汽油发动机的工作原理.docVIP

题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 得分 得分 评卷人 设计题（满分100分） 请在以下题目中任选一项完成设计 汽车运动控制系统设计； 电烤箱温度控制系统设计 汽车减震系统建模仿真； 汽车自动巡航控制系统的PID控制； 汽车怠速系统的模糊PID控制； 双闭环直流调速系统的设计与仿真 自选测控项目（给出你自选的题目） 本份试题选取项目为： 汽油发动机的开环和闭环控制 附评分细则： 评分标准 本设计试题得分情况 设计报告内容清楚，格式正确（30%） 程序设计合理（20%） 结果调试正确（30%） 态度与团队合作情况（20%） 《MATLAB工程应用》期末考试设计报告 概述 1.1汽油发动机的基本介绍 按燃料供给方式的不同，汽油发动机又可分为化油器式及?喷射式（或称电喷式）两大类。化油器常见于老车型的发动机上，在喷射式汽油机中，汽油可在进气口喷射，也可在进气冲程期间直接向气缸内喷射;喷油过程可由计算机程序控制，燃料可更均匀地分配给各个气缸;同时，由于不需要喉管而减少了进气的阻力等，可提高气缸内的平均有效力和热效率。此外，还可以减弱或避免爆震燃烧。 活塞在气缸中上行所能达到的最高位置称为“上止点”，下行所能达到的最低位置称为“下止点”。在许多发动机内，在上止点时，活塞的顶部与气缸体的顶部齐平，燃烧室容积就是活塞上方气缸盖内的空腔容积，但这部分容积会因活塞顶部的形状而稍有改变。因此，压缩比的精确定义应该是，下止点时总的气缸容积与上止点时总的燃烧室容积之比。压缩比是表征发动机性能的一个重要指标。从上止点到下止点之间的直线距离称为冲程。 1.2汽油发动机的工作原理 发动机是将化学能转化为机械能的机器，它的转化过程实际上就是工作循环的过程，简单来说就是是通过燃烧气缸内的燃料，产生动能，驱动发动机气缸内的活塞往复的运动，由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄，围绕曲轴中心作往复的圆周运动，而输出动力的。 四冲程汽油机的工作过程是一个复杂的过程，它由进气、压缩、燃烧膨胀、排气四个行程（冲程）组成。 进气行程 此时，活塞被曲轴带动由上止点向下上止点移动，同时，进气门开启，排气门关闭。当活塞由上止点向下止点移动时，活塞上方的容积增大，气缸内的气体压力下降，形成一定的真空度。由于进气门开启，气缸与进气管相通，混合气被吸入气缸。当活塞移动到下止点时，气缸内充满了新鲜混合气以及上一个工作循环未排出的废气。 图1发动机模型结构图 该模型主要包括气路及油路模块、压缩冲程模块、检测定时模块、燃烧和动力输出4个子系统模块,其中气路及油路模块又有3个子系统:节气门模型,进气管动态特性模型,燃油蒸发与油膜模型.各模块的具体建模可参考文献[3]和文献[4],在此简单介绍一下所添加或改进模块中的油膜模型和进气、压缩模型以及检测定时模块. 2.2汽油发动机控制模块建模 对于四缸四冲程汽油机,由理想气体状态方程、质量守恒方程、能量守恒方程以及速度密度方程可以得到下述动态模型[1,2]?? m?ap=n120Vsρc=n120VscrTipi(1) p?=-rTiVm?ap(n,pi)+rTiVm?aT(α,pi)=-n120VsVcpi+rTiV m?at(α,pi)=-n120VsV(sipi-yi)+rTiV m?at(α,pi)(2)?? m?(α,pi)=m?at1β1(α)β2(p)i+m?at0(3)?? β1(α)=1-cos(α-α0)(4) β2(pi)=pr2k-prk+1k,pr≥2k+1kk-1kk′2k+1k+1k-1, pr2k+1kk-1(5) 式中,pi为进气歧管压力;Ti为进气歧管温度;V为进气歧管容积;Vs为发动机排量;c为发动机充量系数;n为发动机转速;m?at为通过节气门的空气流量;m?ap为进入气缸的空气流量;si,yi为拟合常数;α0为常数;α为节气门开度;k为比;k=2k/(k-1);r为普适气体常数;ρ为空气密度;pr为进气管压缩比,pr=pi/pa,pa为环境压力。 上述模型为非线性模型,结构比较复杂,无法满足汽油机控制实时性的要求,为了简化模型,进行了两个假设:(1)假设m?at1,m?at0为常数,由式(3)知m?at与β=β1(α)β2(pi)为线性关系。下文进行的试验中对此假设进行了验证。(2)假设式(2)cpi=si?pi-yi,且si和yi的值在发动机的各个工况下不变,即认为充量系数c与进气压力pi的乘积与pi成线性关系,这一假设已经在参考文献[2]中得到验证。 图2进气模块结构图 图3油门阀模块结构图 图4进气支管模块结构图 图5压缩模块结构图 图6膨胀模块