天然气发动机起动及怠速转速闭环控制的试验研究

【摘要】： 随着世界能源危机问题的突显和环境保护呼声的日益高涨,近年来天然气作为一种新型的代用燃料已经得到了人们广泛的关注与支持。 本文介绍了自主开发的发动机信号模拟发生装置,其可以真实地模拟出发动机的传感器信号;内置数码管显示,且人机界面友好,操作简单;该发动机信号模拟发生装置能够为电控单元ECU的调试提供各种发动机传感器信号,能够较好地反应出在发动机工况变化中传感器的内在关系,为ECU动态软件调试提供了良好的传感器信号模拟条件,是一种便携、低廉的发动机ECU辅助调试工具。 本文还介绍了自主开发的发动机转速采集系统,其可以实时准确地对发动机的转速信号进行采集,而且采集到的试验数据可以存储在Excel文件内,便于进行后期的离线数据分析;转速采集系统能够为发动机台架试验提供辅助作用,是一种方便、低廉的发动机台架试验测试工具。 除此之外,本文的主要研究内容就是应用自主开发的车用天然气发动机多片式ECU控制系统,通过独立的控制策略设计与程序开发,采用经过改装后的JL465Q5发动机作为试验台架,进行了天然气发动机的冷起动试验、怠速转速闭环控制试验、断缸试验和过渡工况试验等一系列研究工作。 在进行起动试验过程中,通过自主开发的天然气发动机冷起动试验监控系统在线调整冷起动时的天然气喷射脉宽、点火提前角、旁通空气阀开度等参量进行起动过程的对比试验研究,论述了发动机缸内残余废气、冷却水温度、点火能量、多次点火等因素对天然气发动机起动过程的影响。 在进行怠速转速闭环控制试验过程中,分别采用了怠速单闭环和双闭环两种控制策略。所谓的单闭环控制就是在怠速工况下只对旁通空气进气量进行PID算法控制,而点火提前角和天然气喷射脉宽采用固定值,通过试验研究了影响旁通空气进气量的比例项系数Air_Kp、积分项系数Air_Ki、天然气喷射脉宽和点火提前角对天然气发动机怠速工况的影响,并分别选取目标转速为1600rpm、1200rpm和850rpm进行了试验研究分析。所谓双闭环控制就是在怠速单闭环的基础上衍生出来的,发动机的电控系统ECU除了对旁通空气进气量进行PID控制之外,同时也对天然气喷射脉宽进行PID算法控制,两者之间相互独立,具备各自的PID参数设置。试验针对怠速目标转速分别为1200rpm、850rpm和800rpm进行了单闭环与双闭环的对比试验研究,并得到了一些试验结论。除此之外,还进行了750rpm和700rpm的较低怠速目标转速的试验研究。 所谓的断缸试验,其目的就是为了验证天然气发动机怠速转速闭环控制的效果,通过模拟出发动机在怠速工况下火花塞的故障情况,切断发动机连接一缸火花塞的高压线,从而研究怠速闭环控制的可靠性。 所谓的过渡工况试验,其目的就是要控制天然气发动机在不同的怠速转速之间过渡的平顺性试验。由于怠速目标转速设定与发动机的冷却水温度有着较大的联系,随着冷却水温度的逐渐升高,怠速目标转速应逐渐降低。为了使不同的目标转速之间的怠速转速过渡较为平稳,进行了天然气发动机过渡工况试验研究。 【关键词】：天然气发动机 冷起动 怠速转速 闭环控制
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK437
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 引言11
• 1.2 天然气资源简介11-13
• 1.2.1 天然气作为代用燃料的优势11-13
• 1.2.2 天然气作为代用燃料的劣势13
• 1.3 天然气发动机的发展现状13-16
• 1.4 天然气发动机燃料喷射技术的发展16-17
• 1.4.1 进气道混合器预混合供气方式16
• 1.4.2 电控单点喷射系统（SPI）16-17
• 1.4.3 电控多点喷射系统（MPI）17
• 1.4.4 缸内直接喷射17
• 1.5 发动机冷起动过程概述17-20
• 1.5.1 发动机冷起动特性分析18-19
• 1.5.2 发动机冷起动过程的阶段划分19-20
• 1.6 发动机怠速过程概述20-26
• 1.6.1 怠速控制系统分类21-24
• 1.6.2 怠速控制的基本要求24-25
• 1.6.3 发动机怠速转速的控制方法25-26
• 1.7 本论文的主要研究内容26-29
• 第2章 发动机信号模拟发生装置的研制29-51
• 2.1 概述29-30
• 2.1.1 研究背景及意义29
• 2.1.2 研究现状分析29-30
• 2.1.3 系统构成30
• 2.2 发动机信号模拟发生装置的硬件设计30-40
• 2.2.1 硬件开发工具30-31
• 2.2.2 硬件电路设计31-40
• 2.3 发动机信号模拟发生装置的软件设计40-43
• 2.3.1 软件开发工具40-42
• 2.3.2 软件控制策略42-43
• 2.4 发动机信号模拟发生装置的调试43-49
• 2.4.1 仿真调试43-44
• 2.4.2 试验调试44-49
• 2.5 本章小结49-51
• 第3章 发动机转速采集系统的研制51-63
• 3.1 研究背景及意义51
• 3.2 发动机转速采集系统的下位机设计51-60
• 3.2.1 系统方案51-53
• 3.2.2 单片机选型53
• 3.2.3 硬件设计53-58
• 3.2.4 软件设计58-60
• 3.3 发动机转速采集系统上位机设计60-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第4章 天然气发动机冷起动过程的试验研究63-81
• 4.1 试验台架63-66
• 4.1.1 试验装置的方案设计63
• 4.1.2 发动机试验台架63-66
• 4.2 控制系统ECU66-68
• 4.2.1 控制系统ECU介绍66-67
• 4.2.2 多片式ECU的优点67-68
• 4.3 控制策略68-69
• 4.4 天然气发动机冷起动试验监控系统69-70
• 4.5 试验结果分析70-78
• 4.5.1 天然气喷射脉宽对起动过程的影响71
• 4.5.2 点火提前角对起动过程的影响71-72
• 4.5.3 缸内残余废气对起动过程的影响72
• 4.5.4 旁通空气阀开度对最大起动转速的影响72-73
• 4.5.5 旁通空气阀开度对起动过程的影响73-74
• 4.5.6 冷却水温度对起动过程的影响74-75
• 4.5.7 多次点火控制对起动过程的影响75-76
• 4.5.8 点火能量对起动过程的影响76-77
• 4.5.9 发动机连续起动对起动过程的影响77-78
• 4.6 本章小结78-81
• 第5章 天然气发动机怠速转速闭环控制的试验研究81-137
• 5.1 步进电机的控制方法81-84
• 5.1.1 步进电机的控制思想81-82
• 5.1.2 步进电机的驱动电路82-84
• 5.2 冷却水温度信号的调理84-87
• 5.2.1 目标转速的设定84
• 5.2.2 冷却水温度传感器的信号特性84-86
• 5.2.3 冷却水温度信号调理电路的设计86-87
• 5.3 天然气发动机怠速转速单闭环控制的试验研究87-117
• 5.3.1 增量式PID控制算法87-88
• 5.3.2 怠速单闭环控制策略88-89
• 5.3.3 怠速单闭环控制软件流程图89
• 5.3.4 怠速单闭环试验监控界面89-90
• 5.3.5 怠速单闭环试验结果及分析90-117
• 5.4 天然气发动机怠速转速双闭环控制的试验研究117-126
• 5.4.1 控制策略117-119
• 5.4.2 怠速双闭环试验监控界面119-120
• 5.4.3 怠速双闭环与单闭环的试验结果对比120-126
• 5.5 天然气发动机断缸试验研究126-129
• 5.5.1 目标转速为1200rpm时的断缸试验126-129
• 5.5.2 目标转速为850rpm时的断缸试验129
• 5.6 天然气发动机过渡工况试验研究129-132
• 5.6.1 目标转速1200rpm→850rpm过渡工况试验130-131
• 5.6.2 目标转速850rpm→1200rpm过渡工况试验131-132
• 5.7 其他目标转速的怠速闭环控制132-134
• 5.8 本章小结134-137
• 总结与展望137-141
• 参考文献141-145
• 附录1 发动机信号模拟发生装置软件145-157
• 附录2 发动机转速采集系统软件157-177
• 附录3 天然气发动机冷起动试验监控软件177-191
• 附录4 天然气发动机怠速双闭环试验监控软件191-209
• 攻读学位期间发表的学术论文209-211
• 致谢211

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