汽车发动机与传动系统建模及控制

前言

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。目前，发动机及传动系统部件的建模已经得到了深入研究，并开发出了适用于建立仿真模块或设计控制和诊断系统的较为有效的模型。其他著作是从力学和流体动力学的角度进行分析，而本书则从一个系统工程和控制系统开发的角度展开。这个角度是目前车辆整体性能设计的核心，同时我们与汽车企业进行了密切合作，使本书可以为工程师开发动力总成和分析动力控制系统提供良好的参考。

撰写本书有三个主要目标。，为教师和需要长期使用参考资料的工程师提供全面的零部件建模知识。因此，以下这些方面对于我们来说非常重要：在描述和处理不同系统时，首先提出在实际工程中系统的评价性能指标；然后解释其潜在的物理学原理，描述建模中的注意事项，并用试验数据验证所建模型的有效性。总之，就是要表明模型是如何对实际事物进行仿真并与工程相适应的。模型是不受时间影响的，但是本书第二个重要目标就是，它们是如何在现代的、重要的控制和诊断系统设计中被利用的。我们会利用研究的实例和案例来解释设计的控制系统如何实现需要的性能，以及解决这些复杂系统相互冲突的目标。当然，组件和系统需要整合起来开发，所以第三个重要的目标就是提供一种用于系统集成和评估的完整的解决方案。这就是本书中所描述的包含纵向运动的整车模型，并且该模型考虑了在驾驶循环和模拟仿真中用于尾气排放与燃油消耗分析的实际需求。

我们的目标读者既包括正在学习本领域的学生，也包含需要学习本领域的工程师。从1998年开始，林雪平大学（Linkping University） 已将本书作为电气工程和机械工程专业硕士生的教材。它也用于国内外的课程中，甚至为企业设计了专门的课程。例如，它已被用在国立的“瑞典绿色汽车计划” 课程中。在国际上， 法国的法国石油研究院（IFP）、西班牙的瓦伦西亚理工大学（UPV） 以及中国的天津大学动力总成工程计划也是本书应用的实例。除了这些读者，本书还面向在车企从事开发和整合组件的工程师，为他们提供一个参考。有效的模型是零部件供应商、系统制造商和汽车制造商的工程师们之间交流的重要手段。

本书是专为硕士生或已毕业的学生而写。阅读本书应具有一般工程课程的学习基础，主修过像数学、机械工程、物理学和自动控制或信号和系统等相关课程。读者具有一定热力学知识背景对阅读本书有一定的帮助，但并不要求。对于喜欢使用本书作为教学或学习材料的人，本书编排的1.3章节会给出学科的总览。在教学工作中，很自然地需要将试验工作和计算机的实例演练相结合来完成数据采集的工作，然后通过建模来进行控制系统设计和验证。本书可作为问题研讨会的补充资料，而对于教师、学生，或者想练习该方面知识的人，可以在主页上搜索更多可用的材料wiley.com/go/powertrain 和www.fs.isy.liu.se/Software）。例如， 可以下载图8.27的完整发动机模型（LiU 柴油机）。由于Matlab/Simulink在汽车工业中占据着主导地位， 在书中我们还准备了许多利用该软件完成的例子和图。本书的重点在于工具的独立性，可以使读者在任何恰当的软件或建模环境下运行模型的测量数据和方程式。

鸣谢

出于对汽车建模和控制领域的兴趣和热情，我们完成了这本书，同时也少不了其他同仁的倾情奉献。编写本书的材料来源于“ 车辆系统研究团队（Vehicular Systemsgroup）”在发动机和传动系统控制领域的研究成果，很大程度上，它已经运用到了与车企紧密的合作中。从1994年我们的发动机实验室就开始着手这项工作，次课程是在1998年。后来发展为与大学内外许多企业合作的模式， 因此许多人都做出过贡献，在这里就不一一列举了。

我们大学的团队已经努力为我们的学生开展高度关联且高质量的课程，团队的许多博士也参与了对课程范围及学习方法的讨论。因此，本书也是我们同团队的博士共同研究和讨论的成果，所有我们以前和现在的博士的贡献都得到了高度认可。

后我们想感谢的是那些对终稿校对做出贡献的人士： Daniel Eriksson，Erik Frisk，Erik Hckerdal(斯科讷)，Mattias Krysander，Anders Larsson (斯科讷)，Patrick Letenturier(英飞凌公司)，Oskar Leufven，Tobias Lindell，Andreas Myklebust，Vaheed Nezhadali，Peter Nyberg，Andreas Thomasson，Frank Willems (TU/e和TNO汽车)及Per Oberg。

Linkoping,2013夏

Lars Eriksson

Lars Nielsen

系列前言

发动机作为汽车的心脏，能够将储存的能量转化为机械能。动力传动系统的任务是将动力转变为运动。发动机和传动系统组成的动力总成是汽车的典型的主要组成部分。几乎可以肯定，当一位消费者计划购买一辆高性能汽车时，发动机和传动系统规格是主要考虑的因素。在过去的时间里，由于技术创新，发动机和动力传动系统性能显著提高。而且，消费市场和一系列世界范围内的法规对车辆性能提出了更高的要求，这些要求包括更高的燃油效率和更低的排放。因此，需要充分理解发动机、动力传动系统以及它们不同种类的构型，例如火花塞点火、柴油机、电混合和涡轮增压， 这些在汽车领域都是很关键的技术。这些技术不仅应用于汽车OEMs（原始装备制造商），也应用于网络零部件供应商，它们生产和测试用于汽车系统的各种部件。

随着发动机和传动系统技术的飞速发展，发动机和传动系统建模与控制提出了关于发动机和动力传动系统发展均衡性的讨论，包括驱动、发动机基本部件、建模与控制、驱动系统性能与诊断等几个方面。《汽车发动机与传动系统建模及控制》作为发动机和动力传动系统领域高级工程课程的一部分，也是汽车系列丛书（其主要是出版针对研究者、行业从业者和车辆工程专业本科生与研究生的实用且专业的图书）的一部分。该系列图书介绍了车辆工程领域出现的新技术，能够使汽车更高效、更安全、更环保。《汽车发动机与传动系统建模及控制》讨论了许多主题，包括设计、制造和操作，旨在提供相关信息来源，使汽车工程领域的人受益。

发动机和动力传动系统建模与控制提供了一个详细的有关发动机和传动系统设计、分析和控制的框架，也包含大量对从业工程师有帮助的实用概念，因此本书是基本概念和实际应用的完美结合。本书的优点是结合大量基本概念和应用实例，使读者更透彻地理解发动机和动力传动系统的设计与操作。本书不仅体现了技术深度和宽度，也深入介绍了相关的技术法规，这些法规使发动机系统的技术不断进步（例如排放标准）。这使本书可以作为本领域的全面参考。本书清晰而简洁，由本领域受认可的专家编写，为读者提供了基础与实用兼备的信息，是对汽车系列的补充。

Thomas Kurfess

2013年12月

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。

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&nb