兩缸兩沖程小型發(fā)動機的電控系統(tǒng)研究

【摘 要】本文論述了一種用于兩缸兩沖程小型發(fā)動機的緊湊的電控系統(tǒng)及其設計方法，該控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和ECU三個部分組成。系統(tǒng)分為七個計算模塊和兩個中斷任務，設計簡單模塊清晰，且易于維護和升級，達到了較好的設計效果。

【關鍵詞】兩缸兩沖程小型發(fā)動機；電控單元；ECU；控制策略

0 引言

兩缸兩沖程小型發(fā)動機結構簡單、體積小重量輕、并且升功率顯著高于四沖程發(fā)動機，由于有著以上優(yōu)點，被廣泛應用于小型摩托車、航模甚至是小型的發(fā)電設備上。[1]本文對兩缸兩沖程小型發(fā)動機的控制原理、系統(tǒng)構成及系統(tǒng)設計要求進行了研究，在此之上提出了一種適用于該類發(fā)動機的控制策略，以及相應的控制單元ECU的設計方法。[2]

1 控制系統(tǒng)的基本結構和設計

控制系統(tǒng)由傳感器、控制器ECU和執(zhí)行器三個部分組成?？諝饨涍^節(jié)氣門進入進氣道，燃油經噴油嘴噴射進入進氣道，跟新鮮空氣混合后進入氣缸。在氣缸內經火花塞點火燃燒，廢氣由排氣管排出發(fā)動機。[3-5]

1.1 傳感器

本文設計的電控系統(tǒng)所用的傳感器主要有：發(fā)動機曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進氣溫度壓力傳感器和排氣氧傳感器。

1）發(fā)動機曲軸位置傳感器

該傳感器主要有磁電式和霍爾式兩種，本文采用磁電式。曲軸前端安裝有特定齒數的齒輪盤，齒輪盤的邊緣安裝傳感器。當齒輪盤旋轉時候，傳感器端即可產生相應位置的脈沖信號，使用整形電路對該脈沖電路進行整形成為矩形波，當發(fā)動機轉速高時，矩形波的波幅較窄，當發(fā)動機轉速低時候，矩形波的波幅較寬。ECU依次來計算發(fā)動機的轉速。

2）節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器向ECU提供進氣道節(jié)氣門的角度位置，該數據是計算發(fā)動機的進氣量、負荷和駕駛意圖的重要參數。

節(jié)氣門通常分為電子式和拉線式兩種，本文采用的是自行研究開發(fā)的主動驅動式電子節(jié)氣門，圖1是該節(jié)氣門的結構示意圖。[6]ECU通過CAN總線連接該節(jié)氣門部件，控制電路獲取信號后驅動直流電機轉動，電機的扭矩通過齒輪組帶動蝶閥轉動。蝶閥軸頂端安裝有霍爾傳感器，當蝶閥轉動時，該傳感器會感應到該變化，轉換成跟角度相應的模擬信號，并將該信號傳遞給控制單元ECU。

3）進氣溫度壓力傳感器

本文采用的是溫度壓力一體是傳感器，具有體積小重量輕的優(yōu)點，尤其適合小型發(fā)動機使用。該傳感器安裝在進氣系統(tǒng)的過渡管路上。

4）氧傳感器

氧傳感器安裝在發(fā)動機的排氣管中，用于測量發(fā)動機尾氣中的氧含量。使用該傳感器進行噴油的閉環(huán)控制，可以精確控制噴油量達到理論空燃比。

1.2 電控單元ECU

發(fā)動機電子控制單元ECU是整個電控系統(tǒng)的核心部分，它在發(fā)動機運轉過程中接收傳感器信號，并進行處理計算后向執(zhí)行器發(fā)出控制信號，執(zhí)行器按照ECU的控制意圖進行工作。

圖2是本文使用的控制器的構成圖，圖中左側是上文描述的傳感器，其中曲軸位置傳感器是整形后的矩形波，連接至ECU的Timer管腳，ECU通過邊沿觸發(fā)中斷來進行信號分析和計算。其他三個傳感器的信號均為AD信號?？刂破鞯挠覀仁屈c火、噴油和氧傳感器加熱器這三個執(zhí)行器。

1.3 執(zhí)行器

本文的執(zhí)行器主要有噴油器、點火線路和氧傳感器加熱器三個部分。

1）噴油器

噴油器是一種電磁開關裝置，由發(fā)動機控制單元ECU發(fā)出PWM波形，經過放大后驅動電路來控制噴油器的開啟和關閉，通過噴油脈寬即PWM波形的幅度來控制電磁閥的打開和關閉之間的時間，進而控制噴油量。通過噴油正時來控制電磁閥打開的時機，進而控制噴油提前角。

2）點火線路

點火線路由點火線圈和火花塞兩個部分組成，控制單元ECU通過Timer管腳發(fā)出PWM波形，進而控制初級線圈導通，最終達到控制點火的提前角和和點火能量效果。

3）氧傳感器加熱器

本文選用的氧傳感器LSU4.9的工作溫度在750℃附近，偏離這一工作點，會直接導致測量偏差，進而引起噴油量計算的不正確，導致發(fā)動機工作異常。因此有必要對氧傳感器進行溫度控制。

圖3是氧傳感器的溫度控制圖，把傳感器上的溫度和要求溫度一起導入ECU，經過PID計算計算后，輸出PWM信號，該信號經放大電路放大后引入加熱絲，進而引起氧傳感器的穩(wěn)定變化，達到閉環(huán)控制的效果。

2 控制策略研究

圖4是本文所采用的系統(tǒng)控策略，整個控制系統(tǒng)分為7個計算模塊，分別是轉速計算、點火提前角計算、點火脈寬計算、噴油提前角計算、噴油脈寬計算、點火控制計算和噴油控制計算。以下分別加以敘述：

1）轉速計算

該計算任務是中斷任務，當ECU捕捉到脈沖邊沿，發(fā)生中斷任務，計算相鄰的脈沖波形的間隔，加以濾波，即可獲得當前發(fā)動機的轉速。

2）點火提前角計算

該任務是定時任務，每隔10ms計算一次。點火提前角以發(fā)動機轉速作為計算參數。當低轉速時，輸出較小的點火提前角，當高轉速時輸出較大的點火提前角。

3）點火脈寬計算

點火脈寬以進氣溫度和進氣壓力作為計算參數。當進氣溫度低進氣壓力高時，適當提高點火時間，當進氣溫度高進氣壓力低時，適當降低點火時間。

4）噴油提前角計算

噴油提前角以轉速作為計算參數。當低轉速時，輸出較小的噴油提前角，當搞轉速時，輸出較大的噴油提前角。

5）噴油脈寬計算

噴油脈寬以廢氣氧含量、進氣壓力、發(fā)動機轉速和節(jié)氣門位置為計算參數。其中進氣壓力和發(fā)動機轉速設計為一張三維表，進氣壓力越高轉速越高，說明發(fā)動機負荷越高，此時應加大噴油脈寬，進氣壓力越低轉速越低，說明發(fā)動機負荷越低，此時應減小噴油脈寬。廢氣氧含量對以上計算結果進行修正，讓空燃比保持在理論空燃比附近，達到節(jié)能減排的效果。節(jié)氣門位置對以上計算結果進行二次修正，以達到較好的操縱性能。

6）點火控制任務

該任務是實時中斷任務，發(fā)生在上止點時刻。當ECU通過曲軸相位傳感器的信號判斷出發(fā)動機處于上止點時，發(fā)生該任務。在該任務中，ECU把點火提前角的計算結果進行轉化設置在Timer寄存器中開始計時，以達到在點火提前角達到的達到的時刻計時完成，發(fā)生點火中斷，繼而發(fā)出指定點火脈寬的PWM波形。該波形經放大后驅動點火線路打火。

7）噴油控制任務

該任務跟點火控制任務基本類似。

3 結論

本文主要介紹了兩缸兩沖程活塞小型發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制器ECU和控制策略的設計方法。依次方法設計出了一款滿足該領域使用要求的高度集成化的控制器，該控制器層次簡潔、清晰，模塊之間相互獨立，提高了系統(tǒng)的可靠性。經試驗驗證，完全達到了對該類型小型發(fā)動機的實時性和精度的控制要求。

【參考文獻】

[1]黃建，曹占國.小型二沖程航空汽油機電控系統(tǒng)研究[J].小型內燃機與摩托車，2012，2.

[2]馬二林.FAI二沖程缸內直接噴射航空用打洞機的研究[D].天津大學，2013.

[3]姜學敏.某型發(fā)動機電控燃油噴射技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[4]楊時威.基于XCP協(xié)議車用標定系統(tǒng)的研發(fā)[C]//中國內燃機學會第四屆青年學術年會論文集，2006.

[5]張翠平.電控汽油機燃油噴射及點火控制系統(tǒng)的設計與實驗研究[D].太原理工大學，2007.

[6]盧靜，翁建生.主動式電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2014，12.

[責任編輯：湯靜]