汽车发动机与传动系统建模及控制

第1部分 车辆-驱动的基本原理

1　引言 2

1.1　发展趋势 2

1.1.1　能源与环境 3

1.1.2　小型化 4

1.1.3　混动化 5

1.1.4　驾驶辅助系统和优化驾驶 5

1.1.5　工程中的挑战 6

1.2　汽车的动力系统 6

1.2.1　动力系统*优操纵控制 7

1.2.2　动力系统建模和模型的重要性 8

1.2.3　模型知识的可持续性 8

1.3　本书结构 9

2　车辆 11

2.1　车辆纵向动力学 11

2.2　行驶阻力 12

2.2.1　空气阻力 13

2.2.2　冷却系统阻力和可调进气格栅 13

2.2.3　车辆跟随时的空气阻力 14

2.2.4　滚动阻力及其物理意义 15

2.2.5　滚动阻力(建模) 16

2.2.6　轮胎滑动（打滑） 18

2.2.7　滚动阻力(含热模型) 18

2.2.8　重力 20

2.2.9　分量的相对大小 20

2.3　行驶阻力模型 21

2.3.1　传动控制系统模型 21

2.3.2　标准行驶阻力模型 22

2.3.3　工况分析建模 22

2.4　驾驶员行为和道路建模 23

2.4.1　简单的驾驶员模型 24

2.4.2　道路模型 24

2.5　工况仿真 25

2.6　汽车性能/特征 26

2.7　燃油经济性 27

2.7.1　能量密度 27

2.7.2　从油箱到车轮——桑基能量分流图 28

2.7.3　油井到车轮的比较 29

2.8　排放法规 29

3　动力系统 34

3.1　动力系统结构 34

3.1.1　废气能量回收 35

3.1.2　混合动力系统 36

3.1.3　电气化 36

3.2　车辆驱动控制 38

3.2.1　车辆驱动控制目标 38

3.2.2　实施框架 39

3.2.3　控制结构的要求 39

3.3　基于转矩的动力系统控制 40

3.3.1　转矩需求和转矩命令的传递 40

3.3.2　基于转矩的驱动控制——驾驶员意图 41

3.3.3　基于转矩的驱动控制——车辆需求（的限制） 42

3.3.4　基于转矩的驱动控制——传动系统管理 42

3.3.5　基于转矩驱动控制——传动系统-发动机集成控制 42

3.3.6　处理转矩请求——转矩储备和干预 43

3.4　混合动力系统 45

3.4.1　ICE（内燃机） 的处理方式 45

3.4.2　电机的处理方式 45

3.4.3　电池管理 45

3.5　展望和仿真 46

3.5.1　仿真结构 46

3.5.2　循环/行驶工况 46

3.5.3　正向仿真 47

3.5.4　准静态逆向仿真 47

3.5.5　工况跟随 47

3.5.6　逆向动态仿真 48

3.5.7　应用和要求 49

3.5.8　与方法无关的同一模块 50

第2部分 发动机的工作原理

4　发动机简介 52

4.1　空气、燃料及空燃比 52

4.1.1　空气 53

4.1.2　燃料 53

4.1.3　化学计量学和空燃比（A/F） 54

4.2　发动机结构参数 55

4.3　发动机性能 56

4.3.1　功率、转矩和平均有效压力 56

4.3.2　效率和燃油消耗率 57

4.3.3　容积效率 58

4.4　小型化与涡轮增压 59

5　热力学与工作循环 62

5.1　四行程发动机的工作循环 62

5.2　热力学循环分析 65

5.2.1　发动机工作过程的理想模型 66

5.2.2　循环效率的推导 69

5.2.3　气体交换和泵气功 70

5.2.4　残余气体和理想循环的容积效率 72

5.3　理想循环效率 75

5.3.1　负荷、泵气功与效率 77

5.3.2　空燃比(A/F)与效率 78

5.3.3　理想与实际循环的差异 80

5.4　缸内燃烧过程建模 81

5.4.1　单区模型 81

5.4.2　放热与已燃质量分数分析 82

5.4.3　已燃质量分数的特征 85

5.4.4　单区模型其他组成部分 86

5.4.5　单区气缸压力模型 88

5.4.6　多区模型 89

5.4.7　零维模型的应用 91

6　燃烧和排放 92

6.1　混合气准备与燃烧 92

6.1.1　燃油喷射 92

6.1.2　SI和CI发动机工作过程对比 93

6.2　SI发动机的燃烧 94

6.2.1　SI发动机的循环变动 94

6.2.2　爆燃和自燃 95

6.2.3　自燃和辛烷值 96

6.3　CI发动机的燃烧 98

6.4　发动机排放 99

6.4.1　排放形成的总趋势 99

6.4.2　SI发动机污染物的形成 102

6.4.3　压燃式发动机排放物的形成 104

6.5　尾气处理 106

6.5.1　催化剂的效率、温度和起燃 107

6.5.2　SI发动机的后处理——TWC 108

6.5.3　CI发动机的尾气后处理技术 109

6.5.4　排放的减少与控制 111

第3部分 发动机的建模和控制

7　平均值发动机建模 114

7.1　发动机的传感器和执行器 115

7.1.1　传感器、系统和执行器的响应 115

7.1.2　发动机组件建模 117

7.2　节流组件模型 118

7.2.1　不可压缩流体 119

7.2.2　可压缩流体 121

7.3　节气门流量建模 123

7.4　进入气缸的质量流量 125

7.5　容积 128

7.6　示例——进气歧管模型 131

7.7　燃油路径和空燃比 133

7.7.1　燃油泵、燃油轨、进料喷射器 133

7.7.2　喷油器 134

7.7.3　燃料制备过程的动态应 135

7.7.4　气体传输与混合 137

7.7.5　空燃比（A/F） 传感器 138

7.7.6　燃油路径模型验证 141

7.7.7　催化器和后催化器传感器 141

7.8　缸内压力和瞬时转矩 142

7.8.1　压缩渐近线 143

7.8.2　膨胀渐近线 144

7.8.3　燃烧 145

7.8.4　气体交换和模型编制 146

7.8.5　发动机转矩的产生 146

7.9　发动机转矩均值模型 147

7.9.1　总指示功 148

7.9.2　泵送功 151

7.9.3　发动机摩擦力 151

7.9.4　转矩产生中的时间延迟 152

7.9.5　曲轴动力学 153

7.10　发动机排气温度 154

7.11　热传递与废气温度 155

7.11.1　管道温度的变化 155

7.11.2　排气系统中的热传递模型 156

7.11.3　排气系统温度模型 156

7.12　热交换器和中冷器 161

7.13　节气门的运动 163

8　涡轮增压基础和模型 168

8.1　增压和涡轮增压基础 168

8.2　涡轮增压基本原理和性能表现 170

8.2.1　发动机平均值模型中的涡轮增压器 171

8.2.2　压缩机性能的热力学**定律分析 172

8.2.3　涡轮性能的热力学**定律分析 173

8.2.4　涡轮和压缩机的连接 174

8.2.5　进气密度的增加 175

8.3　量纲分析 176

8.3.1　可压缩流体分析 176

8.3.2　修正后的模型结构 177

8.4　压缩机和涡轮的特性图 178

8.4.1　压缩机特性图基础 178

8.4.2　涡轮特性图基础 180

8.4.3　确定涡轮特性图的测量过程 180

8.4.4　涡轮性能计算明细 182

8.4.5　热传递和涡轮效率 183

8.5　涡轮增压器模型及其参数化 185

8.6　压缩机工作原理及建模 186

8.6.1　压缩机物理建模 186

8.6.2　压缩机效率模型 190

8.6.3　压缩机流量模型 191

8.6.4　压缩机的熄火现象 193

8.6.5　压缩机喘振 196

8.7　涡轮的运转及建模 199

8.7.1　涡轮的质量流量 200

8.7.2　涡轮的效率 202

8.7.3　可变几何涡轮 202

8.8　瞬态响应和涡轮迟滞 203

8.9　案例——涡轮增压汽油机 204

8.10　案例——涡轮增压柴油机 206

9　发动机管理系统的介绍 210

9.1　发动机管理系统（EMS） 210

9.1.1　EMS模块的建立 210

9.1.2　基于曲轴和时间事件的系统 212

9.2　基本功能和软件结构 212

9.2.1　基于转矩的结构 213

9.2.2　特殊模式和事件 213

9.2.3　自动代码生成和信息交换 214

9.3　标定和参数表示 214

9.3.1　发动机map图 214

9.3.2　基于模型的开发 216

10　点燃式发动机的基本控制 217

10.1　三个基本的SI发动机控制器 218

10.1.1　产品系统实例 218

10.1.2　使用map图进行基本控制 220

10.1.3　转矩、充气和压力控制 220

10.1.4　简单转矩模型下的压力设定点 221

10.1.5　全转矩模型下的设定点 221

10.1.6　压力控制 222

10.2　节气门伺服机构 224

10.3　燃油控制和空燃比λ 的控制 227

10.3.1　空燃比λ 的前馈和反馈控制结构 227

10.3.2　带有基本燃油计量的λ 前馈控制 228

10.3.3　空燃比λ 的反馈控制 229

10.3.4　燃油动态特性和喷油器补偿 233

10.3.5　基于λ 控制和自适应的观测器 234

10.3.6　双传感器和三传感器的λ控制 237

10.4　影响空燃比λ 的其他因素 238

10.4.1　满负荷加浓 238

10.4.2　发动机超速及反拖 238

10.4.3　影响空气和燃油计算的辅助系统 239

10.4.4　冷启动加浓 241

10.4.5　单气缸的λ 控制 241

10.5　点火控制 241

10.5.1　爆燃控制——反馈控制 243

10.5.2　点火能量——驻留时间控制 245

10.5.3　长期转矩、短期转矩以及转矩储备 246

10.6　怠速控制 247

10.7　转矩管理和怠速控制 248

10.8　涡轮控制 249

10.8.1　抗喘振控制的压缩机 249

10.8.2　增压压力控制 250

10.8.3　带有增益调度的增压控制 252

10.8.4　涡轮增压器和爆燃控制 255

10.9　可靠性和故障弱化 255

11　柴油机的基本控制 256

11.1　柴油发动机工况和控制综述 256

11.1.1　柴油机排放的权衡 256

11.1.2　柴油机构造和基础知识 257

11.2　基本转矩控制 259

11.3　附加转矩控制 260

11.4　燃油量控制 261

11.4.1　控制信号——多重燃油喷射 262

11.4.2　燃油喷射控制策略 262

11.5　气流控制 264

11.5.1　废气再循环（EGR） 264

11.5.2　EGR和变截面涡轮（VGT） 265

11.6　案例研究： EGR和VGT控制与调整 268

11.6.1　控制目标 269

11.6.2　用于控制设计的系统性能 270

11.6.3　控制结构 272

11.6.4　PID参数化、执行和调整 274

11.6.5　欧洲瞬态循环工况下的评估 277

11.6.6　EGR VGT案例研究总结 279

11. 7　柴油机后处理控制 280

12　发动机的一些高级概念 281

12.1　可变气门执行机构 281

12.1.1　气门特性 282

12.1.2　可变气门执行机构的影响 283

12.1.3　其他的气门功能 285

12.1.4　VVA对基于模型控制的影响 286

12.1.5　进气和燃料控制策略评价 286

12.2　可变压缩比 287

12.2.1　实例——SAAB可变压缩比发动机 287

12.2.2　其他控制 288

12.3　信号解析和反馈控制 291

12.3.1　离子传感技术 291

12.3.2　实例——离子传感点火反馈控制 294

12.3.3　总结和信号处理实例 298

第4部分 传动系统的建模和控制

13　传动系统介绍 300

13.1　传动系统 301

13.2　传动系统建模和控制的动机 301

13.2.1　主要的目标和变量 301

13.2.2　传动系统控制与纵向车辆驱动控制的对比 301

13.2.3　物理背景 302

13.2.4　驱动应用的背景 302

13.3　没有适当控制下的不良行为 302

13.3.1　车辆跛行和车辆喘振 302

13.3.2　穿越侧隙——延迟和跛行 303

13.3.3　挡位脱开后的振动 304

13.4　方法 306

13.4.1　时间尺度 306

13.4.2　建模和控制 306

14　传动系统建模 307

14.1　总体建模方法 307

14.1.1　传动系统的图解方案 307

14.1.2　传动系统综合方程 308

14.2　基本的完整模型——刚性传动系统 309

14.2.1　合并方程 310

14.2.2　反射的质量和惯量 311

14.3　传动系统喘振 311

14.3.1　传动系统建模的试验 312

14.3.2　驱动轴弹性建模 313

14.4　传动系统的其他动态特性 317

14.4.1　参数估计的影响 317

14.4.2　验证数据的误差特性 317

14.4.3　传动轴弹性的影响 318

14.4.4　串联弹簧的参数估计 319

14.4.5　传感器动态特性 319

14.5　离合器影响和总体齿隙 321

14.5.1　弹性离合器和驱动轴的模型 321

14.5.2　非线性离合器和弹性驱动轴 323

14.5.3　总体侧隙 325

14.6　空挡和离合器分离时的建模 326

14.6.1　试验 327

14.6.2　解耦模型 327

14.7　离合器建模 328

14.7.1　物理因素的影响 329

14.7.2　离合器的特性 330

14.7.3　离合器的状态 330

14.8　变矩器 330

14.9　模型建立的结束语 332

14.9.1　模型的设置 332

14.9.2　模型的支持 332

14.9.3　控制系统的设计及验证仿真 332

15　传动系统控制 333

15.1　传动系统控制的特征 334

15.1.1　传动系统控制的集成 334

15.1.2　关于传感器位置的结论 335

15.1.3　转矩动作 335

15.1.4　变速箱 336

15.1.5　发动机作为转矩提供装置的情况 337

15.1.6　控制方法 337

15.2　传动系统控制基础 338

15.2.1　驱动轴模型的状态空间方程 338

15.2.2　对于干扰的描述 339

15.2.3　对于测量的描述 339

15.2.4　性能输出 339

15.2.5　控制目标 340

15.2.6　控制器结构 340

15.2.7　传递函数的符号 341

15.2.8　反馈性能的某些特征 341

15.2.9　简化后的传递函数解析 343

15.3　传动系统速度控制 345

15.3.1　RQV控制 346

15.3.2　防喘振控制目标的方程化 348

15.3.3　包含主动衰减和RQV 调速器特性的速度控制 349

15.3.4　传感器位置产生的影响 353

15.3.5　负载估计 354

15.3.6　对防喘振控制器评估 355

15.3.7　负载干扰抑制演示 356

15.3.8　防喘振控制的试验验证 357

15.3.9　消除误解的试验 358

15.4　传动系统转矩的控制 359

15.4.1　换挡时传动系统转矩控制的目的 360

15.4.2　转矩控制的潜在问题示例 361

15.4.3　传动系统换挡时的转矩控制方法 363

15.5　变速箱转矩控制 363

15.5.1　变速箱转矩模型的建立 363

15.5.2　变速箱转矩控制准则 366

15.5.3　换挡条件 367

15.5.4　*终控制准则 369

15.5.5　可行主动衰减的生成 369

15.5.6　对于仿真和传感器位置影响的验证 370

15.6　驱动轴扭转量控制 372

15.6.1　使用PID控制器进行衰减控制的回顾 373

15.6.2　控制器结构 373

15.6.3　传动系统扭转量观测器 374

15.6.4　控制器的场地试验验证 376

15.6.5　换挡品质的验证 376

15.6.6　传动系统存在初始振动的处理 377

15.7　要点重述及结束语 378

15.7.1　一般方法 379

15.7.2　重要的见解 379

15.7.3　控制准则的制定 379

15.7.4　功能性的验证 379

15.7.5　转矩限制处理的试验验证 380

15.7.6　收益 380

第5部分 诊断和可靠性

16　诊断和可靠性 382

16.1　可靠性 383

16.1.1　功能安全——意外转矩 383

16.1.2　功能安全标准 384

16.1.3　控制器的资格/条件/前提 385

16.1.4　故障状况的调节 386

16.1.5　展望 386

16.1.6　联系 387

16.2　基本定义和概念 387

16.2.1　故障和失效 387

16.2.2　检测、隔离、识别和诊断 388

16.2.3　虚警和漏检 389

16.2.4　被动与主动（介入） 389

16.2.5　离线与在线(车载) 389

16.3　方法介绍 389

16.3.1　简单的传感器故障 390

16.3.2　简单的执行器故障 390

16.3.3　三重传感器冗余 390

16.3.4　用虚拟传感器实现的三重冗余 391

16.3.5　冗余和基于模型的诊断 392

16.3.6　形成决策——残差评价 393

16.3.7　涡轮增压发动机中的泄漏 396

16.4　诊断系统工程 398

16.5　选择的汽车应用实例 399

16.5.1　催化转换器和氧传感器 399

16.5.2　节气门监控 400

16.5.3　燃油蒸发回收系统的监测 401

16.5.4　失火 404

16.5.5　进气 408

16.5.6　柴油机模型 416

16.6　历史、立法和OBD 418

16.7　立法 419

16.7.1　OBDⅡ系统 419

16.7.2　OBDⅡ标准的范例 421

A 热力学数据和传热公式

A.1　热力学数据和某些常数 424

A.2　燃料数据 424

A.3　无量纲数 425

A.4　传热基础 426

A.4.1　传导 430

A.4.2　对流 431

A.4.3　辐射 432

A.4.4　电阻类比 432

A.4.5　四阶方程的解 433