电子节气门控制系统开发研究.docVIP

第一章 绪论 1.1 汽车电控技术概况 随着汽车工业的不断发展，人们在努力追求汽车动力性、经济性的同时，对汽车行驶的安全性、稳定性和驾乘舒适性也提出了更新更高的要求[1]。此外，自20世纪70年代以来，面对能源短缺和环境污染等一系列问题，各国相继制定、颁布了严格的油耗法规和排放法规[2，3]。为此汽车的设计、生产必须很好地满足安全、节能和环保等方面的性能要求。随着汽车工业与电子工业的不断发展，电子技术在汽车上的应用越来越广泛，给汽车的控制装置带来了巨大的变革，为进一步提高性能提供了新的途径[4]。现代汽车上日益广泛地采用电子技术，汽车由单纯的机械产品向机电一体化产品方向发展，成为所谓的“电子汽车”[5]。 现代的汽车电子控制系统，都是以微处理器为核心组成的微机控制系统，随着微电子技术的发展，控制功能的进一步加强，功能强大、运算速度更快的16位甚至32位微处理器得到越来越广泛的应用[6]。微处理器不但可以精确地把汽车上所有待测量都检测出来，而且还具有运算、判断、预测和引导等功能，如可监视汽车各大部件的工作情况，还可以对蓄电池电压、轮胎气压、车速等数据进行统计从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。电子产品 图1-1 整车范围内电控技术的应用情况 1.2 发动机管理系统的发展 自1967年博世公司研制开发成功D型汽油喷射系统以来，汽油喷射系统就在不断地改进和完善，形成今天的电控汽油喷射系统[14]。1980年以来，各大汽车公司相继开发出了具有各自特色的发动机电子控制系统，如美国福特公司的EEC系统，日本丰田汽车公司的TCCS系统。燃油喷射系统取代化油器已成必然趋势，美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司90年代生产的轿车上几乎100%采用了电控汽油喷射系统[15]。 新一代的电控汽车发动机是把汽油喷射和点火系统等控制结合在一起，实现对汽油机供给混合气成分与点火定时的优化控制。随着控制项目的扩展、电子技术的不断发展和控制要求的不断提高，汽车发动机电控系统的功能随之扩增，控制精度继续提高，除了能够控制汽油喷射、点火定时之外，还能控制怠速转速、暴震、排放、进气、进行故障自诊断等，发展成为发动机管理系统[16]。 1.2.1 传统的发动机管理系统 发动机管理系统的主要任务是根据驾驶员的要求控制发动机的输出功率和扭矩，这就需要计算所需的进气量和与之对应的喷油量、最佳点火正时。一旦确定了这些参数，系统立即对执行器实施控制，执行器管理节气门、喷油器和点火线圈。此外，发动机管理系统还设定了许多附加功能(如怠速控制、转速调节、空调操作等)，以及汽车的牵引力控制系统和车辆电子稳定系统等，其中许多控制对象也消耗发动机功率[17]。 在汽油机中，最主要的控制对象为喷油、点火和进气充量。传统的发动机管理系统如图1-2所示[18]： 图1-2 传统的发动机管理系统示意图 各控制功能的扭矩需求信息逐一送到发动机电控单元进行处理，并输出相应的控制量至进气充量、喷油和点火的执行器。在这样的控制系统中，各功能模块如怠速控制或车辆电子稳定控制等，以独立的方式直接调整发动机运行参数，于是就可能出现相互矛盾的要求。在同一时间各功能模块可能会有不同的需要，这就需要复杂的控制算法来保证不同模块的优先级。如果系统进一步扩展的话，需要对算法进行调整，同时需要对整个系统重新标定。 1.2.2 基于转矩控制的发动机管理系统 图1-3 基于转矩控制的发动机管理系统示意图 随着电子技术的不断发展、控制功能的不断加强，发动机管理系统向集中控制发展，实现了基于转矩控制的发动机管理系统，如图1-3所示[18～22]。在基于转矩控制的控制系统中，踏板的输入信号只是反映驾驶员的转矩需求，大多数附加的开环、闭环控制功能模块同样影响着发动机的转矩。发动机管理系统首先采集所有的转矩需求，转矩协调控制单元能确定不同的转矩需求的优先级并协调，然后将最重要的需求实现。该协调控制策略能从发动机每次协调操作中，获得最佳的排放和燃油消耗。 在喷油和点火的控制方面，基于转矩控制的发动机管理系统和传统的发动机管理系统基本相同，但在进气充量控制即节气门的控制方面却有很大的区别。传统发动机管理系统进气量的调节是驾驶员通过对加速踏板的操纵来实现的。基于扭矩控制的发动机管理系统中，踏板向ECU输入节气门期望的开度，以反映驾驶员的转矩需求。发动机管理系统根据最终的转矩计算出所需的进气量、喷油量和点火正时。根据气缸进气量可以计算出相应的节气门开度，并把与此开度相对应的控制信号传给节气门开度控制执行器，实现“电驱动”。因此发动机管理系统是首先确定所需的进气量，并由此“反算”出节气门的实际开度[23，24]。传统的节气门已经不能满足需要，电子节气门控制系统应运而生，成为