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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)動機可變配氣正時（VVT）機構(gòu)自動控制裝置。簡述了該裝置的控制策略、工作原理和硬件設(shè)計，并給出了具體的程序設(shè)計流程圖。該裝置具有制造成本低、機構(gòu)緊湊、控制精度高和可靠性好的優(yōu)點，廣泛適用于各中小排量摩托車發(fā)動機VVT機構(gòu)。
關(guān)鍵詞：雙凸輪結(jié)構(gòu)；可變配氣正時；控制策略；信號采集
0 引 言
由于環(huán)境保護和人類可持續(xù)發(fā)展的要求，低能耗和低污染已成為車用發(fā)動機的發(fā)展目標(biāo)。在各種現(xiàn)代技術(shù)手段中，可變配氣正時（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機構(gòu)已在轎車上廣泛使用[1]。同時，本田、鈴木等國外公司近年已經(jīng)開始將VVT技術(shù)應(yīng)用到摩托車發(fā)動機[2]。
但是，如果僅有VVT機構(gòu)，由于不能實現(xiàn)自動切換，該機構(gòu)在發(fā)動機上并不能有效連續(xù)地工作。
本文提供了一種中小排量摩托車發(fā)動機機構(gòu)的自動控制裝置，該裝置可以根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度自動切換正時油壓，從而實現(xiàn)VVT機構(gòu)的自動切換，有效地提高
中小排量摩托車發(fā)動機在整個轉(zhuǎn)速和負荷工況范圍內(nèi)的動力性、經(jīng)濟性和排放特性。
1 控制策略
VVT機構(gòu)在凸輪軸上設(shè)計了2個進氣凸輪（主凸輪和高速凸輪），分別對應(yīng)于主搖臂和高速搖臂，主凸輪在低速低負荷工況時驅(qū)動主搖臂控制進氣門，高速凸輪在高速高負荷工況時驅(qū)動高速搖臂控制進氣門。
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)矩曲線的交叉點為基本點，交叉點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為切換轉(zhuǎn)速。對應(yīng)于不同的節(jié)氣門開度，雙進氣正時參
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)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等情況下的發(fā)動機性能特征。當(dāng)節(jié)氣門全開時，其切換轉(zhuǎn)速為6500r／min左右；節(jié)氣門開度為70％時，切換轉(zhuǎn)速為6300r／min左右；節(jié)氣門開度為45％時，切換轉(zhuǎn)速為6100r／min左右；節(jié)氣門開度為30％時，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)氣門開度在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)分為4個工況，如表1所示。
2 控制原理
VVT機構(gòu)的切換動力是正時油壓通過斜油孔進入搖臂軸內(nèi)推動正時活塞產(chǎn)生的，見圖1，然后，驅(qū)動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，實際上整個VVT機構(gòu)的運行，就是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度對正時油壓的切換進行控制。
該自動控制裝置一方面從發(fā)動機發(fā)火器采集轉(zhuǎn)速脈沖信號，進入轉(zhuǎn)速信號采集模塊，把脈沖信號轉(zhuǎn)化為有效的方波信號，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，經(jīng)過兩級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，通過串行口傳送至芯片。然后，由芯片內(nèi)置程序?qū)?個外部信號進行邏輯判斷，一旦發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度達到控制策略要求，見表1，芯片向油泵控制模塊發(fā)出高電平信號，高電平信號經(jīng)雙極晶體管放大，控制固體繼電器吸合，油泵開始工作，從而帶動整個VVT機構(gòu)運行，工作流程原理如圖2所示。
3 硬件設(shè)計
本自動控制裝置包括轉(zhuǎn)速信號采集模塊、節(jié)氣門信號采集模塊，電源模塊、自動控制模塊、油泵控制模塊，如圖3所示。
3．1 轉(zhuǎn)速信號采集模塊
從摩托車發(fā)動機發(fā)火器把脈沖信號引出來，并把脈沖信號轉(zhuǎn)化成方波信號輸入自動控制模塊。選用光耦TLP521-2具有隔離輸入信號，保證信號的匹配，提高了抗干擾能力的作用；施密特反相觸發(fā)器CD40106BC可以完成脈沖信號輸入轉(zhuǎn)換。
3．2 節(jié)氣門開度信號采集模塊
由于傳感器的輸出信號僅為幾十毫伏的電壓，因此，必須對電壓信號進行放大、濾波，本模塊中采用兩級放大，第一級選擇對于電壓信號有較高噪聲仰制能力的測量放大器AD620；第二級采用高精度、低失調(diào)電壓型運算放大器OP07實現(xiàn)。同時，選用TLC2543一種帶串行控制和11個輸入端的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行A／D轉(zhuǎn)換，可采集11路信號，與單片機的連接僅占用4根口線。由于Atmel89C51芯片沒有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，可以同時滿足+12V，+5V的供電。
3．4 自動控制模塊
如圖4所示的自動控制模塊采用Atmel89C51控制芯片；晶體振蕩源電路的一個機器時鐘周期為1µm；按鍵作為脫離鍵盤的輸入設(shè)備，可以隨時調(diào)整編輯油泵工作的轉(zhuǎn)速臨界值；擴展ROM為2k的EEPROM程序儲存器AT2ACO2A，作為擴展芯片存放數(shù)據(jù)和程序；指示燈電路發(fā)紅光時表示電源接通，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)中，發(fā)綠光表示轉(zhuǎn)速達到臨界值；由于穩(wěn)壓電源電壓波動不大，采用人工微分型復(fù)位電路，工作簡單可靠。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，不擴展I／O接口，轉(zhuǎn)速信號為串行輸出，每個LED接1個移位寄存輸出CD4094動態(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，通過繼電器控制電路的開合，從而控制油泵的工作。所用油泵為外接獨立油泵，能夠滿足中小排量摩托車發(fā)動機結(jié)構(gòu)空間布置緊湊的要求。
4 軟件設(shè)計
芯片的一個機器時鐘周期是1µm，遠遠低于脈沖信號頻率。轉(zhuǎn)速脈沖信號轉(zhuǎn)化成的方波信號通過外部中斷源INTO進入芯片，由計時器TO開始計時，當(dāng)外部中斷源方波信號開始翻轉(zhuǎn)時，計時停止，計時數(shù)據(jù)放人寄儲器。
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A／D轉(zhuǎn)換，模擬量角度位置信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，通過串行口傳送至芯片。
本系統(tǒng)軟件以Keil uVision2編譯器為平臺，采用匯編語言編寫，控制系統(tǒng)的軟件主要包括五大模塊：初始化程序負責(zé)硬件的初始化；主程序負責(zé)功能子程序的調(diào)用；轉(zhuǎn)速信號處理模塊負責(zé)將脈沖信號計時轉(zhuǎn)化成二進制，儲存到寄存器里面，并把二進制分離成BCD碼輸出；節(jié)氣門信號處理模塊負責(zé)把電壓信號數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的節(jié)氣門開度等級量；按鍵處理模塊負責(zé)按鍵的掃描、鍵值的計算和功能鍵的處理；油泵控制模塊負責(zé)根據(jù)控制策略判斷油泵是否工作，整個程序設(shè)計流程如圖4所示。
5試驗結(jié)果及分析
對裝配VVT機構(gòu)的JHl25摩托車發(fā)動機（JL156FM1）進行了動力性能測試。圖5是動力性能測試得到的發(fā)動機外特性扭矩和功率曲線，圖6是發(fā)動機外特性比油耗曲線。
分別將這些測試數(shù)據(jù)與原機測試數(shù)據(jù)進行了比較。試驗結(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力性能和燃油經(jīng)濟性也有一定的提高?？梢娧b配所述VVT機優(yōu)良高速性能的同時，有效提高其中低轉(zhuǎn)速工況條件下的動力和燃油經(jīng)濟性能，從而在整個的轉(zhuǎn)構(gòu)JH125摩托車發(fā)動機，能夠在保留和發(fā)揮原機速工況范圍內(nèi)實現(xiàn)摩托車發(fā)動機性能的明顯提高。
6 結(jié) 論
（1）提出了基于雙凸輪結(jié)構(gòu)的摩托車發(fā)動機離散型VVT機構(gòu)的控制策略，大量的數(shù)值仿真和試驗表明：該控制策略對摩托車發(fā)動機的性能有一定的改善；
（2）該自動控制裝置結(jié)構(gòu)簡單合理、信號采集快捷方便，具有控制精度高和運行可靠的優(yōu)點；
（3）該裝置采用獨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)動機時對原機的改動很小，能夠滿足中小排量摩托車發(fā)動機結(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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