第1部分 車輛-驅動的基本原理

1引言           2

1.1發展趨勢          2

1.1.1能源與環境       3

1.1.2小型化         4

1.1.3混動化         5

1.1.4駕駛輔助繫統和優化駕駛   5

1.1.5工程中的挑戰      6

1.2汽車的動力繫統       6

1.2.1動力繫統操縱控制   7

1.2.2動力繫統建模和模型的重要性   8

1.2.3模型知識的可持續性   8

1.3本書結構          9

2車輛           11

2.1車輛縱向動力學       11

2.2行駛阻力          12

2.2.1空氣阻力        13

2.2.2冷卻繫統阻力和可調進氣格柵   13

2.2.3車輛跟隨時的空氣阻力   14

2.2.4滾動阻力及其物理意義   15

2.2.5滾動阻力(建模)     16

2.2.6輪胎滑動（打滑）     18

2.2.7滾動阻力(含熱模型)   18

2.2.8重力          20

2.2.9分量的相對大小     20

2.3行駛阻力模型        21

2.3.1傳動控制繫統模型   21

2.3.2標準行駛阻力模型   22

2.3.3工況分析建模      22

2.4駕駛員行為和道路建模   23

2.4.1簡單的駕駛員模型   24

2.4.2道路模型        24

2.5工況仿真          25

2.6汽車性能/特征       26

2.7燃油經濟性         27

2.7.1能量密度        27

2.7.2從油箱到車輪——桑基能量分流圖   28

2.7.3油井到車輪的比較     29

2.8排放法規          29

3動力繫統         34

3.1動力繫統結構        34

3.1.1廢氣能量回收      35

3.1.2混合動力繫統      36

3.1.3電氣化         36

3.2車輛驅動控制        38

3.2.1車輛驅動控制目標    38

3.2.2實施框架        39

3.2.3控制結構的要求     39

3.3基於轉矩的動力繫統控制   40

3.3.1轉矩需求和轉矩命令的傳遞   40

3.3.2基於轉矩的驅動控制——駕駛員意圖   41

3.3.3基於轉矩的驅動控制——車輛需求（的限制）    42

3.3.4基於轉矩的驅動控制——傳動繫統管理      42

3.3.5基於轉矩驅動控制——傳動繫統-發動機集成控制   42

3.3.6處理轉矩請求——轉矩儲備和干預         43

3.4混合動力繫統        45

3.4.1ICE（內燃機） 的處理方式     45

3.4.2電機的處理方式     45

3.4.3電池管理        45

3.5展望和仿真         46

3.5.1仿真結構        46

3.5.2循環/行駛工況     46

3.5.3正向仿真        47

3.5.4準靜態逆向仿真     47

3.5.5工況跟隨        47

3.5.6逆向動態仿真      48

3.5.7應用和要求       49

3.5.8與方法無關的同一模塊   50

第2部分 發動機的工作原理

4發動機簡介        52

4.1空氣、燃料及空燃比     52

4.1.1空氣          53

4.1.2燃料          53

4.1.3化學計量學和空燃比（A/F）   54

4.2發動機結構參數       55

4.3發動機性能         56

4.3.1功率、轉矩和平均有效壓力    56

4.3.2效率和燃油消耗率     57

4.3.3容積效率        58

4.4小型化與渦輪增壓      59

5熱力學與工作循環     62

5.1四行程發動機的工作循環     62

5.2熱力學循環分析       65

5.2.1發動機工作過程的理想模型    66

5.2.2循環效率的推導     69

5.2.3氣體交換和泵氣功    70

5.2.4殘餘氣體和理想循環的容積效率    72

5.3理想循環效率        75

5.3.1負荷、泵氣功與效率      77

5.3.2空燃比(A/F)與效率      78

5.3.3理想與實際循環的差異      80

5.4缸內燃燒過程建模      81

5.4.1單區模型        81

5.4.2放熱與已燃質量分數分析      82

5.4.3已燃質量分數的特征      85

5.4.4單區模型其他組成部分     86

5.4.5單區氣缸壓力模型    88

5.4.6多區模型        89

5.4.7零維模型的應用     91

6燃燒和排放        92

6.1混合氣準備與燃燒      92

6.1.1燃油噴射        92

6.1.2SI和CI發動機工作過程對比   93

6.2SI發動機的燃燒       94

6.2.1SI發動機的循環變動    94

6.2.2爆燃和自燃       95

6.2.3自燃和辛烷值      96

6.3CI發動機的燃燒       98

6.4發動機排放         99

6.4.1排放形成的總趨勢    99

6.4.2SI發動機污染物的形成    102

6.4.3壓燃式發動機排放物的形成     104

6.5尾氣處理         106

6.5.1催化劑的效率、溫度和起燃    107

6.5.2SI發動機的後處理——TWC       108

6.5.3CI發動機的尾氣後處理技術       109

6.5.4排放的減少與控制    111

第3部分 發動機的建模和控制

7平均值發動機建模    114

7.1發動機的傳感器和執行器      115

7.1.1傳感器、繫統和執行器的響應      115

7.1.2發動機組件建模    117

7.2節流組件模型       118

7.2.1不可壓縮流體     119

7.2.2可壓縮流體      121

7.3節氣門流量建模      123

7.4進入氣缸的質量流量    125

7.5容積           128

7.6示例——進氣歧管模型    131

7.7燃油路徑和空燃比     133

7.7.1燃油泵、燃油軌、進料噴射器    133

7.7.2噴油器        134

7.7.3燃料制備過程的動態應      135

7.7.4氣體傳輸與混合    137

7.7.5空燃比（A/F） 傳感器         138

7.7.6燃油路徑模型驗證    141

7.7.7催化器和後催化器傳感器         141

7.8缸內壓力和瞬時轉矩    142

7.8.1壓縮漸近線      143

7.8.2膨脹漸近線      144

7.8.3燃燒         145

7.8.4氣體交換和模型編制         146

7.8.5發動機轉矩的產生    146

7.9發動機轉矩均值模型    147

7.9.1總指示功       148

7.9.2泵送功        151

7.9.3發動機摩擦力     151

7.9.4轉矩產生中的時間延遲         152

7.9.5曲軸動力學      153

7.10發動機排氣溫度      154

7.11熱傳遞與廢氣溫度     155

7.11.1管道溫度的變化    155

7.11.2排氣繫統中的熱傳遞模型         156

7.11.3排氣繫統溫度模型    156

7.12熱交換器和中冷器     161

7.13節氣門的運動       163

8渦輪增壓基礎和模型   168

8.1增壓和渦輪增壓基礎    168

8.2渦輪增壓基本原理和性能表現           170

8.2.1發動機平均值模型中的渦輪增壓器       171

8.2.2壓縮機性能的熱力學定律分析       172

8.2.3渦輪性能的熱力學定律分析       173

8.2.4渦輪和壓縮機的連接         174

8.2.5進氣密度的增加    175

8.3量綱分析         176

8.3.1可壓縮流體分析    176

8.3.2修正後的模型結構    177

8.4壓縮機和渦輪的特性圖    178

8.4.1壓縮機特性圖基礎    178

8.4.2渦輪特性圖基礎    180

8.4.3確定渦輪特性圖的測量過程         180

8.4.4渦輪性能計算明細    182

8.4.5熱傳遞和渦輪效率    183

8.5渦輪增壓器模型及其參數化           185

8.6壓縮機工作原理及建模    186

8.6.1壓縮機物理建模    186

8.6.2壓縮機效率模型    190

8.6.3壓縮機流量模型    191

8.6.4壓縮機的熄火現像    193

8.6.5壓縮機喘振      196

8.7渦輪的運轉及建模     199

8.7.1渦輪的質量流量    200

8.7.2渦輪的效率      202

8.7.3可變幾何渦輪     202

8.8瞬態響應和渦輪遲滯    203

8.9案例——渦輪增壓汽油機           204

8.10案例——渦輪增壓柴油機           206

9發動機管理繫統的介紹          210

9.1發動機管理繫統（EMS）    210

9.1.1EMS模塊的建立    210

9.1.2基於曲軸和時間事件的繫統         212

9.2基本功能和軟件結構    212

9.2.1基於轉矩的結構    213

9.2.2特殊模式和事件    213

9.2.3自動代碼生成和信息交換         214

9.3標定和參數表示      214

9.3.1發動機map圖     214

9.3.2基於模型的開發    216

10點燃式發動機的基本控制         217

10.1三個基本的SI發動機控制器           218

10.1.1產品繫統實例     218

10.1.2使用map圖進行基本控制         220

10.1.3轉矩、充氣和壓力控制         220

10.1.4簡單轉矩模型下的壓力設定點         221

10.1.5全轉矩模型下的設定點         221

10.1.6壓力控制       222

10.2節氣門伺服機構      224

10.3燃油控制和空燃比λ 的控制           227

10.3.1空燃比λ 的前饋和反饋控制結構       227

10.3.2帶有基本燃油計量的λ 前饋控制         228

10.3.3空燃比λ 的反饋控制         229

10.3.4燃油動態特性和噴油器補償         233

10.3.5基於λ 控制和自適應的觀測器        234

10.3.6雙傳感器和三傳感器的λ控制         237

10.4影響空燃比λ 的其他因素           238

10.4.1滿負荷加濃      238

10.4.2發動機超速及反拖    238

10.4.3影響空氣和燃油計算的輔助繫統       239

10.4.4冷啟動加濃      241

10.4.5單氣缸的λ 控制    241

10.5點火控制         241

10.5.1爆燃控制——反饋控制         243

10.5.2點火能量——駐留時間控制         245

10.5.3長期轉矩、短期轉矩以及轉矩儲備       246

10.6怠速控制         247

10.7轉矩管理和怠速控制    248

10.8渦輪控制         249

10.8.1抗喘振控制的壓縮機         249

10.8.2增壓壓力控制     250

10.8.3帶有增益調度的增壓控制         252

10.8.4渦輪增壓器和爆燃控制         255

10.9可靠性和故障弱化     255

11柴油機的基本控制   256

11.1柴油發動機工況和控制綜述           256

11.1.1柴油機排放的權衡    256

11.1.2柴油機構造和基礎知識         257

11.2基本轉矩控制       259

11.3附加轉矩控制       260

11.4燃油量控制        261

11.4.1控制信號——多重燃油噴射         262

11.4.2燃油噴射控制策略    262

11.5氣流控制         264

11.5.1廢氣再循環（EGR）        264

11.5.2EGR和變截面渦輪（VGT）        265

11.6案例研究： EGR和VGT控制與調整           268

11.6.1控制目標       269

11.6.2用於控制設計的繫統性能         270

11.6.3控制結構       272

11.6.4PID參數化、執行和調整         274

11.6.5歐洲瞬態循環工況下的評估         277

11.6.6EGR VGT案例研究總結         279

11. 7柴油機後處理控制     280

12發動機的一些高級概念         281

12.1可變氣門執行機構     281

12.1.1氣門特性       282

12.1.2可變氣門執行機構的影響        283

12.1.3其他的氣門功能    285

12.1.4VVA對基於模型控制的影響        286

12.1.5進氣和燃料控制策略評價         286

12.2可變壓縮比        287

12.2.1實例——SAAB可變壓縮比發動機     287

12.2.2其他控制       288

12.3信號解析和反饋控制    291

12.3.1離子傳感技術     291

12.3.2實例——離子傳感點火反饋控制       294

12.3.3總結和信號處理實例         298

第4部分 傳動繫統的建模和控制

13傳動繫統介紹     300

13.1傳動繫統         301

13.2傳動繫統建模和控制的動機           301

13.2.1主要的目標和變量         301

13.2.2傳動繫統控制與縱向車輛驅動控制的對比    301

13.2.3物理背景       302

13.2.4驅動應用的背景    302

13.3沒有適當控制下的不良行為           302

13.3.1車輛跛行和車輛喘振         302

13.3.2穿越側隙——延遲和跛行         303

13.3.3擋位脫開後的振動    304

13.4方法           306

13.4.1時間尺度       306

13.4.2建模和控制      306

14傳動繫統建模     307

14.1總體建模方法       307

14.1.1傳動繫統的圖解方案         307

14.1.2傳動繫統綜合方程         308

14.2基本的完整模型——剛性傳動繫統          309

14.2.1合並方程       310

14.2.2反射的質量和慣量         311

14.3傳動繫統喘振       311

14.3.1傳動繫統建模的試驗         312

14.3.2驅動軸彈性建模    313

14.4傳動繫統的其他動態特性           317

14.4.1參數估計的影響    317

14.4.2驗證數據的誤差特性         317

14.4.3傳動軸彈性的影響         318

14.4.4串聯彈簧的參數估計         319

14.4.5傳感器動態特性    319

14.5離合器影響和總體齒隙           321

14.5.1彈性離合器和驅動軸的模型         321

14.5.2非線性離合器和彈性驅動軸         323

14.5.3總體側隙       325

14.6空擋和離合器分離時的建模            326

14.6.1試驗         327

14.6.2解耦模型       327

14.7離合器建模        328

14.7.1物理因素的影響    329

14.7.2離合器的特性     330

14.7.3離合器的狀態     330

14.8變矩器          330

14.9模型建立的結束語     332

14.9.1模型的設置      332

14.9.2模型的支持      332

14.9.3控制繫統的設計及驗證仿真         332

15傳動繫統控制     333

15.1傳動繫統控制的特征    334

15.1.1傳動繫統控制的集成         334

15.1.2關於傳感器位置的結論         335

15.1.3轉矩動作       335

15.1.4變速箱        336

15.1.5發動機作為轉矩提供裝置的情況        337

15.1.6控制方法       337

15.2傳動繫統控制基礎     338

15.2.1驅動軸模型的狀態空間方程        338

15.2.2對於干擾的描述    339

15.2.3對於測量的描述    339

15.2.4性能輸出       339

15.2.5控制目標       340

15.2.6控制器結構      340

15.2.7傳遞函數的符號    341

15.2.8反饋性能的某些特征         341

15.2.9簡化後的傳遞函數解析         343

15.3傳動繫統速度控制     345

15.3.1RQV控制       346

15.3.2防喘振控制目標的方程化        348

15.3.3包含主動衰減和RQV 調速器特性的速度控制   349

15.3.4傳感器位置產生的影響         353

15.3.5負載估計       354

15.3.6對防喘振控制器評估         355

15.3.7負載干擾抑制演示    356

15.3.8防喘振控制的試驗驗證         357

15.3.9消除誤解的試驗    358

15.4傳動繫統轉矩的控制    359

15.4.1換擋時傳動繫統轉矩控制的目的        360

15.4.2轉矩控制的潛在問題示例         361

15.4.3傳動繫統換擋時的轉矩控制方法       363

15.5變速箱轉矩控制      363

15.5.1變速箱轉矩模型的建立         363

15.5.2變速箱轉矩控制準則         366

15.5.3換擋條件       367

15.5.4終控制準則     369

15.5.5可行主動衰減的生成         369

15.5.6對於仿真和傳感器位置影響的驗證      370

15.6驅動軸扭轉量控制     372

15.6.1使用PID控制器進行衰減控制的回顧      373

15.6.2控制器結構      373

15.6.3傳動繫統扭轉量觀測器         374

15.6.4控制器的場地試驗驗證         376

15.6.5換擋品質的驗證    376

15.6.6傳動繫統存在初始振動的處理         377

15.7要點重述及結束語     378

15.7.1一般方法       379

15.7.2重要的見解      379

15.7.3控制準則的制定    379

15.7.4功能性的驗證     379

15.7.5轉矩限制處理的試驗驗證         380

15.7.6收益         380

第5部分 診斷和可靠性

16診斷和可靠性     382

16.1可靠性          383

16.1.1功能安全——意外轉矩         383

16.1.2功能安全標準     384

16.1.3控制器的資格/條件/前提         385

16.1.4故障狀況的調節    386

16.1.5展望         386

16.1.6聯繫         387

16.2基本定義和概念      387

16.2.1故障和失效      387

16.2.2檢測、隔離、識別和診斷         388

16.2.3虛警和漏檢      389

16.2.4被動與主動（介入）          389

16.2.5離線與在線(車載)   389

16.3方法介紹         389

16.3.1簡單的傳感器故障   390

16.3.2簡單的執行器故障   390

16.3.3三重傳感器冗餘    390

16.3.4用虛擬傳感器實現的三重冗餘         391

16.3.5冗餘和基於模型的診斷         392

16.3.6形成決策——殘差評價         393

16.3.7渦輪增壓發動機中的洩漏         396

16.4診斷繫統工程       398

16.5選擇的汽車應用實例    399

16.5.1催化轉換器和氧傳感器         399

16.5.2節氣門監控      400

16.5.3燃油蒸發回收繫統的監測         401

16.5.4失火         404

16.5.5進氣         408

16.5.6柴油機模型      416

16.6歷史、立法和OBD     418

16.7立法           419

16.7.1OBDⅡ繫統      419

16.7.2OBDⅡ標準的範例         421

A 熱力學數據和傳熱公式

A.1熱力學數據和某些常數           424

A.2燃料數據         424

A.3無量綱數         425

A.4傳熱基礎         426

A.4.1傳導         430

A.4.2對流         431

A.4.3輻射         432

A.4.4電阻類比       432

A.4.5四階方程的解     433

前言

本書介紹了一套完整新穎的發動機及傳動繫統建模與控制方法。目前，發動機及傳動繫統部件的建模已經得到了深入研究，並開發出了適用於建立仿真模塊或設計控制和診斷繫統的較為有效的模型。其他著作是從力學和流體動力學的角度進行分析，而本書則從一個繫統工程和控制繫統開發的角度展開。這個角度是目前車輛整體性能設計的核心，同時我們與汽車企業進行了密切合作，使本書可以為工程師開發動力總成和分析動力控制繫統提供良好的參考。

撰寫本書有三個主要目標。，為教師和需要長期使用參考資料的工程師提供全面的零部件建模知識。因此，以下這些方面對於我們來說非常重要：在描述和處理不同繫統時，首先提出在實際工程中繫統的評價性能指標；然後解釋其潛在的物理學原理，描述建模中的注意事項，並用試驗數據驗證所建模型的有效性。總之，就是要表明模型是如何對實際事物進行仿真並與工程相適應的。模型是不受時間影響的，但是本書第二個重要目標就是，它們是如何在現代的、重要的控制和診斷繫統設計中被利用的。我們會利用研究的實例和案例來解釋設計的控制繫統如何實現需要的性能，以及解決這些復雜繫統相互衝突的目標。當然，組件和繫統需要整合起來開發，所以第三個重要的目標就是提供一種用於繫統集成和評估的完整的解決方案。這就是本書中所描述的包含縱向運動的整車模型，並且該模型考慮了在駕駛循環和模擬仿真中用於尾氣排放與燃油消耗分析的實際需求。

我們的目標讀者既包括正在學習本領域的學生，也包含需要學習本領域的工程師。從1998年開始，林雪平大學（Linkping University） 已將本書作為電氣工程和機械工程專業碩士生的教材。它也用於國內外的課程中，甚至為企業設計了專門的課程。例如，它已被用在國立的“瑞典綠色汽車計劃” 課程中。在國際上， 法國的法國石油研究院（IFP）、西班牙的瓦倫西亞理工大學（UPV） 以及中國的天津大學動力總成工程計劃也是本書應用的實例。除了這些讀者，本書還面向在車企從事開發和整合組件的工程師，為他們提供一個參考。有效的模型是零部件供應商、繫統制造商和汽車制造商的工程師們之間交流的重要手段。

本書是專為碩士生或已畢業的學生而寫。閱讀本書應具有一般工程課程的學習基礎，主修過像數學、機械工程、物理學和自動控制或信號和繫統等相關課程。讀者具有一定熱力學知識背景對閱讀本書有一定的幫助，但並不要求。對於喜歡使用本書作為教學或學習材料的人，本書編排的1.3章節會給出學科的總覽。在教學工作中，很自然地需要將試驗工作和計算機的實例演練相結合來完成數據采集的工作，然後通過建模來進行控制繫統設計和驗證。本書可作為問題研討會的補充資料，而對於教師、學生，或者想練習該方面知識的人，可以在主頁上搜索更多可用的材料wiley.com/go/powertrain 和www.fs.isy.liu.se/Software）。例如， 可以下載圖8.27的完整發動機模型（LiU 柴油機）。由於Matlab/Simulink在汽車工業中占據著主導地位， 在書中我們還準備了許多利用該軟件完成的例子和圖。本書的重點在於工具的獨立性，可以使讀者在任何恰當的軟件或建模環境下運行模型的測量數據和方程式。

鳴謝

出於對汽車建模和控制領域的興趣和熱情，我們完成了這本書，同時也少不了其他同仁的傾情奉獻。編寫本書的材料來源於“ 車輛繫統研究團隊（Vehicular Systemsgroup）”在發動機和傳動繫統控制領域的研究成果，