一种电控燃气发动机空燃比控制方法

一种电控燃气发动机空燃比控制方法

　　技术领域

　　本申请涉及一种电控燃气发动机空燃比控制方法。

　　背景技术

　　在四冲程发动机排气冲程结束时，并不是气缸内所有的气体都被排出，这部分残留下来的气体称为残留气体。残留气体对空燃比控制精度的影响分为两方面：1.残留气体温度高，使得在进气阀开启瞬间气缸内的压强高于进气歧管内的压强。由于压强差的存在，在进气阀开启后，缸内的高温气体会流入进气歧管，而后与新鲜的空气一起在活塞运动形成的真空压力的作用下，被吸回气缸。即使是在稳态工况下，残留气体的波动也会导致实际吸入气缸的空气质量 Man(k)相应的波动ΔMan(k)，影响空燃比控制精度。2.由于残留气体中包括燃烧产物、残留的未燃烧的空气和残留的未燃烧的燃气，当残留气体、实际吸入气缸空气质量Man(k)和喷入气缸燃气量Mfn(k)三者混合以后，气缸内混合物的空燃比将发生变化。从而大大影响了控制的精度，而空燃比的控制精度对燃气发动机的经济性和排放性有极大地影响。

　　发明内容

　　为了解决上述问题，本申请提出了一种电控燃气发动机空燃比控制方法，包括如下步骤：

　　基于缸压得到残留气体份数r(k)，k为循环次数；

　　获取气缸内总的空气质量的观测值以气缸内总的燃气质量的观测值输入的新的空气质量Man0(k)；

　　测量得到的空燃比空燃比的观测值

　　确定设计参数L1(k)>0、L2(k)>0；

　　计算得到输入的燃气质量：

　　其中λd为理想空燃比。本申请通过调整输入的燃气质量来调节空燃比，从而使得空燃比在一个适宜的范围内波动。

　　优选的，所述

　　优选的，所述

　　优选的，Man(k)＝Man0(k)+ΔMan(k)，ΔMan(k)为残留气体引起的波动， Man(k)是实际吸入气缸的空气质量。

　　优选的，所述其中ε是气缸压缩比，n是多变常数，是排气冲程结束时的缸压，是排气冲程开始时的缸压。

　　优选的，所述观测值按照如下方式计算得到：

　　

　　优选的，还包括误差系统，所述误差系统包括e1(k)和e2(k)，

　　优选的，所述误差系统为：

　　

　　优选的，应用近似线性化，得到，其中，

　　本申请能够带来如下有益效果：既解决了汽缸内总的空气质量Ma(k)和汽缸内总的燃气质量Mf(k)无法在线测量，不能用来做反馈控制的问题，又将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。

　　附图说明

　　此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

　　图1为本申请的控制方法的示意图；

　　图2为数值仿真结构图；

　　图3为本申请的空燃比控制方法对精度的影响图；

　　图4为开环控制的空燃比控制方法对精度的影响图。

　　具体实施方式

　　为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本申请进行详细阐述。

　　在实施例中，如图1所示，一种电控燃气发动机空燃比控制方法，包括残留气体份数测量模型、气缸内总的空气质量和燃气质量观测器、喷入气缸燃气量控制器。

　　建立考虑残留气体份数的燃气发动机动态模型：

　　

　　其中Ma(k)是汽缸内总的空气质量，Mf(k)是汽缸内总的燃气质量，λd是理想空燃比，μ(k)是燃烧效率，r(k)是残留气体份数，Man(k)是吸入气缸空气质量， Mfn(k)是喷入气缸燃气量，k是循环数，一个循环定义为从压缩冲程开始到进气冲程完毕。将吸入气缸空气质量Man(k)建模为Man(k)＝Man0(k)+ΔMan(k)，其中 Man0(k)可通过空气质量传感器在线获取，ΔMan(k)是由残留气体引起的波动。

　　建立残留气体份数估计模型：

　　

　　其中ε是气缸压缩比，n是多变常数，是排气冲程结束时的缸压，是排气冲程开始时的缸压。

　　建立气缸内总的空气质量和燃气质量观测器：

　　

　　其中是Ma(k)的观测值，是Mf(k)的观测值，L1(k)>0和L2(k)>0是设计参数，λ(k)是空燃比测量值是空燃比观测值

　　定义则(1)和(3)的误差系统为：

　　

　　应用近似线性化，

　　

　　将(5)代入(4)，误差系统为：

　　

　　其中

　　选取李雅普诺夫函数

　　

　　其中e(k)＝(e1(k),e2(k))T，表示空燃比与其理想值的误差(因为)。

　　对取差分：

　　

　　取喷入气缸燃气量控制器Mfn(k)为：

　　

　　将(8)代入(7)，

　　其中γ>1是干扰抑制水平。取c为常数，其中设计参数代入(9)

　　

　　将(10)两边从k＝0加到

　　移项

　　由(12) 知，利用上述方法，既解决了汽缸内总的空气质量Ma(k)和汽缸内总的燃气质量 Mf(k)无法在线测量，不能用来做反馈控制的问题，又将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。

　　对于控制器的有效性，可以通过在MATLAB/Simulink里搭建燃气发动机的数值仿真模型来验证，用公式(1)、(3)、(8)，进入气缸空气流速模型、平均指示扭矩模型、发动机转速模型、进气歧管压强模型、节气门空气流速模型：

　　进入气缸空气流速模型：

　　

　　——进入气缸的空气的流速(kg/s)；ρa——空气的密度(kg/m3)；

　　Vd——气缸的排量(m3)；

　　ηv——容积效率；

　　ωe——发动机转速(rpm)；

　　Pm——进气歧管压强(Pa)。

　　平均指示扭矩模型：

　　

　　Te——平均指示扭矩(Nm)；

　　ηi——指示热效率；

　　Hu——燃气的低热值(J/kg)；

　　R——理想气体常数(J/(kgK))；

　　Tm——进气歧管的温度(K)。

　　发动机转速模型：

　　

　　J——转动惯量(m2kg)；

　　Tl——负载扭矩(Nm)。

　　进气歧管压强模型：

　　

　　Vm——进气歧管的容积(m3)。

　　节气门空气流速模型：

　　

　　——通过节气门的空气流速(kg/s)；

　　s0——节气门的面积(m2)；

　　φ——节气门的开度(degree)；

　　Pa——大气压强(Pa)；

　　R——理想气体常数(J/(kgK))。

　　数值仿真结构图如图2所示。

　　将提出的燃气发动机空燃比控制方法(8)与开环控制方法的空燃比控制效果在发动机转速为1200rpm、外部负载为60Nm的工况下做了比较，见图3以及图4，其中开环控制方法表达式：

　　开环控制未考虑残留气体对空燃比控制精度的影响。从图3、图4可以看出，提出的燃气发动机空燃比控制方法下空燃比波动范围小于开环控制下空燃比波动范围。

　　令其中N表示燃气发动机运行的循环数，得到下表。

　　表1

　　由γ>1可知，提出的一种电控燃气发动机空燃比控制方法在10000-50000 循环，均可将ΔMan(k)对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。

　　由图3、图4和表1可看出，提出的通过控制燃气输入量的方式来进行燃气发动机空燃比控制的方法能够有效抑制残留气体的影响，提高空燃比的控制精度。

　　以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。