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阿特金森循环发动机控制框架的设计，开发和评估
摘要：
在部分负载下工作时，火花点火发动机的效率降低。它可以最优化地处理与普通热力学循环不同的阿特金森循环。阿特金森循环可以通过合并先进的可变气门正时和可变压缩比机制在普通的火花点火发动机中得以实现。在这项研究中，我们设计和开发出了阿特金森循环发动机的控制框架，它具有灵活的进气门负载控制策略。这个基于阿特金森循环发动机的扩展平均值发动机模型的控制框架用于在新的欧洲驾驶循环，联邦城市驾驶时间表和联邦公路驾驶时间表周期标准中，评估在中等和更高负载运行条件下燃油经济性。在这种情况下，作者已经提出了带可变进气门驱动的阿特金森循环发动机面向控制的EMVEM模型。为了展示在各种驾驶循环，辅助负载和不确定的道路载荷情况下阿特金森循环发动机潜在的好处，其EMVEM模型通过使用控制器来模拟，使其具有与传统汽油发动机相似的规格。指向发动机部分负荷损失的模拟结果在降低热效率方面有了显著的改善。因此，在欧洲驾驶循环，联邦城市驾驶时间表和联邦公路驾驶时间表周期中，由传统奥托循环发动机改进而来的阿特金森循环发动机的燃油经济性大大提高。
关键词：控制框架开发，阿特金森循环发动机，燃油经济性，平均值发动机模型，可变气门正时，可变压缩比
1介绍
几十年来，随着石油储量逐渐减少，能源需求不断增加，以及严格的排放法规，汽车研究人员积极寻求减少运输行业对化石燃料依赖的解决方案。发动机的小型化已被广泛认为是实现上述目标的有效手段。阿特金森循环发动机可以考虑作为发动机缩小技术的推动因素，运用于混合动力汽车上，而不是标准的奥托循环发动机。
阿特金森循环发动机与奥托循环发动机相比，最大的不同之处在于与它的膨胀行程比其压缩行程长。因此，在整个过度膨胀的动力冲程中，它可以将更多的能量从燃烧的气体传送到活塞。因此，阿特金森循环的未来优势是通过在低发动机转速下降低功率密度实现的，也就是说混合动力传动系在其中起着至关重要的作用。电动汽车在低转速下效率更高，转速升高时效率也会相应降低；然而，阿特金森循环发动机是另一种不同的结果，阿特金森循环发动机与电动机并联组合可以作为车辆的推进系统，使他们在最有效的范围内运转。
由于近来的技术发展，相对于奥托循环发动机，现代阿特金森循环发动机可以通过使用类似的曲轴方案实现可变气门正时，这消除了传统节气门在某些发动机运行范围的要求。随着发动机进气和排气正时的优化，阿特金森循环发动机的主要特点是实现膨胀比比压缩比大。理想的阿特金森循环压力如图1所示。
相对奥托循环发动机而言，阿特金森循环发动机的潜在好处是改善燃油经济性和降低排放，在标准火花点火发动机上，汽车满载时具有最佳效率。然而，大多数时候汽车发动机必须是在部分负载下运行，它们的负荷通过节气门控制，这也导致进气歧管压力下降很多，因此，泵送损失增加（节流效应）导致实际效率降低。同样地，发动机低负荷运转时热效率在这个意义上会降低，它与传统的火花点火汽油机具有相同固定的压缩比，范围在8到12之间，这个范围会受到燃料质量汽缸敲缸的影响。马丁斯和同事已经测试了传统奥托循环发动机的部分负荷问题并且导出了热效率公式为：
图1：阿特金森循环发动机理论压力
表1 EMVEM参数描述及其名义值
表1给出了参数的描述。此外，作者已经推导并检验了几个发动机循环的热效率，并得出结论认为阿特金森循环（过度膨胀循环）是热效率最佳的热力循环。 Knop和Mattioli采用可变气门驱动机构分析了部分负载效率改进的限制条件，并且进行了控制策略条件的优化，例如排气门关闭，进气门延迟关闭和受控自动点火。据透露，虽然执行可变气门驱动系统提高了部分负载效率，但影响了燃烧过程的效率、限制了燃油经济性。里贝罗等人已经进行了研究，强调进气门延迟关闭控制策略引起的不足可以通过使用阿特金森循环发动机可变气门正时机制更好地解决，它可以调整压缩与爆震前起爆条件的比率，并可显著提高部分负荷效率。为了模拟可变压缩比效果，燃烧室的高度在每个发动机负载下都会改变以实现大约相同的最大缸内温度和压力。
所以，为了应对火花点火发动机性能下降的问题，即发动机节流效果和热效率，以便提高燃油经济性和降低排放，混合动力车辆使用过度膨胀的阿特金森循环发动机，实现可变气门正时与可变压缩比的结合。在使用阿特金森循环发动机作为动力源之一的混合动力汽车上，油耗降低了一半。
在这方面，完善发动机性能（燃油经济性，减排量和车辆驾驶性能）的一个重要手段是使用结合了创新技术和强大控制器的发动机，它控制导向简单而准确。从这个角度来看，作者已经提出了一种以控制为导向的方法，带可变进气门驱动的阿特金森循环发动机。发动机控制的主要目标在于根据驾驶员的要求管理发动机的扭矩/速度输出，同时限制废气排放。这可以通过常规节气门管理气缸的空气质量来实现，同时保持空燃比为化学计量值。 Puleston等人使用动态滑模设计方法来控制常规火花点火发动机的速度，而Khan等人采用双滑动超扭转算法传统的基于MVEM模型的发动机转速控制。张等人的工作也通过考虑其瞬态性能，使用比例反馈控制器方案以及所提出的控制的稳定性分析来解决火花点火发动机的速度控制问题。Vesterholm和Hendricks [使用了一个以油门角度为控制变量的平均值发动机模型。在这项研究中，使用了作为滑动变量的速度误差和速度误差积分的加权和。
而在配备VVT执行器的SI发动机中，缸内空气质量也取决于VVT执行器的位置，因为这会影响从进气歧管进入气缸的容积效率。Stefanopoulou检查了控制设计问题两个先进技术发动机：（i）具有放置在气缸进气口中的二级节气门的SI发动机和（ii）配备有可变凸轮正时机构的SI发动机。两种发动机配置都是多变量和非线性的；但是，作者已经使用线性化模型来研究燃油经济性和排放。已经研究了配备涡轮增压SI发动机的可变气门正时执行机构的空气路径控制问题，以查看其扭矩输出和空气燃料比的好处。在理论上和实验上都采用进气门迟闭负载处理方式的逐缸发动机模型，对发动机的过度膨胀循环进行了综合研究。已经在标准的新欧洲驾驶循环期间评估了使用CCEM模型超过奥托循环发动机的VCR的过度膨胀发动机循环的燃料经济性的约6％的改进，上述发动机的具体燃料消耗由可变气门正时与可变压缩比机构与传统的奥托循环SI发动机相比，在中等和更高的负荷下已经提高了约19％。Sugiyama等人报道由于创新机制而导致燃料消耗减少16.2％。
然而，大多数先前关于过度膨胀循环发动机燃油经济性评估的研究与创新机制相结合，只考虑了传统的奥托循环MVEM模型或仅用于VVT发动机的CCEM模型。 而CCEM有许多局限性，例如分析和控制设计的复杂性和难度。 阿特金森循环发动机基于控制的EMVEM模型的任何控制策略的燃料经济性的设计，开发和评估在文献中都没有出现。
在这项研究中，设计并开发了一种具有柔性后期进气门负载控制策略的阿特金森循环发动机的控制框架。 控制框架基于阿特金森循环发动机的EMVEM模型，并针对标准NEDC，联邦城市驾驶时间表和联邦高速公路驾驶时间表驾驶循环的中等和更高负荷运行条件下的燃料经济性进行评估。 模拟结果显示发动机部分负荷损失显着减少，并在宽工作范围内提高了热效率，因此证实VCR Atkinson循环发动机的燃油经济性比传统Otto循环发动机显着改善。
本文的组织结构如下：第2节介绍了阿特金森循环发动机的面向控制的EMVEM模型，分析了EMVEM模型，并在第3节开发了基于阿特金森循环发动机的EMVEM模型的控制框架。 在第4节中，对燃料经济背景下的控制框架进行了评估，最后，结论和未来工作将在第5节中进行介绍。
2阿特金森循环发动机模型说明
具有灵活先进技术的SI发动机的模型精度以及基于模型的鲁棒控制策略在提高发动机性能，燃油经济性和排放下降方面起着关键作用。在这个框架中，Murtaza等人 已经开发出阿特金森循环发动机的面向控制的EMVEM模型，其中2.1节已经整合介绍了诸如可变气门正时，VCR，过度膨胀和实现阿特金森循环的特征。
2.1面向控制的阿特金森循环扩展平均值发动机模型
阿特金森循环VVT发动机的动态特性由关键的建模过程组成，如空气动力学由进气歧管压力动态特性和灵活的VVA机构组成，以控制发动机负荷，即应对最重要的性能下降方面（节流效应）并实现阿特金森循环 ，节气门体然后是发动机旋转动力学。 由Murtaza等人开发的具有物理动机的阿特金森循环发动机的控制导向EMVEM动力学与交替的LIVC控制策略组成如下：流体动力学原理， 热力学原理， 阿特金森循环的缸内动力学分析和惯性法则
公式：
理论上的阿特金森循环发动机扭矩称为指示扭矩，其由数学形式的燃烧室内的空气 - 燃料混合物燃烧产生，公式为：
其中mep和eta;ark分别是阿特金森循环发动机的平均有效压力和热效率，公式：
而eta;c是具有0.75 lt;sigma; lt;1.2的燃烧效率，并且eta;cmax是火花点火发动机通常认为90-95％的最大燃烧效率。 执行泵送动作和发动机摩擦转矩所需的泵送扭矩的数学形式可写为：
进气门正时参数（k）：为了在常规SI发动机中采用VVA机构来实现阿特金森循环，引入了一种新颖的进气门正时参数k。 除了实现过度膨胀和VCR特性的优点之外，它还包含了阿特金森循环发动机的动力学。在理论上，它可以表示为：
其中re和rc分别是膨胀比和压缩比，而Vc = V2是间隙容积，并且燃烧气缸的位移量与进气门关闭时间一致由如图1所示的Vivc = V1指定，公式表示为：
而在一个汽缸发动机的情况下，移位体积Vd被描述为：
EMVEM模型参数，其综合描述和值如表1所示。IVT参数的约束基本上取决于VVT发动机的运行条件。 在该模型中，采用迟进气门关闭负载控制策略，而不是常规节气门。在全开节气门处的IVT参数k被认为是输入控制变量（捕获在气缸中的电荷量由进气门关闭时间决定， 即IVT参数）和角速度作为输出，同时评估燃油消耗。 在第三部分中，介绍了阿特金森循环发动机的控制框架的设计和开发，该控制框架提供了新的控制输入，用于计算阿特金森循环发动机相对于常规SI发动机燃油经济性的优势。
3控制框架开发
为了设计基于非线性EMVEM模型的Atkinson循环发动机通过替代负荷处理策略的控制，如第3.1节中所述检查EMVEM模型及其固有控制输入（IVT参数）的可控性。
3.1 扩展平均值发动机模型可控性分析
为了研究EMVEM模型相对于作为控制输入的IVT参数k的可控性，公式（2）中的阿特金森循环发动机的非线性动力学被表示为状态方程：
f（x）和g（x）为光滑矢量场：
u是控制输入（IVT参数k）。 作为eta;atk表达式中的第三项，在发动机整个工作条件（在IVT参数的约束内，即1le;lambda;le;1:60）期间具有约0.004的最大值，为了简单起见，该术语在可控性分析中被忽略。
根据Slotine和Li等人研究，当且仅当存在一个区域使得f（x）和g（x）是光滑向量场的非线性系统Eq（6）是可控的：
矢量场在中是线性无关的。
其中n是系统状态的数量，Lie计算 f（x）和g（x）为：
通过使用MATHEMATICA，发现在发动机整个工作范围内，可控性矩阵具有满秩。 因此，所提出的Atkinson循环发动机的非线性控制的定向EMVEM模型Eq（6）是可控的，其内在的LIVC控制策略即IVT参数k。 在3.2节中，检验了EMVEM模型的稳定性。
3.2稳定性分析
为了研究EMVEM模型的稳定性，只有模型在工作点线性化（26.22 kPa，208.45 rad / s）。 采用Lyapunov直接法进行动力系统的稳定性分析。
Lyapunov的直接方法：用于线性阿特金森循环发动机系统的稳定性分析
其中A，B和C是系统矩阵。 假设一个二次Lyapunov函数：
如P是一个实对称正定矩阵。 V的导数沿着系统的轨迹由下式给出：
如果对于正定矩阵Q，使用李亚普诺夫方程解出的解P是一个实对称正定的，因为P的所有特征值（0.0629 5.3636）都是严格正的。 这意味着P是一个实对称正定。 因此，Lyapunov候选二次函数V（x）是线性系统的Lyapunov函数，并且通过Lyapunov直接方法，保证了线性EMVEM模型的渐近稳定性。
此外，为了研究阿特金森循环发动机的燃料经济性，本框架中使用的稳定燃料动力学子系统可以被描述为：
图2：闭环阿特金森循环VVT发动机系统的示意图
而是燃料
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