天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比傳輸時(shí)間延遲研究

0 引言

當(dāng)今世界，隨著人類(lèi)對(duì)環(huán)保的重視，發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)逐步升級(jí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的要求越來(lái)越高，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備良好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，更要具備降低有害排放氣體的能力。

天然氣具有排放污染低、價(jià)格低廉、資源豐富等顯著優(yōu)點(diǎn)，并且天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)比較成熟，使用時(shí)間也比較長(zhǎng)，具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。所以天然氣車(chē)輛非常容易形成產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化，是當(dāng)前比較有前途的替代燃料。跟柴油相比，天然氣資源具有儲(chǔ)量大安全可靠、經(jīng)濟(jì)可行、污染較少、易存儲(chǔ)運(yùn)輸、熱值高等優(yōu)點(diǎn)，使用理論空燃比+EGR+TWC技術(shù)，可滿(mǎn)足中國(guó)六排放法規(guī)。這些年來(lái)天然氣作為一種理想的清潔車(chē)用替代燃料，在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)同。

寬域氧傳感器是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心零部件，通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中含氧量，傳遞給ECU，ECU通過(guò)空燃比控制修正燃?xì)鈬娚淞浚罱K通過(guò)控制噴氣加電時(shí)間精確調(diào)節(jié)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣空燃比。

根據(jù)研究，當(dāng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)處于理論空燃比控制時(shí)，三元催化劑TWC的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高，排放水平最好，并且發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性也非常好。因而，空燃比的實(shí)時(shí)精確控制顯得尤為重要。

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一種復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，而且天然氣是在進(jìn)氣道噴射，混合氣和廢氣在傳輸過(guò)程和氧傳感器測(cè)量過(guò)程中存在延時(shí)，具有明顯的時(shí)滯性以及開(kāi)環(huán)的不穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電控ECU可以很好的精確控制空燃比。但是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，大部分的時(shí)間處于過(guò)渡工況。但是在過(guò)渡工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管有充氣回流現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)空燃比的波動(dòng)幅度變大，進(jìn)而空燃比控制精度下降。當(dāng)處于過(guò)渡工況時(shí)，通常采用開(kāi)環(huán)的控制方式，開(kāi)環(huán)方式需要進(jìn)行的標(biāo)定，工作量非常大。為防止這種不足，國(guó)內(nèi)外許多科研工作者致力于改進(jìn)空燃比的控制能力，開(kāi)發(fā)降低標(biāo)定量的控制策略，基于模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制策略是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外空燃比控制的熱點(diǎn)方向，這些控制策略開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，是對(duì)空燃比傳輸特性的分析

。

為了改進(jìn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在過(guò)渡工況時(shí)空燃比的控制能力,本文對(duì)空燃比的時(shí)間傳輸特性和影響情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，建立了空燃比的特征模型，并采用Matlab系統(tǒng)辨識(shí)工具箱對(duì)特征模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，經(jīng)過(guò)過(guò)程模型的空燃比設(shè)定值和實(shí)際值吻合度進(jìn)行了比較。

具體而言，民事訴訟中的法律監(jiān)督需要與人民法院的信訪(fǎng)制度銜接、整合。相對(duì)于法律監(jiān)督程序設(shè)計(jì)的缺失，人民法院信訪(fǎng)程序已較為完備。包括中央政法委《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)涉法涉訴信訪(fǎng)工作意見(jiàn)》、最高人民法院《關(guān)于建立和完善多元化解涉訴信訪(fǎng)機(jī)制的規(guī)定》、最高人民法院《人民法院涉訴信訪(fǎng)案件終結(jié)辦法》在內(nèi)的一系列規(guī)定從評(píng)估預(yù)防、受理接待、多元化解、案件終結(jié)等事項(xiàng)入手構(gòu)建了信訪(fǎng)案件處理程序。同時(shí)，通過(guò)建立涉訴信訪(fǎng)統(tǒng)計(jì)通報(bào)考評(píng)等機(jī)制，不斷強(qiáng)化了上級(jí)法院對(duì)下級(jí)法院辦理信訪(fǎng)案件的督導(dǎo)。

通過(guò)對(duì)以上分析進(jìn)行總結(jié)，可以將空燃比傳輸時(shí)間延遲抽象為具有延遲環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)節(jié)，如圖2所示：

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比延遲特性分析

系統(tǒng)辨識(shí)包含三個(gè)重要因素：實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)辨識(shí)的輸入輸出；采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，以提高擬合的準(zhǔn)確度；使用參數(shù)計(jì)算法獲得模型中的待定系數(shù)。理想的簡(jiǎn)單系統(tǒng)用白箱法或計(jì)算法進(jìn)行辨識(shí)，這種方法是采用物理公式推導(dǎo)得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；而真實(shí)條件下復(fù)雜的系統(tǒng)通常采用黑箱法辨識(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的輸入輸出而不同關(guān)注系統(tǒng)的內(nèi)部找到等價(jià)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)；而將兩種方法結(jié)合稱(chēng)作灰箱法。在黑箱法的辨識(shí)中非常重要的兩個(gè)步驟包括辨識(shí)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的選取和模型中參數(shù)的計(jì)算兩部分。

由圖1所示，空燃比的傳輸延遲主要由以下四部分組成：

1)混合氣體從混合器到氣缸的傳輸時(shí)間T1

給系統(tǒng)主動(dòng)施加階躍擾動(dòng)，即噴油量主動(dòng)加濃減稀之后，將各個(gè)工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。通過(guò)將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)辨識(shí)工具箱。辨識(shí)得到對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)T和τ。將其標(biāo)定到MAP中。具體操作如下：

2)混合氣在氣缸內(nèi)的滯留時(shí)間T2

3)廢氣從氣缸傳輸?shù)窖鮽鞲衅鞯臅r(shí)間T3

4)氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間T4

故{An(xk)}是([0,1], ρ)的Cauchy-列。由題設(shè)條件知([0,1], ρ)完備,從而{An(xk)}是([0,1], ρ)的收斂列。設(shè)

參數(shù)辨識(shí)：通過(guò)Estimate-ProcessModel進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的辨識(shí)，可以得到測(cè)量值和經(jīng)過(guò)模型輸出值有比較好的吻合度，如圖5所示。因而通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)工具箱得到該工況下T和τ的標(biāo)定數(shù)據(jù)有比較高的可信性。

1.2.3 第一章緒論第四節(jié)-內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài) 前人歸納了生理學(xué)一個(gè)重要的概念為內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，在第三章血液理化特性學(xué)習(xí)中演繹了酸堿度穩(wěn)態(tài)、滲透壓穩(wěn)態(tài)、第四章動(dòng)脈血壓穩(wěn)態(tài)、第七章體溫穩(wěn)態(tài)、第十一章內(nèi)分泌中胰島素調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)的演繹等。

廢氣從氣缸傳輸?shù)窖鮽鞲衅鞯臅r(shí)間T3：T3由氧傳感器的安裝位置和排氣管內(nèi)的平均流速有關(guān)，研究表明，排氣管內(nèi)的廢氣流動(dòng)很復(fù)雜，很難確定其平均流速，目前只知道其與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及排氣管的橫截面積有關(guān)。

氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間T4：根據(jù)寬域氧傳感器的工作原理可知，空燃比的測(cè)量是通過(guò)監(jiān)測(cè)寬域氧傳感器泵電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且傳感器進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)需要等待一定的時(shí)間。因?yàn)榭梢约僭O(shè)寬域氧傳感器是具有一階響應(yīng)特性的傳感器。根據(jù)研究，響應(yīng)特性也跟發(fā)動(dòng)機(jī)的工況有關(guān)。

調(diào)整的主要目的是對(duì)于管線(xiàn)的碰撞關(guān)系，特別是對(duì)于整體性的碰撞分析的辦法，需要對(duì)各項(xiàng)洞口的朝向進(jìn)行整體調(diào)整。若存在洞口的朝向問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致會(huì)發(fā)生墻體或柱體的碰撞現(xiàn)象。因此，需要在實(shí)際操作中加入合理的預(yù)留孔進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其保溫管道的預(yù)留合理性[3]。同時(shí)，需要在實(shí)際調(diào)整中進(jìn)行項(xiàng)目出圖，利用實(shí)際的數(shù)據(jù)參數(shù)和基本信息進(jìn)行4D全息的技術(shù)分析，對(duì)重要的部位進(jìn)行標(biāo)識(shí)和核查，確保機(jī)電各專(zhuān)業(yè)的使用情況與軟件所切合，最終達(dá)到專(zhuān)業(yè)的技術(shù)管理的價(jià)值。

其中T為延遲時(shí)間，T相當(dāng)于T1、T2、T3之和。τ為T(mén)4。其傳遞函數(shù)可表示為：

混合氣體從混合器到氣缸的傳輸時(shí)間T1：與進(jìn)氣管內(nèi)的進(jìn)氣流速以及混合器的安裝位置有關(guān)。而進(jìn)氣流速由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷決定。

7.1.5 經(jīng)營(yíng)者應(yīng)根據(jù)《食用農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)銷(xiāo)售質(zhì)量安全監(jiān)督管理辦法》第二十六條的規(guī)定，實(shí)施食用農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)貨查驗(yàn)記錄制度，如實(shí)記錄食用農(nóng)產(chǎn)品名稱(chēng)、數(shù)量、進(jìn)貨日期以及供貨者名稱(chēng)、地址、聯(lián)系方式等內(nèi)容，并保存相關(guān)憑證。記錄和憑證保存期限不得少于6個(gè)月。

(1)

其中，T為傳輸延遲時(shí)間，τ為氧傳感器響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，K為過(guò)程模型的增益，Y為lambda的倒數(shù)，U為燃?xì)鈬娚淞俊?/p>

地處黃河岸邊的永和縣，是我省10個(gè)深度貧困縣之一。該縣通過(guò)實(shí)施水保重點(diǎn)工程建設(shè)，探索出坡耕地改造、壩灘聯(lián)治、經(jīng)濟(jì)林栽植、荒山造林、設(shè)施改善“五位一體”的綜合治理模式，水土流失治理度達(dá)到68.17%。

另外，根據(jù)以上分析可以知道，T和τ均與發(fā)動(dòng)機(jī)工況相關(guān)。因而可以通過(guò)圖3所示：

因此，建立模型之前首先要完成如下事項(xiàng)：確定凍土在溢洪道側(cè)墻上可能的凍脹壓力；確定溢洪道側(cè)墻后土體的溫度應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)；確定土體凍裂的可能性；確定土體與溢洪道側(cè)墻之間的間隙；確定裂縫的寬度和深度；確定引起溢洪道側(cè)墻土體剝落的最大溫度應(yīng)力。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比延遲參數(shù)辨識(shí)

系統(tǒng)辨識(shí)定義是1962年由著名美國(guó)控制理論專(zhuān)家LotfiAliasker Zadeh教授提出，辨識(shí)是在輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上從預(yù)定的模型類(lèi)中確定一個(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，系統(tǒng)辨識(shí)已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的重要一級(jí)，同時(shí)也成為生產(chǎn)過(guò)程中比較常用的建模方法。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴射位置在混合器處，處于發(fā)動(dòng)機(jī)的上游，而氧傳感器的安裝位置在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，位于發(fā)動(dòng)機(jī)的下游。因而可以認(rèn)為時(shí)間延遲為混合器處到ECU讀取空燃比傳感器信號(hào)之間的時(shí)間。如圖1所示：

線(xiàn)性參數(shù)化模型應(yīng)用范圍非常廣泛，模型的種類(lèi)較多并且通常較為復(fù)雜，根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用情況，前人研究出了很多模型結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)可以適用于不同特性的系統(tǒng)，常見(jiàn)的線(xiàn)性參數(shù)化模型包含狀態(tài)空間模型、過(guò)程數(shù)學(xué)模型、傳遞函數(shù)模型和多項(xiàng)式模型

。

本文中的空燃比延遲模型屬于過(guò)程數(shù)學(xué)模型，在采用系統(tǒng)辨識(shí)機(jī)理建模過(guò)程中，把空燃比延遲模型中的遇到一些未知參數(shù)，采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，在數(shù)學(xué)模型建模過(guò)程中，用獲取的輸入輸出數(shù)據(jù)信息，把這些未知參數(shù)估算出來(lái)。

各工況點(diǎn)參數(shù)T和τ的數(shù)據(jù)標(biāo)定可以通過(guò)Matlab中內(nèi)置的系統(tǒng)辨識(shí)工具箱進(jìn)行確認(rèn)。

天時(shí)——近年來(lái)電商和新能源的不斷發(fā)展，催生很多老舊倉(cāng)儲(chǔ)中心升級(jí)改造和新興倉(cāng)儲(chǔ)中心規(guī)劃建設(shè)，其對(duì)于內(nèi)部倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備的要求更加緊貼社會(huì)、科技發(fā)展，而中鼎在過(guò)去積累的定制化解決方案經(jīng)驗(yàn)和核心設(shè)備的自主研發(fā)制造成為其獨(dú)到的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；地利——民族品牌建設(shè)更加接地氣，更加快速應(yīng)對(duì)中國(guó)物流行業(yè)發(fā)展新需求，許多客戶(hù)都贊許說(shuō)：“中鼎倉(cāng)儲(chǔ)管理軟件和自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備，能夠有效做到因需而變、快速反應(yīng)”；人和——與諾力集團(tuán)的合作，讓中鼎的研發(fā)實(shí)力更加雄厚，產(chǎn)品線(xiàn)更加豐富，可為客戶(hù)提供更加完善的倉(cāng)儲(chǔ)一體式解決方案。張總說(shuō)：“當(dāng)坐擁如此的“天時(shí)地利人和”，中鼎又豈能不收獲成功呢？”

數(shù)據(jù)采集：運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)至暖機(jī)，確保氧傳感器加熱控制正常工作，并將氧閉環(huán)關(guān)閉，根據(jù)MAP斷點(diǎn)，確認(rèn)要測(cè)量的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷工況點(diǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。按照?qǐng)D5所示，制造燃?xì)饬康臄_動(dòng)。將燃?xì)饬亢蚻ambda數(shù)據(jù)記錄一段時(shí)間，保存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。各個(gè)工況點(diǎn)都按照以上操作進(jìn)行。數(shù)據(jù)分析：首先將lambda取倒數(shù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)Importdata-Timedomaindata選項(xiàng)導(dǎo)入，通過(guò)Preocess-Remove means對(duì)輸入和輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：

苗族的鼓，很神圣，只有葬禮和祭祀有，其他時(shí)候不用，這點(diǎn)和蘆笙還有區(qū)別。葬禮的掛鼓，各家族習(xí)俗也有區(qū)別。在高良鄉(xiāng)，據(jù)陶興文介紹，至少有三種掛鼓方式：掛在房屋正中間、掛在房屋的右側(cè)和掛在房屋左側(cè)。納平山楊家屬于第三種，由一截三杈木頭吊著，靠著左側(cè)墻壁（以面對(duì)房屋算）。

混合氣在氣缸內(nèi)的滯留時(shí)間T2：T2主要跟發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)，可由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得到。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證辨識(shí)參數(shù)的有效性，驗(yàn)證空燃比傳輸延遲模型對(duì)空燃比控制的改善，設(shè)計(jì)空燃比控制邏輯對(duì)比試驗(yàn)，圖6和圖7為空燃比控制的結(jié)構(gòu)圖。

將系統(tǒng)辨識(shí)得到的數(shù)據(jù)標(biāo)定到空燃比傳輸延遲模型中，將空燃比閉環(huán)控制關(guān)閉，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架制作階躍工況，對(duì)比lambda設(shè)定值、lambda實(shí)際值、經(jīng)過(guò)延遲的lambda設(shè)定值，如圖8所示，經(jīng)過(guò)延遲的lambda設(shè)定值和實(shí)際值趨勢(shì)基本一致。而lambda設(shè)定值和lambda實(shí)際值之間存在著明顯的延遲。

運(yùn)用ADS仿真軟件進(jìn)行原理圖仿真，可以得到中心頻率880MHz，帶寬160MHz新型耦合結(jié)構(gòu)帶通濾波器與純感性和純?nèi)菪择詈辖Y(jié)構(gòu)S21仿真曲線(xiàn)對(duì)比圖，如圖3所示。從圖中可以看出新型耦合結(jié)構(gòu)很好地彌補(bǔ)了容性耦合和感性耦合帶外衰減的不足，雙邊帶衰減較均勻，性能有了很大的提高。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架對(duì)比兩種控制器氧傳感器lambda信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線(xiàn)。在某機(jī)型上設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)如下：

工況突增實(shí)驗(yàn)：測(cè)功機(jī)控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，油門(mén)開(kāi)度從小開(kāi)度到大開(kāi)度階躍。

工況突減實(shí)驗(yàn)：測(cè)功機(jī)控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，油門(mén)開(kāi)度從大開(kāi)度到小開(kāi)度階躍。

如圖9所示，從工況突增實(shí)驗(yàn)中可以看到，帶有空燃比傳輸延遲的空燃比控制器比無(wú)空燃比傳輸延遲的空燃比控制器的的實(shí)際氧傳感器lambda在油門(mén)踏板開(kāi)度突加后更快的恢復(fù)到了期望值．并且?guī)в锌杖急葌鬏斞舆t的空燃比控制器比無(wú)空燃比傳輸延遲的空燃比控制器的的實(shí)際氧傳感器lambda的波動(dòng)范圍更小。

從工況突減實(shí)驗(yàn)中可以看到，帶有空燃比傳輸延遲的空燃比控制器比無(wú)空燃比傳輸延遲的空燃比控制器的的實(shí)際氧傳感器lambda在油門(mén)踏板開(kāi)度突減后更快的恢復(fù)到了期望值．并且?guī)в锌杖急葌鬏斞舆t的空燃比控制器比無(wú)空燃比傳輸延遲的空燃比控制器的的實(shí)際氧傳感器lambda的波動(dòng)范圍更小。

從以上突增和突減的實(shí)驗(yàn)中說(shuō)明帶有空燃比傳輸延遲的空燃比控制器響應(yīng)性更快，lambda的波動(dòng)范圍更小。

4 結(jié)論

本文分析了影響空燃比傳輸延遲的影響因素，并通過(guò)對(duì)這些因素的研究，分析了空燃比誤差的原因，并建立了空燃比傳輸?shù)倪^(guò)程模型。并采用matlab系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，對(duì)過(guò)程模型參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。設(shè)計(jì)的空燃比策略對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，基于模型的空燃比控制超調(diào)量很小，運(yùn)行平穩(wěn)，過(guò)渡時(shí)間較短，穩(wěn)定精度很高，表現(xiàn)出了處理氧傳感器信號(hào)滯后過(guò)程的優(yōu)越性能和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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