石志偉, 常誠， 魏民祥

(1.山東理工大學(xué) 計(jì)算中心， 山東 淄博 255012；2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

1 問題的提出

電控噴油器的流量特性是電控噴油模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接影響電控噴油的控制精度。一般將電控噴油器作為線性執(zhí)行器來運(yùn)用，認(rèn)為其流量與噴油脈寬呈線性關(guān)系。但實(shí)際上噴油器在小噴油脈寬下存在較明顯的非線性特征(見圖1)。噴油器電磁閥的響應(yīng)滯后性，導(dǎo)致電磁式噴油器總會(huì)在小脈寬段表現(xiàn)出非線性特征，如果不考慮修正或補(bǔ)償，實(shí)際噴油量與設(shè)計(jì)值會(huì)存在一定偏差，難以做到噴油量的精確控制，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)性能。

圖1 某噴油器的流量特性曲線

根據(jù)某航空二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的噴油脈寬規(guī)律，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速和小負(fù)荷工況時(shí)所需噴油量很少，發(fā)動(dòng)機(jī)部分噴油脈寬MAP如圖2所示。從圖2可看出：該發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開度15%以下時(shí)，有相當(dāng)一部分噴油脈寬小于2 ms，而這個(gè)脈寬范圍處在噴油器非線性段內(nèi)，使該段內(nèi)的供油量不穩(wěn)定，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍較大。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度15%以下時(shí)噴油脈寬MAP圖

為避免噴油器非線性段對(duì)使用的影響，使噴油器的噴油量得到精確控制，設(shè)計(jì)一種雙通道電子控制噴油器。

2 雙通道電子控制噴油器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

電子控制雙通道噴油器的原理見圖3。其中主通道的流量大于輔通道的流量，相應(yīng)地主通道電磁閥對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)速度慢于輔通道電磁閥的響應(yīng)速度，即輔通道的流量特性的非線性段更短。使用過程中，噴油器自帶的控制器對(duì)2個(gè)電磁閥的開啟進(jìn)行控制，2個(gè)通道相互配合，使噴油器的工作區(qū)域避開其非線性段，從而提高噴油量控制精度。

圖3 雙通道噴油器控制原理示意圖

噴油器控制器接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(電子控制單元)噴油脈寬的信號(hào)，核心單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理和計(jì)算，然后控制響應(yīng)電磁閥的驅(qū)動(dòng)模塊，使相應(yīng)電磁閥開啟進(jìn)行燃油噴射。另外，控制器還會(huì)采集當(dāng)前的供油油壓與驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)電壓、油壓發(fā)生變化時(shí)，通過修正噴油脈寬使實(shí)際噴油量與需求油量達(dá)到一致，從而進(jìn)一步提高噴油器的控制精度。

2.2 控制器核心單片機(jī)

控制器的核心MCU(微控制單元)為八位單片機(jī)MC9S08DZ60，該單片機(jī)具有豐富的片上資源：使用CAN總線模塊使其與ECU進(jìn)行信息交換；使用定時(shí)計(jì)數(shù)器模塊可使相應(yīng)的通道輸出準(zhǔn)確時(shí)長的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；使用AD轉(zhuǎn)換模塊以采集油壓、電壓等模擬信號(hào)；使用SCI通信模塊可使其與上位機(jī)通信以反饋信息。該芯片能滿足系統(tǒng)的精度要求且成本較低，其最小系統(tǒng)見圖4。

圖4 單片機(jī)的最小系統(tǒng)

2.3 控制器驅(qū)動(dòng)模塊

該噴油器由2個(gè)相互獨(dú)立的通道組成，故需要兩路驅(qū)動(dòng)電路，其驅(qū)動(dòng)模塊見圖5。控制信號(hào)經(jīng)過三極管Q0的放大驅(qū)動(dòng)光耦O0工作，光耦的通斷決定MOS管M0柵極和源級(jí)的電壓差，從而達(dá)到對(duì)噴油器電磁線圈的通斷控制。電路中的光耦將微控制器的驅(qū)動(dòng)引腳和噴油器驅(qū)動(dòng)端隔離，提高電路的抗干擾性，同時(shí)對(duì)微控制器的引腳起到保護(hù)作用。

圖5 噴油驅(qū)動(dòng)模塊

TLP155E是東芝公司生產(chǎn)的一種光電耦合器，能直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)小容量IGBT或功率MOSFET；其保證傳輸延時(shí)最大為200 ns，能通過PWM驅(qū)動(dòng)IGBT或功率MOSFET；其保證傳輸延遲偏差最大為85 ns，用于噴油器的驅(qū)動(dòng)中可減少電路延時(shí)。

2.4 控制器通信模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU與各氣缸的噴油器控制器之間利用CAN(控制器局域網(wǎng))總線連接。CAN是一種多主方式的串行通信總線，CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通信、提供實(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1 Mb/s，同時(shí)具有11位的尋址及檢錯(cuò)能力。CAN通信模塊見圖6。

圖6 CAN通信模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ECU將各氣缸噴油信號(hào)及標(biāo)識(shí)符傳到CAN總線上，各噴油控制器在總線中都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，接收總線上的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，得到各自的噴油脈寬和噴油時(shí)刻等信息，其傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)各缸之間有條不紊地運(yùn)行。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

噴油器控制器軟件控制流程見圖7。程序采用模塊化的編程思想，可使小模塊程序調(diào)試更容易，各功能模塊相互獨(dú)立，便于設(shè)計(jì)者檢查；且同樣的模塊可被不同的模塊調(diào)用，節(jié)省系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。

圖7 噴油器控制器的主程序流程

噴油器的控制器讀取并接收到總線上的噴油信息時(shí)，控制器根據(jù)設(shè)定的噴油脈寬閾值(例如設(shè)為2 ms)與當(dāng)前脈寬的比較判斷，選擇主通道或輔通道進(jìn)行噴射。另外，通過試驗(yàn)標(biāo)定可得到2個(gè)通道在不同電壓和油壓下的脈寬修正量，將該修正量MAP預(yù)存在控制器中，控制器根據(jù)采集到的電壓和油壓信息，利用該MAP修正當(dāng)前工況下的噴油脈寬，從而提高控制精度。

該噴油器的2個(gè)通道相對(duì)獨(dú)立，在控制過程中可使2個(gè)通道相互組合，形成多種噴油方式。如在發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況和高速大負(fù)荷工況時(shí)，所需油量較大，可使2個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行噴油，以完成短時(shí)間內(nèi)對(duì)燃油量的提升?？梢?，雙通道噴油器可對(duì)噴油量進(jìn)行柔性控制。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 噴油器流量特性試驗(yàn)

對(duì)2個(gè)流量特性不同的通道A、B分別進(jìn)行流量特性試驗(yàn)，噴油器流量特性試驗(yàn)臺(tái)見圖8。燃油從油箱經(jīng)過油泵和燃油壓力調(diào)節(jié)器流入燃油分配軌，然后通過燃油壓力調(diào)節(jié)器的回油管回到油箱。燃油分配軌中的燃油壓力大小可通過油壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，燃油壓力脈動(dòng)調(diào)節(jié)器用來穩(wěn)定燃油分配軌中的油壓。噴油器的噴油周期、噴油脈寬及噴油次數(shù)都通過上位機(jī)給定，量筒用來接收噴油器噴出的油，電子稱用來稱量燃油的質(zhì)量。

圖8 噴油器流量特性試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)中噴油器的工作電壓為12 V，電動(dòng)油泵的油壓為300 kPa，噴油周期為20 ms，噴油次數(shù)為1 000次。通過上位機(jī)給定并調(diào)節(jié)噴油器的噴油脈寬，通過電子秤稱量并計(jì)算每循環(huán)噴油量。試驗(yàn)測(cè)得通道A的非線性段為0～0.8 ms，通道B的非線性段為0～2 ms。整理兩通道線性段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到圖9所示噴油器線性段流量特性曲線。

圖9 不同通道線性段流量特性曲線

對(duì)通道A線性段噴油特性曲線進(jìn)行擬合，得到噴油量y與噴油脈寬x的關(guān)系為：

y=1.401x-0.503 2

(1)

對(duì)通道B線性段噴油特性曲線進(jìn)行擬合，得：

y=2.776 8x-0.285

(2)

從圖9可看出：通道A的流量小而非線性段短，通道B的流量大但小脈寬時(shí)的響應(yīng)差，非線性段較長，與雙通道噴油器的2個(gè)通道特性相符。因此，在試驗(yàn)過程中可用通道A模擬噴油器的輔通道、通道B模擬主通道。

3.2 半物理仿真試驗(yàn)

將開發(fā)的控制器與上述模擬雙通道噴油器相結(jié)合進(jìn)行流量特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 雙通道噴油器流量特性擬合曲線

對(duì)雙通道電控噴油器控制下噴油器的燃油特性曲線進(jìn)行擬合，得：

y=2.776 8x-0.285

(3)

從圖10可看出：雙通道噴油器的流量特性與通道B的線性段特性相同，且噴油脈寬小于2 ms時(shí)仍可保持線性，可保證噴油器在整個(gè)工作段內(nèi)有較好的線性特性。說明使用雙通道電子噴油器可有效提高噴油量控制精度。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證雙通道電子控制噴油器的準(zhǔn)確性與可行性，在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究。發(fā)動(dòng)機(jī)在高怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速對(duì)比見圖11。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)高怠速轉(zhuǎn)速曲線

從圖11可看出：原機(jī)轉(zhuǎn)速的方差為81.72，在雙通道噴油器策略下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方差為51.32，使用雙通道電子控制噴油器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定。

4 結(jié)語

針對(duì)電磁噴油器在小噴油脈寬時(shí)的非線性段問題，該文提出雙通道噴油器電子控制設(shè)計(jì)思路，研制了雙通道噴油器的電子控制器，設(shè)計(jì)了控制器的控制策略，并完成了軟、硬件開發(fā)。半物理仿真試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，利用該雙通道電子噴油器可有效提高噴油器的控制精度，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定，該雙通道電子噴油器控制器可行。