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动力系统很优操纵控制 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） 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
3.4.1ICE（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
6.1.2SI和CI发动机工作过程对比 93
6.2SI发动机的燃烧 94
6.2.1SI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
6.3CI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
6.4.2SI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
6.5.2SI发动机的后处理——TWC 108
6.5.3CI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第一定律分析 172
8.2.3涡轮性能的热力学第一定律分析 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
9.1.1EMS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
11.5.2EGR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
11.6.4PID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
11.6.6EGR 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
12.1.4VVA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
15.3.1RQV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最终控制准则 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
16.7.1OBDⅡ系统 419
16.7.2OBDⅡ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