汽车发动机点火提前角建模分析

第 22 卷第 2 期 � � � � � � � � 黑 � 龙 � 江 � 工 � 程 � 学 � 院 � 学 � 报(自然科学版) � � � � � � Vo l. 22 � . 2 2008年 6月 � � � � � � � Journal of Heilongjiang Inst itute of T echno logy � � � � � � Jun. , 2008 汽车发动机点火提前角建模 叶树江1 ,鲍 � 宇2 ,盛程潜1,于春鹏2 ( 1.黑龙江工程学院 电子工程系,黑龙江 哈尔滨 150050; 2. 黑龙江工程学院 汽车工程系, 黑龙江 哈尔滨 150050) 摘 � 要:通过对汽车发动机点火提前角影响因素的分析, 确定以发动机转速和负荷为主要参考变量, 以广泛采用的 试验法则为工作基础,利用发动机台架试验采集所需数据,借助 M AT LAB 软件的分析与计算功能,构建点火提前角 主要影响因素的二维模型及三维模型,并结合理论分析,验证试验方案的合理性及 MAP趋势图的正确性。 关键词:汽油发动机; 点火提前角;数学模型; MAP 图 中图分类号: T K413. 9 � � � 文献标识码: A � � � 文章编号: 1671�4679( 2008) 02�0037�03 Modeling and analysis of ignition advance angle of automobile engine YE Shu�jiang1 , BAO Yu2, SHENG Cheng�qian1 , YU Chun�peng2 ( 1. Dept. o f Electronic Engineer ing, Heilong jiang Institute o f Technolog y, Harbin 150050, China; 2. Dept. of Automobile Eng i� neering , H eilongjiang Institute of T echnolog y, H arbin 150050, China) Abstract:T w o and three dimensional model w hich took ignit ion advance angle as the centr al inf luencing fac� to r w as proposed by analy zing influencing facto r for the ignit ion advance angle of automobile eng ine. In this model, the rotate speed and load o f engine is regarded as the main r efer ence variable and universal ex� periment rule is used as basis of wo rking. Data is gathered through the experiment o f engine plat form. MAT LAB softw are is applied to realize the funct ion of analy zing and calculat ing. The rationality of pr oject and the cor rectness of MAP tendency chart are validated by theoretical analysis and experiment , w hich es� tablished foundation for the control kernel o f engine elect ronic inject ion sy stem. Key words: gaso line engine; ignit ion advance angle; mathematic model; MAP chart 收稿日期: 2008�01�28 基金项目:黑龙江省科技厅科技攻关资助项目( G204J102) 作者简介:叶树江( 1963~ ) ,男,教授,硕士,研究方向:信号与信息系 统;汽车电子技术. � � 能源短缺、环境污染是世界各国面临的共同问 ,已成为制约各国经济进一步发展的瓶颈。随着 汽车保有量的急剧增加和排放标准的日趋严格, 解 决汽车节能及排气污染问题迫在眉睫。如何降低油 耗、提高发动机的动力性与经济性已经成为汽车行 业的重要课题。 影响汽车动力性与经济性的因素很多, 其中一 个至关重要的因素就是发动机的点火提前角。对于 不同的发动机工况都存在一个最佳点火提前角, 而 影响点火提前角的主要因素有转速、负荷、压缩比 等[ 1�2]。若能找到发动机不同条件下的最佳点火提 前角,并使发动机总是处于最佳点火提前角时工作, 那么发动机的油耗及污染物排放将会大大降低。因 此,建立点火提前角数学模型,通过优化匹配试验, 确定最佳 MAP 数据,将成为解决问题的关键。 1 � 点火提前角模型 点火提前角模型是描述发动机转速和负荷与点 火提前角间关系的数学模型。通常人们采用实验数 据拟合的方法或者利用复杂的发动机工作循环仿真 程序确定某一特定工况下的最佳点火提前角 ( M BT ) [ 3]。为了使发动机正常运转,必须要确定点 火提前角的 MAP 图(即点火提前角模型)。它是一 个三维特性曲面, 将其离散后以数据点的形式存储 在电子控制单元只读存储器中, 以实现最佳点火提 前角控制。 目前,对点火提前角模型的研究多采用准维(双 区)燃烧模型来建立[ 4] 。在分析湍流火焰传播速度 的基础上,在多种工况下对汽油机工作过程进行模 拟, 以动力性、经济性和指示功为控制条件对点火提 前角进行多目标优化。模型建立的基础是被广泛采 用的试验法则: 与发动机最大有效转矩相对应的点 火提前角使发动机的充量在压缩行程上止点后 10 时燃烧一半[ 3]。最后, 结合试验数据分析点火提前 角的变化规律, 从而确定点火提前角 MAP 图。 此外,发动机结构、进气压力及温度、冷却水温 度、空燃比、点火能量、燃料抗爆性、燃料的分子结构 及理化性能等均对点火提前角有一定的影响, 其中 转速与负荷对点火提前角的影响占主导地位。 2 � 点火提前角模型的建立 2. 1 � 数学模型建立的原理[ 5] 要进行优化控制就要建立发动机点火提前角的 数学模型,从而求出最佳点火提前角,点火提前角主 要与发动机转速 n、负荷 P 有关, 进气压力及温度、 冷却水温度等因素仅作为对点火提前角的补偿。因 此,点火提前角 �= f nm ( P , T 1 , T 2 , �) , 其中: T 1 为 冷却水温度, T 2 为进气温度, �为空燃比。 由于发动机结构复杂、影响因素较多,理论推导 发动机运行状况下的数学模型比较困难, 且很难真 实描述其运行状态。因此,多采用实验法,通过实验 状态数据采集建立数学模型。 首先,做转速与点火提前角的特性实验。实验 时保持节气门全开, 在每一转速下,将点火提前角逐 渐增加,直至得到最大功率为止,此时对应的点火提 前角为该转速下的最佳点火提前角。用同样的方法 测出在各个转速下的最佳点火提前角。即可绘制出 �= f ( n)曲线来。 其次,做真空度与点火提前角的特性实验。在 某一转速 n1 时, 调节真空度的数值, 在每一真空度 下都将点火提前角逐渐增加, 直到测得最大功率为 止,将测得的数据绘制成 �= f n1 ( p )曲线,变换另 一转速同样可测得 �= f n2 ( p )曲线, 重复多次可得 到一组曲线 �= f n m( p )。 利用以上两组实验数据, 借助 MAT LAB 软件 的数据计算和数据建模功能分别建立转速与点火提 前角、负荷与点火提前角的二维模型。然后, 将实验 测得的大量数据转化为数组, 借助 MA TLAB 软件 将数组转化为转速、负荷与点火提前角的三维模型。 2. 2 � 发动机台架试验 发动机台架试验系统如图 1所示, 主要包括: 电 控汽油发动机、光电旋转编码器、节气门位置传感 器、空气流量计、油量及点火调节电位计、喷油及点 火驱动电路、数字采集仪、PC 机、板卡及输出设备 等[ 6]。借助该试验系统及专用发动机分析仪采集点 火提前角建模所需的相关数据。 图 1� 发动机台架试验系统示意图 2. 3 � 建立点火提前角数学模型[ 7] 根据上述试验数据利用描点绘图法,分别做出 转速与点火提前角、负荷与点火提前角的变化趋势 图。转速与点火提前角趋势图如图 2所示,包括低 速时点火提前角保持在最初设置的下极限位置段曲 线、点火提前角急速增加段曲线、点火提前角减缓增 长段曲线、点火提前角中间平缓段曲线、点火提前角 缓慢段曲线和最终上极限位置段曲线等六大区域, 该曲线表明随转速的增加点火提前角逐渐增大, 当 转速到达一定值时,点火提前角到达极限位置, 不随 转速的增加而继续增大。由于影响发动机负荷的因 素很多, 本文仅考虑真空度对点火提前角的影响,故 导致负荷与点火提前角的趋势图中数据点有限, 如 图 3所示,可用一条光滑曲线连接所有数据点形成 近似曲线,曲线趋势表明随着负荷的逐渐加大, 点火 提前角逐渐减小, 并最终保持在一极限位置处。通 过对两图的趋势分析得知与理论情况基本一致, 可 依靠实验数据建立数学模型。 图 2 � 转速与点火提前角的变化趋势 2. 3. 1 � 曲线拟合 在实际工程应用中,人们往往只能测得一些分 散的数据点, 为了从这些分散的数据点中找到其内 在的规律性, 就需要利用这些分散的数据点,运用最 小二乘法、多项式或其他函数方法等来生成一个新 的多项式或函数来逼近这已知点。 !38! 黑 � 龙 � 江 � 工 � 程 � 学 � 院 � 学 � 报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 22卷 图 3� 负荷与点火提前角的变化趋势 由于可以用许多的方法定义最佳拟合, 并存在 无穷数目的曲线。而当最佳拟合被解释为在数据点 的最小误差平方和, 且所用的曲线限定为多项式时, 称为多项式的最小二乘曲线拟合。 2. 3. 2 � 转速与点火提前角二维模型的建立 由于测量过程中采集的是密集的点数据, 将测 量数据利用曲线拟合软件经过分析、处理,删除了部 分干扰点(平均偏差大于 0. 5 的数值点)后的数据, 通过该数据可直接建立模型。转速与点火提前角的 数据中,根据变化趋势图将其分成 6 段拟合, 利用 MAT LAB软件中的 poly fit ( )函数来求解其最小二 乘法曲线拟合。分析该曲线可知, 负荷一定时,点火 提前角随转速的增加逐渐增大,直到一定值时停止 继续增大,并趋于该定值不变,符合点火提前角随转 速变化的规律。 2. 3. 3 � 负荷与点火提前角二维模型的建立 利用前述方法, 根据实验数据,拟合负荷与点火 提前角的关系曲线。该曲线表明, 发动机转速一定, 负荷 ∀ 50 kPa 时,点火提前角处于上极限位置, 随 着负荷的增加点火提前角的减小趋势很微弱; 负荷 在 50~ 90 kPa之间时, 点火提前角随负荷的增加而 快速减小;负荷#90 kPa 时, 点火提前角减小到一 定值后保持不变,此时处于下极限位置,满足发动机 点火提前角随负荷变化的规律。 2. 3. 4 � 转速、负荷与点火提前角三维模型的建立 整理实验数据:转速一定, 调整负荷变化, 测量 点火提前角的值;负荷一定,调整转速变化, 测量点 火提前角的值。利用 MATLAB 软件中的 mesh� g rid( )、mesh( )函数计算出转速、负荷与点火提前角 MAP 图,如图 4所示。 分析实验数据及模型可以看出,同一负荷下, 发 动机转速增加, 点火提前角呈非线形增大,这是由于 转速的增加会增加缸内湍流强度, 从而提高燃烧率, 缩短速燃期。点火提前角变化的非线形特征是湍流 增加、燃烧率提高和速燃期缩短等综合作用的结果。 转速增加使散热损失减小,进气加热快,气缸内混合 更均匀,有利于缩短滞燃期;另一方面, 转速增加, 残 余废气系数增加,气流吹走电火花的倾向增加,会增 图 4� 转速、负荷与点火提前角三维模型 加滞燃期。同一转速下,发动机负荷增加, 点火提前 角非线性的减小, 这是由于负荷的变化而改变气缸 内充量系数所致。当进气压力上升时, 充量系数上 升, 残余废气系数下降, 致使滞燃期缩短、燃烧率提 高、速燃期缩短和缸内最高爆发压力增加。当转速 与负荷同时变化时, 点火提前角将依据转速与点火 提前角的关系和负荷与点火提前角的关系相应增大 或减小。总体趋势: 点火提前角随转速的增加或负 荷的减小而增大, 反之,则点火提前角减小。 3 � 结 � 论 1)本文提出获取汽油发动机点火提前角 MAP 图的一种简单、可行的方法。 2)利用实验数据建立有关转速、负荷和点火提 前角的数学模型, 通过对数学模型的分析, 点火提前 角随转速、负荷的变化趋势与理论趋势一致,验证了 试验方案的正确性,为进一步分析、测试发动机电喷 系统控制内核奠定了基础。 3)在采用准维燃烧模型分析点火提前角时, 因 部分参数为理论假设条件, 导致理论仿真模型存在 一定误差,有待进一步研究修正。 参考文献 [ 1]葛郢汉. 电控发动机点火提前角的控制[ J] . 公路与汽运, 2006( 3) : 19�21. [ 2]毛华永, 张海庆.摩托车汽油机点火提前角的影响因素及 确定[ J] . 山东内燃机, 2001( 3) : 10�13. [ 3]沙超群, 张付军,黄 � 英,等. 电控汽油机初始 MAP 图的 仿真计算[ J] . 车辆与动力技术, 2000( 4) : 45�48. [ 4]汪 � 云, 魏明锐.点火提前角的仿真计算[ J] . 小型内燃机 与摩托车, 2006, 35( 2) : 16�18. [ 5]龚金科, 翟立谦,谭理刚, 等.电控摩托车发动机喷油及点 火控制建模与仿真[ J] . 内燃机工程, 2005, 26( 5) : 49�53. [ 6]谭理刚, 龚金科, 翟立谦,等. 电控发动机喷油控制 MAP 的建模与仿真[ J] . 汽车工程, 2006, 28( 7) : 630�633. [ 7]刘金武, 龚金科,谭理刚, 等.基于多维模型的电喷汽油机 M AP 图的数值生成 [ J] . 汽车工程, 2006, 28( 8) : 719� 724. [责任编辑:刘文霞] !39!第 2 期 � � � � � � � � � � � � � � 叶树江,等: 汽车发动机点火提前角建模分析