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压缩空气发动机电控系统的研究 摘要 压缩空气发动机是将高压空气中存储的能量转化为扭矩形式的机械 能输出，不消耗石油燃料，作为汽车动力可以使汽车真正成为“绿色”、 “零污染 的清洁汽车。 在本课题组工作经验基础之上，本文完成了如下工作： 1 在已有电控单元硬件平台基础之上，本文对电控单元进行软件设计 以适用于四缸压缩空气发动机。采用c 语言编程、模块化程序设计方法。 程序主要模块包括信号采集、u a r t 串口通讯程序设、在线读写e e p r o m 程 序、s p i 通讯程序、工况判断处理并查取m a p 数据程序、完成对四个电磁 阀的喷射时序控制等等： 2 开发了与电控单元配套的压缩空气发动机e c u 监控平台，实现了数 据的实时显示采集、m a p 数据的在线上传下载、m a p 数据的三维显示离线 处理等功能。 3 扩展电控单元通讯方式，开发了基于c a n 总线的压缩空气发动机智 能仪表。实现了e c u 与仪表的数据共享。 4 设计并实际改装了一台四缸四冲程电控压缩空气发动机。搭建了实 验台架，并对压缩空气发动机进行了实验。 关键词：压缩空气发动机；电控系统；台架实验； s t u d y o i le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fc o m p r e s s e da i re n g i n e a b s t r a c t c o m p r e s s e da i re n g i n ei sak i n do fp o w e rm a c h i n ew h i c ht r a n s f o r m se n e r g y s t o r e di nt h eh i g h - p r e s s u r ec o m p r e s s e da i rt ot o r q u ew i t h o u tm i n e r a lf u e l c o n s u m e d t h u s ，i t c a nm a k et h ea u t o m o b i l ec o m p l e t e l yg r e e na n d z e r o p o l l u t i o n b a s e do ne x p e r i e n c e sa c q u i r e db yo u rr e s e a r c ht e a m ，t h i sp a p e rh a s f i n i s h e dw o r k sa sf o l l o w i n g ： 1 、t h ee c ud e v e l o p e db yo u ra c a d e m i ct e a mi sp r o g r a m m e dt o c o n t r o laf o u r c y l i n d e rc o m p r e s s e da i re n g i n e cp r o g r a m m i n g l a n g u a g e a n dm o d u l a r i z a t i o nm e t h o da r ea d o p t e dd u r i n g t h e s o f t w a r ed e v e l o p i n gp r o c e s s t h ep r o g r a mc o n s i s t s o fs e v e r a l d i f f e r e n tm o d u l e s ，i n c l u d i n g s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，u a r t s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m o d u l ef o ro n l i n er e a d i n ga n d w r i t i n go fe e p r o m ，s p ic o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m o d u l e o f o p e r a t i o nc o n d i t i o nj u d g m e n ta n dm a pq u e r y ，c o n t r o lm o d u l ef o r i n j e c t i o ns e q u e n c eo ff o u rs o l e n o i dv a l v e ，a n d e t c 2 、m o n i t o rs o f t w a r ef o rt h ee c ui sa l s od e v e l o p e d ，u s i n gt h ev i s u a l ba s i ci d ea st h ed e v e l o p m e n tt o o l ，w h i c hc a nr e a l i z et h eb a s i c f u n c t i o n sb o t ha sam o n i t o ra n dc o n t r o l l e r ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i n g a n dr e a l t i m ed i s p l a y ，u p l o a da n dd o w n l o a do ft h em a pd a t a ，m a p s h o wi nt h ef o r mo f3d i m e n s i o n s ，a n de t c 3 、c o m m u n i c a t i o nm e a n so ft h ee c ui se x p a n d e d i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n tt os h o wr u n n i n gp a r a m e t e r so ft h ee n g i n ei sd e v e l o p e d ， w h i c hs h a r e sd a t aw i t he c uv i ac a nb u s 4 、af o u r c y l i n d e rg a s o l i n ee n g i n ei sm o d i f i e di n t oc o m p r e s s e da i r e n g i n e t e s tb e n c hi s b u i l tf o rt h em o d i f i e de n g i n e ，a n ds e r i e so f t e s t sc a r r i e do u to ni t k e y w o r d s ：c o m p r e s s e da i re n g i n e ：e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ；b e n c ht e s t 插图清单 图卜l 印度t a t a 汽车制造的压缩空气动力汽车3 图卜2m d i 公司推出依靠压缩空气汽车a i r p o d 0 4 图卜3 压缩空气发动机电控单元结构示意图5 图卜4p i c l 6 f 8 7 3 a 内部结构及片上资源框图7 图卜5m 9 5 2 5 6 引脚排列7 图2 一l 主机主循环程序流程图1 1 图2 2 主机中断程序流程图1 2 图2 3 读e e p r o m 程序流程图1 3 图2 4 写e e p r o m 程序流程图1 3 图2 5m a p 数据节点示意图1 3 图2 6m 9 5 2 5 6 技持的s p i 模式1 4 图2 7 查m a p 图程序流程1 4 图2 8 串口中断程序流程图1 5 图2 9 从机中断程序流程图1 7 图2 一l0 从机主程序流程图l 7 图2 一1 1i n t 引脚中断程序流程图1 8 图2 1 2t r m 2 中断程序流程图1 8 图2 一1 3 从机t m r o 中断程序流程1 9 图2 一1 4 定时器l 中断流程图1 9 图2 1 5 各缸喷射时序示意图1 9 图2 一1 6 主机s p i 通讯程序流程图2 1 图2 1 7 从机s p i 通讯中断程序流程图2 1 图2 一1 8 程序优化前2 2 图2 一1 9 程序优化后2 2 图2 2 0e c u 系统仿真模型2 3 图2 2 l 电磁阀控制端波形2 3 图2 2 2 串口测试波形2 5 图2 2 3s d o 和s d i 波形2 5 图2 2 4c s 与s d o 波形2 6 图2 2 5s c k 与s d o 的相位关系2 6 图3 一l 监控平台工作原理示意图2 7 图3 2 气动发动机监控平台主界面2 8 图3 3 压力传感器静标拟合曲线2 9 图3 4 串口数据发送缓冲队列入队流程3 1 图3 5 串口数据接收缓冲队列入队流程3 2 图3 6 串口接收缓冲队列数据解读流程图3 2 i 图3 7 数据帧判读处理程序流程图3 4 图3 8 环形缓冲队列存储读取示意图1 3 5 图3 9 环形缓冲队列存储读取示意图2 3 6 图3 一1 0 实时监控曲线界面示意图3 6 图3 一l l 采集数据动态回放界面示意图3 6 图3 1 2 下载m a p 数据程序流程图3 8 图3 一1 3m a p 数据处理界面3 9 图4 一l 车载网络4 1 图4 2c a n 总线位逻辑值定义示意图4 2 图4 3c a n 总线应用示例4 3 图4 4 智能仪表原理示意图4 6 图4 5 最小系统4 7 图4 6r s 2 3 2 - c 电平转换电路4 7 图4 7 仪表电源模块4 8 图4 8s j a l0 0 0 内部结构框图4 8 图4 9m c p 2 5 1 0 引脚排列图5 0 图4 一i 0m c p 2 5 1 0 原理示意框图5 0 图4 1 l 转换电路5 0 图4 一1 2 驱动显示电路一5 l 图4 一1 3 仪表p c b 图5 l 图4 1 4m c p 2 5 10 初始化程序流程5 4 图4 1 5c a n 位时间段组成示意图5 5 图4 1 6c a n 发送程序流程图5 6 图4 一1 7c a n 总线数据接收流程图? 5 7 图4 1 8 任务分配示意图5 9 图4 1 9s c k 与s d o 相位关系6 0 图4 2 0c s 与s c k 的关系：6 0 图4 2 1 标准格式数据帧实测波形6 1 图4 2 2 实测波特率估算图：6 1 图5 1 电控压缩空气发动机系统总体布局6 3 图5 2四缸压缩空气发动机电控系统6 4 图5 3 发动机高压喷射系统6 4 图5 4 发动机实验台架系统6 5 图5 5 气动发动机6 0 0 r i i n 标定曲线6 6 图5 6 气动发动机7 0 0 r m i n 标定曲线6 6 图5 7 气动发动机8 0 0 r m i n 标定曲线6 6 图5 8 气动发动机9 0 0 r u i n 标定曲线6 6 图5 9 喷气提前角三维m a p 图6 6 i v 图5 一l o 喷气脉宽三维m a p 图6 6 图5 1 l 变压力曲线6 7 图5 一1 2 变脉宽实验6 7 v 表1 一 表2 一 表3 一 表3 一 表3 一 表3 一 表4 一 表4 一 表4 一 表4 一 表格清单 1m 9 5 2 5 6 引脚功能7 1m 9 5 2 5 6 操作命令1 4 1 压力传感器静态标定数据2 9 2m s c o m m 控件常用属性3 0 3p c 机向e c u 发送数据帧种类及作用3 3 4e c u 向p c 机发送数据帧种类及作用3 3 l 帧的种类及用途4 5 2 主控单片引脚分配4 6 3s j a l 0 0 0 引脚功能4 9 4m c p 2 5 1o 指令集5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒日巴王些太堂 或其他教育机构的学位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。 学位论文作者签字秣字吼妒7 年和1 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 e 巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：碍 签字日期卅年4 月d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 日 o 月 务 勿 瓤雕 ： ： 字 话 编 签 电 亳薹 致谢 本文是在左承基教授悉心指导下完成的。论文选题、方案构思、工作 实施以及论文撰写的整个过程中，无不浸透着导师的大量心血。左老师渊 博的学识、虚怀若谷的风范、勤于思考善于分析的严谨治学态度，循循善 诱诲人不倦的教育情怀，废寝忘食的工作作风、宽容的气度、乐观豁达的 精神风貌和高尚的人格情操都给我留下了深刻印象，是我永远学习效法的 榜样。 借此机会，感谢左老师三年来的不倦教诲和辛勤培养! 祝愿您和您家 人身体健康，阖家幸福! 同时，在这近三年的研究生学习生活中，也得到了滕勤老师、刘一鸣 老师、程晓章老师、汪春梅老师、钱叶剑老师、谈建老师、徐天玉老师、 路苏君老师等老师无论在学习和生活上的关心与帮助，在此向他们表示最 诚挚的谢意! 感谢已毕业师兄，王斌、刘胜、宋小芹、王优生、陈斌等对我的帮助 和鼓励! 感谢徐谦、鲁爽、吕春天、博士、石军平、徐玉兵、蔡晓霞等同学! 感谢他们三年来在生活学习上的照顾和帮助! 感谢0 7 级、0 8 级动力机械及工程专业张超、杨绪元，黎幸荣、安鹏、 张健、马勇、王立杰、张军等师弟的帮助! 也要感谢0 8 届本科毕业生王成、黎潮波、易洋、任智勇在压缩空气发 动机改装、台架搭建过程中的辛勤劳动! 衷心感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友们! 最后，我要特别感谢我的父母和亲人，是他们的不断的鼓励、关怀和 支持才使我能够完成十多年的学业，我将永远铭记在心。 作者：邓荣冰 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 前言 世界范围的能源短缺问题以及环境污染问题几乎成了人类当前面临的最紧 迫的两个挑战。汽车工业的迅速发展，推动了全球经济的发展。汽车文明是人 类文明的重要象征。但是，汽车在造福人类的同时，也带来了很大的弊端。由 于绝大部分汽车搭载的都是以石油制品为燃料的内燃机，在消耗大量宝贵的不 可再生资源的同时造成的污染也日益严重，尾气、噪声和热岛效应对环境造成 的破坏，已经成为了能源短缺和环境污染的主要原因之一。 为了应对汽车领域对能源短缺和环境污染造成的压力。内燃机领域专家从 不同方向进行着探索尝试心3 m 钔。归纳起来有这样几个方向： ( 1 ) 优化燃烧过程、运用更先进的后处理技术。比如采用电子控制技术精 确控制燃油喷射。发动机的增压和中冷技术。汽油机缸内的分层燃烧技术。三 效催化转换，废气再循环，废气重整等等。 ( 2 ) 寻找内燃机替代能源以减少对石油等不可再生资源的依赖。比如燃用 天然气、甲醇、乙醇、二甲醚和各种生物质等等。 ( 3 ) 开拓新的动力产生方式。例如使用不同形式的电动汽车，蓄电池电动 车将电能转换成化学能再转换成动能。太阳能光伏电动汽车将光能转换成电能 再转换成动能等等。 这些不同方面的尝试在不同阶段不同程度的为缓解汽车能源问题起到了一 定的作用。但是这些技术或多或少都有其难以回避的弱点或技术障碍。通过燃 烧技术和排放控制技术的发展，虽然发动机在性能上得到了大幅提升，但是发 动机本身性能的改善也有一个极限，而且最终还是不能摆脱作为其燃料的化石 能源日益枯竭的现状。替代燃料也取得了不小的进展，但是在目前来讲大规模 使用替代燃料还不是很现实。因为大部分替代燃料、生物燃料都来自于粮食作 物，粮食作物向替代燃料生产的大范围转移又带来了另一个危机，那就是粮食 短缺。代用燃料汽车仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料 燃烧控制也困难。所以目前最有前途的方向是开拓新的动力产生方式。“绿色汽 车 就是在此大环境下应运而生的一个概念儿 哺。 “绿色汽车”是为解决石油资源的有限性和汽车尾气对环境造成的污染而 提出的一种崭新的汽车设计理念。它包含这样几层意思：( 1 ) 所利用的能源可 长久地满足汽车对动力的需求；( 2 ) 制造过程或所需材料不会造成二次污染； ( 3 ) 零污染物排放。符合“绿色汽车 要求的有燃料电池汽车、太阳能汽车和 气动汽车等。 燃料电池电动汽车的电池工作原理最为科学，是目前电动汽车研究的最高 阶段，代表电动汽车未来的发展方向。但现在的问题是成本很高，生产一辆燃 料电池电动汽车的费用是普通燃油汽车成本的i 0 0 倍。而高额的成本，还是归结 于技术的制约。纯电动汽车也取得了不小的成就。但是众所周知大容量、轻重 量、长寿命的蓄电池仍是个世界性的难题，成为了纯电动汽车向前发展的一个 瓶颈。还存在功率比、循环寿命、冲放电性能、造价、污染和安全性等方面的 一系列问题，一时还难以达到实用的程度，电池本身也存在严重的二次污染问 题。 在人类汲汲寻求新能源的道路上，也对压缩空气动力产生了浓厚的兴趣。 压缩空气动力最基本的原理就是将高压空气的压力能转化为转动形式的机械能 输出，产生的扭矩用以推动汽车。压缩空气发动机作为一种绿色动力，不仅可 以实现真正意义的零排放，还能对城市空气起到净化作用。与其他“零排放 动力，如电池、燃料电池发动机相比，对城市大气环境的保护作用更为显著。 压缩空气发动机实际上也是一种对电能的应用方式。使用空气压缩机将常态的 空气进行压缩，并储存入高压气瓶中。当汽车行驶时，利用气瓶中储存的高压 压缩空气，在发动机气缸内膨胀释放出的压力能，以推动活塞的下行。它的能 量转换路线为：电能一高压空气压力能方式存储一动能。实质上是避开蓄电池 储存电能的这个环节，用另一种储能形式替代。从而绕开了目前电动汽车蓄电 池这个瓶颈问题。就目前来讲，在使用较低成本的前提下，利用最新的压缩空 气动力技术可以达到比蓄电池略高的能量密度和更远的续驶里程。综上所述， 压缩空气发动机是一种很有发展潜力的动力装置阻儿驯u 。 1 2 压缩空气发动机的研究现状 实际上，压缩空气动力发动机并不是最近才出现的新鲜事物，早在1 8 世纪 初就出现了由压缩空气作为动力的压缩空气发动机概念。当时主要设想是类似 于有轨电车。但由于当时材料和加工条件等因素的制约，该压缩空气动力汽车 的概念并没有被实施。随着技术的不断发展先后出现了单级膨胀压缩空气发动 机、热交换单级膨胀压缩空气发动机、两级膨胀式压缩空气发动机、两级膨胀 级间加热式压缩空气发动机、三级膨胀式压缩空气发动机、燃油+ 压缩空气混和 动力发动机。到1 9 3 0 年，随着柴油机技术的发展，压缩空气发动机逐渐从人们 生活中消失。时隔近半个世纪后，由于世界面临能源危机和空气污染的双重压 力，压缩气动发动机作为一种不消耗石油的清洁动力又回到了人们的视线口q ”。 美国华盛顿大学( u n i v e r s it yo fw a s h i n g t o n ) 在美国能源部的资助下，1 9 9 7 年研制了一台以液氮为动力的气动原型汽车。美国加州大学洛杉矶分校的( u c l a ) 的t s u c h i n t s a 教授在福特汽车的资助下开展了压缩空气+ 燃油混和动力发动机 的研制。据估计，该混和动力系统在市区行驶时可以比纯内燃机汽车节能6 4 ， 在高速公路行驶时可以节能1 2 。 英国伦敦威斯敏斯特大学( u n i v e r s i t yo fw e s t m i n s t e r ) 的c j m a r q u a n d 教授设计了一台试验型的两级偏心叶片式气动发动机并进行了台架试验。 2 m a r q u a n d 教授的气动发动机重5 0 k g 工作压力为45 m p a ，采用两级各1 2 个叶片 的偏心叶片转子，在1 0 0 0 r m i n 时可输出2 5 k w 的功率，工作效率达到9 8 以上。 法国的空气动力汽车研究工作主要集中在法国工程师g u yn e g r e 领导的研 究小组，他们致力于压缩空气动力汽车的研发，己获得相关的专利2 0 余项，并 组建了法国m d i 汽车公司专门研制气动汽车。到2 0 0 1 年底，已经设计制造出多款 气动汽车，并计划在南非的约翰内斯堡和墨西哥的璺西哥城投入小批量商业生 产。最新的安装有g u yn e g r e 的气动发动机的气动汽车以一罐9 0 l ，3 0 0 b a r 压力 的压缩空气可以行驶2 4 0 k m 。值得一提的是，m d i 公司气动汽车上采用的是种 新研制的专用压缩空气发动机，采用了特殊设计的曲柄连杆机构。在发动机运 行时，活塞可以在上止点处停留7 0 。衄轴转角。通过增加等容充气时间提高缸 内压力，同时增加了熟交换时间从而提高能量转换效率o ”“川。 据国外媒体报道，印度塔塔汽车公司2 0 0 8 年5 月3 1 日宣布，他们已经成功地 研制出一款压缩空气发动机动力汽车，这款汽车的最高时速可以达到每小时6 8 英里( 约合1 0 9 公里) 。其压缩空气发动机核心技术来自于法国如i 公司。图卜l 为印度t a r a 汽车制造的压缩空气动力汽车。 圉卜1 印度t a r a 汽车制造的压缩空气动力汽车 据某媒体报，2 0 0 8 年1 0 月1 6 号，m d i 公司决定给空气动力汽车a i r c a r ” 正式命名为4 f l o w a i r + 。官方还基于其压缩空气技术推出了4 款不同的车型。这 几款的外观都有所不同，上市时间也不一样。预计在2 0 0 9 年初其中一款车o n e f l o w a i r 会首先在法国上市剩余几款也会在之后的几年内陆续推出。另据称， 继与印度汽车巨头t a r a 汽车合作之后，帅i 公司将进军美国市场。图卜2 是m d i 公司推出依靠压缩空气汽车a i r p o d 。 图i 一2m d i 公司推出依靠压缩空气汽车a i r p o d 国内在压缩空气发动机的研究上起步比较晚，从事研究的单位也很少。据 查相关文献，浙江大学组成了气动汽车课题项目组进行了气动汽车的研究工作。 主要从事单级膨胀式、两级膨胀式气动发动机结构及工作特点运用仿真计算 研究分析各工作参数对发动机性能特性的影响和规律。在此基础上，将本田 c b l 2 5 t 摩托车改造为原理性样车“3 。“1 。而台肥工业大学在二冲程压缩空气发动 机设计、工作过程数值模拟，四冲程电控压缩空气动机设计改装、电控系统开 发方面也做了不少工作。合肥工业大学和中国科学技术大学合作在r 1 7 5 型柴油 机上对凸轮配气的压缩空气发动机进行了深入的试验研究及相关的理论分析， 包括进气相位研究、冷却水温度影响研究等，取得了一定的成果。并将调试后 的压缩空气发动机安装于三轮运输车上，进行了实际试车实验“”m 。 1 3 本研究的技术基础 在本研究进行之前，本课题组已在理论和实际操作上进行了大量卓有成效 的工作。提出了一台r 1 7 5 柴油机的改装方案，针对实际进气提前角进行工作循 环的模拟计算，给出改装机输出功率与质量流量的理论值。成功研制了一台直 动阀配气的单级往复式压缩空气发动机。为了更精确的模拟压缩空气发动机， 提出了以f l o w m a s t e r 软件为平台的压缩空气发动机建模仿真模型。仿真结果与 实验数据达到了较好的吻合。在此基础之上，提出了两个实用的优化方案，井 对其进行性能预测。 本文最直接的基础是电控单缸四冲程压缩空气发动机的成功研制。提出了 采用喷射式进气方式的电子控制压缩空气发动机的设计方案；进行了压缩空气 发动机管理系统硬件和软件的设计、制作及调试，可以根据发动机运行工况的 不同实现了进气喷射正时和喷射脉宽灵活、精确地控制：搭建单缸电控喷射式 压缩空气发动机的试验台架，并进行相关的试验研究。 本文的工作是建立在单缸四冲程压缩空气发动机电控系统硬件基础之上 的。所以有必要对电控系统硬件组成、工作原理进行一个简要的介绍。 1 3 1 电控单元的硬件组成和原理 本电控系统e c u 主要包括传感器信号调理电路、微处理器电路、功率驱动电 路。为了保证控制的实时性要求，控制微处理芯片采用主从结构布置。主机用 于处理运算量大耗费时间多的程序，从机完成要求实时性高的电磁阀开关控制。 基本原理是：电子控制单元主机根据发动机的转速和踏板位置这两个主控信号， 判断出发动机所处的运行工况，查找位于外部存储器中的m a p 数据得出所需要的 进气喷射正时和喷射脉宽，并由辅助信号如进气压力、大气温度、蓄电池电压 等加以修正，然后将喷射正时和喷射脉宽通过s p i 接口传送给从机，从机运用控 制参数输出驱动信号用以控制高速电磁阀的开闭雎。电控单元硬件示意如图卜 3 。 图卜3 压缩空气发动机电控单元结构示意图 1 3 2 传感器 本系统传感器包括，转速与上止点信号传感器、油门位置传感器、蓄电池 电压传感器、喷射压力传感器、温度传感器。传感器输出信号中既有模拟信号 也有数字信号，在进入单片机之前要经过滤波、整形、放大等处理。 1 转速与上止点信号传感器 转速与上止点信号传感器的功能有两个。一是作为凸轮轴位置信号输入， 另一个是发动机转速信号输入。转角传感器采用o m r o n 公司旋转式光电编码器 ( r o t a r ye n c o d e r ) ，该传感器输出轴每旋转一周将产生一个参考脉冲( c 相， 又称为原点脉冲) 和3 6 0 个转角脉冲( a 相和b 相) 。将转角传感器安装在凸轮轴 末端，既可以反映出凸轮轴的位置。同时，发动机曲轴又与凸轮轴之间通过一 个2 ：l 的传动齿轮连接，即凸轮轴的转速是发动机曲轴转速的一半。这样，就 可以测得发动机曲轴的转速了。由于这两个输出信号均是标准的t t l 电平信号， 且周围环境并无很大的噪声源。所以，对它们的处理只需简单的串联限流电阻 即可。 2 压力传感器 喷气压力传感器为s e t r a 公司生产的m o d e l2 0 9 压力传感器。采用2 4v 的直 流电压供电，测量0 - - 6 0b a r 的气体或液体，输出信号为4 2 0m a 的直流电流信 号。由于喷气压力传感器输出的是4 一- - 2 0m a 的直流电流信号，所以需要将它转 变成电压信号。采用了并联电阻经滤波放大处理后，接单片机a d 采集通道被e c u 使用。 3 大气温度传感器 大气温度传感器采用的是热敏电阻型温度传感器，测温范围在一4 0 。c 4 0 。经滤波处理后进入单片机a d 采集通道。 4 油门位置传感器 踏板位置传感器使用的是阻值为4 7kq 的多圈旋转式电位器。也和大气温 度传感器一样，经滤波处理后进入单片机a d 采集通道。 1 3 3 执行器 执行器为贵州红林生产的h s v - 3 0 5 1s 5 高速电磁阀。该电磁阀为脉宽调制型， 采用1 2v 直流电压供电，所能承受的最大压力为5m p a 。驱动电路中运用双m o s 驱动器实现小电压5 v 控制大电压1 2 v ，然后控制功率场效应管。功率场效应管驱 动电磁阀的开闭。驱动电路和前级控制电路用光偶隔离。 1 3 4 微控制器 微控制器是电控单元的核心，进行数据处理和控制计算，实现对发动机的 逻辑控制。微控制器芯片的选择主要取决于功能分析，以能满足功能要求且价 格低廉性能良好作为原则。本电控单元所选用的单片机为m i c r o c h i p t e c h n o l o g yi n c 生产的p i c l 6 系列的8 位单片机1 6 f 8 7 3 a 作为微控制器。 p i c l 6 f 8 7 3 a 内部结构及片上资源框图如图i - 4 。其基本特点有如下几个： l 、存储器组织体系采用了“哈佛 结构和功能强大的精简指令集( r i s c ) 单片机内核； 2 、8 级硬件堆栈用于保护和恢复程序计数器； 3 、工作频率0 2 0 m h z ，用户可选择多种时钟模式； 4 、引入指令执行流水线机制，指令顺序执行时1 条指令只需1 个指令周期， 程序分支跳转时才需要2 个指令周期： 5 、采用精简指令集，全部3 5 条指令，每条指令都占1 个相等字长1 4 位； 6 、程序空间最大物理可寻址范围8 1 9 2 ( 8 k ) 程序字； 7 、片上寄存器最大物理可寻址范围5 1 2 字节，使用寄存器文档的概念； 8 、丰富的外围功能模块； 9 、片内或片外多种信号中断机制； 1 0 、片上具备独立的看门狗( w a t c h d o g ) 结构。 6 图卜4p i c l 6 f 8 7 3 a 内部结构及片上资源框图 1 3 5 外部m a p 存储器 外部m a p 存储器采用s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司生产的e e p r o m 存储器m 9 5 2 5 6 。 存储容量为3 2 7 6 8x8 b i t 。其外部接口为s p i 总线。单电源供电2 5 - - - 5 5 v ：i o m h z 时钟周期，5 m s 全写入时间；内部集成状态寄存器；状态寄存器硬件保护；支持 字节和页写入模式；强化静电( e s d ) 保护；可调大小只读区域；1 0 0 0 0 0 次读写； 超过4 0 年的数据保存年限。其引脚排列如图卜5 。引脚功能如表i - i 。 表卜1m 9 5 2 5 6 弓1 脚功能 图卜5 - 1 9 5 2 5 6 引脚排列 cs e a lc i 吣 d3 e r 舶d a t al 加u t as e n 锄d 妇o u t m j t 虿c 州ds e f e c t w w r n ep “c 1 日弼h o i d 恤 - s i k m l p p l yv 酿a g e v 拈g i d u n d 1 4 本研究的意义和主要内容： 压缩空气发动机课题先后得到了中国科学技术大学和清华大学汽车安全与 节能国家重点实验室开放基金( k f 2 0 0 5 - 0 0 5 ) 的支持。本研究是压缩空气发动 7 机项目的后续工作。从前面的回顾知道，本课题组主要成果：成功设计改装了 一台机械式二冲程压缩空气发动机；对二冲程压缩空气发动机工作过程进行了 模拟计算，提出了优化改进方案；配气系统参数对压缩空气发动机性能的影响 进行了深入的研究；运用火用分析理论对一台二冲程压缩空气发动机系统进行 了能量转移分析；成功改装出一台单缸四冲程压缩空气发动机，并开发出电控 系统实现了喷气过程的电子控制。 在单缸四冲程压缩空气发动机实验运行过程中发现，压缩空气发动机没有 燃烧过程完全靠高压空气的压力能推动活塞做功，如果只靠单缸排量，在现有 储气压力下进入气缸中的介质无以产生足够大的扭矩推动汽车。电控系统也还 有些后续工作需要完成。所以本文将方向定在，进一步完善改进已有压缩空 气发动机电控系统，将其移植到一台电控四冲程四缸压缩空气发动机上，极大 程度的挖掘压缩空气发动机的各方面潜力，并探讨多缸压缩空气发动机实际装 车运行的可能性。 本文的主要研究内容： 1 提出电控四冲程多缸压缩空气发动机改装布局方案，并实际改装出一台 四缸四冲程压缩空气发动机实验样机。 2 在已有硬件平台的基础上编写程序用于控制多缸压缩空气发动机。 3 开发压缩空气发动机e c u 监控平台。 4 扩展e c u 通讯方式，开发压缩空气发动机运行参数智能显示仪表。 5 运用开发的整套电控系统进行四缸压缩空气发动机实验。 8 第二章压缩空气发动机e c u 软件设计 为了保证发动机运行的实时性，e c u 分别由主从单片机来完成不同时间要求 的任务。主机完成实时性要求相对较低的任务，比如工况计算、串口通信等比 较费时的任务。而从机完成控制电磁阀，保证正时、脉宽计量等准确性实时性 要求较高的任务。e c u 程序设计主要包括主机程序设计、从机程序设计、主从机 s p i 通讯程序设计。 程序开发摒弃了单缸机程序设计时使用的汇编语言，改用c 语言编写。汇编 语言虽然对硬件操作起来比较直观，但是编写维护实现模块化都比较困难，可 读性不强。用c 语言来开发单片机系统软件最大的好处是编写代码效率高、软件 调试直观、维护升级方便、代码的重复利用率高、便于跨平台的代码移植等。 因此c 语言编程在单片机系统设计中已得到越来越广泛的运用心2 m 2 3 1 乜们乜钉。本文 中采用h i r e c k 公司的p i c c 编译器。它稳定可靠，编译生成代码效率高，在用p i c 单片机进行系统设计和开发的工程师中得到广泛认可。p i c c 不支持函数递归调 用。其主要是因为p i c 单片机堆栈深度固定的特殊结构造成的。为此，p i c c 编译 器采用一种叫做“静态覆盖 的技术实现对c 语言函数中的局部变量分配固定的 地址空间。经这样处理，当代码量超过4 k b 后，c 语言编译出的代码长度和汇编 代码实现的差别已经不大。 程序实行模块化设计。将程序按任务分成不同模块，单独设计调试，尽量 让程序的通用性、内聚性强而偶合性弱。避免不同程序模块之间的相互影响。 然后只需将不同模块简单叠加汇总即可。大增强了程序设计的效率，也方便了 程序调试和错误的排查。由于程序由c 语言编写，需要经过编译成汇编后生成二 进制目标码。为了保证能够生成高效的汇编代码，编写程序时应随时注意考虑 硬件结构和编译效率问题。必要时查看程序的反汇编代码，然后调整源程序让 程序从时间上或空间上得到优化心刀口引。 2 1 气动发动机主机程序设计 e c u 主机程序主要任务：e c u 自动控制时采集发动机的转速油门位置等传感 器信号，根据不同工况计算出m a p 的查询地址，查m a p 数据后传送给从机；p c 控 制时根据p c 机发过来的不同命令，实现发动机参数回传p c ，在线修改正时脉宽， 在线读写e e p r o m 里边的m a p 数据，接收分缸断火信号并传递给从机执行等 z g - 3 4 o 程序采用前后台形式设计。前台程序实时性要求比较高或不可预知，在中 断完成。中断程序流程如图2 - 2 。后台程序不需要快速反应在主程序循环中完成。 程序主循环流程如图2 - 1 。 根据主机的任务将主程序循环分成不同模块：a d 采集程序模块、c a n 通讯处 理程序模块、串口数据解读程序模块、分缸断火处理程序模块、数据回传处理 9 模块，读写取e e p r o m 程序模块、控制参数实时修改程序模块，判断工况程序模 块、计算m a p 查找地址程序模块、查找m a p 数据程序模块、主从机s p i 通讯程序模 块。这些模块并不是每一次主循环都要执行，它们是否执行是通过判断标志位 来决定的。标志位的改变是通过串口通信由p c 机向单片机传送命令完成的。默 认情况下需通过人机交互才能实现的程序模块都不执行。p i c 单片机中无硬件优 先级而且中断只有一个入口地址，所以中断优先级通过查询的先后顺序来实现。 图2 1 主机主循环程序流程图 p c 机通过串口向单片机发送的指令不同，执行的程序模块不同。e c u 可以工 作在两种模式之下。第一种是e c u 自动控制模式。即是e c u 根据工况查询m a p 图， 经过计算自主得出正时和脉宽然后传递给从机执行。第二种是p c 控制模式。即 是p c 机给e c u 发送正时和脉宽，让发动机在p c 机的控制下运行。这两种模式的实 现依赖于p c 机发送过来的不同命令。 l o 图2 2 主机中断程序流程图 初始化模块是单片机复位后首先运行的程序，主要是对所用到的资源模块 进行配制。包括：u s a r t 模块配制，s s p 模块配制，a d 模块配制，用到的各计数 器计时器模块配制，一些变量默认常数赋初值，以及片外扩展资源c a n 控制器寄 存器的初始化。 2 1 i a d 采集模块程序设计 需要a d 转换的信号有油门位置信号、共轨压力信号、蓄电池电压信号、环 境温度信号。a d 采集分辨率为1 0 位，采用右对齐方式，采集数据结果分为高2 位和低8 位两个字节。以电源电压5 y 作为基准电压。选中相应的端口后，就可以 启动a d 转换，采用“逐次逼近 法转换，速度相当快一次转换所需时间最短为 十几微秒。为了防止脉冲干扰采用平均值数字滤波法，即每一个采集量一次性 转换n 次，转换完毕后去掉最大值和最小值，求出余下n - 2 个的平均值作为a d 转换的最后结果。这样能够有效的消除随机误差和瞬间干扰脉冲的影响心町d 们。 2 1 2 工况判断处理模块 将转速低于3 0 0 转分的工况定义为启动工况，启动时转速较低且不稳定， 用查取m a p 图的方法控制意义不大，所以此工况采用固定正时脉宽。 怠速工况，对于汽油机柴油机来讲比较复杂。往往要考虑排放，冲击载荷 下的速度稳定性等问题。为了实现快速暖机还需要根据冷却水的不同温度调整 怠速转速，冷却水温度越低怠速越高。但是在压缩空气发动机中，这些问题并 不明显，所以不需要复杂的控制方法。当油门位置为0 ，速度高于3 0 0 转分时 定义为怠速工况。怠速转速的大小根据此工况下查取m a p 数据的实际运行情况而 定。 稳态工况定义为油门位置变化不超过1 0 的情况，此时运用查取m a p 数据的 方法。油门位置变化超过1 0 9 6 被认定人加速工况，为了保持运行的平稳性，采用 的方法是在上一次采集到的踏板位置和当前踏板位置之间取一个中间值，和当 前转速一起共同构成一个运行工况，然后在稳态运行m a p 图中查找所对应的进气 喷射正时和喷射脉宽来控制n 。减速工况处理方法类似。 2 1 3 在线读写e e p r o m 程序模块 上位机可以通过串口读耳z e c u * 外扩存储器e e p r o m 中的姒p 数据，然后对数 据进行解读或修改。也可以将p c 机上的m a p 数据通过串1 ：3 发送到单片机并写入 e e p r o m 中储存。所以在开发程序时e c u * 需要固化响应上位机在线读写e e p r o m 命令的程序模块。 图2 3 读e e p r o m 程序流程图 图2 4 写e e p r o m 程序流程图 读写e e p r o m 命令都是由p c 机通过串口向单片机发送过来的。读取命令帧中 第一个字节为读取命令，第二、三个字节为读取数据的起始地址高位和起始地 址低位，第四、五个字节为读取数据个数的高位和低位。读取e e p r o m 是通过s p i 通信实现的，每次发起s p i 通讯从外部e e p r o m 存储器中读取四个数据，即一个稳 态工况下对应的正时高位、正时低位、脉宽高位、脉宽低位。读取后用串1 ：3 发 回p c 机。e c u 向p c 机发回一组数据后不急于读取下一组数据，它会等待p c 机发过 来的一个收到无误确认帧或重发命令帧。如果收到确认帧则接着判断是否已读 完p c 机要求的数据个数，如果没读完指定个数则继续循环读取，直到读完要求 的数目。如果收到重发数据命令帧，则重发上一次读取的数据。可以看出读取 数据的多少由p c 机发来的读取e e p r o m 命令帧决定的，所以程序既能单组数据读 1 2 取，也可以连续读多组数据。读e e p r o m 程序流程图2 - 3 。 p c 机向单片机发送写e e p r o m 命令帧由九个字节组成，第一个字节为写命令， 第二第三个为写入数据起始地址，第五、六、七、八字节为写入的正时高位、 正时低位，脉宽高位、脉低位；第九个字