描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122314871
第1部分 车辆-驱动的基本原理
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
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——TWC 108
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
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定律分析 172
8.2.3 涡轮性能的热力学定律分析 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
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 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
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OBD 418
16.7 立法 419
16.7.1 OBDⅡ系统 419
16.7.2 OBDⅡ标准的范例 421
A 热力学数据和传热公式
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
前言
本书介绍了一套完整新颖的发动机及传动系统建模与控制方法。目前，发动机及传动系统部件的建模已经得到了深入研究，并开发出了适用于建立仿真模块或设计控制和诊断系统的较为有效的模型。其他著作是从力学和流体动力学的角度进行分析，而本书则从一个系统工程和控制系统开发的角度展开。这个角度是目前车辆整体性能设计的核心，同时我们与汽车企业进行了密切合作，使本书可以为工程师开发动力总成和分析动力控制系统提供良好的参考。
撰写本书有三个主要目标。，为教师和需要长期使用参考资料的工程师提供全面的零部件建模知识。因此，以下这些方面对于我们来说非常重要：在描述和处理不同系统时，首先提出在实际工程中系统的评价性能指标；然后解释其潜在的物理学原理，描述建模中的注意事项，并用试验数据验证所建模型的有效性。总之，就是要表明模型是如何对实际事物进行仿真并与工程相适应的。模型是不受时间影响的，但是本书第二个重要目标就是，它们是如何在现代的、重要的控制和诊断系统设计中被利用的。我们会利用研究的实例和案例来解释设计的控制系统如何实现需要的性能，以及解决这些复杂系统相互冲突的目标。当然，组件和系统需要整合起来开发，所以第三个重要的目标就是提供一种用于系统集成和评估的完整的解决方案。这就是本书中所描述的包含纵向运动的整车模型，并且该模型考虑了在驾驶循环和模拟仿真中用于尾气排放与燃油消耗分析的实际需求。
我们的目标读者既包括正在学习本领域的学生，也包含需要学习本领域的工程师。从1998年开始，林雪平大学（Linkping University） 已将本书作为电气工程和机械工程专业硕士生的教材。它也用于国内外的课程中，甚至为企业设计了专门的课程。例如，它已被用在国立的“瑞典绿色汽车计划”
课程中。在国际上， 法国的法国石油研究院（IFP）、西班牙的瓦伦西亚理工大学（UPV） 以及中国的天津大学动力总成工程计划也是本书应用的实例。除了这些读者，本书还面向在车企从事开发和整合组件的工程师，为他们提供一个参考。有效的模型是零部件供应商、系统制造商和汽车制造商的工程师们之间交流的重要手段。
本书是专为硕士生或已毕业的学生而写。阅读本书应具有一般工程课程的学习基础，主修过像数学、机械工程、物理学和自动控制或信号和系统等相关课程。读者具有一定热力学知识背景对阅读本书有一定的帮助，但并不要求。对于喜欢使用本书作为教学或学习材料的人，本书编排的1.3章节会给出学科的总览。在教学工作中，很自然地需要将试验工作和计算机的实例演练相结合来完成数据采集的工作，然后通过建模来进行控制系统设计和验证。本书可作为问题研讨会的补充资料，而对于教师、学生，或者想练习该方面知识的人，可以在主页上搜索更多可用的材料wiley.com/go/powertrain 和www.fs.isy.liu.se/Software）。例如，
可以下载图8.27的完整发动机模型（LiU 柴油机）。由于Matlab/Simulink在汽车工业中占据着主导地位， 在书中我们还准备了许多利用该软件完成的例子和图。本书的重点在于工具的独立性，可以使读者在任何恰当的软件或建模环境下运行模型的测量数据和方程式。
鸣谢
出于对汽车建模和控制领域的兴趣和热情，我们完成了这本书，同时也少不了其他同仁的倾情奉献。编写本书的材料来源于“ 车辆系统研究团队（Vehicular Systemsgroup）”在发动机和传动系统控制领域的研究成果，很大程度上，它已经运用到了与车企紧密的合作中。从1994年我们的发动机实验室就开始着手这项工作，次课程是在1998年。后来发展为与大学内外许多企业合作的模式，
因此许多人都做出过贡献，在这里就不一一列举了。
我们大学的团队已经努力为我们的学生开展高度关联且高质量的课程，团队的许多博士也参与了对课程范围及学习方法的讨论。因此，本书也是我们同团队的博士共同研究和讨论的成果，所有我们以前和现在的博士的贡献都得到了高度认可。
后我们想感谢的是那些对终稿校对做出贡献的人士： Daniel Eriksson，Erik Frisk，Erik Hckerdal(斯科讷)，Mattias Krysander，Anders
Larsson (斯科讷)，Patrick
Letenturier(英飞凌公司)，Oskar
Leufven，Tobias Lindell，Andreas
Myklebust，Vaheed Nezhadali，Peter
Nyberg，Andreas Thomasson，Frank
Willems (TU/e和TNO汽车)及Per Oberg。
Linkoping,2013夏
Lars Eriksson
Lars Nielsen
系列前言
发动机作为汽车的心脏，能够将储存的能量转化为机械能。动力传动系统的任务是将动力转变为运动。发动机和传动系统组成的动力总成是汽车的典型的主要组成部分。几乎可以肯定，当一位消费者计划购买一辆高性能汽车时，发动机和传动系统规格是主要考虑的因素。在过去的时间里，由于技术创新，发动机和动力传动系统性能显著提高。而且，消费市场和一系列世界范围内的法规对车辆性能提出了更高的要求，这些要求包括更高的燃油效率和更低的排放。因此，需要充分理解发动机、动力传动系统以及它们不同种类的构型，例如火花塞点火、柴油机、电混合和涡轮增压，
这些在汽车领域都是很关键的技术。这些技术不仅应用于汽车OEMs（原始装备制造商），也应用于网络零部件供应商，它们生产和测试用于汽车系统的各种部件。
随着发动机和传动系统技术的飞速发展，发动机和传动系统建模与控制提出了关于发动机和动力传动系统发展均衡性的讨论，包括驱动、发动机基本部件、建模与控制、驱动系统性能与诊断等几个方面。《汽车发动机与传动系统建模及控制》作为发动机和动力传动系统领域高级工程课程的一部分，也是汽车系列丛书（其主要是出版针对研究者、行业从业者和车辆工程专业本科生与研究生的实用且专业的图书）的一部分。该系列图书介绍了车辆工程领域出现的新技术，能够使汽车更高效、更安全、更环保。《汽车发动机与传动系统建模及控制》讨论了许多主题，包括设计、制造和操作，旨在提供相关信息来源，使汽车工程领域的人受益。
发动机和动力传动系统建模与控制提供了一个详细的有关发动机和传动系统设计、分析和控制的框架，也包含大量对从业工程师有帮助的实用概念，因此本书是基本概念和实际应用的完美结合。本书的优点是结合大量基本概念和应用实例，使读者更透彻地理解发动机和动力传动系统的设计与操作。本书不仅体现了技术深度和宽度，也深入介绍了相关的技术法规，这些法规使发动机系统的技术不断进步（例如排放标准）。这使本书可以作为本领域的全面参考。本书清晰而简洁，由本领域受认可的专家编写，为读者提供了基础与实用兼备的信息，是对汽车系列的补充。
Thomas Kurfess
2013年12月
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