[正版]汽车发动机与传动系统建模及控制 车辆整体性能设计书籍 系统工程和控制系统开发 发动机及传动系统建模与控制方法 汽

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本书介绍了一套完整新颖的发动机及传动系统建模与控制的方法。
本书从系统工程和控制系统开发的角度展开，而这正是目前车辆整体性能设计的核心。

本书介绍了一套完整新颖的发动机及传动系统建模与控制方法。主要包括车辆-驱动的基本原理、发动机的工作原理、发动机的建模和控制、传动系统的建模和控制、诊断和可靠性。书末附有热力学数据和传热公式。
与传统的从力学及流体力学的角度阐述建模问题的汽车系统动力学书籍不同，本书是从车辆系统和控制系统开发的角度说明问题，具有更强的应用价值和可借鉴性。书中采用大量的数据、图表以及实例进行说明，将理论应用于工程实践，并贴近实际的工程应用。书中所介绍的汽车部件模型和控制方法都是经过工程检验并被广泛采用的。这是一本经过实际教学及科研实践验证的国外经典教材。
本书面向的读者较为广泛，包括汽车相关专业的高校教师、本科生、研究生；从事汽车设计、制造的工程师及技术人员。甚至从事电控技术研究的相关人员也可以将本书作为教材和参考资料。本书的引进翻译为我国大学车辆工程教学提供了一本优秀的教材，为技术人员提供了实用的专业书籍，能够促进我国汽车产业的发展。

郭建华，吉林大学汽车工程学院，副教授、硕士生导师，郭建华，吉林大学汽车工程学院教师，车辆工程专业博士，机械工程专业硕士，副教授，主讲的课程有汽车构造、汽车理论以及混合动力汽车的相关本科研究生课程。研究领域为新能源汽车，主要研究方向为混合动力汽车控制策略研究。
近年来发表EI以上学术论文20余篇，主编或参编4本专业书籍，曾获吉林省科技进步一等奖1项，二等奖1项，其他省部级科技进步奖3项。
《机械零部件名词术语图解词典(中英文)》担任主编。

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 动力系统最优操纵控制 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 
9.1.1 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 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