缸内直喷天然气发动机时序控制策略研究

摘 要：针对缸内直喷天然气发动机，在研究发动机电控单元（ECU）软件与发动机运转同步策略的基础上，设计开发了“零整结合”式的高精度点火与喷射时序控制策略。仿真和台架试验表明：控制策略和设计方案可行，发动机运转平稳可靠，且燃气缸内直喷较进气道喷射有较大的性能提升。

关键词：天然气发动机；缸内直喷；时序控制

中图分类号：U464.3文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.01.008

Research of Timing Control Strategy for Direct Injection Natural Gas Engines

Zou Bowen, Li Jingbo,Ge Xiaocheng, Liu Jungang,Wang Guohua

(China National NGV Engineering Research Center, China Automotive Engineering Research Institute,

Chongqing 400039, China)

Abstract：Based on the research of synchronization strategy for electronic control unit (ECU) software and engine running, a new control strategy called “combination of remnant and integration” was designed for direct injection (DI) natural gas engines. The strategy was validated by simulation and bench experiments. The results show that the design is feasible and engine running is smooth and reliable, furthermore, DI provides much better performance than port injection.

Key words: NG engine；direct injection；sequential control

基本上采用缸外混合方式为发动机供给天然气，必然会造成发动机循环进气量减小，充气效率低[1]等问题。缸内直喷属第4代天然气发动机技术，也是未来燃气汽车动力系统的发展方向，其优势在于：能显著减小或消除气体燃料的充量效率下降；避免了扫气时的燃料损失；有利于抑制爆震，可采用较高压缩比;能通过燃料喷射正时、喷射脉宽和点火提前角等参数的协同优化匹配，强化燃烧过程控制，优化整机综合性能。

与进气道喷射方式相比，缸内直喷发动机的燃料喷射正时对整机性能和运转平稳性影响很大[2]，因此精确的喷射控制是直喷控制技术的关键环节之一。本文针对某型自然吸气4缸天然气发动机，制定了缸内顺序喷射和分组点火（1、4缸一组，2、3缸一组）时序控制策略，并开发出天然气缸内直喷多缸发动机ECU软件。仿真测试和台架实机验证结果表明:控制策略正确，方案切实、可行；发动机运转平稳、可靠，天然气缸内直喷性能明显优于进气道喷射。

1 总体控制方案

本文对时序控制的研究分为“软件正时同步”和“喷射与点火控制”两部分。其中，软件正时同步是实现喷射正时与喷射脉宽、点火线圈充电脉宽与点火正时的高精度控制的基础。总体上，曲轴位置中断程序的控制逻辑和算法是时序控制的核心与关键，也是发动机良好运转的保障。

在软件正时同步策略中，采用凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器共同判断发动机运行位置。其中，曲轴位置传感器硬件设计为：目标齿盘有58个齿(即60-2齿)，1、4缸活塞上止点在缺齿后第20齿的下降沿，传感器的中心线对应该位置。同时，霍尔式凸轮轴位置传感器目标轮为单齿，齿顶感应低电平，对应发动机第1缸的压缩冲程。

曲轴位置传感器最小分辨率为6 oCA，不能满足精确控制的要求,为此，可采用硬件信号倍频或软件方式来处理。本文采用“零整结合”的软件处理方式，以降低硬件设计成本和复杂度，并提高系统可靠性。开发过程中，采用飞思卡尔高性能16位微控制器（MCU）――MC9S12DP512，该芯片为发动机电控专用，具有高精度输入捕捉和输出比较功能，运算速度高，能满足高精度实时控制的需求。时序控制的总体方案如图1所示。为合理调配MCU资源，转速计算和其它信号采集与参数运算等任务采用时间调度器在后台管理，时间调度器的逻辑由定时器实时中断控制。

2 时序控制策略

2.1 软件正时同步策略

ECU软件与发动机实际运行位置同步是整个时序控制的首要环节，本文的正时同步分为曲轴位置同步（简称CPS同步）和凸轮轴位置同步（简称CAM同步）。

CPS同步策略是：通过判断出缺齿位置实现软件中齿数计数值与发动机运转同步。由于发动机起动初期转速低、信号不稳定，因此首先忽略初始的10个信号。而后，如图2所示，从信号下降沿开始记录定时器的计数值，并计算曲轴旋转时连续4个齿中每2个齿的间隔时间t1、t2和t3。缺齿位置判断条件为

t2＞1.5t1,且

t2＞1.5t3

当上述条件满足时，软件设置当前齿为第2齿，曲轴位置首次同步过程完成。此外，由于曲轴位置信号易受干扰，因此设定第54齿时重新启动上述逻辑，从而发动机每转均可实时校正同步信息。

CPS同步完成后，开始CAM同步，设计为:在每个缺齿后第3齿采集CAM传感器信号，若信号为低电平，则设置曲轴角度CrkAngDeg为21 oCA；反之，为381 oCA；以后每个齿递增6 oCA。在第3齿读取信号是因为CPS同步需在第2齿完成，因而在下一齿启动CAM同步能确保实时性。

转速计算由于涉及乘除法，计算量较大，因而将运算过程置于时间调度器中，设计转速计算的更新周期为4.096 ms，计算公式为

式中：为发动机转速；为计算常数，与MCU的晶振频率相关；是第7齿和第37齿时定时器计数值之差的绝对值，在曲轴中断程序中计算。

2.2喷射与点火控制

传统进气道喷射通常采用在固定齿开启喷射，但直喷发动机可能的喷射区间理论上为进气和压缩两个冲程，若考虑确保均质混合气的形成、点火提前等因素，实际可供喷射的时间更短。因此，缸内喷射控制的实时性和精度要求更高，算法逻辑关系也更复杂。

本文基于MCU的定时器输出比较功能，采用“零整结合”方法解决曲轴位置传感器分辨率太低进而影响喷射和点火控制精度的问题。以第1、4缸喷射控制为例，“零整结合”的策略为：首先，根据标定的喷射脉宽、喷射正时角度和发动机转速及MCU输出比较定时器分辨率（1个代表2/3），计算出喷射正时的第整数个齿数、不足6 oCA 所对应的输出比较定时器计数值、喷射脉宽所对应的输出比较定时器计数值，这部分计算在后台进行，计算周期为8.192 ms；而后在曲轴中断服务程序中，若齿数计数值与相等，则向输出比较寄存器写入指令，比较值即为；当进入相应的输出比较中断时，将再次向输出比较寄存器写入指令，比较值即为。

由于发动机为4冲程，2转1个循环，因而采用曲轴角度所落在的区间来区分是第1缸还是第4缸。点火控制与喷射类似，由于硬件配置为分组点火，因而控制上无需进行组内区分。

整个曲轴位置中断程序的关键控制流程和算法如图3所示。

3 仿真验证

本文在不同的转速点下对ECU控制时序进行了大量的硬件在环仿真测试，确保实机台架试验前各项控制功能正常，运行可靠。1 200 r/min时，测试结果如图4和图5所示。

4 台架试验验证

为验证上述控制策略和算法，本文选择了某型排量2.0 L、4缸、进气道喷射的天然气发动机为基础机，并在匹配了燃气缸内直喷燃料和电控系统后进行了参数标定和整机性能测试。

图6是发动机在2 000 r/min时，喷射和点火的相位关系图。由图6可知，时序控制正确，发动机运转平稳。燃气直喷与进气道喷射性能对比如图7所示。由图7可知，直喷技术的动力性优势明显，特别在中低转速时，转矩最大提高16.3%。

5 结论

ECU时序控制策略是确保发动机良好、平稳运转的关键。缸内直喷技术是燃气发动机的研究前沿和热点，也是未来发展趋势，该技术对喷射与点火的时序控制精度也有更高要求。本文设计开发了国内首款天然气缸内直喷多缸发动机ECU软件的精确时序控制策略，主要研究内容和结论是：

(1)针对曲轴位置目标轮58齿这一硬件配置，制定了软件与发动机的同步策略。

(2)基于MCU精确的输出比较及其中断功能，设计开发了“零整结合”的精确时序控制策略，有效解决了曲轴位置传感器分辨率太低的问题。

(3)进行了仿真验证，证明设计方案可行，控制逻辑正确。

(4)进行了实机台架试验验证，进一步验证了控制策略及算法的有效性和系统运行的可靠性。同时，性能测试结果也初步显示了天然气缸内直喷与进气道喷射相比的优势。

参考文献(References):

孙嗣炎，张振东，方祖华，等.缸内直喷式天然气发动机的试验研究[J].农业机械学报，2005，36(10)：13-15.

Sun Siyan，Zhang Zhendong，Fang Zuhua，et al. Research on an In-cylinder Direct Injection CNG Engine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultureal Machinery，2005，36(10)：13-15.(in Chinese)

刘亮欣，黄佐华，蒋德明，等.不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性[J].内燃机学报, 2005，23(5)：469-474.

Liu Liangxin，Huang Zuohua，Jiang Deming，et al. Combustion Characteristics of a Direct Injection Natural Gas Engine under Various Fuel Injection Timings[J]. Transactions of CSICE，2005，23(5)：469-474.(in Chinese)