電磁驅動配氣機構單缸汽油機的電控系統開發

劉學良， 常思勤， 劉梁

(南京理工大學機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

電磁驅動配氣機構單缸汽油機的電控系統開發

劉學良， 常思勤， 劉梁

(南京理工大學機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

為應用電磁驅動配氣機構的單缸汽油機設計了基于DSP(TMS320F2812)的電控系統，此電控系統除常規的噴油、點火等控制功能外，還可通過調節進、排氣門控制參數(氣門開啟時刻、關閉時刻以及氣門升程)直接調節進氣量，進而實現發動機不同工況下的穩定運轉。完成了初步的運行試驗，驗證了電控系統的可行性，為進一步應用電磁驅動配氣機構提高發動機性能的研究打下了基礎。

汽油機； 電磁驅動配氣機構； 電控系統

如今，汽車保有量持續增加，石油資源日趨減少，節能環保成為當今社會發展的主題[1]。各種提高發動機性能和改善發動機排放的措施應用在發動機上，其中配氣機構的改善發揮了很大的作用。土耳其卡拉布克大學[2]和英國Lotus公司[3]分別就電磁驅動配氣機構和電液驅動配氣機構進行了研究和試驗，國內對無凸輪配氣機構也有一定的研究[4-6]。

本研究所用電磁驅動配氣機構基于動圈式直線電機[7]，可以實現氣門啟閉相位和氣門升程的全柔性控制[8-10]，根據不同的工況調節配氣使發動機工作在最佳狀態，提高發動機動力性并起到節能減排的效果。而原機的控制系統不能滿足電磁驅動配氣機構的控制要求，本課題組曾在保留原機ECU的基礎上開發電磁驅動配氣機構控制器[11]，并進行了一定的研究，但較多的信號依賴于原機控制器，研究受到限制。因此，本研究設計了一種電控系統，對傳感器信號進行采集和處理，進而控制電磁氣門的運動和發動機的噴油、點火。

1 試驗系統

1.1 電磁驅動配氣機構發動機

試驗所用發動機為某四沖程單缸汽油機，進氣門與排氣門各一個，采用頂置凸輪軸驅動，其原機基本參數見表1。

表1 原發動機主要參數

為滿足試驗要求，對其配氣機構、冷卻系統等進行了相應改造，替換了部分傳感器。將原機的節氣門去掉，加裝熱膜式空氣流量傳感器；保留原配氣機構的氣門體，將凸輪軸替換為電磁執行器，改裝為電磁驅動配氣機構。試驗所用發動機系統見圖1。

圖1 試驗用發動機系統

1.2 電控系統

發動機電控系統硬件總體設計方案見圖2。

圖2 電控系統結構簡圖

進氣流量信號、缸壓信號、負荷信號、氣門驅動電流和氣門位移等模擬信號通過信號調理電路調理后輸入DSP；曲軸轉角信號通過脈沖調整電路輸入到DSP的捕捉單元；經過DSP的計算和分析，輸出相應指令到驅動電路，控制噴油嘴、點火線圈以及電磁驅動配氣機構的運行。發動機運行數據通過以太網實時發送到上位機，并可通過上位機在線更改運行參數。基于上述的要求，本研究選用了TMS320F2812作為核心板，此數字信號處理器主頻可達150 MHz，有6對可互補輸出的PWM信號通道和獨立的高速捕捉單元，并能同時實現12路模擬信號的A/D轉換，滿足開發要求。

2 電控系統硬件設計

2.1 模擬信號與曲軸信號調理電路

模擬信號調理電路用來對采集到的原始模擬信號進行濾波、轉換、限壓等處理，將其轉化為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化為電壓信號后再進行調理；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，其感應電動勢的頻率和幅值隨發動機轉速而變化，需轉變為標準的脈沖信號[12]。首先經過放大電路，將電磁感應產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，通過濾波處理后輸入到DSP的高速捕捉單元。

2.2 氣門驅動模塊設計

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

圖3 H橋氣門驅動電路結構

每個H橋由一對互補輸出的PWM信號來控制，PWM信號通過隔離模塊與驅動側高壓信號隔離，保證核心板安全。設定PWM信號的死區時間，減少H橋電路單側貫通概率，延長驅動單元的使用壽命。

2.3 電路防干擾設計

電路中高頻的數字信號會增加地線上的信號噪聲，影響模擬信號精度；在高壓驅動端，高壓脈沖有可能損壞單片機接口和外設芯片，所以在電路中做好信號和電源的隔離尤為重要。現采取以下措施進行電路防干擾設計：

1) 曲軸信號調理模塊、氣門驅動模塊、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隔離變換后來驅動H橋電路。

3 軟件設計

主程序由初始化模塊、AD轉換模塊、定時器中斷模塊及捕捉中斷模塊等構成。為了滿足電磁驅動配氣機構的控制精度要求，將定時器中斷周期設為50 μs，控制頻率達20 kHz。

傳統發動機中氣門通過凸輪軸驅動，氣門的相位與曲軸相位有嚴格的正時關系。而電磁氣門不受曲軸的機械約束，可在一個循環中指定活塞的某個上升過程為壓縮沖程，不用進行額外的判缸過程。

3.1 曲軸信號采集

曲軸信號是控制系統重要的基準信號。原機的曲軸傳感器有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對曲軸相位進行細分處理，計算公式為

CA=15*i+speed*CA_num/3 333。

式中：CA為曲軸轉角；i為曲軸傳感器信號齒計數；speed為發動機瞬時轉速；CA_num為兩齒間定時器中斷數。

通過計算得出，當定時器中斷周期T=50 μs時，在3 000 r/min以下轉速精度可達0.9°，滿足發動機中低轉速的試驗要求。

為了準確地確定信號齒相位和曲軸轉角之間的對應關系，利用缸壓信號對曲軸相位進行標定(見圖4)，指定壓力波峰位置為壓縮上止點，將此與曲軸轉角信號對比，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

氣門電磁執行器利用逆系統算法進行閉環控制[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 氣門參數控制策略

原機氣門升程為8 mm，進行電磁驅動配氣機構改裝后，氣門響應變快，降低了氣門在開啟和關閉過程的節流作用，可根據發動機運行工況將升程適當調整。

初步確定的控制策略為：當發動機運行在高速或中高負荷工況時，為了更有效進氣，采用8 mm升程；在怠速工況下所需要的進氣量較小，可將升程適當降低，采用6 mm升程；轉速過低時活塞下行速度慢，進氣門會與活塞產生干涉，故在低轉速時對進氣門升程采取先開啟4 mm再開啟到6 mm的分段控制。

根據發動機工況計算進氣早開角，再通過PID算法控制進氣門的開啟持續期，配合氣門升程可得到相應的循環進氣量。當發動機處于怠速狀態時，負荷信號在零附近。傳統發動機中，節氣門全關，通過怠速旁通閥來調節進氣量。在本研究的發動機系統中，沒有節氣門，通過氣門參數的來調節進氣量，使發動機在怠速工況下正常運行。

3.2.3 噴油控制策略

噴油量主要由循環進氣量和運行工況來確定(見圖6)，發動機起動時，適當增加噴油量，讓發動機更快起動；怠速狀態下，根據發動機運行工況和氣門參數閉環修正噴油量，控制其怠速在目標轉速；正常運行時通過氧傳感器信號檢測混合氣狀態，調整噴油量，使發動機工作在理論空燃比附近。

圖6 氣門與噴油控制策略

4 發動機試驗

4.1 進氣量標定

利用所設計的電控系統對發動機進行試驗。首先進行非點火狀態下的測試，利用調速電機對發動機倒拖，測試各傳感器信號的采集和各執行器的工作狀態。測得不同轉速及進氣門開啟持續期下的循環進氣量，繪制出循環進氣量脈譜圖(見圖7)。

圖7 進氣門開啟持續期對進氣量的影響

由圖7可知，通過調節進氣門開啟持續期可以靈活控制循環進氣量。

4.2 噴油量標定

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

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，給定目標轉速，通過PID算法閉環控制進氣門的開啟持續期和噴油量，使發動機轉速逐漸穩定于目標轉速。為了保證運行穩定，根據運行工況對進氣門開啟持續期設定上限值。圖9與圖10示出發動機在目標轉速為1 000 r/min和800 r/min時的怠速試驗數據。從圖中可見，在發動機轉速趨于目標轉速的過程中，進氣門開啟持續期不斷變化，調節進氣量和噴油量，使發動機能夠在目標轉速穩定運轉。當發動機轉速出現波動時，氣門能迅速作出反應進行調節。圖11示出低轉速時不同開啟持續期下進氣門的運動情況和驅動電流的變化。

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 不同開啟持續期的進氣門運動

利用所設計的電控系統完成了發動機起動與怠速試驗，結果證明此電控系統能夠準確地采集各種傳感器數據，實現噴油、點火控制和電磁驅動配氣機構控制的結合，使應用電磁驅動配氣的發動機穩定運轉。通過靈活地控制氣門參數來調節進氣量，可實現發動機在不同目標轉速下怠速運行，且低于原機怠速值。穩定怠速時速度波動小于120 r/min，優于原機運行數據。

5 結束語

為應用電磁驅動配氣機構的單缸汽油機設計了電控系統，并用其完成了初步的實機測試，驗證了電控系統的可行性。結果表明，電磁驅動配氣機構可以通過自身參數靈活地調節進氣量，使發動機運行在目標轉速。

控制系統的研制與試驗的成功進行，為進一步應用電磁驅動配氣機構對發動機性能提升的研究打下良好的基礎，下一步將開展不同工況下的控制參數標定及優化等研究。

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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

國家自然科學基金(51306090)

劉學良(1991—)，男，碩士，研究方向為發動機電子控制技術；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電液一體化技術；changsq@njust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.015

TK423.4

B

1001-2222(2017)01-0083-05