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单缸摩托车发动机电喷及试验系统设计与分析_硕士学位论文

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单缸摩托车发动机电喷及试验系统设计与分析_硕士学位论文单缸摩托车发动机电喷及试验系统设计与分析_硕士学位论文 单缸摩托车发动机电喷及试验系统设计与分析_硕士学 位论文 华中科技大学 硕士学位论文 单缸摩托车发动机电喷及试验系统设计与分析 姓名:徐宁宁 申请学位级别:硕士 专业:动力机械及工程 指导教师:蒋炎坤 2011-01-11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 我国摩托车产业发展迅速,摩托车产销量逐年上升,随着摩托车国?排放法规的 实施,摩托车产业面临巨大的考验。事实证明,唯有摩托车电喷化才是满足国?法规 的唯一有...

单缸摩托车发动机电喷及试验系统设计与分析_硕士学位论文
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The motorcycle industry is facing with huge pressure because new effluent standard of motorcycle have been put into effect. Factual proof EFI is the only effective way to satisfy the new effluent standard. A certain single-cylinder gasoline engine for motorcycle is regarded as research object to design its EMS.The main research work in this paper are as follows: 1 Determine the overall plan of electronic control system. Closed-loop control and Three Way Catalysts technology have been adopted. The air measurement is used the arithmetic of ??n ; The inlet injection and no return fuel are used in the supplying system; Ignition mode is ECU-CDI. All the sensors and actuators are made in China, The control system is simple in structure, convenient in installation and reliable. On the whole, It is very suitable for motorcycle engine. 2 Design the hardware and software of ECU. According to the practical demands ECU hardware circuit and the corresponding software has been designed independently, the result shows that ECU is reliable and stable enough to be used as production. 3 Improve the control strategy and calibration experiment. The paper analyze and design the control strategy on the air-fuel ratio, injection, ignition, idle speed control and safety protection. The calibration experiments which are including the basic injection and ignition MAP and all the verify form for injection have been completed through the engine test bed which is built by ourselves and the calibration software which is developed independently. Finally the full-load performance curve of the engine assembled with EMS which is developed ourselves is tested and make a comparison with the carburetor engine performance. Keywords: Motorcycle EMS ECU hardware Software designing Control strategy Calibration on test bed II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密? ,在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?” ) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 课 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 背景 1.1.1 中国摩托车产业现状 我国摩托车产业在国民经济体系中占据重要位置,1979 年嘉陵摩托车厂生产出了 第一辆民用摩托车,从此我国摩托车产业开始了迅速发展。从 1993 年开始我国摩托 车产量一直保持世界第一,其数量也是一直处于快速增长的状态,从 1993 年的 335.1 万辆到 2008 年产销量双双突破 2700 万辆,分别为 2750.11 万辆和 2750.20 万辆。 2009 年全行业累计完成摩托车产销 2542.77 万辆和 2547.01 万辆[1],虽然数量有所下降,但 是考虑到全球经济危机的影响,这一数量还是非常可观的。图 1.1 是从 1996 年到 2008 年全国摩托车总产量柱状图,从图中可以清楚地看出我国摩托车产量及其增长速度。 [2] 据不完全统计,2009 年底全国摩托车保有量达到了 94530658 辆 。 产量 3000 2500 2000 辆 万 1500 1000 500 0 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 年 图 1.1 1996 年到 2008 年我国摩托车产量柱状图 以上数据充分表明我国作为世界摩托车大国的地位,但是由于我国摩托 车产业起 步比较晚,新产品研发投入严重不足等原因造成了整体技术水平与国外相比 相对较 低。国内摩托车整车厂所生产车辆大部分是 50ml、110ml、125ml 以及 150ml 等中小 排量摩托车,并且多数采用化油器实现油汽混合气的形成与控制,化油器摩托车本身 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 制造工艺低,制造零部件一致性不好,再加上化油器发动机在原理上存在难以克服的 缺点,导致较高的油耗和较严重的排放。随着我国摩托车保有量的迅速上升,摩托车 对燃油的消耗量以及排放对大气的污染成都日益严重,图 1.2 所示的是 1995 年预测的 [3] 2005 、2010 、2020 年摩托车以及轻便摩托车的排放污染物占运输排放总 量的分担率 。 25 比 分 20 百 的 15 1995 放 2005 排 2010 输 10 运 2020 总 占 5 0 CO HC Nox 图 1.2 摩托车和轻便摩托车排放污染物占运输排放总量的 分担率 1.1.2 新阶段摩托车排放法规的实施 为了减少摩托车排放物对大气的污染,各个国家都颁布并且实施了针对 摩托车以 及轻便摩托车更加严格的排放法规,比如欧盟和日本分别从 2006 年 1 月 和 2007 年 1 月开始执行新阶段的摩托车排放法规[4] 。2007 年我国也通过了新阶段摩托车排放法 规,也就是国? 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,标准规定我国从 2008 年 7 月起对摩托车 包括轻便摩托车 实施第三阶段排放标准新产品认证[5],国家环保局最早要求 2009 年 7 月 1 日起全国 范围内所有新生产的摩托车排放必须符合国?标准,但是由于中国摩托车产业的现状 新标准推迟一年实行。 总体来看,国?标准主要包括三个方面排放要求:燃油蒸发要求[6]、怠速排放要 求以及工况法排放要求。针对燃油蒸发以及怠速排放这两项要求只要采取合理的技术 措施,比较容易达到,而难于实现的是工况法排放要求。国?标准对于工况 法排放要 求的测量循环、采样时刻以及 CO、HC 、NOx 等排放污染物的限值都与欧? 标准一致。 [5] 具体内容如表 1.1 所示 。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 1.1 摩托车排放污染物排放限值(国?) 类别 排放限值 (g/km ) CO HC NOx 150ml (UDC ) 2.0 0.8 0.15 两轮摩托车 150ml (UDC+EUDC ) 2.0 0.3 0.15 三轮摩托车 全部 UDC 4.0 1.0 0.15 注:1.UDC:指ECE R40 试验循环模式,包括全部 6 个市区循环模式的排放污染物测量, 采样开始时间 T 0 。 2.UDC+EUDC :指最高车速为 90 km/h 的ECE R40+EUDC 试验循环模式,包括市区和市 郊全部循环模式的排放污染物测量,采样开始时间 T 0 。 从表 1.1 可以看出,新的排放标准是从摩托车冷启动开始采样,而且各种污染物 的排放限值相对于国?标准有很大程度的提高,提高百分数如表 1.2 所示。 表 1.2 国?标准的排放限值相比国?标准的提高幅度 降幅 类别 CO HC NOx 150ml 64% 33.3% 50% 150ml 64% 70% 50% [5] 国?标准还要求了产品一致性以及耐久性 ,具体如表 1.3 所示。 表 1.3 国?标准耐久性能指标 类型 耐久行程(km ) 150ml 12000 18000 (最高车速小于130km/h) 150ml 30000 (最高车速大于130km/h) 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.1.3 摩托车电控技术应用 自从国?颁布开始到现在已两年多,相关专家对于实现新排放法规的技术路线做 了很多深入探讨[7][8][9][10],主要有两种:一是精调化油器+排气后处理;二是电喷闭环 +三元催化转化。精调化油器的技术路线有以下几种: ? 精调化油器+三元催化转化器 ? 精调化油器+缸头二次补气+催化转化器 单级或两级 ? 精调化油器+还原型催化转化器+二次补气+氧化型催化转化器 精调化油器方案是在原满足国?排放标准的摩托车基础上进行改装成本较低,但 是其有效性以及可靠性无法保证。根据文献[9]介绍,该方案无法完全满足国?排放 法规。 为了满足国?甚至更严格的排放法规,摩托车电喷化是必然趋势。只有采用电喷 技术才能同时达到降低摩托车尾气中有害物质的排放量、改善发动机运行的经济性、 提高发动机动力性这三项目标[11][12] 。 1.2 国内外摩托车电子控制系统现状 1.2.1 国外研究现状 国外摩托车应用电喷系统起初都是针对二冲程摩托车,因为二冲程摩托车排放污 染更加严重并且难以控制。1980 年日本川崎公司制造出世界上第一辆电喷摩托车―川 崎 Z1000 ,该电控系统只控制喷油,没有对点火进行控制。随后国外许多公司也相继 推出各种摩托车用的电控燃油喷射系统,较为典型的有[13][14] :AVL 公司用于二冲程 摩托车的半直喷系统(SDI )、OBITAL 公司用于二冲程摩托车的夹气直喷系统 SEFI 等。针对四冲程摩托车电控系统比较具名是法国 SAGEM 以及意大利Piaggio 。 国外的许多比较著名的摩托车整车厂比如意大利的杜卡迪(DUCATI )、艾普瑞利 亚(APRILIA )、德国的宝马(BMW )、美国的哈雷―戴维森(Harley-Davidson )以 及日本的铃木(SUZUKI )、本田(Honda )、川崎(KAWASAKI )、雅马哈(YAMAHA ) 等公司所生产的大排量摩托车全部都使用了电控系统。 近几年来,随着汽车发动机电控系统进一步发展,电子元器件的普及以及其成本 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 降低,国外的摩托车公司将成熟可靠的电控系统逐渐应用到中小排量家用摩托车上, 2004 年日本本田公司推出了装有用 PGM-FI 电子控制系统的50mL 踏板摩托车,其电 控系统中 ECU 采用了 32 位高速 CPU,而且电喷系统的零部件数量由大排量摩托车的 15 个减少到 8 个,降低了成本[15], 配备电子控制燃料喷射装置的 50mL 排量四冲程 摩托车发动机如图1.3和图1.4所示。 图 1.3 配有电控系统的 50ml 踏板摩托车发动机外型图 图 1.4 电控系统组成图 1.2.2 国内研究现状 从 1995 年开始,国内的摩托车整车厂以及各大院校研究机构开始涉足摩托车电 喷领域,但是由于电喷摩托车的价格劣势以及国内排放法规比较滞后等原因国内摩托 车电喷化进程一直比较缓慢。随着国内排放法规日益严格,国内摩托车电喷化的进程 开始加快,国内摩托车企业相继推出了一系列电喷样车,具体内容如表 1.4 所示。 表 1.4 国内企业电喷摩托车情况 企业名称 合作单位 成果 新大洲摩托车企业 奥比托 1999 年推出 XD250DQT 型电喷摩托车 春兰摩托车 AVL 2000 年 CL125-6 型电喷摩托车开始上市 力帆摩托车 联合电子 2001 年 LF150-A 开始销售 广摩集团 ―― 2002 年五羊 WY125 型电喷摩托车上市 国内各大院校在摩托车电喷系统的研究方面也取得一定成果。比如,清华大学利 用摩托罗拉 MC68HC08 单片机作为电控单元主芯片,完成了电控系统的软硬件设计 并且进行了实验验证[16] 。武汉理工大学的颜伏伍、邹斌等人开发了 LH150 摩托车电 喷系统[17],并且针对ATV 用 LJ 276M 汽油机开发了电控系统并完成了相应的标定试 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 验[18] 。广东工业大学彭美春教授与广州市番禺华南摩托企业集团合作,完成了 FY125-3P 摩托车电控系统软硬件的设计以及整车匹配实验[19][20] 。天津大学胡春明以 CG125 摩托车发动机为样机,设计开发了实用的 MCEFI 电控系统,并且为了方便电 控系统的匹配实验,开发了与之配套的匹配软件[21][22] 。华中科技大学蒋炎坤教授与洛 阳北方企业集团合作开发了军用直列三缸大排量摩托车发动机LJ750 ,项目中包括开 发与发动机配套的电控系统,最终完成了点火与喷油控制系统的设计开发[23][24][25] 。 [3][26] 。天津摩托车技术中心研制 山东大学也与济南轻骑合作,完成了电控系统的开发 [27][28] 出了适合中小排量摩托车发动机的FAI 电喷系统,并开始量产 ,等等。 虽然国内关于摩托车电喷的研究取得了一定成果,但是总体来看,我国关于摩托 车电控系统的研发还处在初级阶段,要想进行产品化还有许多问题需要解决。现在国 ?法规已经实施,国内摩托车整车厂所采用的电喷系统无不是购买世界上比较著名的 电控系统生产商产品,如美国的德尔福、意大利的马瑞利、德国的西门子和博世公司 联合汽车电子有限公司 以及台湾的敦扬等。这些系统的价格比较高,而且国内摩托 车整车厂不能获得其产品的核心技术,不利于国内各摩托厂的进一步发展。 目前在国内量产化或者是正在研究的摩托车电喷系统主要有两种,一种是参照汽 车电喷技术的传统电控系统,如上海联合电子有限公司 UAES 的MSE2.0 电喷系统; 另一种是采用泵喷嘴技术的集成式电控系统,主要是日本三国 MIKUNI 与铃木公司 共同推出的 DCP Discharge Pump 技术以及浙江飞亚电子有限公司的 FAI 系统。该方 案将油泵、油压调节器以及喷油器合为一个高度集成的燃油喷射器,可以节省一定成 [29] [30] 本及安装空间。图 1.5 和图 1.6 分别是 MSE2.0 电喷系统和FAI 电喷系统原理图 。 图 1.5 MSE2.0 电喷系统原理图 图1.6 FAI 电喷系统原理图 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.3 研究的目的和主要工作内容 本项目以某单缸摩托车用汽油机为对象,对其电控系统进行了研究,旨在使整车 排放达到国?排放法规,同时提高其经济性与动力性。 主要研究内容包括: 1. 在了解和分析国内外摩托车电喷系统现状和技术方案基础上,提出适合国内市场 的摩托车电喷系统解决方案。 2. 控制策略研究,主要包括对空燃比、喷油、点火、怠速控制以及安全保护控制策 略的分析研究。 3. 发动机电控系统硬件与软件设计,包括:传感器的选型与安装设计,ECU 硬件电 路设计与测试,执行器设计与安装,摩托车原零部件的改造及软件开发。 4. 标定与匹配:完成了发动机台架设计与安装,并通过所搭建的发动机标定试验台 及自主开发的标定软件完成了发动机的台架标定,获得了基本喷油点火 MAP ,有 关喷油修正表;并对特定工况控制策略进行了试验验证;并将改装后的电控发动 机外特性与原化油器发动机外特性进行了对比分析,为下一步整车匹配试验奠定 了基础。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 电控系统总体方案设计 2.1 总体方案的确定 以某型号摩托车发动机为实验样机,其具体参数如表2.1 所示。 表 2.1 发动机基本参数 单缸、四冲程、自然风冷、斜置式、下置 型式 缸径/行程 57mm/49.5mm 凸轮 压缩比 10.2:1 排量 125ml 9.2 N ?m 标定功率 7.3kW/8500r/min 最大转矩 /7000r/min 最低空载稳定 1400?100r/min 点火方式 CDI 电容储能式 转速 启动方式 电启动与脚启动并用 润滑方式 压力加飞溅 最低燃油消 离合器形式 手动湿式多片式 367g/ kW ?h 耗率 2.1.1 进气量测量方式的确定 汽油机电控系统的控制目标之一是将空燃比控制在所要求范围内,ECU 根据发动 机每一循环的进气量来计算所需喷油量来控制发动机空燃比。因此,ECU 对进气量的 计量是否准确直接决定了空燃比控制的精确性。电控系统测量进气流量的方法有速度 密度法、速度开度法以及质量流量法[31],针对单缸摩托车发动机的特点,本系统选用 速度开度法[32][33] 。 2.1.2 燃油喷射系统确定 [34] 汽油机电控系统按照喷油位置的不同可以分为缸内直喷(GDI )和进气道喷射 。 为了节约成本减少原化油器发动机的机械改动,本系统采用进气道喷射,进气道喷射 根据油路的不同可以分为有回油燃油供给系统和无回油的燃油供给系统,有回油燃油 供给系统原理如图 2.1 所示。 有回油的燃油供给系统在电控系统早期的应用过程中使用较多,系统中的燃油压 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 力调节器根据进气管的进气压力调节油路中的燃油压力,确保喷油器前后两端的压力 是一定的(进气道喷射一般为 250MPa-400MPa ),使喷油器的喷油量只与喷油时间有 关系,因此电子控制系统可以精确的控制其喷油量。但是这种结构的供油系统会造成 回油被油泵加热,进而导致油箱里的油温升高,高温的燃油继续循环会导致油箱里的 燃油压力过高,影响发动机的性能等问题[35] 。因而现在的趋势是使用无回油的燃油供 给系统。 无回油的燃油供给系统取消了从压力调节器到油箱的回油管,把燃油压力调节 器、油泵组合在一起,其原理如图 2.2 所示,与有回油的燃油供给系统相比其不同点 如下: 1 参考压力不同:有回油系统参考压力为进气管压力;无回油系统参考压力并非 恒定,在实际应用过程中必须根据进气管压力实时的对喷油量进行修正。 2 无回油系统整体成本低:无回油系统没有回油管从发动机引回,油管长度减小, 造价降低。 3 无回油排放更加容易控制:对有回油系统,回油从发动机引回,温度较高,同 时回油管长,表面积增加,都促使汽油蒸发气化,使排放中油蒸汽含量增加。 4 无回油系统有利于油泵工作:有回油系统回油为热油,容易产生气泡,使同等 条件下油泵的吸油量降低。 图2.1 有回油的燃油供给系统原理图 图2.2 无回油的燃油供给系统原理图 通过分析两种供油系统的优缺点,并考虑到摩托车本身零部件安装的紧凑性,这 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 里采用无回油的燃油供给系统。 2.1.3 点火系统的确定 文献[36]中详细描述了摩托车点火系统的种类以及原理,本系统采用 ECU-CDI 点火方式,CDI 点火由 ECU 直接控制点火时刻,保证发动机不同工作状态下都具有 最佳点火提前角。点火系统原理框图如图 2.3 所示[37][38] 。 图2.3 点火系统原理图 2.1.4 电控系统方案确定 根据以上分析,本电控系统采用电喷闭环控制+三元催化转化器的技术方案。进 气量测量方式采用速度开度法;供油方式为进气道喷射并且采用无回油的燃油供给系 统;点火方式采用 ECU-CDI 点火。系统中所使用的传感器有:转速传感器(原化油 器摩托车点火触发线圈)、进气温度压力传感器、缸体温度传感器、节气门位置传感 器以及氧传感器;执行器有:喷油器、电动燃油泵以及点火器。 电控系统以ECU 为核心,利用不同传感器测得发动机各种工作参数,按照由 ECU 中事先设定的控制程序和参数,精确地控制喷油点火,使发动机在各种工况下都能以 最佳状态工作[39],系统的原理框图如图2.4 所示。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.4 电控系统原理图 2.2 本电控系统特点 1 自主设计ECU 硬件。整个 ECU 模块共有 28 引脚,其中包括电源、各传感器,执 行器、串行通信线、程序烧录线等接口。 2 自主开发ECU 控制软件。根据控制要求自主开发了 ECU 控制软件,该软件采用 C 语言编写,功能比较齐全,包括喷油时刻控制、喷油量控制、点火时刻控制、 怠速控制、自学习等。 3 自主开发ECU 标定软件。ECU 标定软件与自主开发的 ECU 配套可以实现所有的 台架及整车标定试验,大大缩短了标定时间。 4 进气压力传感器可以实现多个功能,可以最大限度的节省成本,且有利于系统安 装。 5 系统中所需要的传感器、执行器全部实现国产化,且应用效果较好。 2.3 电控系统结构设计以及零部件选型 2.3.1 节气门体设计 化油器摩托车的改造过程中,进气系统以及燃油供给系统的改造是最重要的,其 中进气系统的设计是在保留原化油器摩托车空气滤清器的前提下,将化油器以及进气 弯管换成电喷摩托车所需的节气门体,其结构如图 2.5 所示。 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2.5 节气门体三维图以及实物 节气门体设计过程中最重要的问题是确定喷油器的安装角度,设计原则是保证喷 油器油束能够落在进气阀的背面,以提高发动机的冷启动和过渡性能[40],由于原化油 器摩托车连接化油器与发动机的进气弯管具有一定的空间角度,增加了设计难度。实 际设计过程中,首先利用 PRO/E 完成整个节气门体的三维设计并保证其整车安装性 能,然后把所设计的节气门体与发动机体装配在一起,调整喷油器安装位置直到其油 束落到进气门的背面,图 2.6 为喷油器安装示意图。 图2.6 喷油器安装位置示意图 2.3.2 燃油供给系统设计 采用无回油的燃油供给系统,包括电动燃油泵、压力调节器、汽油滤清器以及喷 油器等。其中电动燃油泵通过油泵支架与压力调节器组合在一起,主要作用为系统提 供充足而且压力稳定的高压油,保证发动机正常工作。图 2.7 和 2.8 分别为电动燃油 泵总成外形图及其在油箱里的安装图。 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2.7 油泵总成外形图 图2.8 油泵总成在油箱里的安装图 系统中的油泵采用涡流式电动燃油泵,其内部结构图如图 2.9 所示,工作过程如 图2.10 所示,叶轮在进出油流道内将燃油速度能转变成压力能,建立起几乎稳定的压 力。燃油流经燃油泵内部,并润滑和冷却电动机的电枢、轴承等,这就需要禁止在无 油情况下电动燃油泵运转,以免被烧坏[34] 。 图2.9 电动燃油泵的内部结构 图 2.10 涡流式电动燃油泵工作过程 油泵本身还集成了止回阀和限压阀等结构,止回阀的作用是燃油泵关闭之后在一 定时间内保持系统压力,便于发动机再次起动。限压阀的作用是当燃油滤清器或燃油 管堵塞时,避免油压过高,造成油管破裂油泵损坏。系统所选油泵具体参数 如表 2.2 所示。 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表 2.2 电动燃油泵参数 工作电压 7-14V 额定电压 12V 油压 300 kPa 额定电流 1.7A 运行温度 -30? ~+70 ? 设计寿命 5000h 连续工作 实验过程中证明,油泵的流量完全满足实际需要并且其工作电流较小,减少了电 控系统能耗,可靠性高。 2.3.3 磁电机飞轮设计 原化油器摩托车发动机磁电机飞轮只有一个凸齿,为了更加精确的控制发动机动 作,系统将磁电机飞轮上单个凸齿改装为 34 个凸齿。具体结构及实物如图 2.11 和 2.12 所示。 图 2.11 磁电机飞轮设计图 图 2.12 磁电机飞轮实物图 2.3.4 电子控制系统设计 电子控制系统包括 ECU 、传感器和执行器。ECU 是系统核心,第三章及第四章 会详细介绍其硬件设计和软件设计,这里主要介绍系统中传感器与执行器的选型。 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1. 传感器 1 节气门位置传感器 节气门位置传感器与节气门同轴安装,用来测量节气门开度,输出电压信号给电 子控制器作为发动机负荷信号。系统中采用线性输出型节气门位置传感器,此种传感 器测量精度高、体积小、成本较低,比较适用于摩托车发动机。节气门位置传感器的 测量原理及输出特性如图 2.13 、2.14 所示。 图2.13 节气门位置传感器内部原理图 图2.14 节气门位置传感器输出特性曲线 2 进气压力温度传感器 将进气温度传感器与进气压力传感器集成在一起,这样既节省了成本也减小了安 装空间。压力传感器的作用是测量发动机进气管内绝对压力,其原理是利用材料的压 电效应,压力的改变使压力膜片受力变形,压阻效应使电阻改变,通过芯片处理后形 成与压力成线性关系的电压信号,其内部结构图如图 2.15 所示,输出特性曲线如图 2.16 所示。 图2.15 进气压力传感器内部结构图 图2.16 进气压力传感器输出特性曲线 进气温度传感器的作用是测量进入发动机的空气温度,修正实际喷油量。核心元 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 件是负温度系数的热敏电阻(NTC ),NTC 电阻的阻值变化与温度变化成反比,主控 制器根据其处理电路输出的电压值计算得到实际温度,输出特性曲线图 2.17 所示。 30000 25000 20000 Ω 15000 值 阻 10000 5000 0 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 温度 ? 图 2.17 进气温度传感器温度与输出阻值关系图 3 缸体温度传感器 缸体温度传感器作用是准确测量发动机缸体温度,ECU 根据其所测得的缸体温度 对喷油量、喷油时刻以及点火时刻进行修正。缸体温度传感的核心测温元件也是负温 度系数的热敏电阻(NTC )。本文研究对象为风冷发动机其缸体温度受外界影响较大 而且不容易被控制,缸体温度传感器的安装位置必须能够准确反映发动机实际温度而 且要最大限度减少原发动机的机械改动,实际试验中使用了多种安装方式,根据实际 效果最终选用如图 2.18 所示的安装方式,将原发动机靠近进气口的位置打 掉三个散热 片,然后再钻孔攻丝,最后将温度传感器拧紧螺纹孔,系统所选用的温度传 感器外形 如图 2.19 所示,图 2.20 为缸体温度传感器的输出特性曲线。 图 2.18 缸体温度传感器的安装方式 图2.19 缸体温度传感器外形图 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 120 100 80 Ω k 60 值 阻 40 20 0 -50 0 50 100 150 200 温度 ? 图 2.20 缸体温度传感器输出特性曲线 4 曲轴位置传感器 曲轴位置传感器的作用是为发动机电控提供时间基准,并测量发动机转速,是发 动机电控系统中最重要的传感器之一。这里,曲轴位置传感器采用原化油器发动机上 的点火触发线圈,其原理是利用磁电效应感应出交变信号。原化油器发动机在转速 4000r/min 时的点火线圈触发信号如图 2.21 所示。发动机电控系统中增多了磁电机飞 轮的齿数,这样飞轮旋转一圈的信号频率更高,控制更精确。 图2.21 转速为 4000r/min 时点火触发信号 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 氧传感器 氧传感器在电控系统中的作用是为空燃比闭环控制提供反馈信号。氧传感器工作 原理如下[34] :其核心部件是一种固态电解质,在高温时能使氧气发生电离,产生氧离 子。陶瓷管外侧通废气,内侧通大气,由于两边氧浓度相差悬殊,因此当发生电离时, 在管壁内、外侧之间产生电势差,在发动机正常工作过程中,其电压值的变化范围为 0-1000 mv,其输出特性如图2.22 所示。 这里,采用的是四线制加热型氧化锆型氧传感器,采用加热型氧传感器是因为其 抗铅能力强,对排气温度依赖少,减少了传感器工作的预热时间,使发动机更加迅速 的进入闭环控制,并使得冷启动及暖机过程中的排放更加容易控制。在实际试验过程 中,室温情况下,系统所采用的氧传感器只需很短时间便可以达到工作温度。氧传感 器安装在离排气口一定距离的位置,并且要保证氧传感器的轴线与排气管的中心水平 剖面成一定夹角,氧传感器的实际安装图如图 2.23 所示。 图2.22 氧传感器输出信号图 图2.23 氧传感器实际安装图 2. 执行器 1 电动燃油泵 详见 2.3.2 节“电动燃油泵的选型及安装”。 2 点火器 系统采用的点火方式为 ECU 控制点火提前角直流 CDI 点火方式,其核心部件是 自动进角的点火器,其外形图如图2.24 所示,内部原理图如图 2.3 所示。 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.24 点火器外形图以及各个接头作用 3 喷油器 喷油器的作用是把经过油泵加压的高压油喷射到进气管内,与进入汽缸的空气形 成可燃混合气。这里,采用国内某公司专门针对小排量摩托车发动机生产的某型号喷 油器,其外形图如图 2.25 所示,参数如表 2.3 所示,此 外为了保证喷油器的油束落到 进气门的背面,系统所用喷油器的油束中心线与喷油器的轴线有一个夹角, 如图 2.26 所示。 图2.25 喷油器结构图 表 2.3 喷油器的参数 工作电压 8-16V 工作温度 -40? ~125 ? 系统燃油压力范围 150KPa,450KPa 耐压性 喷油器最大可承受 1100KPa 的内部压力负荷 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2.26 喷油器及其喷雾特性示意图 喷油器最主要的性能参数是喷油器的流量特性,也是喷油器选型必须考虑主要的 因素。喷油器流量特性包括静态流量和动态流量,文献[41]详细说明了喷油器的静态 流量与动态流量的定义,本系统选用的喷油器的动态流量如图 2.27 所示,从图中可以 看出该款喷油器在常用喷油时间2ms ?10ms 之间的线性度很好,在实际试验过程中表 现良好,其可靠性比较高,符合要求。 13mg 11.8mg 10.47mg 9.13mg 7.8mg 6.46mg 5.13mg 3.8mg 2.47mg 1.14mg O 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms 图2.27 喷油器的动态流量特性 电控系统工作过程中,喷油器的喷油量要根据电池电压进行修正,因为随着电池 [42] 电压的不同,喷油器动态流量是不一样的,具体标定方法 是 :保证喷油器喷油压力 与环境温度一定,测得不同电源电压下喷油器在各喷油时间对应的喷油量,图 2.28 是根据实验数据得到的不同电压下喷油器动态流量曲线,每一条曲线与时间轴都有一 个交点,以 12V 电压下流量曲线与时间轴交点作为标准,其他电压下的交 点与该交点 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的距离为各电压下喷油器的电压修正值,喷油量的电池电压修正如图2.29 所示。 10 3.5 9 3.0 6v 8 7v 2.5 喷油量修正值 7 8v 9v s 2.0 m 6 10v g 11v 值 1.5 量 5 油 12v 正 喷 4 13v 修 1.0 量 3
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分类:工学
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