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汽油喷射和点火定时控制系统 |
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作者：上海理工大学 张振东 姚兰芳 韩伯顺 |
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摘要 介绍了一种汽车发动机试验用电控系统的设计，着重论述了控制系统的组成、控制信号的生成原理及控制脉谱的制取方法，并通过试验验证了控制系统的有效性。
关键词： 汽油机 空燃比 点火定时 电子控制
汽油机电子燃油喷射系统改变了传统的化油器供油方式，把燃油和空气分开计量，大大提高了空燃比的控制精度；控制器可按照预先设定或实时计算得到的最佳点火时刻点燃缸内混合气，因而电子控制技术在汽油机上的应用可有效地改善发动机的性能，充分发挥发动机的性能潜力。
电控汽油机中空燃比的控制可采用开环或闭环控制方法。开环控制按照预先制定的脉谱工作，具有实时性强和系统响应速度快的优点，其控制精度依赖于控制脉谱的测量精度；在开环控制的基础上增加反馈回路可形成闭环控制，闭环控制能够自动修正被控量与设定值之间的偏差，其控制精度较高。当发动机工况变化时，由于开环控制无需进行寻优调节过程，可直接作出控制决策，因而这种方式对于工况不断快速变化的车用发动机尤为适用。
本文以CA488Q发动机为研究对象，研制了发动机试验用汽油喷射和点火定时开环控制系统。
1 控制系统的组成
发动机控制系统如图1所示，除被控制的汽车发动机之外，主要由各个传感器、执行机构和电控单元构成。
1.1 传感器
传感器采集表征发动机工作状态的各种信号，并把它们输入控制单元。系统中使用的传感器有判缸信号传感器、上止点信号传感器、节气门位置传感器、空气流量传感器和冷却水温传感器。
图1 电控系统的组成
判缸信号传感器采用霍尔效应式传感器，其作用是识别第1缸压缩上止点位置，保证发动机按照正常的点火顺序工作。上止点信号传感器也采用霍尔效应式传感器，安装在压缩上止点前70 °CA位置处，每隔180 °CA给控制单元发送一个信号，该信号作为点火与喷油时刻的基准信号。发动机冷却水温传感器是一个热敏电阻，其特性是随着发动机温度的升高，电阻值减小。空气流量传感器用于检测发动机吸气量的大小，该传感器为热膜式空气流量计，直接测量发动机进气的质量流量。传感器输出0 V～5 V的电压信号，由于其输出电压和空气流量之间呈非线性关系，所以事先将传感器的输出特性离散化以表格的形式存储在控制器的ROM中。发动机运行时，控制器依据检测到的输出电压查表得出对应的空气流量的大小。
1.2 执行机构
开发的发动机电控系统主要控制喷油量和点火时刻，因此相应的执行机构有控制缸内混合气空燃比的汽油喷射装置及控制发动机点火定时的点火装置。所用的汽油喷射系统包括多点喷油器、电动汽油泵、燃油压力调节器、滤清器及燃油管路等。点火系统是一种晶体管式的点火系统，原机分电器中的霍尔发生器用晶体管点火开关代替，通过控制单元直接控制该晶体管开关的开闭，实现点火定时的控制。
1.3 电控单元
控制单元是整个控制系统的核心，在其存储器中存储着混合气空燃比的脉谱特性、点火角度的脉谱特性及各种修正参数。发动机运行过程中，控制单元接收来自各个传感器的模拟信号与数字信号，经计算处理后向执行机构发出喷油或点火命令。
该控制系统采用MCS－8098单片机作为电控单元，它是一个高性能的准16位微处理器，具有指令系统丰富、运算速度快以及编程效率高的优点。由于控制系统需存储程序及大量的现场数据，该系统采用程序存储器2764和数据存储器6264各一片，对8098单片机进行了存储器扩展。此外，整个电控系统中还设有各种输入传感器和输出执行机构的接口电路。
2 喷油和点火定时信号的生成原理
要使汽油喷射发动机能正常工作，首先必须解决如何产生点火线圈和喷油器控制信号的问题。
2.1 点火定时信号的生成
发动机点火系统应具备两方面的功能，一是使火花塞在曲轴旋转到某个最佳位置时点燃缸内混合气；二是要保证点火能量充足。与之相对应，要求对发动机的点火提前角和初级线圈闭合角(通电时间)进行控制［3］。
点火线圈控制信号的定时关系及产生方法如图2所示。
a—上止点位置；b—基准信号；c—喷油信号
图2 点火控制信号的产生时序
各缸上止点基准信号产生于该缸压缩上止点前70°，该信号作为点火定时的基准信号。发动机运行过程中，当某一基准信号到来时，先查表得出点火提前角θ，之后依据下式计算基准时刻与点火时刻之间的延迟时间Td：
Td=［(70－θ)/6n］×106,
式中： n——发动机瞬时转速，r/min；
θ——点火提前角，(°)；
Td——延迟时间，μs。
8098单片机系统时钟设置为6 MHz，定时器记录一个数需要4 μs［2］，则Td对应的定时器T1计数值ΔT为：
ΔT=Td／4。
定时器T1从基准信号到来时刻开始计数，当计满ΔT个数时，控制器向高速输出端口发出高电平触发信号，切断初级绕组回路，火花塞跳火点燃缸内混合气。
如图2所示，4缸汽油机180°的点火间隔可分为断电时间Ts和线圈闭合时间Tc两部分，控制Ts就可实现对Tc的控制。初级线圈闭合时间的大小预先通过点火回路的理论分析得到。
断电时间Ts对应的定时器T1计数值ΔΤs可表示为：
ΔΤs=(15/2n-Tc/4)×106，
式中：n——发动机瞬时转速，r/min。
从点火时刻开始，定时器T1计满ΔΤs个数后，高速输出端口发生低电平信号，闭合初级绕组回路，点火线圈开始充电。
2.2 喷油信号的生成
通过控制喷油脉宽和喷油相位(即喷油提前角)来实现对喷油器的控制［3］。
喷油器控制信号的定时关系及产生原理如图3所示，上一缸基准信号与下一缸上止点之间的时间间隔由喷油始点延迟时间Tid和喷油提前时间Tia两部分组成。
a—上止点位置；b—基准信号；c—喷油信号
图3 喷油控制信号的产生时序
图3中Tp代表喷油脉宽，喷油提前时间Tia事先通过试验确定，与点火定时的计算相类似，Tid可表示为定时器T1的计数值ΔTid：
ΔTid=(125/12n-Tia/4)×106,
式中：n——发动机瞬时转速，r/min。
以上一缸基准信号的到来时刻为起点，定时器T1计满ΔΤid个数后，与当前缸对应的高速输出端口发出高电平触发信号，使喷油器开启Tp时间，这样就完成了一次喷油过程。
3 控制脉谱的制取
如前所述，发动机点火提前角及喷油脉宽等参数都是针对发动机的不同使用工况，预先通过大量试验确定的。获取发动机的空燃比脉谱和点火提前角脉谱是发动机实现开环控制的关键。
在进行发动机的实时控制之前，以8098单片机作为控制单元设计了一个脉谱测量装置，用于测量CA488Q发动机不同工况下的空燃比和点火提前角［4］。
本文中空燃比的测量依据发动机进气量的大小划分为两种模式，中小负荷工况，以燃油经济性为目标对空燃比进行调节；大负荷工况，空燃比以动力性为目标进行调节。测试空燃比脉谱时，采用原化油器发动机的点火系统。
点火提前角的测量是空燃比脉谱测试完成以后进行的。首先将各工况点的空燃比数值以数表的形式存入单片机开发系统存储器中，并编程使发动机按空燃比控制模式工作；然后利用点火提前角调节装置调节各稳定工况的点火提前角，直到满足规定的目标要求为止。
4 台架试验
电控系统设计完成以后，在CA488Q发动机上经过调试，通过台架试验测取了电控汽油喷射与点火发动机的总功率特性与负荷特性，与原化油器式发动机的对应特性进行了对比，如图4和图5所示。
可以看出，电控以后的发动机燃油经济性与功率输出比原机均有显著的提高，试验结果充分证实了汽油机采用汽油喷射与自动点火系统的优越性，同时也说明本文采用的控制方法是可行的。
图4 总功率特性曲线
图5 负荷特性曲线
(end)
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(6/13/2004) |
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