摩托车可变配气正时机构自动控制装置的设计

[摘 要]：介绍了一种基于双凸轮结构的摩托车发动机可变配气正时（VVT）机构自动控制装置。简述了该装置的控制策略、工作原理和硬件设计，并给出了具体的程序设计流程图。该装置具有制造成本低、机构紧凑、控制精度高和可靠性好的优点，广泛适用于各中小排量摩托车发动机VVT机构。 关键词：双凸轮结构；可变配气正时；控制策略；信号采集 0 引 言 由于环境保护和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染已成为车用发动机的发展目标。在各种现代技术手段中，可变配气正时（variable valve timing，VVT）技术已成为新技术发展方向之一。随着电子技术的发展，VVT机构已在轿车上广泛使用[1]。同时，本田、铃木等国外公司近年已经开始将VVT技术应用到摩托车发动机[2]。 但是，如果仅有VVT机构，由于不能实现自动切换，该机构在发动机上并不能有效连续地工作。 本文提供了一种中小排量摩托车发动机机构的自动控制装置，该装置可以根据发动机转速和节气门开度自动切换正时油压，从而实现VVT机构的自动切换，有效地提高 中小排量摩托车发动机在整个转速和负荷工况范围内的动力性、经济性和排放特性。 1 控制策略 VVT机构在凸轮轴上设计了2个进气凸轮（主凸轮和高速凸轮），分别对应于主摇臂和高速摇臂，主凸轮在低速低负荷工况时驱动主摇臂控制进气门，高速凸轮在高速高负荷工况时驱动高速摇臂控制进气门。 主凸轮和高速凸轮的切换是以主凸轮和高速凸轮产生的2种转矩曲线的交叉点为基本点，交叉点所对应的转速即为切换转速。对应于不同的节气门开度，双进气正时参 数VVT系统的切换转速是不同的。 为了合理确定切换转速，研究了不同发动机转速、节气门开度等情况下的发动机性能特征。当节气门全开时，其切换转速为6500r／min左右；节气门开度为70％时，切换转速为6300r／min左右；节气门开度为45％时，切换转速为6100r／min左右；节气门开度为30％时，切换转速为5800r／min左右。可见随着节气门开度的减小，理论的切换转速也应有所降低。因此，可以将节气门开度在整个转速范围内分为4个工况，如表1所示。 2 控制原理 VVT机构的切换动力是正时油压通过斜油孔进入摇臂轴内推动正时活塞产生的，见图1，然后，驱动切换活塞和阻挡活塞，控制主摇臂和高速摇臂的工作状态。因此，实际上整个VVT机构的运行，就是根据发动机转速和节气门开度对正时油压的切换进行控制。 该自动控制装置一方面从发动机发火器采集转速脉冲信号，进入转速信号采集模块，把脉冲信号转化为有效的方波信号，送人芯片的外部中断源INTO口；另一方面，节气门位置传感器将节气门角度位置电信号，经过两级放大电路的放大和滤波后，由12位A／D转换器把模拟量转换成数字量，通过串行口传送至芯片。然后，由芯片内置程序对2个外部信号进行逻辑判断，一旦发动机转速和节气门开度达到控制策略要求，见表1，芯片向油泵控制模块发出高电平信号，高电平信号经双极晶体管放大，控制固体继电器吸合，油泵开始工作，从而带动整个VVT机构运行，工作流程原理如图2所示。 3 硬件设计 本自动控制装置包括转速信号采集模块、节气门信号采集模块，电源模块、自动控制模块、油泵控制模块，如图3所示。 3．1 转速信号采集模块 从摩托车发动机发火器把脉冲信号引出来，并把脉冲信号转化成方波信号输入自动控制模块。选用光耦TLP521-2具有隔离输入信号，保证信号的匹配，提高了抗干扰能力的作用；施密特反相触发器CD40106BC可以完成脉冲信号输入转换。 3．2 节气门开度信号采集模块 由于传感器的输出信号仅为几十毫伏的电压，因此，必须对电压信号进行放大、滤波，本模块中采用两级放大，第一级选择对于电压信号有较高噪声仰制能力的测量放大器AD620；第二级采用高精度、低失调电压型运算放大器OP07实现。同时，选用TLC2543一种带串行控制和11个输入端的12位A／D转换器，它采用12位开关电容逐次逼近方式进行A／D转换，可采集11路信号，与单片机的连接仅占用4根口线。由于Atmel89C51芯片没有SPI接口能力，为了与TLC2543接口，可以利用软件合成SPI操作，完成A／D数据的采集。 3．3 电源模块 由于摩托车使用的是+12V的电瓶电源，而系统控制电路用的是+5V的电源，因此，为了保证+5V电源的供应，输出电流不大于200 mA，采用三端稳压集成块LM7805，形成稳压电源电路。这样，可以同时满足+12V，+5V的供电。 3．4 自动控制模块 如图4所示的自动控制模块采用Atmel89C51控制芯片；晶体振荡源电路的一个机器时钟周期为1µm；按键作为脱离键盘的输入设备，可以随时调整编辑油泵工作的转速临界值；扩展ROM为2k的EEPROM程序储存器AT2ACO2A，作为扩展芯片存放数据和程序；指示灯电路发红光时表示电源接通，系统处于工作状态中，发绿光表示转速达到临界值；由于稳压电源电压波动不大，采用人工微分型复位电路，工作简单可靠。转速显示电路由于摩托车的最高转速为12000r／min左右，因此，转速一共显示5位，51芯片具有全双工通用异步接收发送器UART，为了减少成本，不扩展I／O接口，转速信号为串行输出，每个LED接1个移位寄存输出CD4094动态显示。 3．5 油泵控制模块 该模块采用双极型晶体管8050，放大芯片电平信号，通过继电器控制电路的开合，从而控制油泵的工作。所用油泵为外接独立油泵，能够满足中小排量摩托车发动机结构空间布置紧凑的要求。 4 软件设计 芯片的一个机器时钟周期是1µm，远远低于脉冲信号频率。转速脉冲信号转化成的方波信号通过外部中断源INTO进入芯片，由计时器TO开始计时，当外部中断源方波信号开始翻转时，计时停止，计时数据放人寄储器。 节气门传感器的工作范围为0～5V，输出电压为10～70mV。经过A／D转换，模拟量角度位置信号转换为数值信号，通过串行口传送至芯片。 本系统软件以Keil uVision2编译器为平台，采用汇编语言编写，控制系统的软件主要包括五大模块：初始化程序负责硬件的初始化；主程序负责功能子程序的调用；转速信号处理模块负责将脉冲信号计时转化成二进制，储存到寄存器里面，并把二进制分离成BCD码输出；节气门信号处理模块负责把电压信号数字量转换为相应的节气门开度等级量；按键处理模块负责按键的扫描、键值的计算和功能键的处理；油泵控制模块负责根据控制策略判断油泵是否工作，整个程序设计流程如图4所示。 5试验结果及分析 对装配VVT机构的JHl25摩托车发动机（JL156FM1）进行了动力性能测试。图5是动力性能测试得到的发动机外特性扭矩和功率曲线，图6是发动机外特性比油耗曲线。 分别将这些测试数据与原机测试数据进行了比较。试验结果表明：在中低速工况条件下，输出扭矩可提高约8％，功率可提高3％左右，比油耗可降低约6％，在高速工况条件下动力性能和燃油经济性也有一定的提高。可见装配所述VVT机优良高速性能的同时，有效提高其中低转速工况条件下的动力和燃油经济性能，从而在整个的转构JH125摩托车发动机，能够在保留和发挥原机速工况范围内实现摩托车发动机性能的明显提高。 6 结 论 （1）提出了基于双凸轮结构的摩托车发动机离散型VVT机构的控制策略，大量的数值仿真和试验表明：该控制策略对摩托车发动机的性能有一定的改善； （2）该自动控制装置结构简单合理、信号采集快捷方便，具有控制精度高和运行可靠的优点； （3）该装置采用独立油泵代替电磁阀的油路控制，因此，应用于中小排量摩托车发动机时对原机的改动很小，能够满足中小排量摩托车发动机结构空间布置紧凑的要求，有效地降低了制造成本。