一種采用AVR單片機(jī)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　?。?） 點(diǎn)火線圈

　　發(fā)動(dòng)機(jī)的電火花點(diǎn)火是通過一整套電器設(shè)備和機(jī)件，在相互配合下，將汽車的低壓電變?yōu)楦邏弘?，利用裝在汽缸燃燒室內(nèi)的火花間隙放電，產(chǎn)生電火花，將可燃混合氣點(diǎn)燃做功，并能按發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求而自動(dòng)調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間，使點(diǎn)火可靠、準(zhǔn)確。點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)各種不同工況和使用條件下，均能保證正確而可靠的點(diǎn)燃混合氣。

圖11 ECU點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路

　　本系統(tǒng)由點(diǎn)火MCU輸出的控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率晶體管控制點(diǎn)火線圈初級(jí)回路的通斷，從而使次級(jí)感應(yīng)出高壓，完成發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制點(diǎn)火。圖11為ECU點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路。

5 實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)

　　發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)一般包括直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的電控單元以及人機(jī)交互系統(tǒng)，所以一般分成兩級(jí)結(jié)構(gòu)。下位機(jī)由傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)及電控單元組成，上位機(jī)由PC機(jī)構(gòu)成。如圖12所示，系統(tǒng)監(jiān)控軟件為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于功能的實(shí)現(xiàn)。

圖12 試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

　　監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用VB軟件編制，利用VB中的MSComm控件可以很方便地提供串行端口通信功能。監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：參數(shù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、控制參數(shù)在線調(diào)整、數(shù)據(jù)圖形化顯示、數(shù)據(jù)離線圖形化顯示、數(shù)據(jù)保存、報(bào)警、打印等。

　　監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)電控單元采用AVR系列ATmega8單片機(jī)，通過串行通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)（PC機(jī)）的數(shù)據(jù)傳輸。電控單元通過傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的各種工況參數(shù)傳給上位機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)（噴嘴、點(diǎn)火線圈等）按照上位機(jī)傳來(lái)的控制參數(shù)動(dòng)作，軟件采用C語(yǔ)言編制。在微機(jī)和單片機(jī)通信中，采用軟件握手協(xié)議。

　　6 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

　　（1） 怠速控制系統(tǒng)

　　如圖13所示，怠速控制主要由主MCU采用經(jīng)典PID控制策略來(lái)完成。PID控制允許工程技術(shù)人員以簡(jiǎn)單直接的方式來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而且在很寬的條件范圍內(nèi)都能保持很好的魯棒性。PID控制器是整個(gè)怠速控制系統(tǒng)的核心。在怠速閉環(huán)控制中需要用到的基本控制量是怠速轉(zhuǎn)速偏差，即怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，通過PID控制器的計(jì)算，得出步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作步數(shù)以及動(dòng)作方向，改變旁通空氣進(jìn)氣量，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖13 怠速閉環(huán)控制原理（PID）

　　（2） 電控點(diǎn)火系統(tǒng)

　　電控點(diǎn)火系統(tǒng)的工作原理：首先對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)和負(fù)荷信號(hào)進(jìn)行采樣， 送入計(jì)算單元，根據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中的點(diǎn)火MAP圖，采用插值和查表方法，確定最佳點(diǎn)火提前角；控制系統(tǒng)同時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)其他工作參數(shù)信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)查出點(diǎn)火提前角的修正值，將最佳點(diǎn)火提前角修正后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的點(diǎn)火延遲時(shí)間。當(dāng)點(diǎn)火基準(zhǔn)信號(hào)（點(diǎn)火基準(zhǔn)信號(hào)就是延遲基準(zhǔn)信號(hào)，它一般是一個(gè)曲軸位置信號(hào)）到來(lái)時(shí)，控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束后，ECU通過接口發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)，點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路得到這個(gè)信號(hào)后初級(jí)點(diǎn)火線圈開始閉合[5]。

　　此電控系統(tǒng)中點(diǎn)火提前角的控制以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力為基本輸入信號(hào)，通過查詢儲(chǔ)存在點(diǎn)火單片機(jī)中的點(diǎn)火MAP圖得出基本點(diǎn)火提前角，再通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫、天然氣壓力、氧傳感器等信號(hào)進(jìn)行修正。最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況下的最佳點(diǎn)火提前角，然后由兩個(gè)計(jì)數(shù)器相互配合來(lái)完成點(diǎn)火提前角的控制。作為點(diǎn)火信號(hào)產(chǎn)生基準(zhǔn)的是霍爾傳感器輸出的曲軸位置信號(hào)，在分電器內(nèi)安裝有產(chǎn)生該信號(hào)的信號(hào)齒盤。霍爾傳感器每隔180°CA

　?。–A是發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)角）產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)（下降沿有效），位置是壓縮上止點(diǎn)前86°CA。圖14為點(diǎn)火的時(shí)序圖。

圖14 點(diǎn)火信號(hào)的波形示意圖

　　（3） 燃?xì)鈬娚淇刂葡到y(tǒng)

　　本電控系統(tǒng)中，選取了較為簡(jiǎn)單和實(shí)用的速度密度方式，通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓力得出進(jìn)氣空氣量。

　　由于燃?xì)鈬娚鋲毫σ欢ǎ园l(fā)動(dòng)機(jī)的供氣量取決于噴射閥的噴射時(shí)間。噴射時(shí)間T由公式（1）得出：

　　式中： T為天然氣噴射時(shí)間（ms）， Tb為基本噴射時(shí)間（ms）， Fc為噴射時(shí)間修正系數(shù)，Tv為噴射閥延時(shí)（ms）。