汽油發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)的設(shè)計

【摘要】介紹了汽油發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、及實現(xiàn)的功能，設(shè)計出汽油發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)。通過分析發(fā)動機怠速工況的特點，設(shè)計相應(yīng)的控制策略。實驗結(jié)果表明基于電控節(jié)氣門的發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)，具有良好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，能很好地滿足怠速工況控制的要求。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機；怠速控制；電控節(jié)氣門

1.引言

發(fā)動機的怠速是指油門踏板完全松開，轉(zhuǎn)速保持在最低可能水平的工況，是發(fā)動機的重要工況之一。怠速過程與發(fā)動機的油耗量和有害物質(zhì)排放有重要關(guān)系，汽車在交通密度大的道路上行使時，約有30% 的燃油消耗在怠速階段，所以降低發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速是提高汽車燃油經(jīng)濟性的非常有效的措施。

2.怠速控制系統(tǒng)的原理

發(fā)動機在怠速工況下，節(jié)氣門關(guān)閉，從節(jié)氣門縫隙和怠速旁通空氣通道進(jìn)入的空氣，與相應(yīng)的汽油而成的混合氣燃燒所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩盡用于克服發(fā)動機本身的摩擦和合壓縮阻力距，及由發(fā)動機驅(qū)動的附加裝置阻力距，以使發(fā)動機維持在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 怠速控制系統(tǒng)原理圖

3.怠速控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

電子節(jié)氣門工作范圍的開度由直流電機控制。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且由加速踏板模塊輸入指定開度，由節(jié)氣門位置傳感器反饋實際開度。本項目選用80C196KC為主芯片，擴展了片外存儲器和I/O口，增加了通信電路。

圖2為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。加速踏板位置傳感器（PPS）和電子節(jié)氣門位置傳感器（TPS）分別完成加速踏板控制信號輸入和節(jié)氣門位置信號的反饋。80C196KC的AΠD轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，計算出相應(yīng)的控制量后通過高速輸出口（HSO）和I/O口輸出控制信號，從而控制直流電機驅(qū)動器。直流電機驅(qū)動器輸出功率驅(qū)動信號來控制電機運動，從而實現(xiàn)節(jié)氣門開度的控制。

圖2 電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)件圖

驅(qū)動信號占空比與電機輸出力矩成正比。當(dāng)電機的輸出力矩與回位彈簧力矩平衡時，與節(jié)氣門軸相連的開度傳感器把節(jié)氣門開度信號反饋給電控單元，從而構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。節(jié)氣門開度的控制不僅由加速踏板控制，還要由其它控制系統(tǒng)控制，最終按照發(fā)動機的扭矩需求精確調(diào)節(jié)，實現(xiàn)扭矩需求的發(fā)動機控制。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3所示為主程序總體邏輯流程圖。從圖可以看出，主程序在發(fā)動機工作過程中循環(huán)運行著，它將發(fā)動機的工作分為多種典型的工況，分別進(jìn)行編程控制。判斷的實時性越強、工況的劃分越合理，控制效果越好。在本設(shè)計中，發(fā)動機的典型運轉(zhuǎn)工況劃分為：啟動模式、全節(jié)氣門工況、暖機模式、瞬態(tài)工況模式、怠速閉環(huán)模式、空燃比閉環(huán)模式、全節(jié)氣門工況模式。

圖3 主程序總體邏輯流程圖

控制軟件總體上分為工作循部分和環(huán)初始化部分。整體流程如圖4所示。初始化部分用于完成常量和變量的初始化、定時器T2中斷的初始化、HSO輸出PWM初始化和串行口收、發(fā)數(shù)據(jù)初始化。控制軟件的工作循環(huán)部分包括信號的采集、傳感器故障判斷、電子節(jié)氣門角度和踏板角度計算、計算控制量和串行通信等。

圖4 控制軟件整體流程圖

4.結(jié)果分析

利用本控制系統(tǒng)對實驗發(fā)動機的噴油、點火及怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行全面控制，驗證該系統(tǒng)用于發(fā)動機怠速控制的實際效果。本次實驗對象為某國產(chǎn)發(fā)動機。實驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 水溫12℃時本怠速控制系統(tǒng)

與原機怠速控制轉(zhuǎn)速偏差對比圖

圖6 水溫98℃時本怠速控制系統(tǒng)

與原機怠速控制轉(zhuǎn)速偏差對比圖

由實驗對比可知，本設(shè)計怠速控制比原怠速控制具有更好的冷卻水溫適應(yīng)性，同時本控制系統(tǒng)對怠速轉(zhuǎn)動波動性的控制也優(yōu)于原怠速控制。發(fā)動機的運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，在加入負(fù)荷干擾時，本控制系統(tǒng)能比原怠速控制更快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5.結(jié)論

本文通過對汽油發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)的原理分析，設(shè)計出基于80C196KC為核心的汽油發(fā)動機怠速控制系統(tǒng)。隨著對汽車產(chǎn)品的安全與舒適等人性化要求的增長，現(xiàn)代汽車的設(shè)計趨勢是將燃油經(jīng)濟性、發(fā)動機節(jié)能技術(shù)、發(fā)動機動力性能、路況信息系統(tǒng)等系統(tǒng)聯(lián)合起來，整體作為一個一體化模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制。

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作者簡介：張樂亞（1990—），男，山東聊城人，研究方向：汽車運用工程。