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(dòng)配氣機(jī)構(gòu)單缸汽油機(jī)的電控系統(tǒng)開(kāi)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(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的單缸汽油機(jī)設(shè)計(jì)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(diǎn)火等控制功能外，還可通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣門(mén)控制參數(shù)(氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻、關(guān)閉時(shí)刻以及氣門(mén)升程)直接調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。完成了初步的運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了電控系統(tǒng)的可行性，為進(jìn)一步應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究打下了基礎(chǔ)。

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

如今，汽車(chē)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(huì)發(fā)展的主題[1]。各種提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放的措施應(yīng)用在發(fā)動(dòng)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(guó)Lotus公司[3]分別就電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)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(dòng)配氣機(jī)構(gòu)基于動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)[7]，可以實(shí)現(xiàn)氣門(mén)啟閉相位和氣門(mén)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(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(mǎn)足電磁驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)電磁驅(qū)動(dòng)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(hào)依賴(lài)于原機(jī)控制器，研究受到限制。因此，本研究設(shè)計(jì)了一種電控系統(tǒng)，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和處理，進(jìn)而控制電磁氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油、點(diǎn)火。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為某四沖程單缸汽油機(jī)，進(jìn)氣門(mén)與排氣門(mén)各一個(gè)，采用頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng)，其原機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

為滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，對(duì)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(mén)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(mén)體，將凸輪軸替換為電磁執(zhí)行器，改裝為電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

1.2 電控系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。

圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

進(jìn)氣流量信號(hào)、缸壓信號(hào)、負(fù)荷信號(hào)、氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電流和氣門(mén)位移等模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后輸入DSP；曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)通過(guò)脈沖調(diào)整電路輸入到DSP的捕捉單元；經(jīng)過(guò)DSP的計(jì)算和分析，輸出相應(yīng)指令到驅(qū)動(dòng)電路，控制噴油嘴、點(diǎn)火線(xiàn)圈以及電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)，并可通過(guò)上位機(jī)在線(xiàn)更改運(yùn)行參數(shù)?；谏鲜龅囊螅狙芯窟x用了TMS320F2812作為核心板，此數(shù)字信號(hào)處理器主頻可達(dá)150 MHz，有6對(duì)可互補(bǔ)輸出的PWM信號(hào)通道和獨(dú)立的高速捕捉單元，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)12路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)要求。

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 模擬信號(hào)與曲軸信號(hào)調(diào)理電路

模擬信號(hào)調(diào)理電路用來(lái)對(duì)采集到的原始模擬信號(hào)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(hào)；對(duì)輸出為電流值的模擬信號(hào)通過(guò)直流變換器將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后再進(jìn)行調(diào)理；缸壓傳感器是壓電式傳感器，缸壓信號(hào)需要電荷放大器放大處理后輸入模擬信號(hào)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(dòng)勢(shì)的頻率和幅值隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而變化，需轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)[12]。首先經(jīng)過(guò)放大電路，將電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)放大為可識(shí)別的電壓信號(hào)，再通過(guò)隔離模塊將脈沖信號(hào)傳遞到DSP控制側(cè)，通過(guò)濾波處理后輸入到DSP的高速捕捉單元。

2.2 氣門(mén)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元為動(dòng)圈式直線(xiàn)電機(jī)，通過(guò)改變電磁線(xiàn)圈中電流的方向和大小則可控制驅(qū)動(dòng)力的方向和大小[13]。根據(jù)其工作原理，采用H橋電路來(lái)對(duì)其驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)模塊的基本原理見(jiàn)圖3。

圖3 H橋氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

每個(gè)H橋由一對(duì)互補(bǔ)輸出的PWM信號(hào)來(lái)控制，PWM信號(hào)通過(guò)隔離模塊與驅(qū)動(dòng)側(cè)高壓信號(hào)隔離，保證核心板安全。設(shè)定PWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間，減少H橋電路單側(cè)貫通概率，延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)單元的使用壽命。

2.3 電路防干擾設(shè)計(jì)

電路中高頻的數(shù)字信號(hào)會(huì)增加地線(xiàn)上的信號(hào)噪聲，影響模擬信號(hào)精度；在高壓驅(qū)動(dòng)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(hào)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(jì)：

1) 曲軸信號(hào)調(diào)理模塊、氣門(mén)驅(qū)動(dòng)模塊、核心控制板及信號(hào)采樣模塊、噴油點(diǎn)火模塊都使用獨(dú)立的電源進(jìn)行供電；

2) 在曲軸信號(hào)輸入端和噴油、點(diǎn)火信號(hào)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(hào)通過(guò)高速光電耦合器6N137隔離變換后來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

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

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

3.1 曲軸信號(hào)采集

曲軸信號(hào)是控制系統(tǒng)重要的基準(zhǔn)信號(hào)。原機(jī)的曲軸傳感器有24個(gè)信號(hào)齒(含一個(gè)缺齒)，齒間夾角15°，利用捕捉中斷獲取齒信號(hào)，并通過(guò)定時(shí)器中斷的計(jì)數(shù)對(duì)曲軸相位進(jìn)行細(xì)分處理，計(jì)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(hào)齒計(jì)數(shù)；speed為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；CA_num為兩齒間定時(shí)器中斷數(shù)。

通過(guò)計(jì)算得出，當(dāng)定時(shí)器中斷周期T=50 μs時(shí)，在3 000 r/min以下轉(zhuǎn)速精度可達(dá)0.9°，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)要求。

為了準(zhǔn)確地確定信號(hào)齒相位和曲軸轉(zhuǎn)角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用缸壓信號(hào)對(duì)曲軸相位進(jìn)行標(biāo)定(見(jiàn)圖4)，指定壓力波峰位置為壓縮上止點(diǎn)，將此與曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)對(duì)比，修正曲軸信號(hào)。

圖4 氣門(mén)運(yùn)動(dòng)與缸壓信號(hào)曲線(xiàn)

3.2 氣門(mén)與噴油控制策略

3.2.1 氣門(mén)控制

氣門(mén)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(jiàn)圖5。氣門(mén)開(kāi)啟過(guò)渡時(shí)間小于4 ms，位移控制精度能達(dá)到0.1 mm，氣門(mén)平均落座速度為0.03 m/s。

圖5 氣門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

3.2.2 氣門(mén)參數(shù)控制策略

原機(jī)氣門(mén)升程為8 mm，進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)改裝后，氣門(mén)響應(yīng)變快，降低了氣門(mén)在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程的節(jié)流作用，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速或中高負(fù)荷工況時(shí)，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(guò)低時(shí)活塞下行速度慢，進(jìn)氣門(mén)會(huì)與活塞產(chǎn)生干涉，故在低轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)進(jìn)氣門(mén)升程采取先開(kāi)啟4 mm再開(kāi)啟到6 mm的分段控制。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況計(jì)算進(jìn)氣早開(kāi)角，再通過(guò)PID算法控制進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)啟持續(xù)期，配合氣門(mén)升程可得到相應(yīng)的循環(huán)進(jìn)氣量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷信號(hào)在零附近。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，節(jié)氣門(mén)全關(guān)，通過(guò)怠速旁通閥來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量。在本研究的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，沒(méi)有節(jié)氣門(mén)，通過(guò)氣門(mén)參數(shù)的來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下正常運(yùn)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(yùn)行工況來(lái)確定(見(jiàn)圖6)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，適當(dāng)增加噴油量，讓發(fā)動(dòng)機(jī)更快起動(dòng)；怠速狀態(tài)下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和氣門(mén)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(yùn)行時(shí)通過(guò)氧傳感器信號(hào)檢測(cè)混合氣狀態(tài)，調(diào)整噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在理論空燃比附近。

圖6 氣門(mén)與噴油控制策略

4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

4.1 進(jìn)氣量標(biāo)定

利用所設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。首先進(jìn)行非點(diǎn)火狀態(tài)下的測(cè)試，利用調(diào)速電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖，測(cè)試各傳感器信號(hào)的采集和各執(zhí)行器的工作狀態(tài)。測(cè)得不同轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣門(mén)開(kāi)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(jiàn)圖7)。

圖7 進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期對(duì)進(jìn)氣量的影響

由圖7可知，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)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(gè)階段：開(kāi)啟階段、持續(xù)階段和關(guān)閉階段。在開(kāi)啟階段和關(guān)閉階段中針閥不能完全開(kāi)啟，為非線(xiàn)性噴油階段，需要通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定噴油量和噴油脈寬的關(guān)系。利用油耗儀對(duì)2～6 ms不同的噴油脈寬進(jìn)行噴油測(cè)試，每組噴射10 000次，結(jié)果顯示實(shí)際噴油量與給定噴油脈寬呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性誤差小于1%(見(jiàn)圖8)，說(shuō)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(guò)調(diào)節(jié)噴油脈寬來(lái)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(yùn)行試驗(yàn)

在起動(dòng)與怠速試驗(yàn)中，給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過(guò)PID算法閉環(huán)控制進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)啟持續(xù)期和噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。為了保證運(yùn)行穩(wěn)定，根據(jù)運(yùn)行工況對(duì)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期設(shè)定上限值。圖9與圖10示出發(fā)動(dòng)機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和800 r/min時(shí)的怠速試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖中可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)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(dòng)機(jī)能夠在目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，氣門(mén)能迅速作出反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖11示出低轉(zhuǎn)速時(shí)不同開(kāi)啟持續(xù)期下進(jìn)氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)情況和驅(qū)動(dòng)電流的變化。

圖9 1 000 r/min怠速工況運(yùn)行試驗(yàn)

圖10 800 r/min怠速工況運(yùn)行試驗(yàn)

圖11 不同開(kāi)啟持續(xù)期的進(jìn)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)

利用所設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)完成了發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與怠速試驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)噴油、點(diǎn)火控制和電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)控制的結(jié)合，使應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)配氣的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)靈活地控制氣門(mén)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下怠速運(yùn)行，且低于原機(jī)怠速值。穩(wěn)定怠速時(shí)速度波動(dòng)小于120 r/min，優(yōu)于原機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的單缸汽油機(jī)設(shè)計(jì)了電控系統(tǒng)，并用其完成了初步的實(shí)機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證了電控系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明，電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)可以通過(guò)自身參數(shù)靈活地調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

控制系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)的成功進(jìn)行，為進(jìn)一步應(yīng)用電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的研究打下良好的基礎(chǔ)，下一步將開(kāi)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(guó)家自然科學(xué)基金(51306090)

劉學(xué)良(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)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?yàn)檐?chē)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