LPG发动机空燃比闭环控制系统的设计

自动变速器的闭环控制系统

导读：LPG 发动机空燃比闭环控制系统的设计,电动汽车速度闭环控制系统设计,变频电机

的双闭环控制系统,计算机闭环控制系统在摩擦焊接中的应用,重型柴油机尿素 SCR 闭环控

制系统的研究 .

中国学术期刊文辑（2013）

目 录

一、理论篇

LPG发动机空燃比闭环控制系统的设计 1

PLC液位闭环控制系统分析 6

PWM整流器的双闭环控制系统设计与仿真研究 9

SiemensPLC在闭环控制系统中PID算法的实现 13

半桥电路的双闭环控制系统设计与建模 16

变频电机的双闭环控制系统 20

地区电网电压无功在线闭环控制系统的研究 25

电动汽车速度闭环控制系统设计 28

电流型整流器双闭环控制系统设计和仿真 33

电渣重熔PID闭环控制系统的研究 38

高含硫气井计算机优化压井闭环控制系统 41

锅炉燃烧优化闭环控制系统的初探 44

基于AT89S52的步进电机闭环控制系统设计 47

二、发展篇

基于DSP的电机双闭环控制系统 52

基于MATLAB的无刷直流电机双闭环控制系统建模与仿真 55

基于MSP430的无刷直流电机双闭环控制系统的设计 60

基于非线性传递函数的非线性闭环控制系统的稳定性研究 71

计算机闭环控制系统在摩擦焊接中的应用 78

逆变弧焊电源峰值电流模式双闭环控制系统 81

三自由度平台电液比例闭环控制系统 87

无刷直流电动机双闭环控制系统研究 90

谐振式硅微加速度计闭环控制系统的分析与设计 94

压边力和冲压速度可调的液压机闭环控制系统 99

衍射光栅刻划机的闭环控制系统 102

直流电动机PID神经网络双闭环控制系统 110

直线电动机抽油机速度闭环控制系统的设计 114

重型柴油机尿素SCR闭环控制系统的研究 117

自动变速器的闭环控制系统 121

LPG发动机空燃比闭环控制系统的设计

北京工业职业技术学院 胡定军 朱 辉

(北京 100042)

摘要 国内第二代电控LPG混合系统的开发和应用水平还不高。本文介绍了一种新型第二代LPG发

动机空燃比闭环控制系统的设计,与同行们探讨。

关键词 LPG发动机 空燃比 闭环控制

DesignofClosedLoopControlSystemforAirFuel

RatioofLPGengines

BeijingTechnicalCollege HuDingjunZhuHui

(Beijing 100042)

Abstract ThelevelofdevelopingandapplyingthesecondgenerationofelectronicallycontrolledLPGmix-

ingsystemisnothighyetinChina.ThispaperintroducesakindofnewsecondgenerationdesignofclosedloopcontrolsystemforairfuelratioofLPGenginestodiscusswithcolleagues.

Keywords LPGengine,Airfuelratio,Closedloopcontrol

1 前言

我国对LPG燃料供给系统的研究还比较落后。

产品开发仅处在国外第一代产品的水平。由于国内汽

油电喷技术应用水平不高,初期引进的一些系统也都

是机械控制的气化混合系统,如美国的Impco系统、意

大利的IandiRenzo、Lovato、BRC系统等。1999年以

后才开始在轿车上装用第二代系统(电控LPG混合系

统),但仅是比较简单的只根据氧传感器信号进行调节

的电控系统。

本方案的设计目标是开发一个带转速传感器、歧

管绝对压力传感器和氧传感器的对LPG供气量和点

火提前角进行数字控制的第二代LPG闭环控制系统。

开发试验在BN495Q汽油机上进行。

2 总体方案的确定

系统总体方案如图1所示。

只有进行空燃比闭环控制和三元催化,才能将三

种排放物都控制在日趋严格的法规限值之内,才能与

性能已经比较完善的电喷汽油机竞争。国内已经停止

使用含铅汽油,三元催化器的研制和生产几乎与燃气

汽车同时兴起,形成一股热潮。因此在汽油车上普及

使用三元催化转化器也已具备了条件。

使用LPG后若不对燃烧系统进行改造,动力性下

降还是比较大的。而改变压缩比对在用车和使用汽油图1 LPG闭环控制系统方案示意图)LPG两用燃料的发动机来说也不可能,因此有必要对点火系统进行调整。鉴于高能点火在汽油机上已经越来越普遍,对电脑点火的需求日趋高涨,所以决定采用电脑点火。另外,在三种主要的汽车尾气污染物中,NOx一直最受关注。而点火提前角对NOx的影响比较大,所以改用电脑点火后就有可能借助点火调整使原机的NOx排放下降。将设计目标定在第二代系统而不是电控喷气是基

太大,成本太高,用户难于接受。因为不仅要在合适的

位置安装喷气阀,还需要很多传感器来修正喷气量,匹

配标定工作量也很大。一个喷射阀还有可能满足不了

最大供气量的需求,或者无法很好协调最大、最小流

量,因为喷气的体积流量远大于喷油。若改成多点喷

气则系统成本就更高了。因此喷气系统适合于发动机

制造厂定型生产高性能单一LPG燃料的发动机,或者

在多点燃油喷射的发动机上改装。目前市场对其需求

还较小。

LPG燃料供给系统的选型余地不大。蒸发减压

器基本是一样的,主要区别是混合器的型式。除原机

生产厂外在化油器上进行改动也是比较困难的,所以

选用座圈型式的文丘里式混合器,将混合器直接套在

化油器上。

执行器采用步进电机。步进电机在电喷汽油机上

广泛用作怠速马达,其控制比较简单,精度较高,调节

频率和响应速度都较快。

通过空燃比闭环控制、三元催化以及电脑点火等

先进结构在工作中的协调配合,可望使发动机的空燃

比保持稳定,大幅度降低污染物的排放,提高动态性

能,从而使发动机的总体性能比汽油机以及简单改装

的LPG发动机有明显提高。应式)和混合式。永磁式的结构最简单,反应式和混合式在定子和转子上又加工了很多极齿。永磁式一般为大步距步进电机,它又分为双极和单极两种。前者是双向驱动,而后者是单向驱动,只不过绕线时采用双绕线法达到反转定子磁通量的目的。对LPG闭环控制系统的要求是用步进电机带动阀杆上下伸缩,控制截面开度,不需要很小的步距角(如常用的118b),所以选用永磁式步进电机。以往单极电机能简化驱动级,但现在单片推挽驱动器(如L298)的出现使驱动不再成为问题。而单极电机因为所用绕线两倍于双极电机,较为昂贵,且所用绕线较细而使扭矩较小,因此逐步让位于双极电机。我们选用的是两相双极步进电机。双极永磁式步进电机包括一个可转动的永久磁铁,由定子磁极所围绕。定子上带有绕线,相对的两个定子使用同一根绕线,但驱动电流可以是双向的,依次逐步接通绕线组即可使电机正转或反转。3.2 LPG流量调节器设计考虑到BN495Q汽油机的排量较大(2184L),设计执行器时希望尽可能加大其截面积和行程。但LPG从减压器到混合器之间的管路连接一般使用耐腐蚀软管,允许的接头外径最大只能是<19左右。所

以外径按<1815设计,内径确定为<15。阀杆的行程

受步进电机本身丝杠长度的制约,最大可达916mm左

右。另一端用一堵块封死,堵块高度由设计确定,可以3 执行器设计3.1 步进电机基本原理常用的步进电机有三种:永磁式、可变磁滞式(反

1)堵块;2)气管;3)滑块;4)阀体;5)步进电机;6)轴套;7)电机轴图2 步进电机LPG流量调节器装配图

2001年(第30卷)第3期 LPG发动机空燃比闭环控制系统的设计 21 根据需要适当调节。

LPG流量调节器的总体装配图如图2所示,由步

进电机、电机轴、轴套、滑块、阀体、堵块和气管组成(零

件图略)。

设计时受到加工工艺的限制,所以设计成图2所

示的结构型式。因为是单件试制,所以只能车铣加工。

气管与阀体的连接采用过盈压接并涂以密封胶。气管

口设计有凸台以便软管连接时更好地密封。

为减轻重量且耐磨,步进电机所带轴套设计成中

空结构,材料选用黄铜。加工时必须保证同轴度和适

当的间隙以防运动时卡死,且应抛光打磨以减小摩擦。

与轴承配合的套筒也选用黄铜。这对滑动摩擦副

是设计的重点。轴套的运动主要依靠圆周凸台来定

位,前部的作用是导向,间隙较大。

该步进电机每步移动0104mm,最大步数可达240

步。所设计的堵块露出高度为5mm,以此为零点,

LPG气流通路截面积随步数的变化关系如图3所示。

可见由于步距较小,

线性度较好。4 台架试验及结果分析台架试验的目的首先是验证前面所设计的LPG空燃比闭环控制系统的可行性,其次是对发动机燃用汽油和LPG时的性能进行对比试验,并验证闭环控制的效益。台架试验的基础机型是BN495Q汽油机。试验前要对台架进行必要的改造,如加装LPG燃气供给装置、对排气管进行换装三元催化转化器的改造等。试验规范按照5QC/T524)1999汽车发动机性能试验方法6进行,LPG的组分及技术要求参照5SY/T7548)1998汽车用液化石油气6,排放的测量参照5GB/T14762)93车用汽油机排气污染物试验方法6。4.1 方案可行性验证将硬件系统在台架上进行了可行性验证试验,结果表明所设计的方案和执行器能够达到闭环控制的效果,发动机性能明显改善,空燃比非常稳定(保持在K=1附近),动态性能亦有提高,反应灵敏,调节迅速。

证明设计方案是完全可行的。

4.2 性能试验及结果分析

试验内容:原机性能试验、改用LPG但不实行空

燃比闭环控制时的发动机性能试验、点火调整试验、闭

环控制LPG发动机的性能试验、与进口同类产品的控

制效果对比试验等,对发动机燃用汽油和LPG时的排

放情况和动力性进行对比,研究LPG闭环控制的效果

和点火提前角对发动机性能的影响。

测试的性能曲线包括:1500r/min负荷特性、

2500r/min(最大转矩对应转速)负荷特性、外特性。此

图3 LPG流量调节器截面积随步进电机步数的变化关系外,还对原机在2000r/min工况(九工况规定试验转

速)试验了点火调整对NOx的影响。由于篇幅所限,电控系统的设计方案将另文介绍。

图4 转化效率曲线

22 小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 No13(Vol130)2001

现对空燃比控制、排放改善效果、点火调整特性试

验结果作如下简要分析。有最大的动力输出,点火角在50eA左右NOx排放达到最大。

图5 1500r/min排放对比曲线

图4是LPG发动机采用空燃比闭环控制得到的

催化转化效果图。三元催化器对HC和NOx的转化

效率都很高并且保持稳定,说明电控系统确实起到了

反馈控制作用,所选空燃比窗口合适。

图中CO转化效率还不够高,一是因为从静态空

燃比特性已经发现该三元催化器在进行催化剂配方时

对CO的催化效果没有兼顾好,试验中HC催化总是

是比较完全,而CO波动很大;另一方面燃用LPG时

CO的排放总量已经很小,所以算出的转化效率较低。

图5是发动机燃用汽油、简单改用LPG和闭环控

制LPG这三种情况下的排放情况对比图。三种主要

排气污染物中,CO和HC的生成量在燃用LPG时都

有明显的下降,这是因为LPG作为气体燃料是以气相

与空气混合进入气缸,混合非常均匀,不存在化油器式

发动机的油膜蒸发问题,而且燃料的分子结构较小,所

以燃烧很充分。应用闭环控制加三元催化转化后CO

和HC的排放就更少。这就是常说的气体燃料比较清

洁,排气污染少。

图6是2500r/min时闭环控制LPG发动机点火通过性能试验可以认定以下几点:(1)所设计的LPG电控系统能够达到空燃比闭环控制的效果,系统方案可行,硬件设计可靠,执行器的结构型式和控制精度能够满足使用要求。(2)可以根据三元催化器转化效率的要求将空燃比控制在比较精确和稳定的水平,软件控制算法是成功的。(3)所设计的LPG发动机空燃比闭环控制系统与三元催化器匹配能达到较高的催化转化效率,从而显著改善排放。(4)BN495Q发动机在不实行闭环控制的条件下燃用LPG,相对于汽油确实能大幅度改善CO和HC的排放,但不能降低NOx的排放,甚至会使NOx排放增高,而采用闭环控制加三元催化转化后,三种排气污染物均能明显降低。(5)BN495Q发动机燃用LPG时最大功率和最大扭矩相对于汽油时分别下降了1012%和912%,通过控制点火提前角可适当恢复动力性。使最大功率只下降719%,最大扭矩只下降817%。

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