柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓志強(qiáng)，劉智，邱鵬，吳學(xué)舜，佘云濤

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓志強(qiáng)1,2，劉智1,2，邱鵬1,2，吳學(xué)舜1,2，佘云濤1,2

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

針對(duì)某船用柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)平臺(tái)電子控制系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)分為控制單元、上位機(jī)、傳感器和執(zhí)行器四部分。根據(jù)系統(tǒng)需求選取了適合的傳感器和執(zhí)行器，并設(shè)計(jì)開發(fā)了電子控制系統(tǒng)的硬件電路及控制方法。結(jié)果表明：電子控制系統(tǒng)能夠接收傳感器信號(hào)，精確輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥改變氣門正時(shí)和升程，使得在凸輪額定轉(zhuǎn)速186～425 r/min范圍內(nèi)，氣門關(guān)閉正時(shí)可變范圍達(dá)到0°～70°曲軸轉(zhuǎn)角，最大附加升程達(dá)到5 mm；在凸輪最大轉(zhuǎn)速550 r/min下，附加升程亦能達(dá)到5 mm，滿足了試驗(yàn)要求。

可變配氣機(jī)構(gòu)；電子控制系統(tǒng)；電路設(shè)計(jì)；控制方法

國(guó)內(nèi)外研究證明，配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)柴油機(jī)的性能參數(shù)有著重要影響[1-3]。傳統(tǒng)柴油機(jī)的氣門參數(shù)是固定不變的，難以在全工況范圍滿足柴油機(jī)性能和排放要求[4-5]。可變氣門技術(shù)可根據(jù)柴油機(jī)工況靈活調(diào)節(jié)有效壓縮比，從而改變缸內(nèi)壓縮階段混合氣溫度和壓力，因此成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)行業(yè)研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

柴油機(jī)主要有害排放物NOx和炭煙的生成必須滿足一定的缸內(nèi)溫度和混合氣當(dāng)量比條件[6]。通過電控單元改變氣門參數(shù)進(jìn)而控制混合氣燃燒過程中的溫度和當(dāng)量比，可達(dá)到優(yōu)化燃燒、降低有害排放的目的[7]。柴油機(jī)電控可變氣門技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如MAN B&W公司和Washila公司都推出了電控VVT柴油機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電控可變氣門系統(tǒng)的應(yīng)用[8]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)柴油機(jī)電控可變氣門系統(tǒng)大多處于研究階段，如武漢理工大學(xué)的陳勤學(xué)[9]等人設(shè)計(jì)了一套電磁閥控制的電液柴油可變氣門系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同工況下配氣正時(shí)策略的柔性控制。

本研究以現(xiàn)有某船用柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套響應(yīng)迅速、控制參數(shù)可調(diào)的電子控制系統(tǒng)。該電子控制系統(tǒng)通過控制電磁閥靈活調(diào)節(jié)氣門定時(shí)與升程，為確定可變氣門機(jī)構(gòu)最優(yōu)控制參數(shù)以及下一步上機(jī)試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

圖1示出該柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)組成。試驗(yàn)平臺(tái)采用一個(gè)恒壓可調(diào)的液壓供給系統(tǒng)作為系統(tǒng)液壓供給源?？刂葡到y(tǒng)通過電磁閥控制液壓腔充放油，推動(dòng)液壓活塞運(yùn)動(dòng)，從而在原氣門升程的基礎(chǔ)上由液壓活塞產(chǎn)生一個(gè)附加升程，實(shí)現(xiàn)氣門相位和升程的改變。

1—油箱； 2—粗濾器； 3—細(xì)濾器； 4—電動(dòng)機(jī)； 5—液壓泵； 6—蓄能器； 7—溢流閥； 8—電磁閥； 9—凸輪； 10—液壓腔； 11—?dú)忾T彈簧；12—?dú)飧咨w；13—?dú)忾T；14—控制單元(ECU)；15—CAN卡；16—上位機(jī)；17—凸輪位置傳感器。圖1 可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)組成示意

1.2 控制系統(tǒng)原理

以ECU采樣凸輪位置傳感器的A，Z信號(hào)作為系統(tǒng)的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送得到定時(shí)和脈寬，由此確定電磁閥的控制定時(shí)與脈寬。ECU在確定的定時(shí)相位輸出規(guī)定的脈寬控制電磁閥運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓腔的充放油，同時(shí)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)回傳上位機(jī)。

凸輪位置傳感器采用分辨率為720 脈沖/轉(zhuǎn)的光電編碼器，與凸輪軸同軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器隨凸輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，A信號(hào)輸出720個(gè)脈沖信號(hào)，Z信號(hào)輸出1個(gè)脈沖，使用Z和A兩路信號(hào)分別作為系統(tǒng)的觸發(fā)與時(shí)鐘信號(hào)。電磁閥是該試驗(yàn)平臺(tái)電子控制和液力驅(qū)動(dòng)部分的接口。采用一個(gè)直動(dòng)式伺服閥，有P，T，A，B 4個(gè)閥口，其中P口為液壓進(jìn)油口，T口為液壓泄油口，A口與液壓腔相通，而B口堵死，實(shí)際用作兩位三通閥，需要電壓為10 V的正負(fù)兩個(gè)信號(hào)共同作用控制。圖2示出電磁閥結(jié)構(gòu)示意。

圖2 電磁閥結(jié)構(gòu)示意

1.3 控制方法

在控制方法上針對(duì)光電編碼器和電磁閥的特性來定義時(shí)鐘基準(zhǔn)和控制定時(shí)等參數(shù)。

1) 時(shí)鐘基準(zhǔn)和分度值的確定。凸輪轉(zhuǎn)速是變化的，導(dǎo)致凸輪每旋轉(zhuǎn)一圈所花時(shí)間不同，不能采用常用的時(shí)間單位對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)量；而凸輪每旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)(720°曲軸轉(zhuǎn)角)是不變的，因此系統(tǒng)采用曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)量。Z信號(hào)脈沖所對(duì)應(yīng)的凸輪位置記為系統(tǒng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，即為0°曲軸轉(zhuǎn)角，A信號(hào)每輸出一個(gè)脈沖，系統(tǒng)時(shí)鐘加1°曲軸轉(zhuǎn)角。當(dāng)系統(tǒng)再次檢測(cè)到Z信號(hào)脈沖時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘置0。

2) 控制定時(shí)以及進(jìn)油、保持和泄油脈寬的確定和產(chǎn)生。電磁閥需通過正負(fù)2個(gè)信號(hào)才能控制系統(tǒng)的進(jìn)油、保壓和泄油工作。系統(tǒng)控制時(shí)序見圖3。電磁閥的正、負(fù)2個(gè)信號(hào)的相對(duì)作用關(guān)系決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)的控制定時(shí)實(shí)際是觸發(fā)信號(hào)上升沿與進(jìn)油脈寬上升沿之間的時(shí)鐘信號(hào)個(gè)數(shù)，即A信號(hào)個(gè)數(shù)；系統(tǒng)的進(jìn)油脈寬是電磁閥正信號(hào)輸入脈寬；系統(tǒng)的泄油脈寬為電磁閥負(fù)信號(hào)輸入脈寬；而系統(tǒng)的保持脈寬則是電磁閥信號(hào)正脈寬下降沿與信號(hào)負(fù)脈寬上升沿之間所夾角度。當(dāng)正、負(fù)2個(gè)信號(hào)都無輸入脈寬時(shí)，電磁閥處于中位狀態(tài)，此時(shí)液壓腔既不充油也不泄油，液壓腔與液壓供給源是斷開的。當(dāng)輸入進(jìn)油脈寬時(shí)，液壓進(jìn)油口與液壓腔相通，開始向液壓腔充油，附加升程開啟，氣門總升程相比氣門原升程發(fā)生變化。當(dāng)輸入保持脈寬時(shí)，電磁閥重新回到中位狀態(tài)，此時(shí)液壓腔內(nèi)油壓維持不變，附加升程保持一定，氣門升程與原氣門升程高度一定。當(dāng)輸入泄油脈寬時(shí)，液壓泄油口與液壓腔相通，液壓腔開始泄油，附加升程減小直至為0，氣門關(guān)閉相位較原氣門關(guān)閉相位向后推移。通過改變控制定時(shí)及進(jìn)油、保持和泄油脈寬實(shí)現(xiàn)氣門相位和升程的改變。

圖3 系統(tǒng)控制時(shí)序

2 硬件設(shè)計(jì)

電子控制系統(tǒng)由傳感器、控制單元、執(zhí)行器和上位機(jī)四部分組成(見圖4)，其中控制模塊由恩智浦半導(dǎo)體(NXP)的MC9S12XS128MAL單片機(jī)以及最小系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)邏輯運(yùn)算和控制流程；同時(shí)使用CAN通信板卡實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。根據(jù)光電編碼器和電磁閥等外圍設(shè)備的電路需求設(shè)計(jì)控制單元ECU硬件電路。

圖4 系統(tǒng)硬件組成示意

光電編碼器的A，Z信號(hào)易受干擾，導(dǎo)致控制系統(tǒng)在錯(cuò)誤時(shí)刻驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作或者在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)多次動(dòng)作。這是因?yàn)樽鳛檫呇赜|發(fā)的A時(shí)鐘信號(hào)或者Z觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)雜波，控制單元會(huì)把雜波作為有效的時(shí)鐘或觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采樣，雜波會(huì)被認(rèn)定為正常信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和判斷。引發(fā)錯(cuò)誤的雜波見圖5。

圖5 引起錯(cuò)誤的雜波

以往處理雜波或干擾的方法常使用電容電阻組合濾波電路，但該濾波電路只對(duì)固定頻段雜波有濾除作用，同時(shí)對(duì)數(shù)字信號(hào)有削弱作用。在試驗(yàn)平臺(tái)周圍有電力測(cè)功機(jī)、電動(dòng)機(jī)等大型電磁設(shè)備，甚至周圍實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停都會(huì)給時(shí)鐘信號(hào)帶來很大且沒有規(guī)律的電磁干擾，只針對(duì)固定頻率段雜波的濾波方式將不能起到作用。本研究借鑒ECU電路設(shè)計(jì)中針對(duì)霍爾型傳感器信號(hào)的處理方式，以LM2903雙電壓比較器設(shè)計(jì)濾波電路濾除雜波[6]。圖6、圖7分別示出LM2903濾波電路原理和濾波后的時(shí)鐘信號(hào)。IN+端分別接入光電編碼器A、Z信號(hào)，IN-端接入2.5 V比較電壓，IN+與IN-電壓比較，VIN+≥VIN-，OUT端輸出VCC電壓；反之，OUT端輸出GND電壓。

電磁閥需要電壓為10 V的正負(fù)2個(gè)信號(hào)同時(shí)作用才驅(qū)動(dòng)電磁閥工作。由控制模塊輸出的正負(fù)信號(hào)都為5 V信號(hào)，不能使能電磁閥。本研究選用IR4427芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，將5 V信號(hào)轉(zhuǎn)換為10 V信號(hào)。圖8示出IR4427驅(qū)動(dòng)電路原理。

圖6 LM2903濾波電路原理

圖7 濾波后的時(shí)鐘信號(hào)

圖8 IR4427驅(qū)動(dòng)電路原理

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制單元設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門相位和升程的連續(xù)可調(diào)，電子控制系統(tǒng)的主要功能必須包括對(duì)光電編碼器信號(hào)的采集、對(duì)電磁閥的控制以及下位機(jī)和上位機(jī)的交互。本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖9，通過上層和下層函數(shù)的交互使用完成上述功能。

圖9 軟件結(jié)構(gòu)框圖

控制單元初始化后，接收來自上位機(jī)通過CAN通信發(fā)送的定時(shí)和脈寬數(shù)據(jù)，系統(tǒng)檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)滿足定時(shí)后，控制單元ECU按順序逐次驅(qū)動(dòng)底層電路拉高或拉低電磁閥正負(fù)信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出端口電平，輸出脈沖信號(hào)。圖10示出控制邏輯。

圖10 控制邏輯

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)在LabView軟件平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)技術(shù)，充分運(yùn)用LabView事件結(jié)構(gòu)編程機(jī)制，使上位機(jī)實(shí)時(shí)高效發(fā)送和接收控制數(shù)據(jù)。圖11示出上位機(jī)前面板。

圖11 上位機(jī)前面板

上位機(jī)主要分為控制和反饋兩個(gè)部分，分別控制CAN通信的收與發(fā)；上位機(jī)與下位機(jī)通過CAN消息幀的ID號(hào)以及在消息幀中的字節(jié)號(hào)解析數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)規(guī)定占用2個(gè)字節(jié)，每個(gè)消息幀的數(shù)據(jù)段都為8個(gè)字節(jié)。采用LabView注冊(cè)事件功能注冊(cè)CAN接收任務(wù)為用戶自定義事件，結(jié)合事件觸發(fā)功能，數(shù)據(jù)反饋無需人為操作，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集顯示接收數(shù)據(jù)；同時(shí)用戶通過修改控制參數(shù)觸發(fā)“發(fā)送”控件，系統(tǒng)利用LabView事件結(jié)構(gòu)和編程控件分解打包控制參數(shù)值加載入指定ID號(hào)CAN數(shù)據(jù)幀，調(diào)用庫(kù)函數(shù)加載CAN卡已封裝好的“CAN_Transmit”函數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改與發(fā)送(見圖12)。

圖12 上位機(jī)控制與反饋流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)在船用柴油機(jī)側(cè)置式液壓可變氣門機(jī)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，測(cè)試平臺(tái)由試驗(yàn)臺(tái)架、液壓油供給系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成，試驗(yàn)臺(tái)架的承載能力、液壓油供給系統(tǒng)的工作能力和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量精度、存儲(chǔ)能力等均滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)方法是通過控制臺(tái)架電力測(cè)功機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)凸輪軸轉(zhuǎn)速，將凸輪軸轉(zhuǎn)速控制在柴油機(jī)所要求的轉(zhuǎn)速范圍；通過上位機(jī)發(fā)送控制參數(shù)，通過數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)和上位機(jī)反饋窗口檢測(cè)控制單元脈寬輸出情況和電磁閥工作狀況，測(cè)量并記錄附加升程開啟相位、氣門總升程(附加升程)曲線等。

從圖13可知，在液壓油供油壓力為11.5 MPa下，凸輪轉(zhuǎn)速?gòu)?86 r/min上升到550 r/min的過程中，響應(yīng)時(shí)間隨著凸輪轉(zhuǎn)速的上升而逐漸增大，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速達(dá)到550 r/min最大轉(zhuǎn)速時(shí)，所需響應(yīng)時(shí)間達(dá)到72°曲軸轉(zhuǎn)角。其中，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間T定義為

T=tadd-tcontrol。

式中：tadd為附加升程為1 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；tcontrol為控制定時(shí)。

通過合理調(diào)整控制參數(shù)，氣門附加升程在氣門延遲角為0°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)依然能達(dá)到5 mm(見圖14)。

圖13 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

圖14 凸輪轉(zhuǎn)速為550 r/min時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由圖15、圖16、圖17可知，保持液壓油供油壓力為11.5 MPa不變，凸輪轉(zhuǎn)速分別在186 r/min，325 r/min和425 r/min時(shí)，上位機(jī)保持控制定時(shí)、進(jìn)油脈寬和泄油脈寬不變，保持脈寬逐次增加，控制脈寬均能精確跟隨輸出驅(qū)動(dòng)電磁閥，使氣門關(guān)閉正時(shí)隨著保持脈寬增加而延后。氣門附加升程最大值均能達(dá)到5 mm。

圖15 凸輪轉(zhuǎn)速為186 r/min時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖16 凸輪轉(zhuǎn)速為325 r/min時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖17 凸輪轉(zhuǎn)速為425 r/min時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)經(jīng)過200 h耐久性試驗(yàn)，運(yùn)行良好，無故障產(chǎn)生。試驗(yàn)證明，電子控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

基于現(xiàn)有某船用柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的電子控制系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在凸輪額定轉(zhuǎn)速186～425 r/min范圍內(nèi)，電子控制系統(tǒng)均能控制氣門關(guān)閉正時(shí)可變范圍在0°～70°曲軸轉(zhuǎn)角連續(xù)可變，最大附加升程達(dá)到5 mm；在凸輪最大轉(zhuǎn)速550 r/min下，附加升程亦能達(dá)到5 mm。電子控制系統(tǒng)在船用柴油機(jī)可變氣門機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用中，運(yùn)行良好，可滿足試驗(yàn)控制要求。

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DesignofControlSystemforVariableValveMechanismofDieselEngine

HAN Zhiqiang1,2,LIU Zhi1,2,QIU Peng1,2,WU Xueshun1,2,SHE Yuntao1,2

(1.School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039，China；2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Chengdu 610039，China)

Aiming at the test platform of variable valve mechanism for a marine diesel engine, the electronic control system of test platform was designed. The design was divided into four parts including control unit, upper computer, sensor and actuator. According to the system requirements, the suitable sensors and actuators were selected and the hardware circuit and control method of electronic control system were designed and developed. The results show that the electronic control system can receive the sensor signal and output the control signal to drive the solenoid valve to change the valve timing and lift. In the cam rated speed range of 186-425 r/min, the variable range of valve close timing is 0°-70°CA and the maximum additional lift can reach 5 mm. At cam’s maximum speed of 550 r/min, the additional lift can also reach 5 mm, which can meet the test requirements.

variable valve mechanism;electronic control system;circuit design;control method

潘麗麗]

2017-06-21；

2017-10-20

教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2014059)；流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(szjj2016-006)

韓志強(qiáng)(1981—)，男，教授，主要從事內(nèi)燃機(jī)燃燒與控制；8312862@qq.com。

吳學(xué)舜(1987—)，男，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向內(nèi)燃機(jī)燃燒與控制；xueshunwu08@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.010

TK413.4

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1001-2222(2017)06-0052-05