電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)單缸汽油機(jī)的電控系統(tǒng)開發(fā)

劉學(xué)良， 常思勤， 劉梁

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)單缸汽油機(jī)的電控系統(tǒng)開發(fā)

劉學(xué)良， 常思勤， 劉梁

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

為應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)的單缸汽油機(jī)設(shè)計了基于DSP(TMS320F2812)的電控系統(tǒng)，此電控系統(tǒng)除常規(guī)的噴油、點火等控制功能外，還可通過調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣門控制參數(shù)(氣門開啟時刻、關(guān)閉時刻以及氣門升程)直接調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，進(jìn)而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)不同工況下的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。完成了初步的運行試驗，驗證了電控系統(tǒng)的可行性，為進(jìn)一步應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)提高發(fā)動機(jī)性能的研究打下了基礎(chǔ)。

汽油機(jī)； 電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)； 電控系統(tǒng)

如今，汽車保有量持續(xù)增加，石油資源日趨減少，節(jié)能環(huán)保成為當(dāng)今社會發(fā)展的主題[1]。各種提高發(fā)動機(jī)性能和改善發(fā)動機(jī)排放的措施應(yīng)用在發(fā)動機(jī)上，其中配氣機(jī)構(gòu)的改善發(fā)揮了很大的作用。土耳其卡拉布克大學(xué)[2]和英國Lotus公司[3]分別就電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)和電液驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究和試驗，國內(nèi)對無凸輪配氣機(jī)構(gòu)也有一定的研究[4-6]。

本研究所用電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)基于動圈式直線電機(jī)[7]，可以實現(xiàn)氣門啟閉相位和氣門升程的全柔性控制[8-10]，根據(jù)不同的工況調(diào)節(jié)配氣使發(fā)動機(jī)工作在最佳狀態(tài)，提高發(fā)動機(jī)動力性并起到節(jié)能減排的效果。而原機(jī)的控制系統(tǒng)不能滿足電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)的控制要求，本課題組曾在保留原機(jī)ECU的基礎(chǔ)上開發(fā)電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)控制器[11]，并進(jìn)行了一定的研究，但較多的信號依賴于原機(jī)控制器，研究受到限制。因此，本研究設(shè)計了一種電控系統(tǒng)，對傳感器信號進(jìn)行采集和處理，進(jìn)而控制電磁氣門的運動和發(fā)動機(jī)的噴油、點火。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)

試驗所用發(fā)動機(jī)為某四沖程單缸汽油機(jī)，進(jìn)氣門與排氣門各一個，采用頂置凸輪軸驅(qū)動，其原機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 原發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

為滿足試驗要求，對其配氣機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行了相應(yīng)改造，替換了部分傳感器。將原機(jī)的節(jié)氣門去掉，加裝熱膜式空氣流量傳感器；保留原配氣機(jī)構(gòu)的氣門體，將凸輪軸替換為電磁執(zhí)行器，改裝為電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)。試驗所用發(fā)動機(jī)系統(tǒng)見圖1。

圖1 試驗用發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

1.2 電控系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案見圖2。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

進(jìn)氣流量信號、缸壓信號、負(fù)荷信號、氣門驅(qū)動電流和氣門位移等模擬信號通過信號調(diào)理電路調(diào)理后輸入DSP；曲軸轉(zhuǎn)角信號通過脈沖調(diào)整電路輸入到DSP的捕捉單元；經(jīng)過DSP的計算和分析，輸出相應(yīng)指令到驅(qū)動電路，控制噴油嘴、點火線圈以及電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)的運行。發(fā)動機(jī)運行數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時發(fā)送到上位機(jī)，并可通過上位機(jī)在線更改運行參數(shù)?；谏鲜龅囊?，本研究選用了TMS320F2812作為核心板，此數(shù)字信號處理器主頻可達(dá)150 MHz，有6對可互補(bǔ)輸出的PWM信號通道和獨立的高速捕捉單元，并能同時實現(xiàn)12路模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換，滿足開發(fā)要求。

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 模擬信號與曲軸信號調(diào)理電路

模擬信號調(diào)理電路用來對采集到的原始模擬信號進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換、限壓等處理，將其轉(zhuǎn)化為DSP可安全接收的信號；對輸出為電流值的模擬信號通過直流變換器將其轉(zhuǎn)化為電壓信號后再進(jìn)行調(diào)理；缸壓傳感器是壓電式傳感器，缸壓信號需要電荷放大器放大處理后輸入模擬信號調(diào)理電路。

本研究所用曲軸位置傳感器為電磁式傳感器，其感應(yīng)電動勢的頻率和幅值隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而變化，需轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的脈沖信號[12]。首先經(jīng)過放大電路，將電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流信號放大為可識別的電壓信號，再通過隔離模塊將脈沖信號傳遞到DSP控制側(cè)，通過濾波處理后輸入到DSP的高速捕捉單元。

2.2 氣門驅(qū)動模塊設(shè)計

電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動單元為動圈式直線電機(jī)，通過改變電磁線圈中電流的方向和大小則可控制驅(qū)動力的方向和大小[13]。根據(jù)其工作原理，采用H橋電路來對其驅(qū)動，驅(qū)動模塊的基本原理見圖3。

圖3 H橋氣門驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

每個H橋由一對互補(bǔ)輸出的PWM信號來控制，PWM信號通過隔離模塊與驅(qū)動側(cè)高壓信號隔離，保證核心板安全。設(shè)定PWM信號的死區(qū)時間，減少H橋電路單側(cè)貫通概率，延長驅(qū)動單元的使用壽命。

2.3 電路防干擾設(shè)計

電路中高頻的數(shù)字信號會增加地線上的信號噪聲，影響模擬信號精度；在高壓驅(qū)動端，高壓脈沖有可能損壞單片機(jī)接口和外設(shè)芯片，所以在電路中做好信號和電源的隔離尤為重要?，F(xiàn)采取以下措施進(jìn)行電路防干擾設(shè)計：

1) 曲軸信號調(diào)理模塊、氣門驅(qū)動模塊、核心控制板及信號采樣模塊、噴油點火模塊都使用獨立的電源進(jìn)行供電；

2) 在曲軸信號輸入端和噴油、點火信號輸出端采用TLP521光電耦合器與核心板隔離，TLP521具有抗干擾性能和隔離性能[14]；

3) 由核心板輸出的PWM信號通過高速光電耦合器6N137隔離變換后來驅(qū)動H橋電路。

3 軟件設(shè)計

主程序由初始化模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、定時器中斷模塊及捕捉中斷模塊等構(gòu)成。為了滿足電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)的控制精度要求，將定時器中斷周期設(shè)為50 μs，控制頻率達(dá)20 kHz。

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)中氣門通過凸輪軸驅(qū)動，氣門的相位與曲軸相位有嚴(yán)格的正時關(guān)系。而電磁氣門不受曲軸的機(jī)械約束，可在一個循環(huán)中指定活塞的某個上升過程為壓縮沖程，不用進(jìn)行額外的判缸過程。

3.1 曲軸信號采集

曲軸信號是控制系統(tǒng)重要的基準(zhǔn)信號。原機(jī)的曲軸傳感器有24個信號齒(含一個缺齒)，齒間夾角15°，利用捕捉中斷獲取齒信號，并通過定時器中斷的計數(shù)對曲軸相位進(jìn)行細(xì)分處理，計算公式為

CA=15*i+speed*CA_num/3 333。

式中：CA為曲軸轉(zhuǎn)角；i為曲軸傳感器信號齒計數(shù)；speed為發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速；CA_num為兩齒間定時器中斷數(shù)。

通過計算得出，當(dāng)定時器中斷周期T=50 μs時，在3 000 r/min以下轉(zhuǎn)速精度可達(dá)0.9°，滿足發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速的試驗要求。

為了準(zhǔn)確地確定信號齒相位和曲軸轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系，利用缸壓信號對曲軸相位進(jìn)行標(biāo)定(見圖4)，指定壓力波峰位置為壓縮上止點，將此與曲軸轉(zhuǎn)角信號對比，修正曲軸信號。

圖4 氣門運動與缸壓信號曲線

3.2 氣門與噴油控制策略

3.2.1 氣門控制

氣門電磁執(zhí)行器利用逆系統(tǒng)算法進(jìn)行閉環(huán)控制[13,15]，控制效果見圖5。氣門開啟過渡時間小于4 ms，位移控制精度能達(dá)到0.1 mm，氣門平均落座速度為0.03 m/s。

圖5 氣門運動曲線

3.2.2 氣門參數(shù)控制策略

原機(jī)氣門升程為8 mm，進(jìn)行電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)改裝后，氣門響應(yīng)變快，降低了氣門在開啟和關(guān)閉過程的節(jié)流作用，可根據(jù)發(fā)動機(jī)運行工況將升程適當(dāng)調(diào)整。

初步確定的控制策略為：當(dāng)發(fā)動機(jī)運行在高速或中高負(fù)荷工況時，為了更有效進(jìn)氣，采用8 mm升程；在怠速工況下所需要的進(jìn)氣量較小，可將升程適當(dāng)降低，采用6 mm升程；轉(zhuǎn)速過低時活塞下行速度慢，進(jìn)氣門會與活塞產(chǎn)生干涉，故在低轉(zhuǎn)速時對進(jìn)氣門升程采取先開啟4 mm再開啟到6 mm的分段控制。

根據(jù)發(fā)動機(jī)工況計算進(jìn)氣早開角，再通過PID算法控制進(jìn)氣門的開啟持續(xù)期，配合氣門升程可得到相應(yīng)的循環(huán)進(jìn)氣量。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)時，負(fù)荷信號在零附近。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)中，節(jié)氣門全關(guān)，通過怠速旁通閥來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。在本研究的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中，沒有節(jié)氣門，通過氣門參數(shù)的來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動機(jī)在怠速工況下正常運行。

3.2.3 噴油控制策略

噴油量主要由循環(huán)進(jìn)氣量和運行工況來確定(見圖6)，發(fā)動機(jī)起動時，適當(dāng)增加噴油量，讓發(fā)動機(jī)更快起動；怠速狀態(tài)下，根據(jù)發(fā)動機(jī)運行工況和氣門參數(shù)閉環(huán)修正噴油量，控制其怠速在目標(biāo)轉(zhuǎn)速；正常運行時通過氧傳感器信號檢測混合氣狀態(tài)，調(diào)整噴油量，使發(fā)動機(jī)工作在理論空燃比附近。

圖6 氣門與噴油控制策略

4 發(fā)動機(jī)試驗

4.1 進(jìn)氣量標(biāo)定

利用所設(shè)計的電控系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗。首先進(jìn)行非點火狀態(tài)下的測試，利用調(diào)速電機(jī)對發(fā)動機(jī)倒拖，測試各傳感器信號的采集和各執(zhí)行器的工作狀態(tài)。測得不同轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣門開啟持續(xù)期下的循環(huán)進(jìn)氣量，繪制出循環(huán)進(jìn)氣量脈譜圖(見圖7)。

圖7 進(jìn)氣門開啟持續(xù)期對進(jìn)氣量的影響

由圖7可知，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣門開啟持續(xù)期可以靈活控制循環(huán)進(jìn)氣量。

4.2 噴油量標(biāo)定

噴油器的工作分為三個階段：開啟階段、持續(xù)階段和關(guān)閉階段。在開啟階段和關(guān)閉階段中針閥不能完全開啟，為非線性噴油階段，需要通過試驗標(biāo)定噴油量和噴油脈寬的關(guān)系。利用油耗儀對2～6 ms不同的噴油脈寬進(jìn)行噴油測試，每組噴射10 000次，結(jié)果顯示實際噴油量與給定噴油脈寬呈良好的線性關(guān)系，線性誤差小于1%(見圖8)，說明利用此電控系統(tǒng)控制噴油器的穩(wěn)定性良好，可以通過調(diào)節(jié)噴油脈寬來獲取準(zhǔn)確的噴油量。

圖8 不同噴油脈寬控制的噴油量

4.3 運行試驗

在起動與怠速試驗中，給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過PID算法閉環(huán)控制進(jìn)氣門的開啟持續(xù)期和噴油量，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。為了保證運行穩(wěn)定，根據(jù)運行工況對進(jìn)氣門開啟持續(xù)期設(shè)定上限值。圖9與圖10示出發(fā)動機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和800 r/min時的怠速試驗數(shù)據(jù)。從圖中可見，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速趨于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過程中，進(jìn)氣門開啟持續(xù)期不斷變化，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量和噴油量，使發(fā)動機(jī)能夠在目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動時，氣門能迅速作出反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖11示出低轉(zhuǎn)速時不同開啟持續(xù)期下進(jìn)氣門的運動情況和驅(qū)動電流的變化。

圖9 1 000 r/min怠速工況運行試驗

圖10 800 r/min怠速工況運行試驗

圖11 不同開啟持續(xù)期的進(jìn)氣門運動

利用所設(shè)計的電控系統(tǒng)完成了發(fā)動機(jī)起動與怠速試驗，結(jié)果證明此電控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集各種傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)噴油、點火控制和電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)控制的結(jié)合，使應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣的發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。通過靈活地控制氣門參數(shù)來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，可實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下怠速運行，且低于原機(jī)怠速值。穩(wěn)定怠速時速度波動小于120 r/min，優(yōu)于原機(jī)運行數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

為應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)的單缸汽油機(jī)設(shè)計了電控系統(tǒng)，并用其完成了初步的實機(jī)測試，驗證了電控系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明，電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)可以通過自身參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動機(jī)運行在目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

控制系統(tǒng)的研制與試驗的成功進(jìn)行，為進(jìn)一步應(yīng)用電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)性能提升的研究打下良好的基礎(chǔ)，下一步將開展不同工況下的控制參數(shù)標(biāo)定及優(yōu)化等研究。

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[編輯： 袁曉燕]

Development of Electronic Control System for Single Cylinder Gasoline Engine with Electromagnetic Valvetrain

LIU Xueliang, CHANG Siqin, LIU Liang

(School of mechanical engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The electronic control system was designed for the single cylinder gasoline engine equipped with electromagnetic valvetrain based on TMS320F2812 DSP. The functions of the control system included not only the conventional fuel injection and ignition, but also the regulation of air intake flow by adjusting the intake valve and exhaust valve parameters such as opening time, closing time and valve lift so as to realize stable operation under different working conditions. The preliminary operation test was conducted to verify the feasibility of electronic control system. The work laid a foundation for further application of electromagnetic valvetrain to improve the engine performance.

gasoline engine; electromagnetic valvetrain; electronic control system

2016-07-18；

2016-12-16

國家自然科學(xué)基金(51306090)

劉學(xué)良(1991—)，男，碩士，研究方向為發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)；lxlhitwh@163.com。

常思勤(1954—)，男，教授，主要研究方向為車輛電子控制及機(jī)電液一體化技術(shù)；changsq@njust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.015

TK423.4

B

1001-2222(2017)01-0083-05