【摘要】介紹了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、及實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)出汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于電控節(jié)氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，能很好地滿足怠速工況控制的要求。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；怠速控制；電控節(jié)氣門

1.引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速是指油門踏板完全松開，轉(zhuǎn)速保持在最低可能水平的工況，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要工況之一。怠速過程與發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗量和有害物質(zhì)排放有重要關(guān)系，汽車在交通密度大的道路上行使時(shí)，約有30% 的燃油消耗在怠速階段，所以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的非常有效的措施。

2.怠速控制系統(tǒng)的原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下，節(jié)氣門關(guān)閉，從節(jié)氣門縫隙和怠速旁通空氣通道進(jìn)入的空氣，與相應(yīng)的汽油而成的混合氣燃燒所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩盡用于克服發(fā)動(dòng)機(jī)本身的摩擦和合壓縮阻力距，及由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的附加裝置阻力距，以使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 怠速控制系統(tǒng)原理圖

3.怠速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電子節(jié)氣門工作范圍的開度由直流電機(jī)控制。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且由加速踏板模塊輸入指定開度，由節(jié)氣門位置傳感器反饋實(shí)際開度。本項(xiàng)目選用80C196KC為主芯片，擴(kuò)展了片外存儲(chǔ)器和I/O口，增加了通信電路。

圖2為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。加速踏板位置傳感器（PPS）和電子節(jié)氣門位置傳感器（TPS）分別完成加速踏板控制信號(hào)輸入和節(jié)氣門位置信號(hào)的反饋。80C196KC的AΠD轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出相應(yīng)的控制量后通過高速輸出口（HSO）和I/O口輸出控制信號(hào)，從而控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門開度的控制。

圖2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)件圖

驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比與電機(jī)輸出力矩成正比。當(dāng)電機(jī)的輸出力矩與回位彈簧力矩平衡時(shí)，與節(jié)氣門軸相連的開度傳感器把節(jié)氣門開度信號(hào)反饋給電控單元，從而構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。節(jié)氣門開度的控制不僅由加速踏板控制，還要由其它控制系統(tǒng)控制，最終按照發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需求精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)扭矩需求的發(fā)動(dòng)機(jī)控制。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3所示為主程序總體邏輯流程圖。從圖可以看出，主程序在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中循環(huán)運(yùn)行著，它將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作分為多種典型的工況，分別進(jìn)行編程控制。判斷的實(shí)時(shí)性越強(qiáng)、工況的劃分越合理，控制效果越好。在本設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的典型運(yùn)轉(zhuǎn)工況劃分為：?jiǎn)?dòng)模式、全節(jié)氣門工況、暖機(jī)模式、瞬態(tài)工況模式、怠速閉環(huán)模式、空燃比閉環(huán)模式、全節(jié)氣門工況模式。

圖3 主程序總體邏輯流程圖

控制軟件總體上分為工作循部分和環(huán)初始化部分。整體流程如圖4所示。初始化部分用于完成常量和變量的初始化、定時(shí)器T2中斷的初始化、HSO輸出PWM初始化和串行口收、發(fā)數(shù)據(jù)初始化?？刂栖浖墓ぷ餮h(huán)部分包括信號(hào)的采集、傳感器故障判斷、電子節(jié)氣門角度和踏板角度計(jì)算、計(jì)算控制量和串行通信等。

圖4 控制軟件整體流程圖

4.結(jié)果分析

利用本控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油、點(diǎn)火及怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行全面控制，驗(yàn)證該系統(tǒng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制的實(shí)際效果。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 水溫12℃時(shí)本怠速控制系統(tǒng)

與原機(jī)怠速控制轉(zhuǎn)速偏差對(duì)比圖

圖6 水溫98℃時(shí)本怠速控制系統(tǒng)

與原機(jī)怠速控制轉(zhuǎn)速偏差對(duì)比圖

由實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，本設(shè)計(jì)怠速控制比原怠速控制具有更好的冷卻水溫適應(yīng)性，同時(shí)本控制系統(tǒng)對(duì)怠速轉(zhuǎn)動(dòng)波動(dòng)性的控制也優(yōu)于原怠速控制。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，在加入負(fù)荷干擾時(shí)，本控制系統(tǒng)能比原怠速控制更快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5.結(jié)論

本文通過對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)的原理分析，設(shè)計(jì)出基于80C196KC為核心的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)。隨著對(duì)汽車產(chǎn)品的安全與舒適等人性化要求的增長(zhǎng)，現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是將燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能、路況信息系統(tǒng)等系統(tǒng)聯(lián)合起來，整體作為一個(gè)一體化模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制。

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作者簡(jiǎn)介：張樂亞（1990—），男，山東聊城人，研究方向：汽車運(yùn)用工程。