最低喷油量进行限制。经过实验调试，本研究最终确定了喷油量的范围最大喷射油量不大于喷射周期的 60%，最小喷射占空比不小于喷射周期的 4%。在实验过程中，当转动节气门时，有时会出现节气门开度增大时，该节气门位置所43对应的喷油量反而比原一节气门位置(转动前)所对应的占空比小，造成发动机转速下降，当节气门开度较小时还造成熄火。这是由于某些原始 MAP 数据的偏移造成插值数据的偏移，使相邻两工况点的占空比差异较大。为消除这种不正常现象，需对 MAP 数据进行修正。实验发现，发动机在较大节气门开度时对喷油量差异的敏感性远低于其较小节气门开度时对喷油量差异的敏感性。在较大节气门开度时，当相邻两工况喷油量相差不大于 5%时，节气门开度的调整不会导致发动机运转工况的异常变化;在较小节气门开度时，当相邻两工况占空比相差不大于 0.2%时，节气门开度的调整也不会导致发动机运转工况的异常变化。因此，本研究在修正 MAP 数据时根下述准则对插值后的 MAP 图中的某些异常插值点进行调整。MAP 数据的调整准则为:在往最大节气门开度方向发展的外插区域中，外插相邻两工况点之间，对于转速较大或节气门较大的工况点，其占空比值不小于较小转速或较小节气门的占空比值与 5 之差;在往最小节气门开度方向发展的外插区域中，外插相邻两工况之间，对于转速较大或节气门较大的工况点，其喷油比值不小于小转速或小节气门的占空比值与 0.2 之差;内插区域不进行调整。调整后的 MAP 图基本呈现“节气门开度(或转速值)大，其对应的喷油量也较大”的正比趋势，这可使空燃比控制系统在执行取值操作时，不因相邻两工况点的喷油差异较大而导致发动机运转不连续的现象。插植后的部分MAP 数据见附录.经实验证明:该 MAP 图中的数值总体上还是体现了发动机在相应工况下所需的燃料喷射量。7.3 生成的 MAP 图的程序7.3.1 生成喷油脉冲的程序 %MATLAB 程序（制取 MAP 图）clear%-原始数据的整理q=10:15:85;n=1000:400:5400;% q 代表标定负荷点，n 代表标定转速点PWM_Q= 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.155 0.233 0.301 0.371 0.421 0.510电控汽油发动机尾气检测装置设计与分析44 0.000 0.114 0.254 0.376 0.454 0.532 0.643 0.704 0.760 0.813 0.885 0.931 0.000 0.400 0.557 0.934 1.057 1.271 1.476 1.616 1.750 1.881 1.913 2.010 0.000 0.424 1.059 1.537 1.722 2.053 2.432 2.810 3.102 3.530 3.865 4.100 0.000 0.551 1.255 1.702 2.300 2.641 3.032 3.429 4.001 4.412 4.759 4.992 0.000 0.901 1.385 1.742 2.100 2.641 3.132 3.629 4.010 4.596 4.952 5.560;%在试验中得到的不同转速不同负荷下汽油的供给量 MAPTpwm=0.91 1.3 1.7 2.1 2.5 2.9 3.3 3.7 4.1 4.5 4.9 5.3 5.7 6.1 6.5 6.9;Qpwm=0 1.87 3.83 5.79 7.75 9.71 11.67 13.63 15.59 17.55 19.51 21.47 23.43 25.39 27.35 29.31;%电磁阀喷气特性曲线,Tpwm 表示电磁阀的开启时间，Qpwm 表示汽油的喷射量PWM_Q_last= ; % 离散插值后生成的 map 控制图%-关于循环每缸喷气量的计算-i=length(q); % 计算标定实验中所选取负荷点的个数j=length(n); % 计算标定实验中所选取转速点的个数for n0=1:i; for n1=1:j;Qxh (n0,n1) =( PWM_Q(n0,n1 )* 16666.666)/n(1,n1);% 计算每缸循环喷气量，生成循环油汽供给 MAP endend%-电磁阀开启时间 MAP 图的生成-for n0=1:i; for n1=1:j;PWM_T(n0,n1)=interp1(Qpwm,Tpwm,Qxh(n0,n1), cubic); % 采用三次样条内插法生产电磁阀开启时间 map 图 endendsurf(PWM_T); % 显示计数值 MAP% -电磁阀开启时间 MAP 图的生成-45for n0=1:i; for n1=1:j;PWM_C(n0,n1)= PWM_T(n0,n1)*6000;% 采用三次样条内插法生产电磁阀开启时间 map 图(系统的时钟频不选择 6MHZ) endend% -插值计算后详细的计数值 MAP 图的生成-q1=10:5:85;n1=1000:22:5400; % q1 代表插值计算负荷点, n1 代表插值计算转速点x,y=meshgrid(n,q);x1,y1=meshgrid(n1,q1);PWM_Q_last=interp2(x,y,PWM_C,x1,y1,cubic) ;% 采用二元三次样条插值函数 interp2 函数产生新的控制计数器 MAP 图PWM_T_last=interp2(x,y,PWM_T,x1,y1,cubic) ;mesh(n1,q1,PWM_T_last) ;xlabel(发动机转速 r/min)ylabel(节气门开度/%)zlabel(开启时间/ms)Title( 电磁阀开启时间 MAP 图)7.3.2 生成喷油提前角的程序 %MATLAB 程序（制取 MAP 图）clear%-原始数据的整理-q=10:15:85;n=1000:400:5400;% q 代表标定负荷点，n 代表标定转速点PWM_Q=1.0 2.1 5.1 8.3 8.4 9.2 10.2 10.6 12.3 13.2 16.9 17.40.9 2.0 5.0 8

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