电磁驱动配气机构单缸汽油机的电控系统开发

刘学良， 常思勤， 刘梁

(南京理工大学机械工程学院， 江苏 南京 210094)

电磁驱动配气机构单缸汽油机的电控系统开发

刘学良， 常思勤， 刘梁

(南京理工大学机械工程学院， 江苏 南京 210094)

为应用电磁驱动配气机构的单缸汽油机设计了基于DSP(TMS320F2812)的电控系统，此电控系统除常规的喷油、点火等控制功能外，还可通过调节进、排气门控制参数(气门开启时刻、关闭时刻以及气门升程)直接调节进气量，进而实现发动机不同工况下的稳定运转。完成了初步的运行试验，验证了电控系统的可行性，为进一步应用电磁驱动配气机构提高发动机性能的研究打下了基础。

汽油机； 电磁驱动配气机构； 电控系统

如今，汽车保有量持续增加，石油资源日趋减少，节能环保成为当今社会发展的主题[1]。各种提高发动机性能和改善发动机排放的措施应用在发动机上，其中配气机构的改善发挥了很大的作用。土耳其卡拉布克大学[2]和英国Lotus公司[3]分别就电磁驱动配气机构和电液驱动配气机构进行了研究和试验，国内对无凸轮配气机构也有一定的研究[4-6]。

本研究所用电磁驱动配气机构基于动圈式直线电机[7]，可以实现气门启闭相位和气门升程的全柔性控制[8-10]，根据不同的工况调节配气使发动机工作在最佳状态，提高发动机动力性并起到节能减排的效果。而原机的控制系统不能满足电磁驱动配气机构的控制要求，本课题组曾在保留原机ECU的基础上开发电磁驱动配气机构控制器[11]，并进行了一定的研究，但较多的信号依赖于原机控制器，研究受到限制。因此，本研究设计了一种电控系统，对传感器信号进行采集和处理，进而控制电磁气门的运动和发动机的喷油、点火。

1 试验系统

1.1 电磁驱动配气机构发动机

试验所用发动机为某四冲程单缸汽油机，进气门与排气门各一个，采用顶置凸轮轴驱动，其原机基本参数见表1。

表1 原发动机主要参数

为满足试验要求，对其配气机构、冷却系统等进行了相应改造，替换了部分传感器。将原机的节气门去掉，加装热膜式空气流量传感器；保留原配气机构的气门体，将凸轮轴替换为电磁执行器，改装为电磁驱动配气机构。试验所用发动机系统见图1。

图1 试验用发动机系统

1.2 电控系统

发动机电控系统硬件总体设计方案见图2。

图2 电控系统结构简图

进气流量信号、缸压信号、负荷信号、气门驱动电流和气门位移等模拟信号通过信号调理电路调理后输入DSP；曲轴转角信号通过脉冲调整电路输入到DSP的捕捉单元；经过DSP的计算和分析，输出相应指令到驱动电路，控制喷油嘴、点火线圈以及电磁驱动配气机构的运行。发动机运行数据通过以太网实时发送到上位机，并可通过上位机在线更改运行参数。基于上述的要求，本研究选用了TMS320F2812作为核心板，此数字信号处理器主频可达150 MHz，有6对可互补输出的PWM信号通道和独立的高速捕捉单元，并能同时实现12路模拟信号的A/D转换，满足开发要求。

2 电控系统硬件设计

2.1 模拟信号与曲轴信号调理电路

模拟信号调理电路用来对采集到的原始模拟信号进行滤波、转换、限压等处理，将其转化为DSP可安全接收的信号；对输出为电流值的模拟信号通过直流变换器将其转化为电压信号后再进行调理；缸压传感器是压电式传感器，缸压信号需要电荷放大器放大处理后输入模拟信号调理电路。

本研究所用曲轴位置传感器为电磁式传感器，其感应电动势的频率和幅值随发动机转速而变化，需转变为标准的脉冲信号[12]。首先经过放大电路，将电磁感应产生的电流信号放大为可识别的电压信号，再通过隔离模块将脉冲信号传递到DSP控制侧，通过滤波处理后输入到DSP的高速捕捉单元。

2.2 气门驱动模块设计

电磁驱动配气机构的驱动单元为动圈式直线电机，通过改变电磁线圈中电流的方向和大小则可控制驱动力的方向和大小[13]。根据其工作原理，采用H桥电路来对其驱动，驱动模块的基本原理见图3。

图3 H桥气门驱动电路结构

每个H桥由一对互补输出的PWM信号来控制，PWM信号通过隔离模块与驱动侧高压信号隔离，保证核心板安全。设定PWM信号的死区时间，减少H桥电路单侧贯通概率，延长驱动单元的使用寿命。

2.3 电路防干扰设计

电路中高频的数字信号会增加地线上的信号噪声，影响模拟信号精度；在高压驱动端，高压脉冲有可能损坏单片机接口和外设芯片，所以在电路中做好信号和电源的隔离尤为重要。现采取以下措施进行电路防干扰设计：

1) 曲轴信号调理模块、气门驱动模块、核心控制板及信号采样模块、喷油点火模块都使用独立的电源进行供电；

2) 在曲轴信号输入端和喷油、点火信号输出端采用TLP521光电耦合器与核心板隔离，TLP521具有抗干扰性能和隔离性能[14]；

3) 由核心板输出的PWM信号通过高速光电耦合器6N137隔离变换后来驱动H桥电路。

3 软件设计

主程序由初始化模块、AD转换模块、定时器中断模块及捕捉中断模块等构成。为了满足电磁驱动配气机构的控制精度要求，将定时器中断周期设为50 μs，控制频率达20 kHz。

传统发动机中气门通过凸轮轴驱动，气门的相位与曲轴相位有严格的正时关系。而电磁气门不受曲轴的机械约束，可在一个循环中指定活塞的某个上升过程为压缩冲程，不用进行额外的判缸过程。

3.1 曲轴信号采集

曲轴信号是控制系统重要的基准信号。原机的曲轴传感器有24个信号齿(含一个缺齿)，齿间夹角15°，利用捕捉中断获取齿信号，并通过定时器中断的计数对曲轴相位进行细分处理，计算公式为

CA=15*i+speed*CA_num/3 333。

式中：CA为曲轴转角；i为曲轴传感器信号齿计数；speed为发动机瞬时转速；CA_num为两齿间定时器中断数。

通过计算得出，当定时器中断周期T=50 μs时，在3 000 r/min以下转速精度可达0.9°，满足发动机中低转速的试验要求。

为了准确地确定信号齿相位和曲轴转角之间的对应关系，利用缸压信号对曲轴相位进行标定(见图4)，指定压力波峰位置为压缩上止点，将此与曲轴转角信号对比，修正曲轴信号。

图4 气门运动与缸压信号曲线

3.2 气门与喷油控制策略

3.2.1 气门控制

气门电磁执行器利用逆系统算法进行闭环控制[13,15]，控制效果见图5。气门开启过渡时间小于4 ms，位移控制精度能达到0.1 mm，气门平均落座速度为0.03 m/s。

图5 气门运动曲线

3.2.2 气门参数控制策略

原机气门升程为8 mm，进行电磁驱动配气机构改装后，气门响应变快，降低了气门在开启和关闭过程的节流作用，可根据发动机运行工况将升程适当调整。

初步确定的控制策略为：当发动机运行在高速或中高负荷工况时，为了更有效进气，采用8 mm升程；在怠速工况下所需要的进气量较小，可将升程适当降低，采用6 mm升程；转速过低时活塞下行速度慢，进气门会与活塞产生干涉，故在低转速时对进气门升程采取先开启4 mm再开启到6 mm的分段控制。

根据发动机工况计算进气早开角，再通过PID算法控制进气门的开启持续期，配合气门升程可得到相应的循环进气量。当发动机处于怠速状态时，负荷信号在零附近。传统发动机中，节气门全关，通过怠速旁通阀来调节进气量。在本研究的发动机系统中，没有节气门，通过气门参数的来调节进气量，使发动机在怠速工况下正常运行。

3.2.3 喷油控制策略

喷油量主要由循环进气量和运行工况来确定(见图6)，发动机起动时，适当增加喷油量，让发动机更快起动；怠速状态下，根据发动机运行工况和气门参数闭环修正喷油量，控制其怠速在目标转速；正常运行时通过氧传感器信号检测混合气状态，调整喷油量，使发动机工作在理论空燃比附近。

图6 气门与喷油控制策略

4 发动机试验

4.1 进气量标定

利用所设计的电控系统对发动机进行试验。首先进行非点火状态下的测试，利用调速电机对发动机倒拖，测试各传感器信号的采集和各执行器的工作状态。测得不同转速及进气门开启持续期下的循环进气量，绘制出循环进气量脉谱图(见图7)。

图7 进气门开启持续期对进气量的影响

由图7可知，通过调节进气门开启持续期可以灵活控制循环进气量。

4.2 喷油量标定

喷油器的工作分为三个阶段：开启阶段、持续阶段和关闭阶段。在开启阶段和关闭阶段中针阀不能完全开启，为非线性喷油阶段，需要通过试验标定喷油量和喷油脉宽的关系。利用油耗仪对2～6 ms不同的喷油脉宽进行喷油测试，每组喷射10 000次，结果显示实际喷油量与给定喷油脉宽呈良好的线性关系，线性误差小于1%(见图8)，说明利用此电控系统控制喷油器的稳定性良好，可以通过调节喷油脉宽来获取准确的喷油量。

图8 不同喷油脉宽控制的喷油量

4.3 运行试验

在起动与怠速试验中，给定目标转速，通过PID算法闭环控制进气门的开启持续期和喷油量，使发动机转速逐渐稳定于目标转速。为了保证运行稳定，根据运行工况对进气门开启持续期设定上限值。图9与图10示出发动机在目标转速为1 000 r/min和800 r/min时的怠速试验数据。从图中可见，在发动机转速趋于目标转速的过程中，进气门开启持续期不断变化，调节进气量和喷油量，使发动机能够在目标转速稳定运转。当发动机转速出现波动时，气门能迅速作出反应进行调节。图11示出低转速时不同开启持续期下进气门的运动情况和驱动电流的变化。

图9 1 000 r/min怠速工况运行试验

图10 800 r/min怠速工况运行试验

图11 不同开启持续期的进气门运动

利用所设计的电控系统完成了发动机起动与怠速试验，结果证明此电控系统能够准确地采集各种传感器数据，实现喷油、点火控制和电磁驱动配气机构控制的结合，使应用电磁驱动配气的发动机稳定运转。通过灵活地控制气门参数来调节进气量，可实现发动机在不同目标转速下怠速运行，且低于原机怠速值。稳定怠速时速度波动小于120 r/min，优于原机运行数据。

5 结束语

为应用电磁驱动配气机构的单缸汽油机设计了电控系统，并用其完成了初步的实机测试，验证了电控系统的可行性。结果表明，电磁驱动配气机构可以通过自身参数灵活地调节进气量，使发动机运行在目标转速。

控制系统的研制与试验的成功进行，为进一步应用电磁驱动配气机构对发动机性能提升的研究打下良好的基础，下一步将开展不同工况下的控制参数标定及优化等研究。

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[编辑： 袁晓燕]

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

国家自然科学基金(51306090)

刘学良(1991—)，男，硕士，研究方向为发动机电子控制技术；lxlhitwh@163.com。

常思勤(1954—)，男，教授，主要研究方向为车辆电子控制及机电液一体化技术；changsq@njust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.015

TK423.4

B

1001-2222(2017)01-0083-05