动力系统

汽油机管理系统¶

EMS
油、气、火三者的调控就是由这个系统完成的
因为管理的范围比较大（进气有可变进气道长度、）

燃料系统电子控制 EFI¶

历史¶

使用的是化油器进行混合气的制备：
就是 6 浮子室中的油在压差的作用下进入

实现功能：

1. 加工燃油、形成可燃混合气
2. 燃油定量控制、调整空燃比

K-Jetronic¶

上述为机械控制燃油定量、定压多点进气道连续喷射

上面的这个是机电混合的，通过 ECU 进行加浓或者是减稀的处理

LH-Jetronic（1981）¶

电控单元控制燃油定量、进气道间歇喷射：

引入了闭环控制，利用氧传感器进行空燃比的控制

BOSCH Motronic¶

目前的先进的控制系统

传感器——ECU——执行器

上述的总结¶

电控汽油喷射系统分类：

• 按系统控制模式：
  分为开环控制和闭环控制，现代汽车发动机电子控制系统中，通常采用开环与闭环相结合的控制方式（使得在所需的空燃比附近、瞬态工况开环快一点）
• 按喷油实现的方式：
  分为机械式、机电混合式和电子控制式
• 按喷油器数目：
  分为单点喷射（Single-Point Injection, SPI）和多点喷射（Multi-Point Injection, MPI）两种
  
• 按喷油器的喷射方式：
  分为连续喷射和间歇喷射，间歇喷射又可细分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种形式
  这个是针对多点喷射的，多个气缸，同时喷射（但是工作时序上存在一定的差异，导致燃料的停留时间不一样，每个缸的差异比较大）；顺序喷射（最好，完全按照工作的时序）；分组喷射
• 按喷油器的喷射部位：
  分为缸内喷射和缸外喷射两种（缸外又有节气门、进气道两种）
• 按空气量的检测方式：
  分为直接检测方式和间接检测方式两种
  • 质量 - 流量方式：
    
    \(\mathrm{m_{f}}=\frac{q_{a}}{\lambda}\cdot\frac{60}{n/2}\cdot\frac{1}{i}\propto\frac{q_{a}}{n}\)
  • 速度 - 密度控制方式：
    \(\mathrm{m}_{\mathrm{f}}=\frac{p_{0}}{RT_{0}}\cdot\frac{V_{\mathrm{d}}}{\lambda}\cdot\frac{1}{i}\cdot\eta_{\mathrm{v}}(p_{\mathrm{m}},n)\propto f(p_{\mathrm{m}},n)\)
  • 节气门 - 速度方式：
    \(\mathrm{m}_{\mathrm{f}}=\frac{p_{0}}{RT_{0}}\cdot\frac{V_{\mathrm{d}}}{\lambda}\cdot\frac{1}{i}\cdot\eta_{\mathrm{v}}^{\prime}(\alpha,n)\propto f(\alpha,n)\)

电子控制系统的基本组成（电控喷射）

空气供给系统¶

• 空气供给系统的组成：
  • 滤清器、空气流量传感器、怠速调整、节气门及位置传感器、怠速控制器、进气歧管
  • 测量和控制汽油燃烧所需空气量
• 空气流量（符合）检测方式
  • 卡门涡街（直接）
  • 进气压力/节气门（间接）（通过气体状态方程计算）
  • 量板式/叶片式（直接）
  • 热线式/热膜式——通过白金热线的流过的电流直接测出流过它的空气的流量
• 怠速旁通及节气门体
  • 传统节气门
  • 电子节气门
    扭矩的来源布置来源于驾驶员的踏板（比如定速巡航），还有就是现在的混动，动力源有多个，所以就需要电子节气门，实现机械的解耦
    还有就是不同车辆的调教就可以，更快的调节

燃油供给系统¶

• 组成：油箱、燃油泵、滤清器、压力调节器、喷油器等
• 功能：维持恒定的燃油喷射所需的压力
  通过油压调节器维持压力的恒定
  
  维持压力恒定，维持的是油管与进气管中的压差恒定

• 电磁喷油器

  • ECU 喷油控制信号将喷油器与电源回路接通时，电磁线圈通电并在周围产生磁场，吸引针阀移动，克服弹簧力使针阀打开，燃油开始喷射；当 ECU 将喷油控制信号切断时，电磁线圈断电，磁场消失，弹簧使针阀关闭，喷油停止。
  • 燃油喷量多少取决于针阀行程、喷油器截面积及喷油器内外压差和喷油时间。当前述各因素确定时，喷油量就取决于针阀的开启时间，即电磁线圈的通电时间。
    所以主要看喷油脉宽即可

• 喷油正时的控制

  • 概念：喷油正时即喷油器开始喷射的时刻。
  • 同步喷射：与发动机曲轴旋转同步，在固定曲轴转角位置进行喷射。
    （1）同时喷射
    （2）分组喷射
    （3）顺序喷射
    这个是主要的方式
  • 异步喷射：喷射时刻与曲轴转角位置无关。
    （1）起动预喷
    （2）急加速临时性喷油等
    特殊情况下的喷射，快速建立油膜
• 喷油正时使用喷油提前角来衡量
• Example：直列 4 缸，转速 1000 r/min，喷油提前角 6°CA，喷油时间为2 ms（相当于 12°CA）（这里的小齿一共 60-2 个，所以一个小齿 6°）
  
  
  通过气缸上下止点的位置（信号缺口的位置），还有进气凸轮的相位确定此时气缸所处的工作点
  这里使用的是顺序喷射，采用的时分组点火，比如第一个就是点燃 1 的（但是第 4 缸也会点，只是压力低，点不着）

• 发动机启动时的喷油量控制：
  • 由冷却液温度传感器信号确定：温度越低，喷油时间越长；温度越高，喷油时间越短
  • 不是由发动机的负荷确定的，因为起动时发动机的温度低，喷射的燃料没有进入气缸，导致混合气偏稀
  • 
  • 所以使用很高的喷油量，确保能够起动
• 起动后喷油量的控制
  • 总喷油量 Q ＝基本喷油量×喷油修正量＋喷油增量
  • 总喷油时间 T=基本喷油时间 TB×修正系数（或＋增量系数)
  • \(Q=C_{i}A_{i}\sqrt{2\rho(p_{f}-p_{i})}\times(T-T_{u})\)，喷油器结构，喷嘴流量系数和喷孔面积是固定不低那的，喷油油量仅仅取决于喷油器阀门开启时间

• 起动后喷油时间的计算：\(\mathrm{T=T_{B}\times\lambda K_{AF}K_{FC}K_{PT}K_{AS}K_{CT}K_{AC}+T_{BAT}}\)

  • 基本喷油时间的计算：

    \[ T_{_B}=\frac{Q_{_M}}{\left(A/F\right)}\cdot\frac{60}{n}\cdot2\cdot\frac{1}{\tau}\cdot\frac{1}{K_{_0}}=\frac{Q_{_M}/n}{K_{_1}\left(A/F\right)} \]

    \(K_0\)：由喷油器及燃油供给系统决定的常数

  • 温度、压力修正系数的计算：（针对进入的空气计算的，空气多了的话，喷油也得多一点）\(K_{_{PT}}=\sqrt{\frac{273+20}{T_{_{LAT}}}}\cdot\sqrt{\frac{P_{_{atm}}}{101}}=\sqrt{\frac{293}{273+t}}\cdot\sqrt{\frac{P_{_{atm}}}{101}}\)

  • 空燃比修正系数 \(K_{AF}\)（空燃比开环控制时激活）
    
  • 启动后喷油增量修正系数 \(K_{AS}\)：
    取决于启动时发动机的温度和启动后的时间
    温度低，雾化不良，不分燃油凝结在进气管和气缸壁上，会使混合气变稀
  • 冷却液温度修正（暖机修正）\(K_{CT}\)
    同样，温度低燃油会凝结在进气管和气缸壁，会使得变稀，所以温度低时修正系数高，温度高于 80℃时，系数为 1
  • 瞬态喷油增量修正系数 \(K_{AC}\)
    除了动力性的要求，还有壁面油膜的影响（当稳态的时候，进入油膜的量与油膜蒸发的量平衡，不影响）
    节气门变大时，进气道内的压力变大，蒸发变慢，进入的变稀
    所以需要加速变浓，减速减稀
    
  • 断油修正系数 \(K_{FC}\)：
    • 分类：超速断油（超过阈值了），减速断油（比如高速下滑行，迅速减速，降低油耗，在转速高，节气门关的条件下），溢流清除（将淤积在缸内的可燃混合气排掉）
    • 
  • 断油和再给油策略：
    • 
    • 通过推迟点火正时，减少高速下的输出扭矩，避免扭矩突变造成的冲击
  • 空燃比反馈控制系数 \(\lambda\)
    • 在化学计量空燃比风景，三元催化剂才能高效工作
    • 反馈控制的目的：降低排放；阶跃燃油
    • 反馈信号：氧传感器 EGO 信号（在排气歧管中，检测尾气中氧气的含量）
    • 
      通过这个信号进行反馈控制
      
      如上图
    • 前馈控制：利用负荷计算当前需要的喷油量（图中的预控值）
    • 反馈控制：利用氧传感器得到的偏差，反馈控制（PID 控制等），得到喷油量的补偿，加到前馈控制中
  • 修正，通电之后还会存在一定的延时：
    • 当电压高时，开阀时延越低（关阀时延基本不变），无效喷油的时间下降，喷油时间上升
    • 14 V 电压为准，修正通电时间为 0.15 ms/V（补偿缺失的时间）

总结：

电子点火¶

介绍¶

• 点火系统的功能
  • 汽油机燃烧室内装有火花塞，火花塞有一个中心电极和一个侧电极，两极之间有间隙
  • 点火系统在发动机各种工况和使用条件下，利用火花塞在气缸内适时（时序的要求）、准确、可靠地产生火花，以点燃可燃混合气，使发动机对外做功

• 点火系统的类型

  • 按其组成和生产高压电方式的不同可分为传统触点式点火系统（触点式或辅助触点式）、电子点火系统、微电脑控制点火系统和磁电机点火系统

• 传统点火：
  
  以蓄电池和发电机为电源，借助点火线圈（左侧的高压线圈）和断电器（触点，通断电）作用，将低压直流电转为高压电，在通过分电器分配到各缸火花塞跳火
  缺点：

  • 产生的高压电比较低（因为只有一个高压线圈，要分电）
  • 高速时的工作不可靠
  • 断电器触点易烧蚀
  • 运动部件易磨损产生点火误差
• 无触点电子点火系统
  
  借助的时点火线圈和由半导体组成的点火控制器将电源提供的低压直流电转变为高压电，再通过分电器
  但是点火能量、点火正式无法灵活调整
• 微机控制点火
  由微机控制系统根据各传感器提供的发动机的工况信息，发出点火控制信号，控制点火时刻和能量
  
  无分电器的微机控制分为单独点火和分组点火
  • 单独点火：分别独立对每缸进行点火控制：
    
    每个气缸有高压的点火线圈，所以是不需要分电器的
  • 分组点火
    
    1 个点火线圈的次级绕组分别于两个火花塞串联，并同时跳火
    同时点火的两个缸只有一个处在压缩的上止点，另一个处在排气的上止点，所以只有一个会点火
    压缩冲程气缸的压力高，火花塞击穿气体的所需电压高（阻抗高），所以在压缩冲程中火花塞释放的能量高，点火能量主要在该气缸释放

基本需求¶

• 足够的点火能量以产生击穿电压
  • 火花塞间隙、汽缸内混合气的压力和温度、混合气浓度、电极的温度和极性、发动机工作情况等
  • 发动正常工作~1~5 mJ，一般提供 15~50 mJ
  • 发动机混合气较稀时提供 50~80 mJ
  • 发动机起动时提供大于 100 mJ
• 准确的点火时序适应发动机工作情况
  • 点火时序按发动机工作序
    • 四缸机 1-3-4-2
    • 六缸机 1-5-3-6-2-4
  • 点火时刻满足最佳点火提前角
    • 点火过迟：燃烧压力小、热损失大、发动机过热、功率下降
    • 点火过早：燃烧压力过大、负功多、易爆燃、功率下降
      
      如图的点火时刻，C 是最好的（峰值位于上止点后 12～15°CA，最大压力升高率 0.175～0.25 MPa/°CA）
      但是实际上的最佳点火提前角是变化的，所以需要电磁控制器去控制点火时间
      影响因素：
  • 转速高，提前角增大（因为相同的滞燃期内的转角变大）
  • 负荷：负荷大提前角小（滞燃期短了）
  • 压缩比：压缩比大，滞燃期短了，为了使得最高爆发压力仍然在上止点，就要缩短提前角
  • 混合气成分：α=0.8~0.9 时燃烧速度最快，提前角较小；过浓和过稀，提前角都增大。
  • 火花塞数量：两个火花塞比一个火花塞提前角小。
  • 进气压力：进气压力小，负荷小，提前角增大。
    
    左图是随着转速的影响，右图是受到负荷的影响

点火提前角控制模型¶

实际点火提前角=初始/基本点火提前角 + 修正点火提前角

• 初始点火提前角（固定或随转速变化）主要用于起动工况
  • 节气门全关，发动机转速低于 500 r/min;
  • 起动过程中，发动机转速及进气压力、进气流量变化大，无法计算点火提前角;
  • 发动机起动期间，微处理器不计算点火定时，而由备用点火控制模块输出固定的参考点火定时;
  • 某些发动机的初始点火提前角也根据发动机转速而有所变化。
    
  • 暖机修正：冷却液温度低时，增加点火提前改善起动性能（温度低，使得滞燃期变长了）
  • 怠速稳定控制：低于目标转速，增大点火提前角，反之推迟
    提前点火增大发动机的动力输出
• 点火提前角修正 2：
  
  减少氧传感器闭环的波动（喷油量上下波动，会导致转速波动）
  比如喷油量少时，提前角增大，增大动力输出
  • 过热修正
  • 最大变化率修正
  • 最大和最小提前角控制

• 爆燃控制
  • 末端的混合气发生自燃，局部温度压力陡升，压力不均匀，产生压力波
  • 消除爆燃的方法：采用抗爆性好的燃油，改进燃烧室的结构（紧凑型的燃烧室），加强冷却水的循环、推迟点火提前角
  • 闭环控制时，ECU 测出爆燃率对点火提前角的

• 充电闭合角修正
  • 为了与曲轴事件同步，需要以曲轴转角作为变量进行传递

基于扭矩的控制¶

基于扭矩的汽油机控制¶

• 内外扭矩需求——扭矩效率协调模块——扭矩转化模块（从左到右）
• 上方的：空燃比/点火正时需求
  最后就得到了我的目标扭矩

调节发动机的扭矩：

1. 进气量
2. 点火正时

计算公式：

上面的公式为燃烧产生的扭矩：
RED: 断油效率（就是将某个气缸断油）

\(\lambda\)：空燃比效率（以 1 为基准，1 时为 100%）
ZW：点火效率：

VIS 可变进气系统¶

• 进气动态效应
  进气过程的间歇性和周期性可以使得进气管内流动过程是典型的非稳态流动过程，

废气再循环 EGR¶

• 原理：将部分排放废气重新引回缸内，与缸内新鲜充量混合进行燃烧干预，实现节能减排的目的
• 功能
  • 优化燃烧过程
  • 抑制爆震的发生
  • 减少混合气加浓