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高性能发动机碳罐空燃比估算
摘要-日益严格的车辆排放限制迫使汽车制造商减少蒸发排放系统中碳氢化合物的数量。活性炭罐从大多数车辆装备的燃油蒸发系统中提取汽油蒸气已有30年的历史。最近有关低排放车辆计划的新修订称为lev-ii。 由加州空气资源委员会(CARB)通过，规定车辆为零排放车辆(ZEV或电池电动汽车)，碳罐必须经常清洗：否则会导致质量差、怠速状况和废气排放水平的增加。本文描述了一种输入高增益观测器算法，用于估计罐气/燃料混合物。 提高怠速发动机的粗糙度和燃油蒸发排放。此外，还将空燃比(AFR)系统辨识用于观测器性能仿真.
介绍
减少空气污染是汽车制造商追求人类健康利益的主要目标之一。从20世纪70年代初开始，美国就开始大幅减少碳氢化合物。 环境保护局(EPA)通过测试程序强制规定汽车制造商必须为汽车配备一种被称为碳罐的装置，使其能够捕获来自燃油蒸气系统的汽油蒸汽。根据加州空气资源局（CARB）1在未来几年中通过的较新LEVII法规，蒸发排放限值（1中的6至2g碳） 在碳中的含量必须减少到0.5克。排放限制越来越严格，控制算法对实现这些限制起着至关重要的作用。原来旧车释放燃料直接通过油箱加料盖中的通风口到达大气，而现在则使用蒸发系统(EVAP)来捕捉和储存。
无论引擎开着还是关着，油箱里的蒸气都在碳罐里。一旦燃料蒸气被捕获，由净化阀控制的流量通过进气真空进入发动机。 。由于严格的法规，机载诊断II(Obd Ii)和蒸发排放测试程序，气罐清洗阀控制是必要的，特别是在怠速发动机时。 RS，见[G.Rizzoni，Yoo等人，1999年]，[G.Rizzoni等人，1999年]。的确，不仅怠速质量会恶化，而且废气排放水平也会增加，见R.Williams等人，第20页。 [G.Lavie等人，1996年]，如果lambda;-控制，见定义(14)-不能补偿这种干扰。众所周知，催化转化器需要靠近化学计量的空气/燃料混合物工作。 这是为了减少污染，但由于未知的燃料蒸气质量流量来自罐，一个lambda;偏差发生。不同的是，lambda;控制，它保证了化学计量混合物，在瞬态。 在清洗控制太慢的情况下，难以补偿快速气罐燃料蒸气的变化。本研究的目的是对lambda;控制进行改进，以满足 前面提到的要求，在装有EVAP系统的汽车上，使用能够估计未测量的输入的观察者算法估计储存在罐中的气、气/燃料混合物。 测量系统的输出和状态。汽车在输入ES-定时器使用中的应用在[A.Stopsky等人，2002年]中作了讨论。这篇论文组织如下。H.简介 在SEC中给出了增益观测器技术.一、蒸发排放系统在SEC中作了描述。第二，本文提出的估计算法在SEC中得到了报道。iii.在证券交易委员会。开环lambda;动态 IC模型在SEC中被识别。文中给出了实验装置和实验结果。本文最后给出了SEC的一些结论.vi.
Ⅰ.高增益观测器算法
在许多实际问题中，由于各种原因，状态变量无法测量。(传感器的成本、实用的传感器安装等)这个事实激发了观察者的使用。在输出反馈控制器的设计中，高增益观测器是最受欢迎的。 g能够在排除干扰的情况下估计系统的无保障状态，见H.Khalil，1998)。从输出测量代表不对称地估计状态的观测器的设计 将状态反馈设计扩展到输出反馈的动态补偿。
状态观测器
让我们考虑以下列形式描述的非线性系统的一个特殊情况
x˙ = Ax g(y, u) (1a)
y = Cx (1b)
其中(A，C)是可观测的，x是状态向量，u是输入向量，y是输出向量，g(y，u)是只依赖于输出y和输入u的非线性已知函数。如果下面的 使用G观测器
xcirc;˙ = Axcirc; g(y, u) H(y minus; Cxcirc;) (2)
估计误差xtilde; = xcirc; - x满足下列方程
xtilde;˙ = (A minus; HC)xtilde; → xtilde; = e(Aminus;HC)txtilde;0 (3)；
其中H表示观测器增益矩阵。设计H, HC赫维茨担保xtilde;估计误差的渐近收敛
lim xtilde; = 0 (4)
t→infin;
g(y，u)建模中的任何误差都会反映在估计误差中。使用以下观察者
xcirc;˙ = Axcirc; g0(y, u) H(y minus; Cxcirc;) (5)
其中g0是函数g的标称值，则得到
xtilde;˙ = (A minus; HC)xtilde; g(y, u) minus; g0(y, u) (6)
显然，Hurwitz A HC可以处理扰动项g G0。高增益观测器技术可应用于大范围的非线性系统，保证了系统的输出反馈。 当增益足够高时，K控制器恢复状态反馈控制器的性能.这一领域的主要成果如果是“分离原则”，即允许设计分裂。 在两个问题上：一是设计了满足要求的反馈控制器，二是用h提供的估计xcirc;代替状态x设计了输出反馈控制器。 获得观察者。
- 输入观察者
在汽车应用中使用输入观测器的典型情况涉及以下一阶方程：
z˙ = y x (7)
其中z和y是测量的，而x是一个未知的时变输入，必须在线估计。可以使用不同的技术来解决这个问题，参见[A.Stopsky等人，2002年]，但在这里 一个简单直观的考虑是可以做到的。让我们考虑以下控制器
zcirc;˙ = u (8)
其中，虚拟控件u用于强制zcirc;变量。在(8)中跟踪(7)中的z变量。在这种情况下，可以使用控件u来估计输入x，因为
y x asymp; u (9)
- 高增益输入观测器
高增益观察器的定义，见[A.Stopsky等人，2002年]，如下所示
nu; = gamma;z minus; ε minus; x (10a) ε˙ = gamma;y gamma;2z minus; gamma;ε (10b)
nu;˙ = minus;gamma;nu; minus; x˙ (10c)
其中gamma;是一个正观测器增益。假设X·是上有界的，可以很容易地证明估计误差xtilde;随gamma;增加而减小，请参阅[A.Stopsky等人，2002年]。得到输入x的估计xcirc;如下：
xcirc; = gamma;z minus; ε (11)
定义zcirc;=ε，从(10a)可以得到方程：
(zcirc;˙ minus; z˙) = minus;gamma;(zcirc; minus; z) minus; x (12)
这表明，当zcirc;足够大时，zgamma;倾向于z。
Ⅱ.蒸发排放系统
在介绍燃油蒸发系统之前，简要介绍了四冲程点火发动机.港口燃油喷射系统(PFI)的物理方案如图1所示.当引擎 由于油门上的压力损失，在驾驶员输入踏板alpha;的指挥下，在进气歧管中设置了一个真空压力pman，从而形成了大气空气质量。 流动math被吸入。一旦空气质量流到进气歧管，它就在每个进气流道mar内流动，在这里喷油器根据性能喷射最佳燃油量。 e所需扭矩生产和排放水平。在此之后，进气阀允许进气流道中形成的混合物到达汽缸，在那里火花最终可以产生。 被点燃了。当混合物烧焦后，出口阀打开，排气气体从气缸中流出，到达一个三向催化转化器.lambda;传感器向电子控制单元提供了空气/燃料混合物相对于 化学计量比值会使废气排放恶化。如果必须清除碳罐，空气与燃料比(Afr)的控制问题就会变得更加复杂。确实如此(J.Jerrelind，1998) )当清洗阀开启时，由空气map和燃料mfp组成的汽油蒸气质量流到达进气歧管，如果lambda;控制不知道发生了什么，则不可避免 得到了车辆的性能损失。燃油蒸发系统连接到燃料箱，由一个碳罐、一个诊断和净化控制阀以及额外的管道组成。碳罐，含有蒸汽吸收材料，以便于燃料蒸气的储存。燃料蒸气从油箱流到罐里，储存到清洗前。 为了燃烧。油箱中的燃料蒸气是通过蒸气阀组件排放到碳罐上的，阀门安装在位于 油箱的上表面。蒸汽空间在油位和油箱上表面之间，在蒸汽阀组件中结合一个小孔和浮子关闭阀，以防止液体燃料通过碳罐。蒸汽空间也允许燃料的热膨胀。所述蒸汽阀包括翻转阀，当车辆翻转时，翻转阀自动阻塞蒸汽管路，防止燃油泄漏。 燃油盖包含一个整体压力和真空安全阀。真空阀允许空气进入燃料箱，以代替燃料，同时防止蒸气逸出。 真空阀允许空气进入燃料箱，以取代正在使用的燃料，同时防止蒸汽通过大气逸出燃料箱。清洗阀既可以是真空的，也可以是电控的。在这种情况下， Y被称为清除螺线管，当发动机处于工作温度并关闭怠速时，它们就工作。当燃料蒸发到储罐中时，装在罐里的活性炭吸附 当清洁空气流经蒸汽阀的开口时，燃料蒸气，参见图。4.在发动机接通和清洗电磁阀激活的情况下，新鲜空气可通过蒸汽阀P移动。 输出被碳罐捕获的燃料蒸气气体，见图6，最后一个背压阀允许汽油蒸气到达发动机气缸，见图4，在那里它们将被燃烧。 循环燃烧相。气罐有三个连接：一个蒸气进入的储罐管，一个通风管和一个清洗阀管。清洗电磁阀采用脉宽调制(PWM)信号控制，脉冲频率为12V和30 Hz。
Ⅲ.空气/燃料罐混合物估算
如前所述，催化转化器要求空气/燃油混合物具有化学计量效率考虑到燃烧过程具有更丰富的混合物，以满足要求的功率。空燃比（AFR）的传统定义是以下
AFR = m˙ a
m ˙ f (13)
和代分别表空气和燃料质量流量。通常使用以下lambda;规范化定义
m˙ a
lambda; =
( m˙ a )s (14)
˙
n,f
s代表化学计量比。通常，现代汽车都有lambda;传感器来控制催化转换器上游和下游的燃烧质量：第一个通常被称为通用的汽车。 废气氧(U-自我)，能够测量实际lambda;，后者称为废气氧(EGO)，它给出了污染转化过程的指示。由于lambda;传感器安装在排气阀附近，出现纯时间延迟TD.一阶 UEGO传感器的R模型如下：
lambda;˙ = 1 (lambda;(t minus; td) minus; lambda;) (15)
其中lambda;T(T)是圆柱中的真实lambda;-值.时间延迟td由不同的术语组成：喷油器接收燃料命令的时间tf，排气阀打开的时间tf，时间ttran。 运动的气体从排气口移动到氧传感器，时间毒性，这是时间延迟的氧传感器的动力学：
td = tf (N ) ttransport(upsilon;macr;g ) toxygen (16)
其中N和upsilon;g分别表示en-gine和排放气体的平均速度，见JeffL.Kainz等人，1999年。进气歧管的质量流量平衡如图7所示： a，f，r和p分别代表空气，燃料，跑步者和净化。从罐中出来的空气/燃料混合物∆lambda;可以写成如下
m˙ ap
∆lambda; =
m˙ fp （17）
使用(17)在(15)中获得
lambda;˙ = 1 (lambda;(t minus; td) ∆lambda;T(t minus; tdminus; tc) minus; lambda;) （18）
其中tc是碳罐汽油蒸气气体到达进气管的时间。后一项可视为一个时变参数，取决于外部外来输入（碳罐荷电状态，大气温度、湿度等）。比较（18）与（7）获得
|
z |
= |
tau;lambda;lambda; |
(19a) |
|
y |
= |
lambda;T minus; lambda; |
(19b) |
x = ∆lambda;T (19c)
输入观测器（10a）-（10c）现在可以重写为
ε˙ = gamma;[xcirc; (lambda;T minus; lambda;)] (20a)lt;
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资料编号：[2183]
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