基于labview语言发动机电控系统标定系统的设计毕业设计.docx
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基于labview语言发动机电控系统标定系统的设计毕业设计
存档编号
华北水利水电学院
NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower
毕业设计
题目基于labview语言发动机
电控系统标定系统的设计
学院机械学院
专业机械设计及其自动化
姓名
学号
指导教师
完成时间2013年5月
教务处制
独立完成与诚信声明
本人郑重声明：
所提交的毕业设计（论文）是本人在指导教师的指导下，独立工作所取得的成果并撰写完成的，郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。
文中除已经标注引用的内容外，不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
毕业设计（论文）作者签名：
高玉平指导导师签名：
签字日期：
签字日期：
中文摘要
目前我国汽车大量尾气的排放造成了严重的空气污染，我国的石油能源又相对匮乏，为了保护环境和缓解危机，发动机的电控化是一种解决问题的方法。
目前随着计算机技术的不断发展和虚拟仪器技术的广泛推广，发动机电控系统已经进入了研究阶段。
电控技术是降低发动机排气污染，提高其动力性和经济性的一个重要手段，在电控系统的开发研究中，为了是发动机获得较好的动力、经济性能，满足国家的排放法规，保持良好的工作稳定性，需要对电控单元和发动机进行匹配，对控制参数进行标定和优化。
标定系统就是根据发动机的不同性能要求，调整和优化发动机中的各个控制参数，来确定电控系统软件中控制参数的系统。
近年来，工业自动化技术发展的很快，市场上存在着众多的上位机软件平台。
但是大部分的软件是采用VB语言编写后台程序，相对于不太专业的程序开发人员来说这有一定的困难。
NI公司的labview软件平台，相对来说，功能比较强大，开发周期短，兼容性比较好，运行稳定并且不需要任何的代码，其后台程序完全可以利用图形化界面编程，利用很多现成的模块，很方便地开发上位机程序，这样不仅操作简单，也减少了开发难度。
本文实现了一套完整的电控发动机控制系统标定系统，通过搭建汽车发动机电控系统标定试验平台，完成喷油脉宽MAP图和点火提前角MAP图的标定工作。
关键词：
电控发动机标定系统labview
Abstract
AlotofChina'sautomobileexhaustemissionscausedseriousairpollution,China'soilandtherelativelackofenergy,inordertoprotecttheenvironmentandeasethecrisis,theengineelectroniccontrolisaproblem-solvingmethod.Withthecontinuousdevelopmentofcomputertechnologyandvirtualinstrumenttechnologywidelyengineelectroniccontrolsystemhasenteredtheresearchstage.Electroniccontroltechnologytoreduceengineexhaustpollution,isanimportantmeanstoimproveitspowerandeconomy,intheresearchanddevelopmentoftheelectroniccontrolsystem,inordertogetbetterenginepower,economicperformance,tomeetthenationalemissionregulations,tomaintaingoodworkingstability,theneedformatchingtheelectroniccontrolunitandtheenginecontrolparametersforcalibrationandoptimization.Thecalibrationsystemisbasedonthedifferentperformancerequirementsoftheengine,adjustingandoptimizingtheenginecontrolparameters,todeterminethecontrolparametersinthesystemsoftwareoftheelectricalcontrolsystem.
Inrecentyears,thedevelopmentofindustrialautomationtechnologysoon,themarkettherearealargenumberofPCsoftwareplatform.ButmostofthesoftwareistheuseoftheVBlanguagebackgroundprogram,therearecertaindifficultieswithrespecttothethelessprofessionalprogramdevelopers.NILabVIEWsoftwareplatform,relativelyspeaking,functionmorepowerful,shortdevelopmentcycle,bettercompatibility,stableanddoesnotrequireanycode,thedaemoncanusethegraphicalinterfaceprogramming,usingalotofoff-the-shelfmodules,easilydevelopedPCprogram,sonotonlysimple,butalsoreducethedevelopmenteffort.
AcompletesetofelectronicallycontrolledenginecontrolsystemcalibrationsystembybuildingacarenginecontrolsystemtocalibrationtestplatformtocompletethecalibrationoftheMAPoffuelinjectionpulsewidthandignitiontimingcontrolMAP.
KeyWords:
ElectronicallycontrolledengineCalibrationSystemlabview
汽车电控系统标定系统的设计
第一章绪论
1.1前言
为满足排放法规的要求，使用在发动机上的技术在不断地日益进步和提高，现如今，为使发动机获得较好的动力、，经济性能，保持良好的工作稳定性，在节能、减排的要求下，对发动机提出了更高的挑战，既能实现高效率又能省油，这需要对发动机的控制单元与发动机进行调试匹配，对控制参数进行标定和优化。
标定系统是根据发动机不同性能要求，调整和优化发动机中的各个参数来确定电控系统软件中控制参数的系统。
为提高汽车动力性、经济性和改善排放性能，增强汽车的控制性、安全性和舒适性等原因，汽车电子控制技术已经成为现如今汽车技术中快速发展的一种不可阻挡的趋势，且日益成熟，日臻完善。
目前来说，发动机的高压共轨即电控技术称为研究的热门和重点。
高压共轨发动机包含两部分：
硬件和软件。
其硬件部分主要有传感器、ECU、执行器三部分组成。
软件部分包含发动机的控制策略和ECU内的可执行程序。
传感器是用来代表发动机各种工况下的各种信号，这些信号进入ECU后，由ECU程序进行分析、逻辑判断和各种计算，ECU根据控制策略向执行器发出控制信息，执行器根据ECU所输出的指令进行工作。
另外，发动机的电控系统标定技术也相对进入了新的研究阶段，提高到了新的阶层。
根据研究范畴，发动机的标定技术可分为整车标定和发动机自身标定。
本课题研究的是基于labview电控系统标定系统的设计，利用labview软件环境编写汽车发动机电控系统标定上位机软件，控制发动机的各种参数：
点火提前角、喷油提前角、喷油脉宽和闭合时间等，从而检测发动机工作时的实时状态参数：
转速、节气门开度、发动机温度、进气温度和蓄电池电压等。
通过标定系统操作平台完成喷油脉宽MAP图和点火提前角MAP图的标定工作。
1.2内燃机排放法规
发动机控制技术的发展是在口益严格的排放法规的推动下进行的，为了解决由于汽车尾气排放所引起的污染及能源医乏问题，世界各国都纷纷制定了符合本国国情的尾气排放法规，并逐渐形成了美国、欧盟和口本等几大法规体系。
为控制汽车的有害排放物对大气环境的污染，从60年代开始，世界各国及地区相继以法规形式对车用内燃机排放物予以强制性限制，领导这一潮流的是汽车最多的美国，然后是日本和欧洲各国。
目前，各国排放法规中对排放测试装置、取样方法、分析仪器等发面，大都取得了一致，但测试规范即车辆行驶工况或内燃机的运转状况组合方案和排放量限值仍有很大差异。
我国逐步等效采用欧洲的排放法规体系。
针对车用内燃机的排放法规分为轻型车和重型车两类，轻重的分界线，各国不完全统一，大致是总质量3.5~5t以下或成员9~12人以下的车辆为轻型车，以上为重型车。
轻型车的排放法规要求整车在底盘测功机上进行排放测试，结果用单位行驶里程的排放质量（g/km）表示。
重型车的排放法规不要求整车测量，而只要求在内燃机实验台上进行内燃机测试，结果用内燃机排放量[g/（kw.h）]表示。
1）轻型车内燃机
美国轻型车排放测试用1975年颁布的美国城市标准测试循环FTP-75，它是在美国洛杉矶市内对早晨上班的汽车工况实测获得的瞬态循环。
循环历时41分钟多，其中包括10分钟停车和多次怠速，相当于行驶距离约18km,平均车速34.3km/h,最高车速91.2km/h。
所以这是一个对发动机低中速、地重负荷运行的测试循环。
以下图表是美国联邦1994年开始实施的轻型车排放标准，除微粒排
表一美国轻型车排放限值
排放物
保证里程
CO
NOx
NMHC
PT
80000
160000
2.11
2.61
0.25
0.37
0.16
0.19
0.03
0.04
放外，该标准对汽油车和柴油车一视同仁。
该标准要求制造厂商对汽车运行16万km以内的排放都做保证。
标准中对HC排放只限制NMHC，对甲烷不限制。
虽然甲烷对光化学烟雾（臭氧）的生成影响很小，但却是致暖势很高的温室气体，目前对于不限制甲烷的排放仍在议论当中。
下图为欧洲目前以及不远的将来的轻型车排放标准，在1988年的标准中，把轻型车按发动机排量，汽车总质量和座位数分类，分别规定排放限值。
1992年起统一为一个限值，这样对小型汽车比较有利。
表2欧洲轻型车排放限值
法规
生效日期
汽油车
柴油车
CO
HC
NOx
CO
HC
NOx
PT
欧洲一
1992年
2.72
0.97
2.72
0.97
0.14
欧洲二
1995年10月
2.2
0.5
2.2
1.0
0.5
0.9
0.08
0.10
欧洲三
2000
2.3
0.2
0.15
0.64
0.56
0.50
0.05
欧洲四
2005年
1.0
0.1
0.08
0.5
0.30
0.25
0.025
2）重型车内燃机
重型车一般从理论上说也可以用汽油机，但是从经济上来说，全世界上的重型车基本上都是用柴油机。
以下介绍中型车用柴油机的排放法规。
美国从1974年起用十三工况法测试重型车用柴油机的排放，1984年起改为瞬态法，柴油机以出厂状态安装在实验台上，一个瞬态控制计算机每秒一次给出规定的转矩和转速，并进行相应的取样和测量。
每循环历时20分钟，工况模拟美国纽约和洛杉矶市内交通和洛杉矶高速公路的交通情况，平均车速30km/h左右，相当于行驶距离10.3km，排放值如下表：
表三美国重型车用柴油机排放限值
生效日期
CO
HC
NOx
PT
1994年
1998年
20.8
20.8
1.74
1.74
6.7
5.4
0.13
0.13
欧洲现行的重型车用柴油机排放测试系统为ECER49十三工况法，它由额定转速和最大转矩转速的五个负荷点以及三次怠速工况共13个工况点组成，测量在稳态下进行，通过进气和燃油流量的测量求得发动机的排气流量，乘上测出的各种排气污染物浓度，能算出该工况下的排放量及比排放量；再乘以该工况下的加权系数，按工况累加，就可以得出在标准测试循环下的比排放量指标。
从2000年开始实行的欧洲3标准将对十三状况做些修改，称为欧洲稳态标准测试循环。
对于使用先进的排气后处理技术的重型车用柴油机和气体燃料发动机，欧洲3标准中还要求加试一个欧洲瞬态循环，以便检验排气后处理系统的动态性能，ETC历时30分钟，分别模拟10分钟市内街道行驶、10分钟农村公路行驶和10分钟高速公路行驶。
1992年以来欧洲重型车用柴油机各阶段排放限值如下：
排放标准
欧洲1
欧洲2
欧洲3
欧洲3
测试循环
ECER49
ECER49
ESC
ETC
生效日期
1992年
1996年
2000年
2000年
CO
4.5
4.0
2.1
5.45
HC
1.1
1.1
0.66
____
NMHC
___
___
___
0.78
CH4
___
___
___
1.6
NOx
8.0
7.0
5.0
5.0
PT
0.36/0.61
0.15/0.25
0.10/0.13
0.21
对于各种不同的内燃机，国际标准化组织制定了ISO8178标准，规定了不同的排放测试循环。
它们基本上与ECER49十三工况循环类似。
根据应用场合不同，所选用的工况点和加权系数有所不同。
例如：
发电用内燃机的工况点都选在额定转速，对应的排放限值由各国根据本国具体情况而定。
3）我国的内燃机排放法规
我国从1983年起陆续颁布了一系列有关汽车和摩托车用内燃机的排气污染物排放标准和对应的测量方法：
GB1476.5汽车怠速污染物排放标准
GB/T3845汽油怠速污染物测量方法
GB14761.4汽油曲轴箱污染物排放标准
GB11340汽油曲轴箱污染物测量方法
GB14761.3汽油燃油蒸发污染物排放标准
GB147613汽油燃油蒸发污染物测量收集法
GB14761.7汽油柴油机全负荷烟度排放标准
GB3847汽油柴油机全负荷烟度测量方法
HJ/T4柴油车滤纸式烟度计技术条件
GB14761.6柴油车自由加速烟度排放标准
GB/3846柴油车自由加速烟度测量方法
GB14761.2车用汽油机排气污染物排放标准
GB147612车用汽油机排气污染物测量方法
GB14761.1轻型汽车排气污染物排放标准
GB11642轻型汽车排气污染物测量方法
GB14621摩托车排气污染物排放标准
GB/T5466摩托车排气污染物测量方法怠速法
HJ/T3汽油机动车怠速排气监测仪技术条件
GB/T14622摩托车排气污染物的测量工况法
这些一般都是1994年开始实施的，虽然在污染物排放限值方面比美、欧、日等国宽松的多，但是测量方法都是大同小异，我国在排放法规方面正逐步采用欧洲的体系。
1.3研究的背景和意义
1）电控系统标定系统研究的背景
一辆典型的汽车，从投入使用到最后报废，要向大气中排放59.7吨产生温室效应的二氧化碳，污染20.4亿立方公尺的空气和产生26.5吨的固态垃圾[a}。
在对人类危害最大的C0,HC和NOX中，全部C0,NOx和约占60%的HC都是由发动机排气管排出的，曲轴箱气体和油箱的燃油蒸发的HC排放各约占汽车HC总排放的20%，这些有害气体
目前，世界上道路上行驶的至少有四亿辆汽车，汽车的普遍虽然给人们带来了很多的方便，也推动了社会的发展，但是同时它也给我们带来了很多的负面影响。
汽车尾气的排放严重污染了我们赖以生存的家园，汽车排放的HC、CO、CO2、NOx等有害气体严重影响了人们的身体健康、生态环境和经济的发展。
根据德国的一项调查，一辆汽车从投入使用到最后报废，要向大气中排放59.7吨的二氧化碳，污染了奖金20.4亿立方共吃的空气，产生26.5吨的固态垃圾。
可以想象世界上那么多的汽车将会产生多少有害气体和垃圾？
在这些有害气体中，对人类危害最大的是CO、HC、NOx，占HC化合物的60%，由发动机的排气管排出，曲轴箱气体和油箱的燃油蒸发的HC排放汽车总排放的HC化合物的20%，这些有害气体与汽油的燃烧密不可分，CO的产生是因为汽油在汽缸中燃烧不充分所致，当空气量不足时，部分燃料因不能完全燃烧而生成CO，HC在燃烧过程中的产生主要是因中间产物和壁面激冷效应，HC的氧化过程伴随着中间产物的复杂过程，燃油分子必须经过一连串的中间反应，才能完成生成C02和H20的反应，因此在反应过程的不同阶段，必然存在着各种中间产物。
若是在某一环节中出了问题，中间产物进一步反应的条件不满足时，就有可能以部分氧化物的形式排出，此外，HC化合物还有其他来源，例如，但火系工作不可靠，某些循环失火导致HC排放增加，燃烧室狭缝太小，使火焰不能到达等情况，NOx是燃烧室内在高温状态下燃烧的产物，它的产生是随着时间的变化而变化的，燃烧过程初期，NOx浓度比较大，在较低温度下可以分解成氮和氧，，所以，NO的生成量取决于NOx形成的速率和时间。
对汽油机来说，NOx的浓度主要是由温度和混合气的成分决定的，在混合气较稀的区域，NOx平衡浓度随混合气加浓而减少，尤其是在过量空气系数接近或小于1时，阳气不足NOx随过量系数的降低而急剧减少。
此外，NOX的生成还与NOX形成时间（或滞留时间）有较大关系，NOx形成时间是由燃烧过程中高温保持的时间决定的，高温持续的时间越长，其生成的时间就越长，排放量就越多。
所以，这三种污染物的产生都和有着密不可分的关系，因此，通过优化发动机的结构及控制策略来改善发动机的燃烧过程，减少有害气体的产生是降低排放的有效措施。
与此同时，汽车数量的增多也导致石油消耗增加，世界上的石油的存储是有限，汽车的增加，将会导致石油消耗的短缺。
为此，一些发达国家也相继制定了强制性的法规，汽车的排放和燃油的消耗都得到了强制性的限制，因为各国的经济、政治和技术水平的不同，各国所指定的汽车排放法规标准也不一样。
从汽车工业发展来看，世界上汽车排放标准已形成三大体系，即美国、日本和欧洲汽车排放标准。
美国是世界上第一个对汽车排放制定标准的国家，从1998年以后，美国汽车排放的限值已经较为严格，欧洲汽车的排放法规经历了三十年的发展过程逐渐严格，从欧洲I号标准开始发展到欧洲N号标准，1998年6月欧共体决定采纳欧III、欧N标准，它们与欧I、欧II除了在排放限值上要进一步降低40%以外，排放测试循环的改变有较为明显的区别，即取消了发动机起动后怠速40s的暖机时间，从2002年开始要求初始测试温度为一7℃这种改变实际上强调了冷起动阶段发动机排放量的重要性，当发动机在环境温度降到零度以下冷起动时，因缸内温度低，燃油蒸发性差，为保证有效燃烧所必须的燃油蒸气量，使启动可靠，一般发动机的电控系统要对进入缸内的燃油和空气混合气加浓，这样相对于其他工况，因为燃油的未完全蒸发，排出大量的HC化合物和CO在新的循环中记入。
若要使发动机的排放能达到欧m、欧W标准，必须采取措施有效降低冷起动阶段的排放。
随着汽车数量的增加，我国汽车污染物排放总量也在增加，尤其是大城市中汽车尾气对大气的污染，2005年我国机动车尾气排放，在城市大气污染的比重达到79%左右。
我国从2004年7月1日开始实行第二阶段排放法规相当于欧II标准，2008年将实施第三阶段汽车排放标准。
能源消耗的急剧增加使我国成为世界上第二大石油进口国，进口的原油数量超过总消耗量的50%。
目前，我国汽车燃油消耗量占整个汽油消耗量的75.5，每辆车平均每年消耗汽油高达2.28吨，而日本只有1.1吨。
我国在2008年实施“乘用车燃料消耗量限值标准”，标准中规定的限值将与美国2002年的标准相当。
2008年，中国汽车的油耗已降低15%。
社会发展的需要、排放法规的推动和科学技术的进步、世界性石油短缺、使用者对车辆驾驶性、舒适性和安全性的需求日益提高，使电控技术成为改善发动机性能及排放的主要方法，同时也是汽车上采用电子技术并迅速发展的根本原因.将电控汽油喷射系统，与三元催化转化器进行合理的优化匹配，可以高效净化汽车尾气中的HC,C0,NOx有害成分，使汽车的整体排放满足排放标准的要求。
动力系统的电子控制，在当前汽车电子技术的发展中占有重要地位，它可以实现低污染、低油耗，并提高汽车的动力性。
发动机的工作过程十分复杂，具有复杂的动态特性，非线性和相应滞后的混合式时变系统，其性能依赖于大量的机械动力学和热力学参数，很难用准确的数学模型精确地表示出来，电控系统的控制参数对发动机的性能影响较大，为了使发动机达到最佳性能的目的，，需要对发动机电控系统的控制参数进行精确标定，使发动机按照最优的控制参数运行工作，标定工作是根据整车的各种性能要求，如：
动力性、经济性、排放性及辅助功能等，来调整、优化和确定整车上各电子设备控制单元的运行和控制参数的控制算法，而标定系统是由匹配标定要求实时的将电子控制单元工作状态参数由通信接口传送给操作人员作为判别电控装置运行性能的依据，将操作人员所设置的控制参数传送给电子控制单元。
标定工作十分复杂，发动机的性能表现在很多方面，例如动力性、燃油经济性和排放性能进行控制参数的标定必须对各种性能指标的影响进行综合考虑;另外，发动机的各个控制参数之间也相互影响，若将各个控制参数单独地进行选择并不十分科学。
所以，开发功能完善且灵活方便的标定系统是汽车电子产品高效的技术之一
2）电控发动机标定系统研究的意义和目的
目前，国外发动机标定技术已经十分先进，并长期占有国内市场，这多于国内的汽车及发动机行业的人来说，购买国外产品，成本较高。
另外，这些成熟的标定软件一般都和公司的硬件相联系的，在购买这些软件的同时还必须付出大量的财力去买相应的硬件设备。
这种技术上的封锁，使得国内这些行业处于劣势，他们一方面抢占着市场，攫取高额利润。
另一方面，他们通过市场调查了解到国内的一些企业习惯于使用国外先进的产品而不去自己研发，严重阻碍了自主研发、自主创新新产品的道路进程。
所以研究发动机电控系统通用型标定系统具有很高的技术储备价值、市场价值和重要的现实意义，并
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