柴油機可變氣門機構試驗平臺控制系統的設計

韓志強，劉智，邱鵬，吳學舜，佘云濤

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

柴油機可變氣門機構試驗平臺控制系統的設計

韓志強1,2，劉智1,2，邱鵬1,2，吳學舜1,2，佘云濤1,2

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

針對某船用柴油機可變氣門機構試驗平臺設計了試驗平臺電子控制系統，具體設計分為控制單元、上位機、傳感器和執行器四部分。根據系統需求選取了適合的傳感器和執行器，并設計開發了電子控制系統的硬件電路及控制方法。結果表明：電子控制系統能夠接收傳感器信號，精確輸出控制信號驅動電磁閥改變氣門正時和升程，使得在凸輪額定轉速186～425 r/min范圍內，氣門關閉正時可變范圍達到0°～70°曲軸轉角，最大附加升程達到5 mm；在凸輪最大轉速550 r/min下，附加升程亦能達到5 mm，滿足了試驗要求。

可變配氣機構；電子控制系統；電路設計；控制方法

國內外研究證明，配氣機構參數的改變對柴油機的性能參數有著重要影響[1-3]。傳統柴油機的氣門參數是固定不變的，難以在全工況范圍滿足柴油機性能和排放要求[4-5]?？勺儦忾T技術可根據柴油機工況靈活調節有效壓縮比，從而改變缸內壓縮階段混合氣溫度和壓力，因此成為當前內燃機行業研究的熱點技術之一。

柴油機主要有害排放物NOx和炭煙的生成必須滿足一定的缸內溫度和混合氣當量比條件[6]。通過電控單元改變氣門參數進而控制混合氣燃燒過程中的溫度和當量比，可達到優化燃燒、降低有害排放的目的[7]。柴油機電控可變氣門技術在國外已經進入應用階段，例如MAN B&W公司和Washila公司都推出了電控VVT柴油機，實現了電控可變氣門系統的應用[8]。當前國內對柴油機電控可變氣門系統大多處于研究階段，如武漢理工大學的陳勤學[9]等人設計了一套電磁閥控制的電液柴油可變氣門系統，實現了對不同工況下配氣正時策略的柔性控制。

本研究以現有某船用柴油機可變氣門機構試驗平臺為基礎，開發了一套響應迅速、控制參數可調的電子控制系統。該電子控制系統通過控制電磁閥靈活調節氣門定時與升程，為確定可變氣門機構最優控制參數以及下一步上機試驗提供了數據支持。

1 系統方案設計

1.1 試驗平臺設計方案

圖1示出該柴油機可變氣門機構試驗平臺組成。試驗平臺采用一個恒壓可調的液壓供給系統作為系統液壓供給源?？刂葡到y通過電磁閥控制液壓腔充放油，推動液壓活塞運動，從而在原氣門升程的基礎上由液壓活塞產生一個附加升程，實現氣門相位和升程的改變。

1—油箱； 2—粗濾器； 3—細濾器； 4—電動機； 5—液壓泵； 6—蓄能器； 7—溢流閥； 8—電磁閥； 9—凸輪； 10—液壓腔； 11—氣門彈簧；12—氣缸蓋；13—氣門；14—控制單元(ECU)；15—CAN卡；16—上位機；17—凸輪位置傳感器。圖1 可變氣門機構試驗平臺組成示意

1.2 控制系統原理

以ECU采樣凸輪位置傳感器的A，Z信號作為系統的時鐘和觸發信號，根據上位機發送得到定時和脈寬，由此確定電磁閥的控制定時與脈寬。ECU在確定的定時相位輸出規定的脈寬控制電磁閥運動，實現液壓腔的充放油，同時將產生的數據回傳上位機。

凸輪位置傳感器采用分辨率為720 脈沖/轉的光電編碼器，與凸輪軸同軸同步轉動，光電編碼器隨凸輪軸每轉動一圈，A信號輸出720個脈沖信號，Z信號輸出1個脈沖，使用Z和A兩路信號分別作為系統的觸發與時鐘信號。電磁閥是該試驗平臺電子控制和液力驅動部分的接口。采用一個直動式伺服閥，有P，T，A，B 4個閥口，其中P口為液壓進油口，T口為液壓泄油口，A口與液壓腔相通，而B口堵死，實際用作兩位三通閥，需要電壓為10 V的正負兩個信號共同作用控制。圖2示出電磁閥結構示意。

圖2 電磁閥結構示意

1.3 控制方法

在控制方法上針對光電編碼器和電磁閥的特性來定義時鐘基準和控制定時等參數。

1) 時鐘基準和分度值的確定。凸輪轉速是變化的，導致凸輪每旋轉一圈所花時間不同，不能采用常用的時間單位對系統時鐘進行計量；而凸輪每旋轉一圈對應發動機一個循環(720°曲軸轉角)是不變的，因此系統采用曲軸轉角對系統時鐘進行計量。Z信號脈沖所對應的凸輪位置記為系統的時鐘基準，即為0°曲軸轉角，A信號每輸出一個脈沖，系統時鐘加1°曲軸轉角。當系統再次檢測到Z信號脈沖時，系統時鐘置0。

2) 控制定時以及進油、保持和泄油脈寬的確定和產生。電磁閥需通過正負2個信號才能控制系統的進油、保壓和泄油工作。系統控制時序見圖3。電磁閥的正、負2個信號的相對作用關系決定系統工作狀態。系統的控制定時實際是觸發信號上升沿與進油脈寬上升沿之間的時鐘信號個數，即A信號個數；系統的進油脈寬是電磁閥正信號輸入脈寬；系統的泄油脈寬為電磁閥負信號輸入脈寬；而系統的保持脈寬則是電磁閥信號正脈寬下降沿與信號負脈寬上升沿之間所夾角度。當正、負2個信號都無輸入脈寬時，電磁閥處于中位狀態，此時液壓腔既不充油也不泄油，液壓腔與液壓供給源是斷開的。當輸入進油脈寬時，液壓進油口與液壓腔相通，開始向液壓腔充油，附加升程開啟，氣門總升程相比氣門原升程發生變化。當輸入保持脈寬時，電磁閥重新回到中位狀態，此時液壓腔內油壓維持不變，附加升程保持一定，氣門升程與原氣門升程高度一定。當輸入泄油脈寬時，液壓泄油口與液壓腔相通，液壓腔開始泄油，附加升程減小直至為0，氣門關閉相位較原氣門關閉相位向后推移。通過改變控制定時及進油、保持和泄油脈寬實現氣門相位和升程的改變。

圖3 系統控制時序

2 硬件設計

電子控制系統由傳感器、控制單元、執行器和上位機四部分組成(見圖4)，其中控制模塊由恩智浦半導體(NXP)的MC9S12XS128MAL單片機以及最小系統組成，負責整個控制系統邏輯運算和控制流程；同時使用CAN通信板卡實現上位機與下位機的通信。根據光電編碼器和電磁閥等外圍設備的電路需求設計控制單元ECU硬件電路。

圖4 系統硬件組成示意

光電編碼器的A，Z信號易受干擾，導致控制系統在錯誤時刻驅動執行器動作或者在一個發動機循環內多次動作。這是因為作為邊沿觸發的A時鐘信號或者Z觸發信號出現雜波，控制單元會把雜波作為有效的時鐘或觸發信號進行采樣，雜波會被認定為正常信號進行計數和判斷。引發錯誤的雜波見圖5。

圖5 引起錯誤的雜波

以往處理雜波或干擾的方法常使用電容電阻組合濾波電路，但該濾波電路只對固定頻段雜波有濾除作用，同時對數字信號有削弱作用。在試驗平臺周圍有電力測功機、電動機等大型電磁設備，甚至周圍實驗室發動機的啟停都會給時鐘信號帶來很大且沒有規律的電磁干擾，只針對固定頻率段雜波的濾波方式將不能起到作用。本研究借鑒ECU電路設計中針對霍爾型傳感器信號的處理方式，以LM2903雙電壓比較器設計濾波電路濾除雜波[6]。圖6、圖7分別示出LM2903濾波電路原理和濾波后的時鐘信號。IN+端分別接入光電編碼器A、Z信號，IN-端接入2.5 V比較電壓，IN+與IN-電壓比較，VIN+≥VIN-，OUT端輸出VCC電壓；反之，OUT端輸出GND電壓。

電磁閥需要電壓為10 V的正負2個信號同時作用才驅動電磁閥工作。由控制模塊輸出的正負信號都為5 V信號，不能使能電磁閥。本研究選用IR4427芯片作為驅動芯片，將5 V信號轉換為10 V信號。圖8示出IR4427驅動電路原理。

圖6 LM2903濾波電路原理

圖7 濾波后的時鐘信號

圖8 IR4427驅動電路原理

3 軟件設計

3.1 控制單元設計

為了實現對氣門相位和升程的連續可調，電子控制系統的主要功能必須包括對光電編碼器信號的采集、對電磁閥的控制以及下位機和上位機的交互。本系統軟件結構框圖見圖9，通過上層和下層函數的交互使用完成上述功能。

圖9 軟件結構框圖

控制單元初始化后，接收來自上位機通過CAN通信發送的定時和脈寬數據，系統檢測到觸發信號和時鐘脈沖信號個數滿足定時后，控制單元ECU按順序逐次驅動底層電路拉高或拉低電磁閥正負信號對應輸出端口電平，輸出脈沖信號。圖10示出控制邏輯。

圖10 控制邏輯

3.2 上位機設計

上位機在LabView軟件平臺上進行設計開發，調用庫函數技術，充分運用LabView事件結構編程機制，使上位機實時高效發送和接收控制數據。圖11示出上位機前面板。

圖11 上位機前面板

上位機主要分為控制和反饋兩個部分，分別控制CAN通信的收與發；上位機與下位機通過CAN消息幀的ID號以及在消息幀中的字節號解析數據。每個數據規定占用2個字節，每個消息幀的數據段都為8個字節。采用LabView注冊事件功能注冊CAN接收任務為用戶自定義事件，結合事件觸發功能，數據反饋無需人為操作，實時自動采集顯示接收數據；同時用戶通過修改控制參數觸發“發送”控件，系統利用LabView事件結構和編程控件分解打包控制參數值加載入指定ID號CAN數據幀，調用庫函數加載CAN卡已封裝好的“CAN_Transmit”函數，實現參數修改與發送(見圖12)。

圖12 上位機控制與反饋流程

4 試驗驗證

試驗在船用柴油機側置式液壓可變氣門機構測試平臺上進行，測試平臺由試驗臺架、液壓油供給系統、數據采集系統和電子控制系統組成，試驗臺架的承載能力、液壓油供給系統的工作能力和數據采集系統的測量精度、存儲能力等均滿足試驗要求。試驗方法是通過控制臺架電力測功機的輸出轉速調節凸輪軸轉速，將凸輪軸轉速控制在柴油機所要求的轉速范圍；通過上位機發送控制參數，通過數據測量與采集系統和上位機反饋窗口檢測控制單元脈寬輸出情況和電磁閥工作狀況，測量并記錄附加升程開啟相位、氣門總升程(附加升程)曲線等。

從圖13可知，在液壓油供油壓力為11.5 MPa下，凸輪轉速從186 r/min上升到550 r/min的過程中，響應時間隨著凸輪轉速的上升而逐漸增大，當凸輪轉速達到550 r/min最大轉速時，所需響應時間達到72°曲軸轉角。其中，系統響應時間T定義為

T=tadd-tcontrol。

式中：tadd為附加升程為1 mm時對應的曲軸轉角；tcontrol為控制定時。

通過合理調整控制參數，氣門附加升程在氣門延遲角為0°曲軸轉角時依然能達到5 mm(見圖14)。

圖13 系統響應時間

圖14 凸輪轉速為550 r/min時試驗結果

由圖15、圖16、圖17可知，保持液壓油供油壓力為11.5 MPa不變，凸輪轉速分別在186 r/min，325 r/min和425 r/min時，上位機保持控制定時、進油脈寬和泄油脈寬不變，保持脈寬逐次增加，控制脈寬均能精確跟隨輸出驅動電磁閥，使氣門關閉正時隨著保持脈寬增加而延后。氣門附加升程最大值均能達到5 mm。

圖15 凸輪轉速為186 r/min時試驗結果

圖16 凸輪轉速為325 r/min時試驗結果

圖17 凸輪轉速為425 r/min時試驗結果

本系統經過200 h耐久性試驗，運行良好，無故障產生。試驗證明，電子控制系統達到設計要求。

5 結束語

基于現有某船用柴油機可變氣門機構試驗平臺設計了對應的電子控制系統，經過試驗驗證，在凸輪額定轉速186～425 r/min范圍內，電子控制系統均能控制氣門關閉正時可變范圍在0°～70°曲軸轉角連續可變，最大附加升程達到5 mm；在凸輪最大轉速550 r/min下，附加升程亦能達到5 mm。電子控制系統在船用柴油機可變氣門機構試驗平臺應用中，運行良好，可滿足試驗控制要求。

[1] MaH.Effect of Variable Valve Engine Valve Timing on Fuel Economy[C].SAE Paper 880390，1988.

[2] Griffiths P J，Mistry K N.Variable Valve Timing for Fuel Economy Improvement——the Mitchell System[C].SAE Paper 880392,1988.

[3] Richard S，Eric K.A Variable ValveActuation Mechanisms and the Potential for their Application[C].SAE Paper 880673，1988.

[4] 尹朧,王海,曾東建,等.可變氣門系統結構參數研究[J].內燃機,2015(2):33-37.

[5] 許回江,任曉莉,潘志翔.柴油機電控—液壓氣門系統試驗研究[J].車用發動機,2007(5):62-65.

[6] 曾東建,吳學舜,鄧猛,等.多缸發動機缸壓采集時壓縮上止點的確定[J].車用發動機,2013(6):75-79.

[7] 曾東建,樊利康,韓偉強,等.電控液壓可變氣門系統控制參數對氣門運動規律的影響[J].內燃機工程,2017,38(3):99-104.

[8] 陳勤學,崔可潤,朱國偉.中壓共軌電控柴油機可變氣門系統的研制[J].熱科學與技術,2002,1(2):123-127.

[9] 陳勤學,崔可潤,朱國偉.中壓共軌柴油機電控可變氣門系統的試驗研究[J].內燃機工程,2002,23(4):1-5.

DesignofControlSystemforVariableValveMechanismofDieselEngine

HAN Zhiqiang1,2,LIU Zhi1,2,QIU Peng1,2,WU Xueshun1,2,SHE Yuntao1,2

(1.School of Automobile & Transportation,Xihua University,Chengdu 610039，China；2.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Chengdu 610039，China)

Aiming at the test platform of variable valve mechanism for a marine diesel engine, the electronic control system of test platform was designed. The design was divided into four parts including control unit, upper computer, sensor and actuator. According to the system requirements, the suitable sensors and actuators were selected and the hardware circuit and control method of electronic control system were designed and developed. The results show that the electronic control system can receive the sensor signal and output the control signal to drive the solenoid valve to change the valve timing and lift. In the cam rated speed range of 186-425 r/min, the variable range of valve close timing is 0°-70°CA and the maximum additional lift can reach 5 mm. At cam’s maximum speed of 550 r/min, the additional lift can also reach 5 mm, which can meet the test requirements.

variable valve mechanism;electronic control system;circuit design;control method

潘麗麗]

2017-06-21；

2017-10-20

教育部春暉計劃項目(Z2014059)；流體及動力機械教育部重點實驗室開放課題(szjj2016-006)

韓志強(1981—)，男，教授，主要從事內燃機燃燒與控制；8312862@qq.com。

吳學舜(1987—)，男，助理實驗師，主要研究方向內燃機燃燒與控制；xueshunwu08@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.010

TK413.4

B

1001-2222(2017)06-0052-05