芻議汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制技術(shù)

蔣南希

摘要：作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制中最為重要的環(huán)節(jié)之一，怠速是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)的一種狀態(tài)，怠速控制是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制的一個(gè)重要部分，怠速控制的有效性對(duì)于增強(qiáng)汽車的性能、開乘舒適性、減少油氣排放等有著重要的影響。由于汽車在交通密集道路中行駛會(huì)有很大一部分的燃油消耗在怠速中，此時(shí)的排放量占到總排放量的一大部分。因此，研究發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制技術(shù)還能夠?yàn)楣?jié)能減排作出貢獻(xiàn)。本文通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制的特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制策略，對(duì)于提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制性能有著很大的作用。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 怠速控制 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

汽車作為當(dāng)前社會(huì)中人們重要的交通工具，跟人們的日常生產(chǎn)生活有著緊密的聯(lián)系。隨著城市人口密度的增加，城市道路中的車輛也更加密集。當(dāng)汽車在交通擁擠的道路中行駛時(shí)，經(jīng)常處于怠速的工況中，消耗的能量以及排放的廢氣量都較大。此時(shí)，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況進(jìn)行控制可以有效的提高汽車行駛過程中的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。因此，研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速概述

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)按照其實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性能夠分為穩(wěn)定工況以及過度工況。前者是指發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開度、負(fù)荷以及轉(zhuǎn)速都不發(fā)生變化狀況下的穩(wěn)定運(yùn)行，包含不同大小的負(fù)荷工況以及發(fā)動(dòng)機(jī)溫度正常狀態(tài)下的怠速工況等；后者則是指汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)在運(yùn)行過程中不斷的發(fā)生改變情況下的工況，其中有加減速工況、冷啟動(dòng)的工況等。而怠速工況指的是發(fā)動(dòng)機(jī)不做功，其轉(zhuǎn)速非常低且保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣的工況是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)非常重要的運(yùn)行工況之一。有兩種因素會(huì)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速性能產(chǎn)生影響：首先是對(duì)氣缸中混合氣流量的控制，其原因是氣流量燃燒的速度、溫度等參數(shù)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗與排放產(chǎn)生極其重要的影響；此外，氣缸中氣體的點(diǎn)火時(shí)刻也是造成影響的因素之一，點(diǎn)火時(shí)刻的不同影響燃燒的狀態(tài)、溫度等，進(jìn)而對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性產(chǎn)生影響。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 汽車怠速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

（1）信號(hào)采集系統(tǒng) 信號(hào)采集系統(tǒng)主要用于收集汽油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)和信息，并將采集到的信息參數(shù)傳送至控制單元。信號(hào)采集系統(tǒng)的組成包括：信號(hào)處理電路、空氣流量傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門傳感器以及冷卻水水溫傳感器。（2）控制單元 在本文的研究中由80C196KC的單片機(jī)以及擴(kuò)展系統(tǒng)構(gòu)成控制單元，其工作主要是對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)傳送來的信息進(jìn)行處理和運(yùn)算，通過數(shù)據(jù)結(jié)果判斷汽油機(jī)的運(yùn)行是否穩(wěn)定。同時(shí)，還承擔(dān)下達(dá)指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般來說，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由怠速直流電機(jī)構(gòu)成，本研究中使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是全電控節(jié)氣門。

2.2 汽車怠速控制系統(tǒng)的硬件組成

直流電機(jī)使用脈寬作為控制信號(hào)對(duì)電子節(jié)氣門工作中的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，而電子節(jié)氣門的控制系統(tǒng)采用的是閉環(huán)形式，在系統(tǒng)的加速踏板模塊中輸入指定的目標(biāo)開度，由節(jié)氣門位置傳感器對(duì)節(jié)氣門的實(shí)際開度進(jìn)行反饋。本研究中使用的直流電機(jī)主芯片為Intel公司生產(chǎn)的80C196KC單片機(jī)，并對(duì)芯片的外存儲(chǔ)器以及相應(yīng)的端口進(jìn)行擴(kuò)展，加強(qiáng)單片機(jī)通信電路的通信功能。

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為：電子節(jié)氣門位置傳感器實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門位置的信號(hào)反饋、加速踏板位置傳感器則完成加速踏板控制信號(hào)的輸入工作；16位機(jī)80C196KC中的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換工作，將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；然后通過系統(tǒng)中的控制算法對(duì)理論的控制量進(jìn)行計(jì)算，利用高速輸出口等端口實(shí)施控制信號(hào)的輸出，直接控制直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；最后由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)直流電機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門開度的調(diào)節(jié)。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)以及軟件設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)以及軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的不斷循環(huán)作為系統(tǒng)的主程序，主程序自動(dòng)將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分為不同類型的工況，根據(jù)工況的不同有針對(duì)性的實(shí)施編程。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)對(duì)工況的分類越合理、劃分越細(xì)致那么對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的判斷就越合理，對(duì)其產(chǎn)生的控制效果就越好。針對(duì)不同類型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工況應(yīng)該采取怎樣的控制方式也是對(duì)控制結(jié)果產(chǎn)生影響的重要方面。在本研究中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)作為典型的運(yùn)行工況主要有：起動(dòng)模式，包含起動(dòng)以及起動(dòng)托轉(zhuǎn)的運(yùn)行模式、怠速閉環(huán)模式、暖機(jī)模式、以加減速等為表現(xiàn)的瞬態(tài)工況模式、全節(jié)氣門工況模式以及空燃比閉環(huán)模式。

首先對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行準(zhǔn)確的分類和判斷，在判斷之后，依照不同的工況處理程序，基于程序采集的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)選擇正確的算法對(duì)噴油脈寬、怠速運(yùn)行中的進(jìn)氣量以及點(diǎn)火提前角等參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)所得的結(jié)果對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

最后是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制軟件的設(shè)計(jì)，根據(jù)總體的運(yùn)行狀況分為初始化部分以及工作循環(huán)部分。具體的工作流程為：初始化部分對(duì)汽車法定及怠速控制中的變量與常量進(jìn)行初始化；然后由定時(shí)器將初始化中斷；通過高速輸出口輸出PWM、串行端口的收發(fā)數(shù)據(jù)初始化。工作循環(huán)部分的流程為收集汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)；對(duì)傳感器的故障進(jìn)行判斷；計(jì)算踏板的角度以及電子節(jié)氣門的開度；最后對(duì)串行的通信以及控制量實(shí)施計(jì)算。

4 試驗(yàn)的結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速跟目標(biāo)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出非常小的差異，兩者的數(shù)據(jù)非常接近，并且隨著冷卻水水溫發(fā)生變化，實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)也基本相同。當(dāng)冷卻水的水溫為80℃時(shí)，兩者都維持在約750r/min的穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速中，由此能夠表示本研究中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制系統(tǒng)能夠有效的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況進(jìn)行控制。

5結(jié)語

通過對(duì)80C196KC單片機(jī)核心的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以電子式連接取代傳統(tǒng)腳踏板和節(jié)氣門之間的機(jī)械式連接，并將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制、車速控制等功能集合。通過實(shí)施相關(guān)的策略，能夠簡化汽車的結(jié)構(gòu)組成、更為精確的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施控制，汽車的響應(yīng)速度也變快。實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排的目標(biāo)。

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