天然氣發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)研制

劉誠誠，彭憶強，馬永富

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

天然氣發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)研制

劉誠誠，彭憶強，馬永富

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039）

天然氣發(fā)動機具有低排放、使用經(jīng)濟性好等特點,在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，對天然氣發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)的研制也越來越受到重視。為將YF465Q汽油發(fā)動機改裝成天然氣單燃料發(fā)動機，對其電控噴射系統(tǒng)進行了深入研究。通過AMESim/Simulink建模仿真、硬件電路設(shè)計、軟件編制,完成了電控噴射系統(tǒng)研制。硬件在環(huán)仿真試驗結(jié)果顯示，所設(shè)計的電控噴射系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用的要求。

天然氣發(fā)動機；電控噴射系統(tǒng)；噴嘴模型；AMESim/Simulink聯(lián)合仿真；硬件在環(huán)

1 引 言

隨著對汽車經(jīng)濟性和排放性要求越來越高，一些汽車正逐漸采用清潔燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽油燃料。將YF465Q汽油機改造成單燃料天然氣發(fā)動機，通過對其電控噴射系統(tǒng)的深入研究，研制了一套能夠滿足應(yīng)用要求的電控噴射系統(tǒng)。該電控噴射系統(tǒng)以節(jié)氣門位置、進氣壓力等信號為電子控制單元（ECU）的輸入信號，ECU經(jīng)過對輸入信號的分析判斷，計算天然氣發(fā)動機所需的噴氣量及噴射時刻，并驅(qū)動噴嘴實現(xiàn)天然氣的噴射控制。

2 電控噴射系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

將原YF465Q汽油機發(fā)動機改造為單燃料天然氣發(fā)動機需對燃料供給系統(tǒng)進行改進設(shè)計。所設(shè)計的燃料供給系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電控天然氣發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該供給系統(tǒng)的主要部件包括氣瓶、壓力表、濾清器、電磁閥、減壓閥、噴嘴[1]。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)把壓力為20MPa的壓縮天然氣降低為壓力為0.1MPa左右的低壓氣體。圖1也包括了電控噴射系統(tǒng)的整體方案。壓縮天然氣經(jīng)過兩級調(diào)壓器減壓后，通過噴嘴噴入各自的進氣道，并與空氣混合進入汽缸。而節(jié)氣門位置、進氣壓力等傳感器則把當(dāng)前發(fā)動機的工作信號傳輸給ECU，ECU根據(jù)發(fā)動機的工作情況，控制燃?xì)鈬娚涞臅r序和噴射脈寬[2]，完成發(fā)動機電控噴射過程。

3 電控噴射系統(tǒng)建模與仿真

為更加深入地研究電控噴射機理，采用AMESim仿真軟件，構(gòu)建了噴嘴的物理模型，并利用Simulink構(gòu)建了發(fā)動機在不同工況下ECU控制噴嘴噴射的控制模型[3]。通過AMESim/Simulink進行聯(lián)合仿真的結(jié)果分析，確定噴嘴的物理參數(shù)以及驗證各工況下的噴射控制策略，為進行電控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3．1 CNG發(fā)動機噴嘴的AMESim模型建立

發(fā)動機噴嘴需要在極短的時間內(nèi)，把減壓后的天然氣噴入氣缸內(nèi)，因此確定噴射器相關(guān)參數(shù)至關(guān)重要。利用AMESim仿真軟件，構(gòu)建了滿足天然氣發(fā)動機電控噴射要求的噴嘴物理模型。所構(gòu)建的噴嘴由電磁線圈、頂桿、彈簧、針閥、針閥體組成，其物理結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

天然氣經(jīng)過減壓閥進入噴嘴后，如果電控單元發(fā)出噴射信號，電磁線圈通電后，將產(chǎn)生電磁作用力，通過銜鐵吸起針閥，使天然氣通過精確設(shè)計的軸針頭部環(huán)形間隙，噴入進氣道內(nèi)；反之，電磁線圈不通電，軸針頭部環(huán)形間隙被針閥密封，天然氣留在噴嘴壓力室內(nèi)，不會進入進氣道內(nèi)?；趪娮斓慕Y(jié)構(gòu)及工作原理，該文所構(gòu)建的噴嘴AMESim仿真模型如圖3所示。

圖4 電控噴射控制模型

圖3 噴嘴的AMESim模型

3．2 天然氣發(fā)動機各工況控制模型的建立

控制器的建模與仿真是聯(lián)合仿真的一個重要環(huán)節(jié)。為保證所建立控制模型具有良好的模塊化、層次化結(jié)構(gòu)，將所建立的控制模型劃分為空燃比控制模型、工況判斷模型、PWM驅(qū)動模型，如圖4所示。

根據(jù)發(fā)動機運行的特點，可將發(fā)動機工況分為啟動、怠速、穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷、瞬態(tài)（加減速）以及大負(fù)荷工況[4]。由于大負(fù)荷工況不是發(fā)動機的主要工況，主要針對起動、怠速、穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷、瞬態(tài)（加減速）等4種工況，分別建立控制模型。然后通過工況判斷模型以及PWM驅(qū)動模型與前面建立噴嘴模型有機結(jié)合起來，構(gòu)成一個能夠自動判斷工況，并根據(jù)當(dāng)前工況選擇相應(yīng)控制模塊的控制器。

3．3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

通過對聯(lián)合仿真環(huán)境的設(shè)置，可把AMESim建立的模型轉(zhuǎn)化成能在Simulink環(huán)境中運行的S-Function模塊，并在Simulink軟件中進行調(diào)用。通過對仿真條件的設(shè)置，得到當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500 r/min，進氣壓力為0.5bar時，噴嘴的針閥升程和噴射時間的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 針閥升程仿真結(jié)果

圖6 噴射脈寬仿真結(jié)果

圖7 硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖

圖8 曲軸位置信號處理電路

從圖5可以看出，噴嘴的針閥最大升程為0.35mm，與其他噴嘴的針閥升程相比較該值是合理的[5]。通過圖6可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500 r/min，進氣壓力為0.5 bar時，噴射時間為10.9ms，與理論設(shè)計模型的計算值一致，說明設(shè)計的控制器能夠滿足要求。

4 電控系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

電控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，其核心是Fresscale公司生產(chǎn)的MC9SX128十六位單片機。硬件電路主要包括中央處理模塊、電源模塊、信號采集模塊、輸出驅(qū)動模塊。由傳感器采集發(fā)動機相關(guān)參數(shù)，通過分析、判斷，確定發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷情況下天然氣噴射量以及噴射時刻。

作為車用實時控制系統(tǒng)，要求電控單元具有較好的抗干擾能力，同時具有良好的可靠性。下面主要介紹曲軸信號處理電路和噴嘴驅(qū)動電路的設(shè)計過程。

4.1 曲軸位置信號處理電路

曲軸位置傳感器是60-2齒磁電式傳感器[6]，其輸出是正弦信號，需要濾波、整形為0～5V的方波信號，再送入ECU，具體電路如圖8所示。濾波、整形電路由LM324電壓比較器等元器件構(gòu)成，電路中電阻、電容起到使兩輸入端平衡和低通濾波的作用[7]。

4.2 噴嘴驅(qū)動電路設(shè)計

由于單片機輸出的電壓只有5V，不能夠直接驅(qū)動噴嘴電磁閥。L298N芯片是一種高壓、大電流雙全橋驅(qū)動器，接受標(biāo)準(zhǔn)TTL電平信號[8]。為了使噴嘴的電磁閥能夠正常工作，選用其作為此驅(qū)動電路。如圖9所示。

L298N芯片共有15個引腳，該文選4個輸入引腳分別接MC9SX128單片機的4個PP口，4個輸出引腳分別接4個噴嘴。由于單片機內(nèi)有線圈，噴嘴電磁閥在通電和斷電時產(chǎn)生反電動勢，因此在電路中加入二極管保護L298N芯片。

5 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

電控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計來實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，其流程如圖10所示。首先，主程序關(guān)閉所有中斷，對單片機進行AD采集設(shè)置、定時捕捉設(shè)置、串口通信設(shè)置等一系列初始化工作。當(dāng)初始化工作完畢后，打開中斷，利用TC0定時寄存器對曲軸上相鄰兩個上升沿進行計數(shù)[9]，計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速，再根據(jù)曲軸缺齒和凸輪軸位置傳感器信號設(shè)置噴氣時序，然后根據(jù)發(fā)動機的當(dāng)前工況計算出噴射脈寬，并控制發(fā)動機各缸進行噴氣。同時判斷串口標(biāo)志位是否為1，如果為1，就向串口發(fā)送發(fā)動機相關(guān)參數(shù)。

圖9 噴嘴驅(qū)動電路

圖10 主程序流程圖

6 模擬試驗及結(jié)論

為進行電控噴射系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，搭建了硬件在環(huán)仿真試驗平臺，如圖11所示。

圖11 仿真試驗平臺

圖11左邊設(shè)備為VS-III發(fā)動機模擬箱，該模擬箱可以模擬發(fā)動機的曲軸傳感器、凸輪軸傳感器、進氣壓力傳感器、水溫傳感器等信號；中間和右邊分別為示波器以及在PC機上運行的串口通信監(jiān)控程序[10]，如圖12所示，其作用是對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行檢驗和參數(shù)設(shè)置。仿真試驗顯示，當(dāng)節(jié)氣門開度為50%、轉(zhuǎn)速為2500 r/min、冷卻水溫為50℃、進氣壓力為50 kPa、氧傳感器電壓為297mV時，噴氣脈寬為10.88ms，與仿真計算的10.9ms基本一致，圖13為示波器采集的各缸噴射信號。從圖可見，當(dāng)曲軸信號缺齒并且凸輪軸信號處于低電平的時候，發(fā)動機正好位于1缸壓縮上止點，此時第4缸開始噴氣，其他各缸依次根據(jù)對應(yīng)的相位進行噴氣。因此，所設(shè)計的電控噴射系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點順序噴射，達到了預(yù)期研制的目的。

圖12 串口監(jiān)控界面

圖13 各缸噴射控制信號

7 結(jié)束語

利用AMESim/Simulink對天然氣發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)進行建模仿真，并采用“飛思卡爾”公司的MC9SX128十六位單片機作為核心處理器進行噴射系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計，通過Codewarrior軟件編寫軟件，最后利用仿真試驗對所設(shè)計的系統(tǒng)進行驗證。結(jié)果表明，所設(shè)計的電控噴射系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用要求，可以實現(xiàn)多點順序噴射的功能。該電控噴射系統(tǒng)作為發(fā)動機管理系統(tǒng)的一部分，將應(yīng)用于實際的汽車發(fā)動機電子控制過程中。

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Study on electronic controlled injection system for CNG engine

LIU Cheng-cheng，PENG Yi-qiang，MA Yong-fu
（School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The compressed natural gas (CNG)engine is widely used for automotive and its design has

increasing attention，because of its low emissions and fuel economy.In order to build a CNG single-fuel engine based on YF465Q gasoline engine，a new electronic controlled injection system was designed.The system was developed after AMESim/Simulink simulation，the hardware design and software design.According to loop simulation of hardware，the system designed can meet the requirements for practical application.

CNG engine； electronic injection system； nozzle model； AMESim/Simulink Cosimulation；hardware in the loop

TE648；U464

A

1674-5124（2011）01-0077-04

2010-01-28；

2010-04-12

四川省教育廳“重大培育”項目（07ZZ032）；四川省重點學(xué)科建設(shè)基金項目（SZD0410）

劉誠誠（1985-），男，山西交城縣人，碩士研究生，專業(yè)方向為發(fā)動機電子控制技術(shù)。