一種采用AVR單片機的天然氣發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計

　?。?） 點火線圈

　　發(fā)動機的電火花點火是通過一整套電器設(shè)備和機件，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，將可燃混合氣點燃做功，并能按發(fā)動機工作要求而自動調(diào)節(jié)點火時間，使點火可靠、準(zhǔn)確。點火系統(tǒng)應(yīng)在發(fā)動機各種不同工況和使用條件下，均能保證正確而可靠的點燃混合氣。

圖11 ECU點火驅(qū)動電路

　　本系統(tǒng)由點火MCU輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動功率晶體管控制點火線圈初級回路的通斷，從而使次級感應(yīng)出高壓，完成發(fā)動機電子控制點火。圖11為ECU點火驅(qū)動電路。

5 實驗監(jiān)控系統(tǒng)

　　發(fā)動機實驗監(jiān)控系統(tǒng)一般包括直接對發(fā)動機控制的電控單元以及人機交互系統(tǒng)，所以一般分成兩級結(jié)構(gòu)。下位機由傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)及電控單元組成，上位機由PC機構(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，便于功能的實現(xiàn)。

圖12 試驗監(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)控軟件主要實現(xiàn)的功能包括：參數(shù)采集、數(shù)據(jù)實時顯示、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、報警、打印等。

　　監(jiān)控系統(tǒng)下位機電控單元采用AVR系列ATmega8單片機，通過串行通信模塊實現(xiàn)與上位機（PC機）的數(shù)據(jù)傳輸。電控單元通過傳感器采集發(fā)動機運行時的各種工況參數(shù)傳給上位機，以及驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)（噴嘴、點火線圈等）按照上位機傳來的控制參數(shù)動作，軟件采用C語言編制。在微機和單片機通信中，采用軟件握手協(xié)議。

　　6 臺架實驗

　?。?） 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控制策略來完成。PID控制允許工程技術(shù)人員以簡單直接的方式來調(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)動機實際轉(zhuǎn)速之差，通過PID控制器的計算，得出步進電機的動作步數(shù)以及動作方向，改變旁通空氣進氣量，從而控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

圖13 怠速閉環(huán)控制原理（PID）

　　（2） 電控點火系統(tǒng)

　　電控點火系統(tǒng)的工作原理：首先對轉(zhuǎn)速信號和負(fù)荷信號進行采樣， 送入計算單元，根據(jù)存儲在單片機中的點火MAP圖，采用插值和查表方法，確定最佳點火提前角；控制系統(tǒng)同時采集發(fā)動機其他工作參數(shù)信號，根據(jù)這些信號查出點火提前角的修正值，將最佳點火提前角修正后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的點火延遲時間。當(dāng)點火基準(zhǔn)信號（點火基準(zhǔn)信號就是延遲基準(zhǔn)信號，它一般是一個曲軸位置信號）到來時，控制系統(tǒng)計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)結(jié)束后，ECU通過接口發(fā)送點火信號，點火驅(qū)動電路得到這個信號后初級點火線圈開始閉合[5]。

　　此電控系統(tǒng)中點火提前角的控制以發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣壓力為基本輸入信號，通過查詢儲存在點火單片機中的點火MAP圖得出基本點火提前角，再通過發(fā)動機冷卻水溫、天然氣壓力、氧傳感器等信號進行修正。最終確定發(fā)動機當(dāng)前工況下的最佳點火提前角，然后由兩個計數(shù)器相互配合來完成點火提前角的控制。作為點火信號產(chǎn)生基準(zhǔn)的是霍爾傳感器輸出的曲軸位置信號，在分電器內(nèi)安裝有產(chǎn)生該信號的信號齒盤。霍爾傳感器每隔180°CA

　?。–A是發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)角）產(chǎn)生一個信號（下降沿有效），位置是壓縮上止點前86°CA。圖14為點火的時序圖。

圖14 點火信號的波形示意圖

　?。?） 燃?xì)鈬娚淇刂葡到y(tǒng)

　　本電控系統(tǒng)中，選取了較為簡單和實用的速度密度方式，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣歧管壓力得出進氣空氣量。

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

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