（动力机械及工程专业论文）单燃料cng发动机电控系统开发.pdf

委、员：稠三铷出普 滕劾硷渺岂冬手 磁 驯麴援 导叫鸣徘沈爵纠嗽 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 。 学位论文作者签名： 参】移 签字日期：泸f 1 年叩月) ，白 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位素一躲武1 申 签字日期：汕 1 年￥月 莎日 学6 - y 论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 纠一，遘 签字日期：动( 1 年 月嘭日 电话： 邮编： 采用常规p i d 和模糊p i d 结合的方法进行空燃比闭环控制，经实验验证， 该策略可以适用于发动机不同工况，相对于传统的常规p i d 控制，节省了大量 标定参数的试验时间。发动机在暖机过程以及不同节气门位置的稳态过程入稳 定在1 0 0 - + 0 0 1 ；急减速和急加速过程入能快速回到1 附近。 设计了步进电机式怠速阀的闭环控制策略，使发动机怠速转速控制在 5 5 0 r m i n 6 0 0 r m i n ，并在实车运行时的工况切换过程不会熄火。 为增强电控系统通用性、方便实验标定，设计了e c u 端的通讯程序，可以 完成实时显示、读写m a p 表、标定控制参数等功能。通过修改控制参数，可 使本电控系统适用于不同的4 缸机和6 缸机。本电控系统已应用在了c y 4 1 0 5 型4 缸l p g 发动机以及w d 6 1 5 型6 缸c n g 发动机。通过c y 4 10 5 的实车实验 验证了该电控系统的控制策略可以满足实车运行的要求。 电子节气门是未来发动机电控系统的重要部件，对b o s c h 的电子节气门 设计了闭环控制策略使其稳态误差可以控制在0 5 以内，且能快速准确跟随 节气门目标值的变化。 关键词：电控系统；宽域氧传感器；模糊p i d ；怠速；电子节气门 t h es t r a t e g yo fa i r - f u e lr a t i oc l o s e d l o o pc o n t r o lo fc o m b i n i n gn o r m a lp i da n d f u z z yp i dw a sp r o p o s e d e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es t r a t e g yi sa p p l i c a b l e t od i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n t h el a m b d ac a nb es t a b i l i z e dw i t h i nt h eb o u n d f r o mo 0 9t o1 o1i nw a r m i n gc o n d i t i o na n ds t e a d yc o n d i t i o na td i f f e r e n tt h r o t t l e p o s i t i o n s a n dt h el a m b d ag ob a c kt o1q u i c k l yi nt r a n s i e n tc o n d i t i o n t h es t r a t e g yo fi d l es p e e dc l o s e d l o o pc o n t r o lb yi d l ec o n t r o lv a l v ew i t ha s t e p p e rm o t o rw a sd e s i g n e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei d l e s p e e d c a nb e c o n t r o l l e dw i t h i n50 0 r m i nt o6 0 0 r m i n a n dt h ev e h i c l ew o n th a v ef l a m e o u ti nt h e p r o c e s so fc h a n g i n go p e r a t i n gc o n d i t i o n t h ec o m m u n i c a t i n gp r o c e d u r ew a sd e s i g n e dt om a k et h ec a l i b r a t i o ne a s y i t c a nb eu s e dt od i s p l a yt h es t a t u so fe n g i n e 、r e a da n dw r i t et h et a b l eo fm a p 、 c a l i b r a t et h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e r sa n ds oo n t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gs y s t e m c a nb ea p p l i c a b l et od i f f e r e n te n g i n e sw i t h4c y l i n d e r so r6c y l i n d e r s t h ee l e c t r o n i c c o n t r o l l i n gs y s t e mh a v eb e e na p p l i e dt oc y 4 10 5l p ge n g i n ea n dw d 6 15e n g i n e e l e c t r o n i ct h r o t t l ei sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l i n g s y s t e mi nt h ef u t u r e t h ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g ) f o re l e c t r o n i c t h r o t t l eo f b o s c hw a sd e s i g n e d t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es t e a d ye r r o rc a nb ec o n t r o l l e d i n o 5 a n dt h ee l e c t r o n i ct h r o t t l ec a nf o l l o wt h eg o a lv a l u eq u i c k l ya n d p r e c i s e l y k e y w o r d s ：e c s ；u e g o ；f u z z yp i d ；i d l es p e e d ；e l e c t r o n i ct h r o t t l e 致谢 悉心指导下完成的。导师渊博的学识、孜孜 不倦的钻研精神、严谨的治学态度、废寝忘食的工作精神都给我留下了深刻印 象，必将永远是我学习的榜样。值此论文完成之际，谨向恩师的不倦教诲和辛 勤培养致以崇高的敬意和衷心的感谢! 本文的软件设计工作是在合肥工业大学内燃机实验室进行的。实验中得到 了谈建老师的无私帮助，谈老师丰富的实践经验和辛勤劳动，保证了实验的顺 利进行，也使我受益非浅。在此向谈老师致以最衷心的感谢。在硬件测试和软 件开发过程中得到了温州气动元件厂李捷高级工程师的帮助和支持，在此表示 衷心感谢。 另外，在这三年的研究生学习生活中，左承基、滕勤、孙军、钱叶剑、程 晓章、汪春梅、徐天玉、路苏君等老师们无论在学习和生活上都给了我很多的 关心与帮助，在此向他们表示最诚挚的谢意。 感谢花志远、陈永全、寻剑在课题实验过程中对我的帮助和支持。 感谢杨扬、韩鸣、胡颖智、罗玮、沈志峰、黄保科、常耀红等同学在学习、 生活以及论文完成过程中对我的帮助和支持。 感谢父母的养育之恩和教诲! 感谢所有亲人对我的一贯支持和鼓励! 再次衷心感谢所有帮助过我的老师、同学、和朋友们! 作者：刘伟 2 0 11 年4 月 1 1 1 3 4 4 6 2 2 1 电控系统的硬件构成：6 2 2 2 电控系统的软件设计8 2 3 本章小结1 1 第三章宽域氧传感器l s u 4 2 的应用研究1 2 3 1 氧化锆型氧传感器的结构和工作原理1 2 3 2 宽域氧传感器l s u 4 2 的结构和工作原理1 2 3 3 宽域氧传感器l s u 4 2 的控制一1 4 3 3 1c j l 2 5 芯片的功能及应用。1 5 3 3 2 氧传感器的加热控制1 9 3 3 3c j l 2 5 与e c u 的s p i 通讯控制2 2 3 4 宽域氧传感器l s u 4 2 的标定2 7 3 5 本章小结2 9 第四章单燃料c n g 发动机的空燃比控制3 0 4 1 空燃比开环控制3 0 4 1 1 分片线性插值算法及查表程序设计3 0 4 1 2 启动初期的喷气脉宽计算3 3 4 2 空燃比闭环控制3 3 4 2 1 常规p i d 控制3 3 4 2 2 模糊p i d 控制3 5 4 2 3 闭环控制软件设计3 8 4 2 4 实验验证4 0 4 3 本章小结4 3 第五章单燃料c n g 发动机的怠速控制4 4 5 1 步进电机式怠速系统：4 4 5 1 1 步进电机原理4 5 5 1 2 步进电机驱动的硬件和软件设计4 6 实验验证：4 8 5 ( ) 结构和控制原理5 1 策略5 2 5 7 ! ；8 第六章e c u 与标定系统的通讯设计5 9 6 1 串行通讯协议5 9 6 2 串行通讯程序设计6 0 6 2 1 读写m a p 表功能6 0 6 2 2 上传及清除故障码6 2 6 2 3 实时显示功能k 6 4 6 2 4 停缸检查功能一6 4 6 2 5 控制步进电机功能6 4 6 3 控制参数的标定6 5 6 3 1 发动机结构参数6 6 6 3 2 传感器参数“6 7 6 3 3 喷气脉宽修正相关参数6 7 6 3 4 空燃比闭环控制相关参数7 0 6 3 5 怠速控制相关参数7 0 6 3 6 其它参数7 0 6 4 本章小结7 0 第七章总结与展望。7 2 7 1 工作总结。7 2 7 2 后期工作展望7 2 参考文献7 3 插图清单 2 1 发动机实验系统构成图4 2 2 改装后的发动机实物图5 2 3 燃气供给示意图5 2 4 电控系统已应用机型6 2 5c n g 发动机电控系统构成示意图6 2 6 曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号图7 2 8 下坡工况时的转速和喷气脉宽图1 l 3 1 氧化锆型氧传感器的结构一1 2 3 2 宽域氧传感器元件层1 3 3 3b o s c hl s u 4 2 宽域氧传感器1 3 3 4l s u 4 2 与控制单元连接图1 4 3 5c j l 2 5 应用电路图1 5 3 6c j l 2 5 功能模块图1 6 3 7c j l 2 5 外围电路图18 3 1 0 氧传感器加热过程的u r 和u a 信号2 2 3 1 ls p i 工作原理图2 3 3 1 2c j l 2 5 内部的s p i 模块2 3 3 1 3e c u 对c j l 2 5 的s p i 读写操作2 5 3 1 5s p i 通讯波形图2 7 3 1 6 两个氧传感器的安装图2 8 3 1 7l s u 4 2 标定实验过程中的九和u a 2 9 3 1 8u a 和九的关系图2 9 4 4 启动时加浓喷气脉宽变化图3 3 4 7 输入量的隶属度函数3 6 4 8 输出量的隶属度函数3 6 4 9 k p 、xk i 和k d 与i ol 和io ci 的三维关系图3 8 4 1 0 暖机过程各参数变化曲线4 1 4 1 1 两种节气门位置入的抗扰动响应曲线4 l 4 1 2 两种控制策略的控制效果对比4 2 4 1 3 节气门突增时各参数的变化曲线4 2 4 1 4 节气门突减时各参数变化曲线4 3 5 6 步进电机实际信号图4 7 5 1 0 电子节气门结构图：5 1图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 5 2 5 6 5 6 6 2 6 3 6 3 6 6 6 7 5 1 4 1 5 表3 3c j l 2 5 电路插座引脚定义1 8 表3 4c j l 2 5 内部寄存器说明2 4 表3 5c j l 2 5 读写指令说明2 4 表4 1a k p 规则表3 7 表4 2 k i 规则表3 7 表4 3 k d 规则表3 8 表6 1 通讯协议报文格式5 9 表6 2 各指令字节及其功能表5 9 第一章绪论 1 1 选题背景 据世华财讯报道：2 0 0 9 年中国石油表现消费量为4 亿8 3 7 5 万t ，仅次于 美国，位居世界第二；2 0 0 9 年，中国石油进口依存度达到5 3 6 ，而对石油的 严重依赖，在一定程度上影响了国家能源战略。同时，日益严重的尾气污染使 得人们不得不关注这一亟待解决的问题。新能源汽车在技术方面发展缓慢，于 此相比，发展天然气汽车可以说是实现节能减排的更好的途径【l 】。 天然气汽车有以下几个方面的发展优势： ( 1 ) 我国目前天然气储量约为4 7 万亿m 3 ，可探明储量约2 2 万亿m 3 ，最少 可开采1 0 0 年，而且我国有很多煤层气，总面积约6 5 8 万k m 3 。 ( 2 ) 在经济性方面，天然气发动机更具优势。欧排放气体发动机控制系统 相比欧i 发动机只需增加8 0 0 0 元左右成本，而欧排放柴油机控制系统相比欧 发动机系统需增加成本2 万多元。因此，气体发动机在升级换代方面具有更 好的经济性。相比传统燃油价格，天然气仅为前者的4 0 6 5 ，通常燃气公交 车每年可节约燃料费6 万1 0 万元，而燃气客车的购置成本一般增加2 万元左 右【1 1 。 ( 3 ) 根据相关资料，天然气汽车与燃油汽车相比，在环保指标方面，排污量 仅为燃油车的2 1 4 ，并且燃气车不含铅、苯、硫等成分，它可使二氧化碳 排放降低2 5 、碳氢化合物降低8 0 、二氧化硫降低7 0 5 、氧化硫降低9 9 、 颗粒杂质减少1 6 7 、一氧化碳减少9 0 、噪声降低4 0 ，因此天然气汽车能 够有效减少大气污染【2 1 。 ( 4 ) 使用压缩天然气更加安全。汽油具有良好的挥发性，加之汽油燃点在4 3 0 以内，着火界限为1 3 7 6 ，遇微小火花极易着火。而压缩天然气存储及 传输均是在严格封闭的管道内进行，气瓶不易破坏，即使少量泄漏，在空气中 遇微风更易被驱散，加之天然气燃点高达5 3 7 ，着火界限5 1 5 ，不易形 成可燃混合气。所以天然气汽车不易发生火灾事故，要比汽油车安全。 ( 5 ) 天然气汽车性能要优于汽油车。天然气汽车在燃烧过程中不产生积碳， 对气缸、活塞等部件危害较小。因此发动机寿命更长，天然气汽车发动机使用 寿命约为汽油机的3 倍左右。天然气的辛烷值约1 3 0 ，高于汽油辛烷值，所以 天然气不需添加剂或抗暴剂等，且可以适当增大发动机压缩比和点火提前角， 提高发动机性能【3 1 。 1 2 国内外天然气汽车的发展概况 1 8 6 0 年d e u t z 发动机厂制造出世界上第一台气体燃料发动机，1 8 7 2 年世 界首台天然气发动机在意大利问世。2 0 世界3 0 年代，意大利推出天然气汽车。 二战期间，因汽油价格昂贵，贫油富气的意大利加快了发展天然气汽车的步伐， 在天然气汽车发展方面几乎是一支独秀。 阿根廷是目前世界上拥有天然气汽车最多的国家，也是天然气汽车市场化 程度最高的国家，占有其国内汽车市场约1 7 的份额。 美国的天然气汽车面世于1 9 6 9 年，但规模很小，这些天然气汽车使用了天 然气输送公司提供的成套转换设备。到了二十世纪八十年代末期，福特公司开 始投产天然气汽车。随着1 9 9 2 年能源政策法案的执行，天然气汽车的市场占有 率迅速提高，这其中很大一部分是政府部门使用的小型车辆。 2 0 世纪9 0 年代后期，一些亚洲的国家，尤其是印度和巴基斯坦，天然气 汽车的数量有了显著的增长。1 9 9 5 年，针对市民对新德里的空气质量很差提起 的诉讼，印度最高法院颁布了一系列的决议来促使政府确保把所有的公共交通 工具，包括公共汽车，出租车和三轮车转变为使用清洁的代用燃料。1 9 9 8 年决 议在新德里使用天然气汽车，2 0 0 3 年决议则使得天然气汽车在印度其他1 1 个 城市普及。 总体来看，俄罗斯、阿根廷、巴西等国家因为天然气资源较为丰富，天然 气汽车数量居多；而在美国和日本等天然气资源不算丰富的国家和地区，在环 保法规和国家政策的主导作用下，天然气汽车的发展也很迅速【4 j 。 我国2 0 世纪5 0 年代开始试用天然气汽车。当时由四川重庆市率先使用低 压气囊供气代替汽油，四川石油系统从前苏联引进一套c n g 加气装置。1 9 8 8 年我国分别从新西兰、澳大利亚、加拿大等国家引进了c n g 加气站的全套设 施、改装汽车部件及高压气瓶，分别建站于南充、大庆等地，同时进行了加气 站设施及汽车改装部件的国产化工作。1 9 9 8 年国家成立“全国燃气汽车工作协 调领导小组及办公室 ，开始推广应用燃气汽车。 截至2 0 0 9 年底，我国正式确定清洁汽车重点推广应用城市( 地区) 有1 9 个， 其中包括北京市、上海市、天津市、重庆市、四川省、海南省、西安市、乌鲁 木齐市、长春市、哈尔滨市、济南市、青岛市、银川市、廊坊市、濮阳市、沈 阳市、兰州市和丹东市。截止目前，我国3 0 多个省市天然气汽车保有量已经超 过3 0 万辆，加气站数量已经上千座。目前我国大多数c n g 加气站都是选用国 产设备，加气站净化装置、储气装置、压缩机和加气机等全部实现国产化。国 产设备的总体市场份额在9 0 以上，部分产品达到1 0 0 。c n g 汽车技术也已 实现国产化，上柴股份、东方汽车、上汽依维柯等开发的天然气电喷发动机已 成功地在内蒙古鄂尔多斯运煤专线、城市客车上应用，在运行车辆超过1 0 0 0 辆。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着电子技术的发展，在柴油机机械式燃油喷射系 统及点火系统逐渐为电子控制系统所代替的趋势下，天然气发动机的燃料喷射 及点火系统也以采用电子控制技术为新的研究热点【5 】。 2 1 3 本文的主要工作 本文对原开发的东风n q l 5 0 n 天然气发动机的6 缸电控系统进行了改进和 完善，使其适用于实车道路运行。本文的主要工作如下： 1 通过c j l 2 5 芯片和宽域氧传感器l s u 4 2 完成对过量空气系数入的测量。 2 采用常规p i d 控制和模糊p i d 控制结合的方法对发动机进行空燃比闭环 控制并进行了实验验证。 3 使用怠速阀作为怠速执行机构设计了怠速控制程序，并进行了实验验 证。 4 设计了电子节气门控制程序，进行了电子节气门的跟随实验验证，并将 其应用于发动机怠速控制。 5 设计了下位机中与上位机的串1 2 通讯程序和功能程序。 6 增加了4 缸机的控制程序以使程序适用于4 缸机和6 缸机，并且适用于 不同的曲轴凸轮轴位置发动机。在朝阳c y 4 1 0 5 型4 缸l p g 发动机以 及潍柴w d 6 1 5 型6 缸c n g 发动机验证了系统的可行性。并通过c y 4 1 0 5 发动机的实车实验对电控系统控制策略进行了完善，使其更加符合实车 行驶的要求。 第二章单燃料c n g 发动机实验系统总体构成 本文开发的电控系统主要以n q l 5 0 n 发动机作为研究对象，在该发动机的 实验系统上进行了电控系统控制策略的实机调试以及控制参数的标定。如图2 - 1 所示为发动机实验系统构成示意图。电控单元( e c u ) 控制发动机正常工作，通 过p c 机监控系统可监测发动机部分工作参数并实时修改一些控制参数。发动 机数据采集箱采集安装在发动机上大量传感器的信号并传送给监控室的p c 机， 通过p c 机的f s t 2 d 监控系统软件可监测发动机工作时的转速、扭矩、功率、 进出水温度、排气温度等。f s t 2 d 监控系统还可发送指令给f s t 2 d 发动机数 控系统改变测功机的励磁和节气门位置，同时f s t 2 d 发动机数控系统还可控制 点火开关、启动电机以及发动机水温等。， f s t 2 d s 筻动静l 数控系统 图2 1 发动机实验系统构成图 统 2 1n q l 5 0 n 发动机系统及其它已应用机型 发动机n q l 5 0 n 原为单燃料预混合、双缸同时点火的天然气发动机，其主 要技术参数如表2 1 所示【6 1 。经改装后的发动机如图2 2 所示，采用多点顺序 4 图2 2 改装后的发动机实物图 j k 力友 图2 3 燃气供给示意图 如图2 3 为发动机燃气供给示意图，c n g 存储在6 个气瓶中，最高压力可 达2 0 m p a 。每个气瓶都有一个开关，开关打开后，c n g 首先流过用于显示气瓶 气压的压力表，再经过手动旋拧阀，然后是高压电磁阀。高压电磁阀在e c u 程 序初始化时打开。由于喷气阀只有在0 7 0 0 k p a 压力范围内才能打开，所以高 压天然气需经过减压器减压。高压天然气在降压时吸收热量而使燃气温度过低， 5 所以采用发动机冷却水流过减压器对其进行加热，而在发动机冷启动时需通过 e c u 对减压器上的加热片进行加热控制。经减压器减压后的燃气进入气轨，然 后经喷气阀喷入发动机各气缸。其中气轨可以在一定程度上减少气压的波动， 从而使各缸喷气量均匀【7 1 。 另外本文开发的电控系统也应用在了朝阳c y 4 1 0 5 型4 缸l p g 发动机，装 载在如图2 - 4 ( a ) 中车辆上，也应用在了如图2 - 4 ( b ) 所示潍柴w d 6 15 型6 缸c n g 发动机上。 图2 4 电控系统已应用机型 2 2 单燃料c n g 发动机电控系统总体构成 2 2 1 电控系统的硬件构成 单燃料c n g 发动机电控系统主要由传感器、执行器和控制器组成，其构 成如图2 5 所示。 l l ；j 轴化鼹传感器 卜一6 个喷气阀 鼬轮轴他。配传感器 _ 一 一6 个点火线圈 冷却液温度传感器v 进气歧侉魅力传感器叫高压l 乜磁阀 节气f - j f ：簧传感器 控制器- 叫怠迷阀 加速踏板位筲传感器 啖嘴压力传感器 一l 乜予节气门减胰阀泓度传感器 卜 氰传感器 一 _ 叫加热减餍阀和氧传感器 。i 。 点火丌关 y 日兰r 1 渊p c 计算机 图2 5c n g 发动机电控系统构成示意图 传感器的功能主要是把物理量( 如压力) 和化学量( 如排气成分) 转换成电信 号，通过外围电路可将传感器信号转变为控制器可以处理的信号【8 1 ，本电控系 统主要用到如下传感器： 6 ( 1 ) 曲轴位置传感器检测的信号轮是发动机飞轮的一部分，信号轮采用 ( 6 0 2 ) 型齿，根据信号轮确定发动机工作相位的精度为6 。由于发动机气缸工 作一个循环曲轴转两圈，在某个齿号该缸就有两种可能的相位，而凸轮轴在一 个气缸工作循环内转一圈，所以在凸轮轴上加装了带1 个齿的信号轮，这样就 可以确定发动机当前的工作相位，并以此作为各缸点火喷气相位的基础，同时 还可根据曲轴信号确定发动机的转速。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器都 采用磁电式，如图2 - 6 所示，信号2 和信号3 分别为凸轮轴位置传感器的原信 号和经外围电路处理后的信号，信号4 为曲轴位置传感器经处理后的信号。最 终控制器接收到的是数字信号。 ( 2 ) 冷却液温度传感器一般安装在冷却液循环通道的出口位置，这一位置的 冷却液温度集中代表了一种平均热负荷状态，即在发动机上与燃烧和热功转换 有直接关系的部件( 活塞、气缸、气缸盖等) 的工作温度和冷却强度的共同效果。 同时也在一定程度上反映了润滑油温度的高低【9 】。冷却液温度主要用于对喷气 脉宽的修诈以及暖机工况和怠速工况的判断。 图2 - 6 曲轴位苴传感器和凸轮轴位置传感器信号图 ( 3 ) 迸气歧管压力传感器检测的进气压力可表示发动机负荷大小，相同转速 时节气门开度大则压力高、负荷大，相同节气门开度时转速低则压力高、负荷 大，该压力和发动机转速是喷气脉宽开环查表程序的两个输入量。由于发动机 采用废气涡轮增压，选用的传感器测量范围为2 0 k p a - 2 5 0 k p a 。 ( 4 ) 在不使用电子节气门时节气门和踏板通过机械连接，节气门位置即代表 了踏板位置，所以不需要踏板位置传感器。当使用电子节气门时，控制器需根 据踏板位置传感器信号和节气门位置反馈信号控制节气门位置。节气门位置主 要用于启动工况、加减速工况等的判断。 ( 5 ) 喷嘴压力传感器安装在气轨的一端，用于检测气轨中的气压来对喷气脉 宽进行修正。 ( 6 ) 减压阀温度传感器用于检测减压阀温度来判断是否对其加热，以保证高 压天然气经减压后的气化程度。 ( 7 ) 氧传感器安装在排气管处，通过检测排气成分来确定混合气的过量空气 系数，并通过闭环控制修正喷气脉宽以达到目标的过量空气系数。 控制器将从传感器得到的信息进行综合分析，决定发动机当前的运行模式， 7 然后根据分析结果发出控制指令并送到执行器【l 们。本文选择f r e e s c a l e 公司的 m c 9 s 1 2 d t 2 5 6 作为控制器的主控芯片，其最大总线频率为2 5 m h z ，拥有2 路 s c i 、3 路s p i 、3 路c a n 总线、1 路1 2 c 、1 6 路1 0 位a d 、8 路8 位的p w m 、 8 路1 6 位定时器通道等】，本文采用总线频率为2 4 m h z 。 执行器接收e c u 的指令直接作用于发动机，主要包括6 个喷气阀、6 个点 火线圈和火花塞、怠速阀或电子节气门等。 2 2 2 电控系统的软件设计 电控系统软件基本采用c 语言编写，模块化设计，主要包括参数端口初始 化、喷气脉宽查表、工况判断等子程序以及曲轴输入捕捉中断、凸轮轴输入捕 捉中断、模数递减中断、各缸点火喷气的输出比较中断等中断程序。 2 2 2 1 主程序设计 主程序流程图如图2 7 所示。e c u 上电后首先进行端口、变量、模块的初 始化，然后控制怠速阀后退，最后通过s p i 读取c j l 2 5 的故障寄存器，以上程 序在每次上电后只需运行一次。紧接着运行主循环程序，分为两部分：一部分 直接在主循环中循环运行：另一部分按时间循环运行，考虑到氧传感器的响应 时间为8 0 m s 左右，循环时间取为1 0 0 m s 。 a d 采集程序在模数递减中断程序中执行，“a d 变量赋值并计算将采集 到的a d 值赋给相应的变量并将其转化为实际物理量值，如进气压力、过量空 气系数等。 图中虚线框的“后台控制增减喷气脉宽和点火提前角和“后台控制加减 速子程序 主要用于在实验室后台标定用，车辆正常运行时不会运行此段程序， 其中“后台控制加减速子程序 详见第五章电子节气门部分介绍。另外图中计 算“强关齿号 会在第六章详细介绍。 车用发动机的点火开关分为两档：一档用于给e c u 一个开关信号，根据一 档开关信号e c u 有相应的指示灯显示；二档控制启动电机的停转。图2 7 中的 “点火开关控制”即e c u 对一档开关状态的控制，一档处于开时允许曲轴凸轮 轴输入捕捉中断，允许判断工况、计算喷气脉宽、喷气点火等；关一档用于正 常停机，e c u 关闭曲轴凸轮轴的输入捕捉中断，停止喷气点火，转速清零，并 对部分变量复位以准备下次启动发动机。 当发动机经多次启动失败后过多可燃气体堆积在火花塞附近导致无法启 动。此时驾驶员可首先踩踏板超过9 0 后再启动，“淹缸控制子程序 使发动 机不喷气只点火将过多燃气燃烧掉以便下次能顺利启动。 “故障诊断 、“实时显示和“通讯子程序 详见第六章介绍。 8 图2 7 主程序流程图 9 2 2 2 2 工况判断程序 工况划分就是将电控c n g 发动机的总体控制策略通过区分不同的工况， 划分为若干个分控制策略。在实际进入控制策略处理时，先根据c n g 发动机 工况参数判断当前处在什么工况，然后根据当前的工况转入对应的处理模块p j 。 本文根据实车运行的需要设计了以下几个运行工况： ( 1 ) 启动工况：发动机在启动电机带动下运转，如果满足转速超过1 0 0 r m i n 且节气门位置小于3 则判断为启动工况，发动机处于启动工况时需要进行喷 气脉宽启动加浓，并开始加热氧传感器。 ( 2 ) 暖机工况：如果启动后节气门位置仍保持小于3 ，且转速超过5 0 0 r m i n ， 水温低于8 0 ，则发动机处于暖机工况。此时为了快速暖机怠速阀保持全开。 ( 3 ) 怠速工况：和暖机工况前两个条件相同，当水温超过8 0 时，发动机进 入怠速工况，怠速阀开始关小使发动机转速处于怠速范围内。详见第五章介绍。 ( 4 ) 急加速工况：当节气门位置超过3 ，驾驶员猛踩踏板，发动机进入急 加速工况，此时进入气缸空气量瞬间增加但喷气脉宽还未来得及改变，这样造 成瞬间空燃比过稀，排放恶化，且发动机转速可能会有瞬间下降的情况，所以 在急加速工况需在原查表和闭环控制的基础上再加浓混合气。详见第四章介绍。 ( 5 ) 急减速工况：如果节气门减小超过2 0 ，且此时发动机转速超过 1 1 0 0 r m i n ，发动机进入急减速工况，停止喷气。当转速降到1 1 0 0 r m i n 以下时 重新开始喷气。在实车运行时发现，驾驶员换挡时首先松开踏板，此时发动机 进入急减速工况停止喷气，再踩下离合，发动机在没有车辆倒拖的情况下转速 迅速下降但还未恢复喷气，此时挂档相当于给发动机突加负荷，极易造成发动 机熄火。因此在判断急减速工况后不能直接停止喷气，而是计时1 5 秒后再次 根据当前节气门位置和上次急减速工况中的最大节气门位置比较如果仍超过 2 0 ，此时才能判断为真正的急减速工况并停止喷气，这样避免了在换挡过程 中停喷导致熄火的危险。如果松开踏板后不踩离合挂着档，发动机转速会在车 辆的惯性带动下慢慢下降直至恢复喷气。 ( 6 ) 倒拖工况：正常情况下节气门位置小于3 时发动机转速肯定低于 1 2 0 0 r m i n ，如果转速高于1 2 0 0 r m i n ，肯定是由于车速高而带动发动机转速高， 此时发动机处于倒拖工况。在实车运行时发现有两种情况会进入倒拖工况：1 下坡过程中，此时必须停止喷气使发动机不再输出扭矩从而提高驾驶安全性， 同时提高经济性；2 车辆原处于高速状态，此时驾驶员松开踏板使车辆滑行， 此时为了提高经济性停止喷气。由于驾驶员在换挡时会先松开踏板，然后踩离 合器，再踩踏板，此过程可能会满足上述条件，为了防止这种情况也判断为倒 拖工况而停止喷气，在第一次检测满足上述条件后，等待2 秒过后再次判断， 如果仍满足上述条件才能判断为倒拖工况。如图2 8 所示为图2 4 ( a ) 中的车辆 在下坡时进入倒拖工况的转速和喷气脉宽图，此过程中踏板一直处于松开状态， l o 下坡时发动机转速逐渐增加，第7 秒时转速已超过1 2 0 0 r m i n ，2 秒后即第9 秒 停止喷气，第1 7 秒时转速达到最高，之后下坡结束，转速开始降低，第2 2 秒 时转速低于1 2 0 0 r m i n 重新开始喷气。 ( 7 ) 超速工况：上述n q l 5 0 n 发动机最高转速为2 6 0 0 r m i n ，为防止发动机 超速运转而损坏零件，当转速超过2 8 0 0 r m i n 时停止喷气，当转速低于2 7 0 0 r m i n 时重新开始喷气。 ( 8 ) 正常工况：节气门大于3 且不是上述工况则发动机处于正常工况。发 动机大多数时间处于正常工况，此时通过转速和进气压力查喷气m a p 表以及 闭环控制来计算喷气脉宽。 图2 8 下坡工况时的转速和喷气脉宽图 2 。2 2 3 熄火保护程序设计 主程序中通过点火开关停机为正常停机过程，发动机也会因启动失败等原 因意外熄火，此时必须及时切断发动机的喷气和点火，使喷气点火信号都输出 低电平以免烧毁喷气阀和点火线圈。本文通过曲轴信号来判断发动机是否熄火， 每次曲轴中断时给变量c l o s en u m b e r 赋值2 0 ，每次模数递减中断时 c l o s en u m b e r 减1 ，并判断该值，如果为0 则说明发动机熄火，即当两次曲轴 中断间隔超过大约l o o m s ( 模数递减中断每5 m s 运行一次1 ，转速低于1 0 r m i n 时判断发动机熄火，此时同样关闭曲轴凸轮轴的输入捕捉中断，停止喷气点火， 转速清零，并对部分变量复位以准备下次启动发动机。 2 3 本章小结 本章介绍了单燃料c n g 发动机n q l 5 0 n 实验系统的总体构成、n q l 5 0 n 的燃料供给系统以及已应用本电控系统的另外两个机型；分析了电控系统的硬 件构成以及软件设计中的主程序和工况判断程序。 第三章宽域氧传感器l s u 4 2 的应用研究 氧传感器是发动机进行空燃比闭环控制必不可少的部件。普通氧化锆型氧 传感器会在入= 1 附近产生一个跳跃性的输出电压变化，当发动机需要稀混合气 或浓混合气控制时，这一类的氧传感器就无法胜任了f l2 1 ，而宽域氧传感器可以 在较大的浓稀范围内输出和入几乎成线性的电压值。本章首先分析了氧化锆型 氧传感器和宽域氧传感器l s u 4 2 的结构及工作原理，并对l s u 4 2 的控制芯片 c j l 2 5 作了深入的研究，同时还设计了氧传感器加热控制程序、c j l 2 5 和e c u 的s p i 通讯程序，最后对l s u 4 2 进行标定使其输出的电压可以转化为正确的 入值。 3 1 氧化锆型氧传感器的结构和工作原理 氧化锆型氧传感器结构如图3 1 所示，其基本元件是氧化锆( z r 0 2 ) 陶瓷体， 它是一种具有氧离子电导特性的固体电解质。陶瓷体制成试管状( 锆管) ，其内 外表面都覆盖有一层多孔性的铂膜作为电极。为防止废气中的杂质腐蚀铂膜， 在外表面铂膜上覆盖有一层多孔氧化铝保护层。氧传感器内侧与空气接触，外 侧直接与废气接触。氧化锆型氧传感器基于能斯特电池原理，当温度超过3 0 0 时，氧化锆内外表面吸附的氧气发生电离，氧离子会从氧气分压高的大气侧 向氧气分压低的排气侧流动，在内外两个电极之间便产生了电动势，其大小正 比于两侧氧气分压力之比的对数，空气侧为正极，排气侧为负极。当混合气稀( 入 1 ) 时，排气中氧含量高，锆管内外侧氧浓度差小，则内外侧电极之间产生的电 压很低( 接近o v ) ；混合气浓( 入 1 ) 时，能斯特电池输出电压低于4 5 0 m v ，控制单元施加正向电流i p 通过泵氧 电池，从检测室抽出氧，且入越大，抽出氧量应越多，即加在泵氧电池上的泵 电流越大；反之当混合气浓( 入 1 ( 稀混合气) 时，泵电流为正， u a 输出大于1 5 v ；当入 l ( 浓混合气) 时，泵电流为负，u a 输出小于1 5 v 。 ( 5 ) 传感器和泵电流控制的虚拟地电压源模块( b o x5 ) 控制单元需要虚拟地才能产生正负两个方向的泵电流，虚拟地电压为 2 5 v ( 0 5 v c c ) 。 ( 6 ) 能斯特电池参考电压源模块( b o x6 ) 参考电压源( 4 5 0 m y ) 是相对于虚拟地的电压。 ( 7 ) 振荡器模块( b o x7 ) 在o s z 引脚连接1 0 k d 的外部电阻时，r c 振荡器的频率为1 9 2 k h z ( 如果不 接，c j l 2 5 保持复位模式) 。 ( 8 ) r i 或者r i 。a i 测量模块( b o x e s8 at ob e ) 通过s p i 通讯可控制该模块用于测量能斯特电池内阻r i 或者r i 。a i 。对于 l s u 4 2 ，r i 。a i 为8 2 5 f l ，正好等于l s u 4 2 工作于7 5 0 时的内阻，所以可以把 测量r i 。a l 时输出的电压作为控制传感器温度的目标值。该模块输出电压v u r 和 内阻的关系如下式： v u r = v c c 17 + v r i i r m 拳r i( 3 2 ) 上式中v c c 为5 v ：v r i 为放大系数，取1 5 5 ；i r m 为测量电流，对于l s u