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[摘 要]：介紹了一種基于雙凸輪結(jié)構(gòu)的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)可變配氣正時(shí)（VVT）機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制裝置。簡(jiǎn)述了該裝置的控制策略、工作原理和硬件設(shè)計(jì)，并給出了具體的程序設(shè)計(jì)流程圖。該裝置具有制造成本低、機(jī)構(gòu)緊湊、控制精度高和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于各中小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：雙凸輪結(jié)構(gòu)；可變配氣正時(shí)；控制策略；信號(hào)采集
0 引 言
由于環(huán)境保護(hù)和人類可持續(xù)發(fā)展的要求，低能耗和低污染已成為車用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展目標(biāo)。在各種現(xiàn)代技術(shù)手段中，可變配氣正時(shí)（variable valve timing，VVT）技術(shù)已成為新技術(shù)發(fā)展方向之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，VVT機(jī)構(gòu)已在轎車上廣泛使用[1]。同時(shí)，本田、鈴木等國(guó)外公司近年已經(jīng)開始將VVT技術(shù)應(yīng)用到摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。
但是，如果僅有VVT機(jī)構(gòu)，由于不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，該機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)上并不能有效連續(xù)地工作。
本文提供了一種中小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制裝置，該裝置可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度自動(dòng)切換正時(shí)油壓，從而實(shí)現(xiàn)VVT機(jī)構(gòu)的自動(dòng)切換，有效地提高
中小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況范圍內(nèi)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性。
1 控制策略
VVT機(jī)構(gòu)在凸輪軸上設(shè)計(jì)了2個(gè)進(jìn)氣凸輪（主凸輪和高速凸輪），分別對(duì)應(yīng)于主搖臂和高速搖臂，主凸輪在低速低負(fù)荷工況時(shí)驅(qū)動(dòng)主搖臂控制進(jìn)氣門，高速凸輪在高速高負(fù)荷工況時(shí)驅(qū)動(dòng)高速搖臂控制進(jìn)氣門。
主凸輪和高速凸輪的切換是以主凸輪和高速凸輪產(chǎn)生的2種轉(zhuǎn)矩曲線的交叉點(diǎn)為基本點(diǎn)，交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為切換轉(zhuǎn)速。對(duì)應(yīng)于不同的節(jié)氣門開度，雙進(jìn)氣正時(shí)參
數(shù)VVT系統(tǒng)的切換轉(zhuǎn)速是不同的。
為了合理確定切換轉(zhuǎn)速，研究了不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能特征。當(dāng)節(jié)氣門全開時(shí)，其切換轉(zhuǎn)速為6500r／min左右；節(jié)氣門開度為70％時(shí)，切換轉(zhuǎn)速為6300r／min左右；節(jié)氣門開度為45％時(shí)，切換轉(zhuǎn)速為6100r／min左右；節(jié)氣門開度為30％時(shí)，切換轉(zhuǎn)速為5800r／min左右?？梢婋S著節(jié)氣門開度的減小，理論的切換轉(zhuǎn)速也應(yīng)有所降低。因此，可以將節(jié)氣門開度在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)分為4個(gè)工況，如表1所示。
2 控制原理
VVT機(jī)構(gòu)的切換動(dòng)力是正時(shí)油壓通過(guò)斜油孔進(jìn)入搖臂軸內(nèi)推動(dòng)正時(shí)活塞產(chǎn)生的，見圖1，然后，驅(qū)動(dòng)切換活塞和阻擋活塞，控制主搖臂和高速搖臂的工作狀態(tài)。因此，實(shí)際上整個(gè)VVT機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度對(duì)正時(shí)油壓的切換進(jìn)行控制。
該自動(dòng)控制裝置一方面從發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火器采集轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，進(jìn)入轉(zhuǎn)速信號(hào)采集模塊，把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為有效的方波信號(hào)，送人芯片的外部中斷源INTO口；另一方面，節(jié)氣門位置傳感器將節(jié)氣門角度位置電信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路的放大和濾波后，由12位A／D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)串行口傳送至芯片。然后，由芯片內(nèi)置程序?qū)?個(gè)外部信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度達(dá)到控制策略要求，見表1，芯片向油泵控制模塊發(fā)出高電平信號(hào)，高電平信號(hào)經(jīng)雙極晶體管放大，控制固體繼電器吸合，油泵開始工作，從而帶動(dòng)整個(gè)VVT機(jī)構(gòu)運(yùn)行，工作流程原理如圖2所示。
3 硬件設(shè)計(jì)
本自動(dòng)控制裝置包括轉(zhuǎn)速信號(hào)采集模塊、節(jié)氣門信號(hào)采集模塊，電源模塊、自動(dòng)控制模塊、油泵控制模塊，如圖3所示。
3．1 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集模塊
從摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火器把脈沖信號(hào)引出來(lái)，并把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)輸入自動(dòng)控制模塊。選用光耦TLP521-2具有隔離輸入信號(hào)，保證信號(hào)的匹配，提高了抗干擾能力的作用；施密特反相觸發(fā)器CD40106BC可以完成脈沖信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換。
3．2 節(jié)氣門開度信號(hào)采集模塊
由于傳感器的輸出信號(hào)僅為幾十毫伏的電壓，因此，必須對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，本模塊中采用兩級(jí)放大，第一級(jí)選擇對(duì)于電壓信號(hào)有較高噪聲仰制能力的測(cè)量放大器AD620；第二級(jí)采用高精度、低失調(diào)電壓型運(yùn)算放大器OP07實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，選用TLC2543一種帶串行控制和11個(gè)輸入端的12位A／D轉(zhuǎn)換器，它采用12位開關(guān)電容逐次逼近方式進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，可采集11路信號(hào)，與單片機(jī)的連接僅占用4根口線。由于Atmel89C51芯片沒(méi)有SPI接口能力，為了與TLC2543接口，可以利用軟件合成SPI操作，完成A／D數(shù)據(jù)的采集。
3．3 電源模塊
由于摩托車使用的是+12V的電瓶電源，而系統(tǒng)控制電路用的是+5V的電源，因此，為了保證+5V電源的供應(yīng)，輸出電流不大于200 mA，采用三端穩(wěn)壓集成塊LM7805，形成穩(wěn)壓電源電路。這樣，可以同時(shí)滿足+12V，+5V的供電。
3．4 自動(dòng)控制模塊
如圖4所示的自動(dòng)控制模塊采用Atmel89C51控制芯片；晶體振蕩源電路的一個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期為1µm；按鍵作為脫離鍵盤的輸入設(shè)備，可以隨時(shí)調(diào)整編輯油泵工作的轉(zhuǎn)速臨界值；擴(kuò)展ROM為2k的EEPROM程序儲(chǔ)存器AT2ACO2A，作為擴(kuò)展芯片存放數(shù)據(jù)和程序；指示燈電路發(fā)紅光時(shí)表示電源接通，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)中，發(fā)綠光表示轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值；由于穩(wěn)壓電源電壓波動(dòng)不大，采用人工微分型復(fù)位電路，工作簡(jiǎn)單可靠。轉(zhuǎn)速顯示電路由于摩托車的最高轉(zhuǎn)速為12000r／min左右，因此，轉(zhuǎn)速一共顯示5位，51芯片具有全雙工通用異步接收發(fā)送器UART，為了減少成本，不擴(kuò)展I／O接口，轉(zhuǎn)速信號(hào)為串行輸出，每個(gè)LED接1個(gè)移位寄存輸出CD4094動(dòng)態(tài)顯示。
3．5 油泵控制模塊
該模塊采用雙極型晶體管8050，放大芯片電平信號(hào)，通過(guò)繼電器控制電路的開合，從而控制油泵的工作。所用油泵為外接獨(dú)立油泵，能夠滿足中小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)空間布置緊湊的要求。
4 軟件設(shè)計(jì)
芯片的一個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期是1µm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于脈沖信號(hào)頻率。轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成的方波信號(hào)通過(guò)外部中斷源INTO進(jìn)入芯片，由計(jì)時(shí)器TO開始計(jì)時(shí)，當(dāng)外部中斷源方波信號(hào)開始翻轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)時(shí)停止，計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)放人寄儲(chǔ)器。
節(jié)氣門傳感器的工作范圍為0～5V，輸出電壓為10～70mV。經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，模擬量角度位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)，通過(guò)串行口傳送至芯片。
本系統(tǒng)軟件以Keil uVision2編譯器為平臺(tái)，采用匯編語(yǔ)言編寫，控制系統(tǒng)的軟件主要包括五大模塊：初始化程序負(fù)責(zé)硬件的初始化；主程序負(fù)責(zé)功能子程序的調(diào)用；轉(zhuǎn)速信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)將脈沖信號(hào)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制，儲(chǔ)存到寄存器里面，并把二進(jìn)制分離成BCD碼輸出；節(jié)氣門信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)把電壓信號(hào)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的節(jié)氣門開度等級(jí)量；按鍵處理模塊負(fù)責(zé)按鍵的掃描、鍵值的計(jì)算和功能鍵的處理；油泵控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)控制策略判斷油泵是否工作，整個(gè)程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
5試驗(yàn)結(jié)果及分析
對(duì)裝配VVT機(jī)構(gòu)的JHl25摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)（JL156FM1）進(jìn)行了動(dòng)力性能測(cè)試。圖5是動(dòng)力性能測(cè)試得到的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩和功率曲線，圖6是發(fā)動(dòng)機(jī)外特性比油耗曲線。
分別將這些測(cè)試數(shù)據(jù)與原機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：在中低速工況條件下，輸出扭矩可提高約8％，功率可提高3％左右，比油耗可降低約6％，在高速工況條件下動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性也有一定的提高?？梢娧b配所述VVT機(jī)優(yōu)良高速性能的同時(shí)，有效提高其中低轉(zhuǎn)速工況條件下的動(dòng)力和燃油經(jīng)濟(jì)性能，從而在整個(gè)的轉(zhuǎn)構(gòu)JH125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在保留和發(fā)揮原機(jī)速工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的明顯提高。
6 結(jié) 論
（1）提出了基于雙凸輪結(jié)構(gòu)的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)離散型VVT機(jī)構(gòu)的控制策略，大量的數(shù)值仿真和試驗(yàn)表明：該控制策略對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有一定的改善；
（2）該自動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、信號(hào)采集快捷方便，具有控制精度高和運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)；
（3）該裝置采用獨(dú)立油泵代替電磁閥的油路控制，因此，應(yīng)用于中小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)對(duì)原機(jī)的改動(dòng)很小，能夠滿足中小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)空間布置緊湊的要求，有效地降低了制造成本。 |
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