【摘 要】本文論述了一種用于兩缸兩沖程小型發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊的電控系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，該控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和ECU三個(gè)部分組成。系統(tǒng)分為七個(gè)計(jì)算模塊和兩個(gè)中斷任務(wù)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單模塊清晰，且易于維護(hù)和升級(jí)，達(dá)到了較好的設(shè)計(jì)效果。

【關(guān)鍵詞】?jī)筛變蓻_程小型發(fā)動(dòng)機(jī)；電控單元；ECU；控制策略

0 引言

兩缸兩沖程小型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕、并且升功率顯著高于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，由于有著以上優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于小型摩托車、航模甚至是小型的發(fā)電設(shè)備上。[1]本文對(duì)兩缸兩沖程小型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制原理、系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了研究，在此之上提出了一種適用于該類發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略，以及相應(yīng)的控制單元ECU的設(shè)計(jì)方法。[2]

1 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由傳感器、控制器ECU和執(zhí)行器三個(gè)部分組成?？諝饨?jīng)過(guò)節(jié)氣門進(jìn)入進(jìn)氣道，燃油經(jīng)噴油嘴噴射進(jìn)入進(jìn)氣道，跟新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸。在氣缸內(nèi)經(jīng)火花塞點(diǎn)火燃燒，廢氣由排氣管排出發(fā)動(dòng)機(jī)。[3-5]

1.1 傳感器

本文設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)所用的傳感器主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進(jìn)氣溫度壓力傳感器和排氣氧傳感器。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器

該傳感器主要有磁電式和霍爾式兩種，本文采用磁電式。曲軸前端安裝有特定齒數(shù)的齒輪盤，齒輪盤的邊緣安裝傳感器。當(dāng)齒輪盤旋轉(zhuǎn)時(shí)候，傳感器端即可產(chǎn)生相應(yīng)位置的脈沖信號(hào)，使用整形電路對(duì)該脈沖電路進(jìn)行整形成為矩形波，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，矩形波的波幅較窄，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)候，矩形波的波幅較寬。ECU依次來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2）節(jié)氣門位置傳感器

節(jié)氣門位置傳感器向ECU提供進(jìn)氣道節(jié)氣門的角度位置，該數(shù)據(jù)是計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、負(fù)荷和駕駛意圖的重要參數(shù)。

節(jié)氣門通常分為電子式和拉線式兩種，本文采用的是自行研究開(kāi)發(fā)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)式電子節(jié)氣門，圖1是該節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)示意圖。[6]ECU通過(guò)CAN總線連接該節(jié)氣門部件，控制電路獲取信號(hào)后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的扭矩通過(guò)齒輪組帶動(dòng)蝶閥轉(zhuǎn)動(dòng)。蝶閥軸頂端安裝有霍爾傳感器，當(dāng)?shù)y轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該傳感器會(huì)感應(yīng)到該變化，轉(zhuǎn)換成跟角度相應(yīng)的模擬信號(hào)，并將該信號(hào)傳遞給控制單元ECU。

3）進(jìn)氣溫度壓力傳感器

本文采用的是溫度壓力一體是傳感器，具有體積小重量輕的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合小型發(fā)動(dòng)機(jī)使用。該傳感器安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的過(guò)渡管路上。

4）氧傳感器

氧傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管中，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氧含量。使用該傳感器進(jìn)行噴油的閉環(huán)控制，可以精確控制噴油量達(dá)到理論空燃比。

1.2 電控單元ECU

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元ECU是整個(gè)電控系統(tǒng)的核心部分，它在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中接收傳感器信號(hào)，并進(jìn)行處理計(jì)算后向執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)，執(zhí)行器按照ECU的控制意圖進(jìn)行工作。

圖2是本文使用的控制器的構(gòu)成圖，圖中左側(cè)是上文描述的傳感器，其中曲軸位置傳感器是整形后的矩形波，連接至ECU的Timer管腳，ECU通過(guò)邊沿觸發(fā)中斷來(lái)進(jìn)行信號(hào)分析和計(jì)算。其他三個(gè)傳感器的信號(hào)均為AD信號(hào)?？刂破鞯挠覀?cè)是點(diǎn)火、噴油和氧傳感器加熱器這三個(gè)執(zhí)行器。

1.3 執(zhí)行器

本文的執(zhí)行器主要有噴油器、點(diǎn)火線路和氧傳感器加熱器三個(gè)部分。

1）噴油器

噴油器是一種電磁開(kāi)關(guān)裝置，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU發(fā)出PWM波形，經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制噴油器的開(kāi)啟和關(guān)閉，通過(guò)噴油脈寬即PWM波形的幅度來(lái)控制電磁閥的打開(kāi)和關(guān)閉之間的時(shí)間，進(jìn)而控制噴油量。通過(guò)噴油正時(shí)來(lái)控制電磁閥打開(kāi)的時(shí)機(jī)，進(jìn)而控制噴油提前角。

2）點(diǎn)火線路

點(diǎn)火線路由點(diǎn)火線圈和火花塞兩個(gè)部分組成，控制單元ECU通過(guò)Timer管腳發(fā)出PWM波形，進(jìn)而控制初級(jí)線圈導(dǎo)通，最終達(dá)到控制點(diǎn)火的提前角和和點(diǎn)火能量效果。

3）氧傳感器加熱器

本文選用的氧傳感器LSU4.9的工作溫度在750℃附近，偏離這一工作點(diǎn)，會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量偏差，進(jìn)而引起噴油量計(jì)算的不正確，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常。因此有必要對(duì)氧傳感器進(jìn)行溫度控制。

圖3是氧傳感器的溫度控制圖，把傳感器上的溫度和要求溫度一起導(dǎo)入ECU，經(jīng)過(guò)PID計(jì)算計(jì)算后，輸出PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大電路放大后引入加熱絲，進(jìn)而引起氧傳感器的穩(wěn)定變化，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。

2 控制策略研究

圖4是本文所采用的系統(tǒng)控策略，整個(gè)控制系統(tǒng)分為7個(gè)計(jì)算模塊，分別是轉(zhuǎn)速計(jì)算、點(diǎn)火提前角計(jì)算、點(diǎn)火脈寬計(jì)算、噴油提前角計(jì)算、噴油脈寬計(jì)算、點(diǎn)火控制計(jì)算和噴油控制計(jì)算。以下分別加以敘述：

1）轉(zhuǎn)速計(jì)算

該計(jì)算任務(wù)是中斷任務(wù)，當(dāng)ECU捕捉到脈沖邊沿，發(fā)生中斷任務(wù)，計(jì)算相鄰的脈沖波形的間隔，加以濾波，即可獲得當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2）點(diǎn)火提前角計(jì)算

該任務(wù)是定時(shí)任務(wù)，每隔10ms計(jì)算一次。點(diǎn)火提前角以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為計(jì)算參數(shù)。當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時(shí)，輸出較小的點(diǎn)火提前角，當(dāng)高轉(zhuǎn)速時(shí)輸出較大的點(diǎn)火提前角。

3）點(diǎn)火脈寬計(jì)算

點(diǎn)火脈寬以進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力作為計(jì)算參數(shù)。當(dāng)進(jìn)氣溫度低進(jìn)氣壓力高時(shí)，適當(dāng)提高點(diǎn)火時(shí)間，當(dāng)進(jìn)氣溫度高進(jìn)氣壓力低時(shí)，適當(dāng)降低點(diǎn)火時(shí)間。

4）噴油提前角計(jì)算

噴油提前角以轉(zhuǎn)速作為計(jì)算參數(shù)。當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時(shí)，輸出較小的噴油提前角，當(dāng)搞轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出較大的噴油提前角。

5）噴油脈寬計(jì)算

噴油脈寬以廢氣氧含量、進(jìn)氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置為計(jì)算參數(shù)。其中進(jìn)氣壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為一張三維表，進(jìn)氣壓力越高轉(zhuǎn)速越高，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越高，此時(shí)應(yīng)加大噴油脈寬，進(jìn)氣壓力越低轉(zhuǎn)速越低，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越低，此時(shí)應(yīng)減小噴油脈寬。廢氣氧含量對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，讓空燃比保持在理論空燃比附近，達(dá)到節(jié)能減排的效果。節(jié)氣門位置對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次修正，以達(dá)到較好的操縱性能。

6）點(diǎn)火控制任務(wù)

該任務(wù)是實(shí)時(shí)中斷任務(wù)，發(fā)生在上止點(diǎn)時(shí)刻。當(dāng)ECU通過(guò)曲軸相位傳感器的信號(hào)判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)處于上止點(diǎn)時(shí)，發(fā)生該任務(wù)。在該任務(wù)中，ECU把點(diǎn)火提前角的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化設(shè)置在Timer寄存器中開(kāi)始計(jì)時(shí)，以達(dá)到在點(diǎn)火提前角達(dá)到的達(dá)到的時(shí)刻計(jì)時(shí)完成，發(fā)生點(diǎn)火中斷，繼而發(fā)出指定點(diǎn)火脈寬的PWM波形。該波形經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火線路打火。

7）噴油控制任務(wù)

該任務(wù)跟點(diǎn)火控制任務(wù)基本類似。

3 結(jié)論

本文主要介紹了兩缸兩沖程活塞小型發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的控制器ECU和控制策略的設(shè)計(jì)方法。依次方法設(shè)計(jì)出了一款滿足該領(lǐng)域使用要求的高度集成化的控制器，該控制器層次簡(jiǎn)潔、清晰，模塊之間相互獨(dú)立，提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，完全達(dá)到了對(duì)該類型小型發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)性和精度的控制要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃建，曹占國(guó).小型二沖程航空汽油機(jī)電控系統(tǒng)研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2012，2.

[2]馬二林.FAI二沖程缸內(nèi)直接噴射航空用打洞機(jī)的研究[D].天津大學(xué)，2013.

[3]姜學(xué)敏.某型發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

[4]楊時(shí)威.基于XCP協(xié)議車用標(biāo)定系統(tǒng)的研發(fā)[C]//中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第四屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2006.

[5]張翠平.電控汽油機(jī)燃油噴射及點(diǎn)火控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].太原理工大學(xué)，2007.

[6]盧靜，翁建生.主動(dòng)式電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，12.

[責(zé)任編輯：湯靜]