李捷輝,周大偉,段 暢
(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
通用小型汽油機(jī)因其價(jià)格低、體積小、使用方便等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)和小型發(fā)電機(jī)組等領(lǐng)域[1]。隨著我國制造工業(yè)的飛速發(fā)展,通用小型汽油機(jī)產(chǎn)量迅速增長,2014年產(chǎn)量超過2500萬臺[2]。由于大氣污染和能源短缺等問題日益嚴(yán)峻,各國對小型汽油機(jī)排放要求日益嚴(yán)格[3],美國已實(shí)施非道路用小型汽油機(jī)排放法規(guī)的第三階段排放限值[4];我國正在實(shí)施GB26133-2010《非道路移動(dòng)機(jī)械用小型點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物排放限值與測量方法》標(biāo)準(zhǔn)的第二階段[5]。
然而傳統(tǒng)小型汽油機(jī)的機(jī)械式系統(tǒng)不能對噴油點(diǎn)火參數(shù)精確控制,導(dǎo)致小型汽油機(jī)的排放性能較差[6-7]。電子控制技術(shù)已在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用,事實(shí)證明電控技術(shù)可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放[8],在通用小型汽油機(jī)上使用電控技術(shù)已成為未來發(fā)展的必然趨勢。為此,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的通用小型汽油機(jī)電控系統(tǒng)十分重要。
在Simulink開發(fā)環(huán)境下[9],運(yùn)用其模塊化設(shè)計(jì)理念,結(jié)合小型通用汽油機(jī)控制原理,匹配相應(yīng)控制策略,設(shè)計(jì)出合理的控制軟件。在通用小型汽油機(jī)性能臺架上,以美國環(huán)境保護(hù)署小型非道路火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)[10]為標(biāo)準(zhǔn),完成發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能試驗(yàn),并與原機(jī)排放進(jìn)行比較。
根據(jù)通用小型汽油機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理制定控制策略,在Simulink環(huán)境下搭建控制軟件架構(gòu),應(yīng)用其模塊化的開發(fā)理念將控制算法進(jìn)行分層化設(shè)計(jì)。控制軟件主要分為數(shù)據(jù)管理模塊、用戶管理模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊及齒中斷模塊四個(gè)部分。控制軟件架構(gòu),如圖1所示。
圖1 控制軟件架構(gòu)Fig.1 Software Control Framework
數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能為采集發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器信號和執(zhí)行器故障反饋信號,進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,為后續(xù)算法提供有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理模塊的信號依照不同類型可分為模擬量信號和開關(guān)量信號兩種。模擬信號受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和外界磁場干擾等影響較大,直接影響噴油和點(diǎn)火參數(shù)的計(jì)算。為此,模型中采用滑動(dòng)平均濾波的方法,以連續(xù)16個(gè)采樣值的平均值作為模擬信號最終結(jié)果輸出,實(shí)現(xiàn)對信號的精確采集。開關(guān)量信號來自MC33812驅(qū)動(dòng)芯片,該芯片正常工作時(shí),反饋引腳為低電平,當(dāng)某一執(zhí)行器或驅(qū)動(dòng)電路工作異常時(shí),相應(yīng)的引腳會發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)呈現(xiàn)高電平狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)主芯片通過監(jiān)測反饋引腳電平即可辨別故障出處。
用戶管理模塊的主要功能為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算和工況判定,在不同工況下噴油器、點(diǎn)火線圈和油泵的工作狀態(tài)不同。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作需要,將用戶管理模塊分為轉(zhuǎn)速計(jì)算和工況判定兩個(gè)任務(wù)。
3.2.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算
轉(zhuǎn)速計(jì)算依據(jù)曲軸位置信號完成。曲軸位置傳感器的磁電信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字脈沖信號,ECU根據(jù)每個(gè)脈沖的時(shí)刻,即可獲得齒周期??刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)時(shí)將每個(gè)齒周期存放于數(shù)組中,取兩個(gè)連續(xù)工作循環(huán)的齒周期作為計(jì)算的初始數(shù)據(jù)。這樣,既保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性,又能提高啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算的實(shí)時(shí)性。通用小型汽油機(jī)電控系統(tǒng)中使用齒盤數(shù)為11齒(有一缺齒),計(jì)算公式為:
3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況判定
發(fā)動(dòng)機(jī)工況判定算法,如圖2所示。依照實(shí)際需要,在發(fā)動(dòng)機(jī)工況判定模塊中定義了停止、起動(dòng)、正常運(yùn)行以及超速四種工況,并以狀態(tài)標(biāo)志位“estate”表示。其中:0—停止工況;1—起動(dòng)工況;2—正常運(yùn)行工況;3—超速工況。ECU上電時(shí),默認(rèn)為停止工況,此時(shí)噴油使能標(biāo)志位(fuel-enable)與點(diǎn)火使能標(biāo)志位(sparkenable)置為0,油泵開關(guān)量(pump)置為 1,待油管中儲備足夠的壓力后(約3s)置為0。若轉(zhuǎn)速>200r/min則進(jìn)入啟動(dòng)工況,fuelenable、spark-enable和pump均置為1,當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)速大于800r/min時(shí),轉(zhuǎn)移到正常運(yùn)行狀態(tài),fuel-enable、spark-enable和pump保持1不變,若正常運(yùn)行工況運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速超過4000r/min時(shí),則判定發(fā)動(dòng)機(jī)超速,進(jìn)入超速工況,此時(shí)使pump置為0,即關(guān)閉油泵,持續(xù)3s之后若依然超速,再將fuel-enable、spark-enable置為0,關(guān)閉噴油點(diǎn)火,使轉(zhuǎn)速盡快降到正常范圍,直至降到3800r/min以下時(shí),認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況判定算法Fig.2 Decision Algorithm of Engine Operating Conditions
發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊的主要任務(wù)是根據(jù)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、機(jī)體溫度、進(jìn)氣溫度、電池電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)工況等數(shù)據(jù)通過查表、修正等算法得出具體的噴油和點(diǎn)火參數(shù)。噴油和點(diǎn)火參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性直接相關(guān),故該參數(shù)計(jì)算為算法重點(diǎn)。
3.3.1 噴油參數(shù)計(jì)算
噴油參數(shù)包括噴油量和噴油時(shí)刻。在電控系統(tǒng)中設(shè)定供油壓力為恒定值,噴油量由噴油器開啟時(shí)間決定(噴油脈寬),噴油時(shí)刻則由曲軸轉(zhuǎn)角來表示。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置查找基本噴油脈譜(MAP)表,得到基本的噴油脈寬Pb。然后,由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、機(jī)體溫度、蓄電池電壓以及發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況查找對應(yīng)的修正脈譜(MAP)表,得到噴油修正系數(shù)、噴油補(bǔ)償量。噴油脈寬計(jì)算公式為:
式中:FPS—實(shí)際噴油脈寬,μs;Pb—基本噴油脈寬,μs;PS—起動(dòng)加濃脈寬修正值,μs;COet—機(jī)體溫度對噴油脈寬修正系數(shù);COat—進(jìn)氣溫度對噴油脈寬修正系數(shù);PV—蓄電池電壓對噴油脈寬的補(bǔ)償量,μs。
噴油時(shí)刻計(jì)算時(shí),為了形成較均勻的混合氣,應(yīng)盡量在進(jìn)氣負(fù)壓達(dá)到最大之前將汽油噴入進(jìn)氣道內(nèi)。經(jīng)過多次試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置起噴角度為100°,即第3齒(共12齒),偏移量為10°。
3.3.2 點(diǎn)火參數(shù)計(jì)算
點(diǎn)火參數(shù)包括點(diǎn)火時(shí)刻齒、點(diǎn)火時(shí)刻偏移量和點(diǎn)火閉合時(shí)間??刂葡到y(tǒng)采用電感式點(diǎn)火器,根據(jù)點(diǎn)火器多次試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定基本點(diǎn)火閉合時(shí)間為1500μs。同時(shí)利用蓄電池電壓對其進(jìn)行修正。點(diǎn)火閉合時(shí)間計(jì)算公式為:
式中:SD—點(diǎn)火閉合時(shí)間,μs;COsd—蓄電池電壓對閉合時(shí)間修正系數(shù)。
基本點(diǎn)火提前角由轉(zhuǎn)速和負(fù)荷通過線性插值查表方式確定,最終以對應(yīng)的齒數(shù)和偏移量的形式輸出。參照電感式點(diǎn)火器的工作原理,火花塞跳火的時(shí)刻為點(diǎn)火信號終了時(shí)刻。為此,須計(jì)算出初級線圈開始通電時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角,才能保證火花塞按時(shí)點(diǎn)火,點(diǎn)火起始時(shí)刻角度公式為:
式中:SPdeg—點(diǎn)火起始時(shí)刻曲軸角度,degree;SR—壓縮上止點(diǎn)曲軸角度,degree;SAmap—基本點(diǎn)火提前角,degree;SD—點(diǎn)火閉合時(shí)間,μs;cr—單位角度對應(yīng)時(shí)間μs/degree。
齒中斷模塊用于完成曲軸相位的判定和同步噴油、點(diǎn)火任務(wù)。在算法中定義了首個(gè)齒邊沿(FIRST_EDGE)、首個(gè)齒周期(FIRST_PERIOD)、定位缺齒(TESTING_FOR_GAP)、確認(rèn)缺齒(VALIDATING_GAP)、同步(SYNCHRONIZING)和四沖程同步(SYNCHRONIZED_4C)6種狀態(tài),為方便程序調(diào)試,狀態(tài)量cstate分別用數(shù)字1~6代表。
ECU上電后,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過第一個(gè)齒時(shí)狀態(tài)量cstate置為1,進(jìn)入FIRST_EDGE狀態(tài),之后無條件轉(zhuǎn)移到FIRST_PERIOD狀態(tài)。當(dāng)檢測到第二個(gè)齒邊沿時(shí)cstate置為2,同時(shí)調(diào)用齒周期計(jì)算函數(shù)calc_period(),執(zhí)行齒周期存儲函數(shù)period_store(),存儲齒周期并更新參數(shù)。隨后,狀態(tài)轉(zhuǎn)移到TESTING_FOR_GAP狀態(tài),狀態(tài)量cstate置為3,在該狀態(tài)下判定當(dāng)前齒周期是否大于上一個(gè)齒周期的1.5倍來定位缺齒,直到找到缺齒并將該齒編號定為0,保存齒周期;進(jìn)入缺齒確認(rèn)狀態(tài),狀態(tài)量cstate置為4,在該狀態(tài)中通過比較缺齒周期是否同時(shí)大于前后齒周期的1.5倍,若果滿足條件則確認(rèn)是缺齒,并將當(dāng)前齒編號定為1,并進(jìn)入齒同步狀態(tài)狀態(tài)量,cstate置為5。四沖程汽油機(jī)每個(gè)工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)兩圈,存在進(jìn)氣上止點(diǎn)和排氣上止點(diǎn)兩個(gè)上止點(diǎn),在此同步狀態(tài)中需進(jìn)一步確認(rèn)進(jìn)氣上止點(diǎn)。本算法結(jié)合壓力傳感器信號輔助判斷,若檢測進(jìn)氣壓力低于大氣壓力(標(biāo)定數(shù)字3000)時(shí),則認(rèn)為是進(jìn)氣上止點(diǎn)。確定好進(jìn)氣上止點(diǎn)之后進(jìn)入四沖程同步狀態(tài),狀態(tài)量cstate置為6,控制噴油器和點(diǎn)火線圈工作,使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。否則繼續(xù)判斷,直至進(jìn)入四沖程同步狀態(tài)方可停止。
以168F化油器式汽油機(jī)為樣機(jī),技術(shù)參數(shù),如表1所示。在不改變其機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改裝成電噴式汽油機(jī),并完成控制算法驗(yàn)證。試驗(yàn)分為兩部分,首先完成噴油點(diǎn)火模塊功能測試,驗(yàn)證控制算型可靠性和實(shí)用性,然后分別進(jìn)行電控汽油機(jī)與原機(jī)的外特性比對試驗(yàn)和排放性能測試。
表1 168F汽油機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of 168F Gasoline Engine
測試思路為:周期性調(diào)用噴油與點(diǎn)火任務(wù),并用多通道示波器采集噴油與點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)信號。改變模塊的輸入數(shù)據(jù),通過檢測驅(qū)動(dòng)信號的變化,驗(yàn)證噴油點(diǎn)火模塊控制模型的準(zhǔn)確性。噴油點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)測試模型,如圖3所示。
圖3 噴油點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)測試模型Fig.3 Test Model of Injection and Ignition Driving
模型中噴油和點(diǎn)火任務(wù)周期為20ms,分別用fo、fp、so、sd表示噴油信號起始時(shí)刻偏移量、噴油脈寬、點(diǎn)火起始時(shí)刻偏移量、點(diǎn)火閉合時(shí)間。第一組數(shù)據(jù)為:fo=1000、fp=5000、so=1000、sd=1500;第二組數(shù)據(jù)為:fo=1000、fp=8000、so=4000、sd=3000。采集到噴油點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)信號,如圖4所示。上方的波形為噴油信號,下方的波形為點(diǎn)火信號,由圖可見,各信號的頻率均為50Hz,與模型設(shè)置的20ms任務(wù)周期一致,表明齒中斷模塊的準(zhǔn)確性。第一組數(shù)據(jù)中fo和st相等,即噴油與點(diǎn)火信號的起始時(shí)刻相同。第二組數(shù)據(jù)中so>fo,所以點(diǎn)火信號比噴油信號的起始時(shí)刻延遲。此外,fp和sd的改變均會引起對應(yīng)輸出波形占空比的變化,表明噴油與點(diǎn)火底層驅(qū)動(dòng)模塊能準(zhǔn)確對輸入作出反應(yīng),可實(shí)現(xiàn)對噴油與點(diǎn)火的精確控制。
圖4 噴油點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)信號Fig.4 Injection and Ignition Driving Signals
為驗(yàn)證整個(gè)控制模型的功能性,選用CWF7.5型電渦流測功機(jī)及EST-2003型內(nèi)燃機(jī)測控系統(tǒng)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、MSC-960型燃油耗儀來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)油耗,運(yùn)用五氣分析儀來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)排放。運(yùn)用以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性測試和排放性能試驗(yàn),并與原機(jī)比對。發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)現(xiàn)場布置,如圖5所示。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)現(xiàn)場布置Fig.5 Engine Testing Site Layout
圖6 外特性對比試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Comparison of Engines at Full Load
外特性對比試驗(yàn)結(jié)果,如圖6所示。匹配電控系統(tǒng)后,可更加精確控制噴油和點(diǎn)火參數(shù),168F汽油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均有提高。最低燃油消耗率僅為327.77g/(kW·h),標(biāo)定工況下有效燃油消耗率為332.72g/(kW·h),較原機(jī)350.79g/(kW·h),降低了5.1%;最大轉(zhuǎn)矩為10.89N·m,比原機(jī)提高了2.5%;標(biāo)定功率為3.59kW,比原機(jī)提高了4.1%。
表2 排放物對比Tab.2 Comparison of Emissions
按美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)小型非道路火花點(diǎn)火排放法規(guī)要求進(jìn)行排放性能試驗(yàn),并與原機(jī)進(jìn)行比較。排放物對比,如表2所示。采用電控系統(tǒng)后通用小型汽油機(jī)CO排放值為267.29g/(kW·h),HC+NOX排放值為8.24g/(kW·h),兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)低于美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)小型非道路火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)第Ⅲ階段排放法規(guī)的要求。CO排放較原機(jī)的387.43g/(kW·h),降低了31%,HC+NOX排放較原機(jī)降低了35.3%。
(1)通過對小型汽油機(jī)控制軟件功能測試,表明控制軟件驅(qū)動(dòng)模塊可精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油時(shí)刻、噴油脈寬、點(diǎn)火時(shí)刻以及點(diǎn)火提前角等參數(shù),控制軟件能夠滿足功能需求。
(2)經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果表明,采用模塊化設(shè)計(jì)控制軟件的小型汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放性能均有提高,說明控制算法模型具備較好的實(shí)用性。
(3)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件,將控制軟件分層設(shè)計(jì),各模塊分開測試,縮短控制軟件開發(fā)周期,降低研發(fā)成本。