中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0152-03

Optimization of Automotive Engine Electronic Control System Based on Mathematical Modeling

WangLimin，WangHui

（School of Mathematicsand Information Science，Zhengzhou Shengda University，Zhengzhou 450o，China）

【Abstract】Theelectronic control system of automotiveengines is thecore technology for improving the power performance，fueleficiencyandemissionlevelofvehicles.The traditionalcontrol method isdificulttoadapttocomplex workingconditions duetothe fixedparameter seting.However，theelectroniccontrol system（ECU）realizes the dynamicadjustmentof multipleparameters through theclosed-loopcoordinationofsensors，controlunitsandactuators. Thisarticlemainlyanalyzes thecompositionarchitectureandfunctionsofthesystem，explores itsapplication mechanisms in powerperformance optimization，fuel eficiencyand emission balance，and improvementof driving experience，andfocuses onstudying the optimization methodsbased on mathematical modeling，including the collaborative optimization of power and fuelconsumption bythestate spacemodeland the precise driving of emission controlbythechemicalreactionkineticsmodel.AndtheimprovementofsystemrobustnessbyLyapunov'sstability theory.Studies show that mathematical modeling technologycaneffectively improve the responsespeed，stabilityand environmentaladaptabilityof thesystem.Itisexpectedtoprovidesometheoretical supportfortherefinedregulationof the engine control system.

【Key Words】mathematical modeling ；automobile engine；electronic control system；power optimization；emission ：ontrol；robustness

0 引言

汽車發(fā)動機作為車輛的核心動力源，其性能直接決定車輛的動力性、燃油效率與排放水平。隨著全球環(huán)保法規(guī)的日益嚴苛及消費者對高性能汽車需求的提升，如何在保障動力輸出的同時實現(xiàn)油耗與排放的協(xié)同控制，成為汽車技術領域的關鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)發(fā)動機控制依賴固定參數(shù)設定，難以動態(tài)適應復雜工況與環(huán)境變化。電子控制技術的革新推動了發(fā)動機電子控制系統(tǒng)ECU的普及，其通過實時監(jiān)控與參數(shù)調(diào)節(jié)提升了系統(tǒng)適應性，但高效控制策略的開發(fā)仍需依托數(shù)學建模技術，以精準刻畫發(fā)動機動態(tài)特性及環(huán)境耦合關系?；诖?，本文圍繞數(shù)學建模在發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中的應用展開研究，旨在為系統(tǒng)精準調(diào)節(jié)提供理論支撐，推動汽車綜合性能的全面提升。

1系統(tǒng)架構解析

汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)通過電子技術與機械系統(tǒng)的深度融合，構建了以傳感器、控制單元、執(zhí)行器為核心的閉環(huán)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對發(fā)動機工作狀態(tài)的精準調(diào)控。該系統(tǒng)通過實時數(shù)據(jù)采集、智能決策與動態(tài)執(zhí)行，顯著提升了發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性與環(huán)保性。汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的組成與功能如表1所示。

傳感器模塊作為系統(tǒng)的“感知層”，負責捕捉關鍵運行參數(shù)。氧傳感器實時監(jiān)測尾氣氧含量，為燃油噴射量調(diào)節(jié)提供依據(jù)；節(jié)氣門位置傳感器反饋油門開度，輔助ECU識別駕駛意圖。ECU作為系統(tǒng)的“決策中樞”，內(nèi)置數(shù)學模型將傳感器數(shù)據(jù)與預設控制策略耦合，例如通過空燃比閉環(huán)控制動態(tài)調(diào)整噴油脈沖寬度。執(zhí)行器模塊則是系統(tǒng)的“執(zhí)行層”，噴油嘴根據(jù)ECU指令精確控制燃油噴射時序與劑量，點火線圈通過調(diào)節(jié)點火提前角優(yōu)化燃燒效率。

3大模塊通過“傳感器監(jiān)測 $$ ECU決策 $$ 執(zhí)行器調(diào)節(jié) $$ 反饋監(jiān)測”的閉環(huán)機制協(xié)同工作。以急加速場景為例，節(jié)氣門位置傳感器檢測到油門開度突變，ECU立即增大噴油量，提前點火時間，并同步調(diào)節(jié)廢氣再循環(huán)閥以減少排放干擾，整個過程在毫秒級完成。相較于傳統(tǒng)機械控制，電子控制系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在： ① 實現(xiàn)多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化（如動力與排放的平衡）； ② 通過自適應學習功能（如冷啟動策略優(yōu)化）提升智能化水平。

2系統(tǒng)性能優(yōu)化路徑

2.1 動力性能與響應優(yōu)化

電子控制系統(tǒng)通過精準調(diào)節(jié)發(fā)動機核心參數(shù)，顯著提升了車輛的動力輸出與動態(tài)響應能力。當駕駛員踩下油門時，節(jié)氣門位置傳感器實時捕捉踏板開度變化，ECU基于實時數(shù)據(jù)協(xié)同調(diào)整燃油噴射量、點火時機與渦輪增壓壓力。例如，急加速工況下，系統(tǒng)通過短期增加噴油量，提前點火時間并降低廢氣再循環(huán)率，實現(xiàn)動力的快速釋放。與傳統(tǒng)機械控制相比，電子系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境參數(shù)（如發(fā)動機溫度、海拔）動態(tài)優(yōu)化控制策略。低溫啟動時，自動提高怠速轉(zhuǎn)速以防止熄火，高負荷爬坡時，調(diào)節(jié)氣門正時以增強扭矩輸出。此外，渦輪增壓系統(tǒng)的電子協(xié)同控制有效緩解了渦輪遲滯問題，縮短了動力響應時間，提升了車輛操控的靈敏性。圖1為電子控制式燃油噴射系統(tǒng)。

2.2 燃油效率與排放控制的平衡

電子控制系統(tǒng)通過精細化調(diào)節(jié)實現(xiàn)了燃油經(jīng)濟性與排放控制的協(xié)同優(yōu)化。氧傳感器實時監(jiān)測尾氣氧濃度，ECU據(jù)此將空燃比動態(tài)調(diào)節(jié)至理論最優(yōu)值（14.7：1），確保燃油充分燃燒。勻速巡航時，采用稀薄燃燒策略以降低油耗，急加速工況下，切換至濃混合氣模式以保障動力。廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecirculation，EGR）閥的電子控制通過將部分廢氣導入氣缸降低燃燒溫度，抑制氮氧化物生成2。三元催化器的高效工作依賴于ECU的閉環(huán)控制。當檢測到催化器溫度不足時，系統(tǒng)主動調(diào)整點火角度以提高排氣溫度，加速催化器起燃。這種動態(tài)調(diào)節(jié)能力使發(fā)動機在不同工況下均能兼顧效率與環(huán)保，例如城市擁堵路段通過降低怠速噴油量減少積碳，高速行駛時，優(yōu)化氣門升程以降低泵氣損失。

2.3駕駛體驗與環(huán)保要求的結(jié)合

電子控制系統(tǒng)通過智能化策略實現(xiàn)了駕駛舒適性、操控性與環(huán)保法規(guī)的深度融合。駕駛模式選擇功能（如經(jīng)濟、運動、舒適模式）允許ECU對發(fā)動機與變速器進行聯(lián)動調(diào)節(jié)，經(jīng)濟模式下優(yōu)先降低換擋轉(zhuǎn)速與噴油量，運動模式則延遲升擋并提升渦輪增壓壓力。自動啟停技術通過智能邏輯控制（如監(jiān)測電池電量、空調(diào)負載）避免頻繁啟停帶來的不適，同時減少怠速排放。在NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）優(yōu)化方面，系統(tǒng)通過爆震傳感器識別異常振動，動態(tài)調(diào)整點火時機以消除敲缸異響，提升動力輸出平順性。環(huán)保法規(guī)要求被深度嵌人控制策略，例如國V標準下，ECU強制限制冷啟動噴油量，以確保排放達標為優(yōu)先目標。

3數(shù)學建模方法應用

3.1動力輸出與油耗優(yōu)化

數(shù)學建模通過構建發(fā)動機運行參數(shù)的動態(tài)關系網(wǎng)絡，實現(xiàn)動力輸出與燃油效率的協(xié)同優(yōu)化。基于狀態(tài)空間模型，系統(tǒng)將節(jié)氣門開度、進氣量、噴油脈寬等參數(shù)映射為扭矩輸出與燃油消耗的函數(shù)關系，通過梯度下降算法實時求解最優(yōu)控制策略。如在急加速工況下，模型通過預測未來3s內(nèi)的動力需求，動態(tài)調(diào)整渦輪增壓壓力與氣門升程的耦合關系，既保證瞬態(tài)扭矩躍升，又避免過量噴油導致的燃燒效率下降。針對部分負荷工況，模型引人模糊邏輯控制，將駕駛意圖（如油門踏板變化率）與道路坡度、載重信息融合，自適應調(diào)整空燃比閉環(huán)控制（圖2）的響應閾值，使發(fā)動機始終運行在高效區(qū)間]。

此外，卡爾曼濾波算法通過抑制缸內(nèi)壓力信號噪聲，精準估算燃燒相位，優(yōu)化點火提前角修正量，在抑制爆震風險的同時最大化熱效率。

3.2排放控制與環(huán)境優(yōu)化

基于化學反應動力學的排放模型，為尾氣凈化系統(tǒng)提供精準控制依據(jù)。通過構建三元催化器轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度、空燃比的非線性映射關系，模型動態(tài)優(yōu)化廢氣再循環(huán)率與二次空氣噴射策略。例如，在冷啟動階段，模型通過前饋控制提前加熱催化器載體，同時調(diào)整點火延遲角以提高排氣溫度，將催化器起燃時間縮短。針對氮氧化物NO生成機理，模型采用分層燃燒控制策略。在預噴階段形成稀薄混合氣抑制燃燒溫度，主噴階段通過高壓多次噴射實現(xiàn)擴散燃燒，兼顧動力輸出與NO減排需求。顆粒物捕集器（DieseiParticulateFilter，DPF）的再生控制中，模型通過壓力傳感器數(shù)據(jù)反演碳載量分布，結(jié)合排氣焓值計算確定主動再生觸發(fā)時機，避免過度再生導致的燃油附加消耗。這種基于物理模型的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了排放控制從被動響應到主動預測的技術跨越。

3.3 系統(tǒng)響應與穩(wěn)定性優(yōu)化

基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的魯棒控制模型提升了系統(tǒng)在擾動環(huán)境下的可靠性。通過建立發(fā)動機一傳動鏈一負載的機電耦合模型，系統(tǒng)將曲軸轉(zhuǎn)速波動、扭矩擾動等參數(shù)納入統(tǒng)一控制框架。突卸載荷工況下，前饋補償算法提前調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度，抑制傳動系統(tǒng)沖擊力矩，避免轉(zhuǎn)速驟降熄火。針對傳感器失效場景，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的軟測量技術可在氧傳感器信號異常時，通過進氣壓力、轉(zhuǎn)速、噴油量數(shù)據(jù)重構空燃比估計值，維持閉環(huán)控制。通信延遲補償通過時間戳同步算法確保指令時序一致性，CAN總線數(shù)據(jù)抖動誤差通過滑動窗口濾波抑制至毫秒級?；诠收蠘浞治龅娜蒎e控制策略，可在硬件故障時（如點火線圈失效）動態(tài)屏蔽對應氣缸并重構扭矩分配，保障跛行回家功能。

4結(jié)論與展望

本文圍繞數(shù)學建模在汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中的應用展開研究，通過構建精準的數(shù)學模型，實現(xiàn)了發(fā)動機動力輸出、燃油效率、排放控制與駕駛體驗的協(xié)同優(yōu)化。研究表明，數(shù)學建模技術可有效提升系統(tǒng)響應速度與穩(wěn)定性，優(yōu)化燃油經(jīng)濟性并降低排放水平。未來，隨著建模方法的進一步革新與多學科技術的融合，發(fā)動機電子控制系統(tǒng)有望在復雜工況下實現(xiàn)更高效的自適應控制，推動汽車產(chǎn)業(yè)向低碳化、智能化方向發(fā)展。

參考文獻

[1]楊金友.柴油發(fā)動機電子控制單元傳感器信號發(fā)生系統(tǒng)研發(fā)[D].銀川：寧夏大學，2024

[2]李文濤，趙爽.汽車發(fā)動機噴油器控制策略研究與實現(xiàn)[J].汽車維修技師，2024（6）：109.

[3]馮超.汽油直噴發(fā)動機中的電子控制技術分析[J].集成電路應用，2024，41（2）：108-109.

（編輯林子衿）