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第1部分 车辆-驱动的基本原理2

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 动力系统最优操纵控制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52

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94

6.2.2 爆燃和自燃95

6.2.3 自燃和辛烷值96

6.3 CI发动机的燃烧98

6.4 发动机排放99

6.4.1 排放形成的总趋势99

6.4.2 SI发动机污染物的形成102

6.4.3 压燃式发动机排放物的形成104

6.5 尾气处理106

6.5.1 催化剂的效率、温度和起燃107

6.5.2 SI发动机的后处理——TWC108

6.5.3 CI发动机的尾气后处理技术109

6.5.4 排放的减少与控制111

第3部分 发动机的建模和控制114

7平均值发动机建模114

7.1 发动机的传感器和执行器115

7.1.1 传感器、系统和执行器的响应115

7.1.2 发动机组件建模117

7.2 节流组件模型118

7.2.1 不可压缩流体119

7.2.2 可压缩流体121

7.3 节气门流量建模123

7.4 进入气缸的质量流量125

7.5 容积128

7.6 示例——进气歧管模型131

7.7 燃油路径和空燃比133

7.7.1 燃油泵、燃油轨、进料喷射器133

7.7.2 喷油器134

7.7.3 燃料制备过程的动态响应135

7.7.4 气体传输与混合137

7.7.5 空燃比（A/F）传感器138

7.7.6 燃油路径模型验证141

7.7.7 催化器和后催化器传感器141

7.8 缸内压力和瞬时转矩142

7.8.1 压缩渐近线143

7.8.2 膨胀渐近线144

7.8.3 燃烧145

7.8.4 气体交换和模型编制146

7.8.5 发动机转矩的产生146

7.9 发动机转矩均值模型147

7.9.1 总指示功148

7.9.2 泵送功151

7.9.3 发动机摩擦力151

7.9.4 转矩产生中的时间延迟152

7.9.5 曲轴动力学153

7.10 发动机排气温度154

7.11 热传递与废气温度155

7.11.1 管道温度的变化155

7.11.2 排气系统中的热传递模型156

7.11.3 排气系统温度模型156

7.12 热交换器和中冷器161

7.13 节 气门的运动163

8涡轮增压基础和模型168

8.1 增压和涡轮增压基础168

8.2 涡轮增压基本原理和性能表现170

8.2.1 发动机平均值模型中的涡轮增压器171

8.2.2 压缩机性能的热力学第一定律分析172

8.2.3 涡轮性能的热力学第一定律分析173

8.2.4 涡轮和压缩机的连接174

8.2.5 进气密度的增加175

8.3 量纲分析176

8.3.1 可压缩流体分析176

8.3.2 修正后的模型结构177

8.4 压缩机和涡轮的特性图178

8.4.1 压缩机特性图基础178

8.4.2 涡轮特性图基础180

8.4.3 确定涡轮特性图的测量过程180

8.4.4 涡轮性能计算明细182

8.4.5 热传递和涡轮效率183

8.5 涡轮增压器模型及其参数化185

8.6 压缩机工作原理及建模186

8.6.1 压缩机物理建模186

8.6.2 压缩机效率模型190

8.6.3 压缩机流量模型191

8.6.4 压缩机的熄火现象193

8.6.5 压缩机喘振196

8.7 涡轮的运转及建模199

8.7.1 涡轮的质量流量200

8.7.2 涡轮的效率202

8.7.3 可变几何涡轮202

8.8 瞬态响应和涡轮迟滞203

8.9 案例——涡轮增压汽油机204

8.10 案例——涡轮增压柴油机206

9发动机管理系统的介绍210

9.1 发动机管理系统（EMS）210

9.1.1 EMS模块的建立210

9.1.2 基于曲轴和时间事件的系统212

9.2 基本功能和软件结构212

9.2.1 基于转矩的结构213

9.2.2 特殊模式和事件213

9.2.3 自动代码生成和信息交换214

9.3 标定和参数表示214

9.3.1 发动机map图214

9.3.2 基于模型的开发216

10点燃式发动机的基本控制217

10.1 三个基本的SI发动机控制器218

10.1.1 产品系统实例218

10.1.2 使用map图进行基本控制220

10.1.3 转矩、充气和压力控制220

10.1.4 简单转矩模型下的压力设定点221

10.1.5 全转矩模型下的设定点221

10.1.6 压力控制222

10.2 节气门伺服机构224

10.3 燃油控制和空燃比λ的控制227

10.3.1 空燃比λ的前馈和反馈控制结构227

10.3.2 带有基本燃油计量的λ前馈控制228

10.3.3 空燃比λ的反馈控制229

10.3.4 燃油动态特性和喷油器补偿233

10.3.5 基于λ控制和自适应的观测器234

10.3.6 双传感器和三传感器的λ控制237

10.4 影响空燃比λ的其他因素238

10.4.1 满负荷加浓238

10.4.2 发动机超速及反拖238

10.4.3 影响空气和燃油计算的辅助系统239

10.4.4 冷启动加浓241

10.4.5 单气缸的λ控制241

10.5 点火控制241

10.5.1 爆燃控制——反馈控制243

10.5.2 点火能量——驻留时间控制245

10.5.3 长期转矩、短期转矩以及转矩储备246

10.6 怠速控制247

10.7 转矩管理和怠速控制248

10.8 涡轮控制249

10.8.1 抗喘振控制的压缩机249

10.8.2 增压压力控制250

10.8.3 带有增益调度的增压控制252

10.8.4 涡轮增压器和爆燃控制255

10.9 可靠性和故障弱化255

11柴油机的基本控制256

11.1 柴油发动机工况和控制综述256

11.1.1 柴油机排放的权衡256

11.1.2 柴油机构造和基础知识257

11.2 基本转矩控制259

11.3 附加转矩控制260

11.4 燃油量控制261

11.4.1 控制信号——多重燃油喷射262

11.4.2 燃油喷射控制策略262

11.5 气流控制264

11.5.1 废气再循环（EGR）264

11.5.2 EGR和变截面涡轮（VGT）265

11.6 案例研究：EGR和VGT控制与调整268

11.6.1 控制目标269

11.6.2 用于控制设计的系统性能270

11.6.3 控制结构272

11.6.4 PID参数化、执行和调整274

11.6.5 欧洲瞬态循环工况下的评估277

11.6.6 EGR VGT案例研究总结279

11.7 柴油机后处理控制280

12发动机的一些高级概念281

12.1 可变气门执行机构281

12.1.1 气门特性282

12.1.2 可变气门执行机构的影响283

12.1.3 其他的气门功能285

12.1.4 VVA对基于模型控制的影响286

12.1.5 进气和燃料控制策略评价286

12.2 可变压缩比287

12.2.1 实例——SAAB可变压缩比发动机287

12.2.2 其他控制288

12.3 信号解析和反馈控制291

12.3.1 离子传感技术291

12.3.2 实例——离子传感点火反馈控制294

12.3.3 总结和信号处理实例298

第4部分 传动系统的建模和控制300

13传动系统介绍300

13.1 传动系统301

13.2 传动系统建模和控制的动机301

13.2.1 主要的目标和变量301

13.2.2 传动系统控制与纵向车辆驱动控制的对比301

13.2.3 物理背景302

13.2.4 驱动应用的背景302

13.3 没有适当控制下的不良行为302

13.3.1 车辆跛行和车辆喘振302

13.3.2 穿越侧隙——延迟和跛行303

13.3.3 挡位脱开后的振动304

13.4 方法306

13.4.1 时间尺度306

13.4.2 建模和控制306

14传动系统建模307

14.1 总体建模方法307

14.1.1 传动系统的图解方案307

14.1.2 传动系统综合方程308

14.2 基本的完整模型——刚性传动系统309

14.2.1 合并方程310

14.2.2 反射的质量和惯量311

14.3 传动系统喘振311

14.3.1 传动系统建模的试验312

14.3.2 驱动轴弹性建模313

14.4 传动系统的其他动态特性317

14.4.1 参数估计的影响317

14.4.2 验证数据的误差特性317

14.4.3 传动轴弹性的影响318

14.4.4 串联弹簧的参数估计319

14.4.5 传感器动态特性319

14.5 离合器影响和总体齿隙321

14.5.1 弹性离合器和驱动轴的模型321

14.5.2 非线性离合器和弹性驱动轴323

14.5.3 总体侧隙325

14.6 空挡和离合器分离时的建模326

14.6.1 试验327

14.6.2 解耦模型327

14.7 离合器建模328

14.7.1 物理因素的影响329

14.7.2 离合器的特性330

14.7.3 离合器的状态330

14.8 变矩器330

14.9 模型建立的结束语332

14.9.1 模型的设置332

14.9.2 模型的支持332

14.9.3 控制系统的设计及验证仿真332

15传动系统控制333

15.1 传动系统控制的特征334

15.1.1 传动系统控制的集成334

15.1.2 关于传感器位置的结论335

15.1.3 转矩动作335

15.1.4 变速箱336

15.1.5 发动机作为转矩提供装置的情况337

15.1.6 控制方法337

15.2 传动系统控制基础338

15.2.1 驱动轴模型的状态空间方程338

15.2.2 对于干扰的描述339

15.2.3 对于测量的描述339

15.2.4 性能输出339

15.2.5 控制目标340

15.2.6 控制器结构340

15.2.7 传递函数的符号341

15.2.8 反馈性能的某些特征341

15.2.9 简化后的传递函数解析343

15.3 传动系统速度控制345

15.3.1 RQV控制346

15.3.2 防喘振控制目标的方程化348

15.3.3 包含主动衰减和RQV调速器特性的速度控制349

15.3.4 传感器位置产生的影响353

15.3.5 负载估计354

15.3.6 对防喘振控制器评估355

15.3.7 负载干扰抑制演示356

15.3.8 防喘振控制的试验验证357

15.3.9 消除误解的试验358

15.4 传动系统转矩的控制359

15.4.1 换挡时传动系统转矩控制的目的360

15.4.2 转矩控制的潜在问题示例361

15.4.3 传动系统换挡时的转矩控制方法363

15.5 变速箱转矩控制363

15.5.1 变速箱转矩模型的建立363

15.5.2 变速箱转矩控制准则366

15.5.3 换挡条件367

15.5.4 最终控制准则369

15.5.5 可行主动衰减的生成369

15.5.6 对于仿真和传感器位置影响的验证370

15.6 驱动轴扭转量控制372

15.6.1 使用PID控制器进行衰减控制的回顾373

15.6.2 控制器结构373

15.6.3 传动系统扭转量观测器374

15.6.4 控制器的场地试验验证376

15.6.5 换挡品质的验证376

15.6.6 传动系统存在初始振动的处理377

15.7 要点重述及结束语378

15.7.1 一般方法379

15.7.2 重要的见解379

15.7.3 控制准则的制定379

15.7.4 功能性的验证379

15.7.5 转矩限制处理的试验验证380

15.7.6 收益380

第5部分 诊断和可靠性382

16诊断和可靠性382

16.1 可靠性383

16.1.1 功能安全——意外转矩383

16.1.2 功能安全标准384

16.1.3 控制器的资格／条件／前提385

16.1.4 故障状况的调节386

16.1.5 展望386

16.1.6 联系387

16.2 基本定义和概念387

16.2.1 故障和失效387

16.2.2 检测、隔离、识别和诊断388

16.2.3 虚警和漏检389

16.2.4 被动与主动（介入）389

16.2.5 离线与在线（车载）389

16.3 方法介绍389

16.3.1 简单的传感器故障390

16.3.2 简单的执行器故障390

16.3.3 三重传感器冗余390

16.3.4 用虚拟传感器实现的三重冗余391

16.3.5 冗余和基于模型的诊断392

16.3.6 形成决策——残差评价393

16.3.7 涡轮增压发动机中的泄漏396

16.4 诊断系统工程398

16.5 选择的汽车应用实例399

16.5.1 催化转换器和氧传感器399

16.5.2 节气门监控400

16.5.3 燃油蒸发回收系统的监测401

16.5.4 失火404

16.5.5 进气408

16.5.6 柴油机模型416

16.6 历史、立法和OBD418

16.7 立法419

16.7.1 OBD Ⅱ系统419

16.7.2 OBD Ⅱ标准的范例421

A热力学数据和传热公式424

A.1 热力学数据和某些常数424

A.2 燃料数据424

A.3 无量纲数425

A.4 传热基础426

A.4.1 传导430

A.4.2 对流431

A.4.3 辐射432

A.4.4 电阻类比432

A.4.5 四阶方程的解433