转子发动机点火与喷油正时控制策略研究

2019-03-18魏民祥

小型内燃机与车辆技术 2019年1期

吴超魏民祥刘锐

（南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京 210016）

引言

转子发动机的工作循环与传统的四冲程往复式活塞发动机相同，都是由进气行程、压缩行程、作功行程和排气行程组成。转子发动机转子的旋转运动直接转化为曲轴的旋转运动，取消了传统往复式发动机的活塞直线运动，摆脱了因活塞往复运动而引起的往复惯性力的影响，转速可以大幅度地提高，运行平稳，振动噪声较小。转子发动机由于没有曲柄连杆机构和气门机构，结构简单，维修方便，体积小，质量轻。与同功率往复式活塞发动机相比，升功率是后者的一倍[1-3]。在发动机转速相同时，转子发动机的进气行程和作功行程时间更长，这就使得发动机的进气更为充分，作功密度更高，输出功率更大，功重比高[4]。由于上述优点，转子发动机在航空领域具有独特的优势，某些型号无人机上使用其作为动力源，许多增程式电动汽车上也运用转子发动机作为增程器[5-8]。

国外转子发动机电控系统研究早已开展，美国RPI公司在美国航天局（NASA）的支持下，研制了适合燃烧多种燃料的电控转子发动机；英国UVA公司研制出适合无人机系统使用的电控转子发动机；日本马自达公司已将转子发动机成熟运用到公司的产品中，动力性能毫不逊色于传统发动机。

国内化油器式转子发动机早已有研制，但是对于转子发动机电控系统的研究还处于初步阶段，可供查阅的资料较少。江苏大学潘剑锋等人建立了转子发动机的三维模型，运用仿真软件研究了点火参数和喷油参数对转子发动机燃烧性能的影响[2，9]。南京航空航天大学汤廷孝等人研制了适合转子发动机的燃油喷射系统并且通过试验验证了该系统的可行性[10]。北京工业大学苏腾等人研究了氢燃料转子发动机的性能，并与汽油转子发动机性能进行了对比[1，4，11]。国内仅机械研究院吴进军对于转子发动机电控单元（electronic control unit,ECU）进行了研制，将高压共轨燃油喷射系统运用到柴油转子发动机上，系统地进行了转子发动机ECU研究和匹配试验[12]。

转子发动机燃烧室结构与传统的活塞式发动机不同，转子发动机燃烧室为扁平狭长型[13-19]，这种燃烧室形状使得燃烧室内的气流速度远远大于火焰传播速度，并且无法使燃料与空气较好地混合，并且火焰在传播过程中容易出现淬熄而导致燃烧室内的窄通道内残留大量的未燃烃。基于上述原因，这就需要优化转子发动机点火系统的设计和控制。在相同转速下，转子发动机的点火喷油频率是四行程往复式活塞发动机的两倍，这就对转子发动机燃油系统及点火系统的动态响应以及对发动机控制系统的实时性和准确性提出更高的要求[20]。针对转子发动机的工作原理，发动机ECU在控制逻辑以及时刻上与传统往复式活塞发动机有一定的区别[12]。因此，研究转子发动机电控单元的控制策略具有重要的理论意义与工程实用价值。

本文针对某型小排量汽油转子发动机，该转子发动机排量为294 mL，额定转速为7 100 r/min，额定功率35.8 kW，研制适合该转子发动机的ECU。在此基础上着重研究转子发动机ECU软件控制策略，包括ECU的软件正时、喷油点火控制策略和双转速冗余诊断策略，通过半物理仿真试验和发动机台架试验验证所设计控制策略的有效性。

1 电控单元总体设计

转子发动机电控系统主要由3部分组成：传感器、电控单元和执行器。所需要的传感器主要是曲轴位置传感器、进气压力传感器和进气温度传感器。执行器主要是喷油器和电感点火线圈。本文围绕双路曲轴位置传感器对ECU控制策略进行研究。

1.1 电控单元设计

转子发动机运行控制需要输入多路传感器信号和输出多路控制信号到执行器，本文选用16位高性能微控制器MC9S12XD256作为电子控制系统的核心，设计了转子发动机的ECU，如图1所示。MC9S12XD256拥有多个用于采集外部传感器信号和输出控制信号的I/O口，主频最大可以达到40 MHz，完全满足转子发动机控制系统实时性和准确性的要求。

图1 转子发动机ECU框图

1.2 曲轴位置传感器

本文采用的是霍尔式曲轴位置传感器，如图2所示。霍尔式传感器采用全密封结构，防潮防尘性能好，工作寿命长，响应快，能够满足转子发动机高转速控制需要。

图2 霍尔式曲轴位置传感器示意图

发动机转速信号由一个信号盘和两个完全相同的霍尔式曲轴位置传感器产生。信号盘圆周上分布有一个凹坑和一个凸台，凹坑深度约为8 mm，凹坑和凸台各占圆周180°平均分布。当凸台接近时，接近开关输出低电平，当凹坑接近时，输出高电平。发动机上装有2个曲轴位置传感器，2个传感器的安装位置是水平对置，做转速信号冗余设计。转子发动机曲轴旋转一周，曲轴位置传感器产生2个互补的方波信号，作为转速信号输入到ECU中。

2 正时控制策略

转子发动机ECU控制策略主要包括3个部分：软件正时、喷油点火正时、故障诊断策略。软件正时是控制转子发动机喷油正时和点火正时的基础。本文对转子发动机正时控制是基于对两路互补转速信号的处理实现的，转子发动机曲轴每旋转一周，在固定的曲轴转角处产生两个互补的方波信号，ECU对这两个信号采用了输入捕捉功能，转子发动机控制策略如图3所示。

2.1 软件正时

软件正时是指ECU根据发动机上各种传感器采集的信号，获取当前发动机曲轴的运行位置，输出相应的控制信号。软件正时是实现喷油脉宽和喷油正时、点火充磁脉宽和点火正时精确控制的基础。从图4可以看出两路曲轴位置传感器输出信号示意图。因为转子发动机不同于传统往复式活塞发动机有明确的上止点定义，所以本文中将转子发动机压缩行程缸内容积最小的位置定义为转子发动机的上止点，曲轴位置传感器的安装位置是和上止点位置相关的，转子发动机上止点位置距离曲轴位置传感器产生中断信号位置为70°曲轴转角。曲轴位置传感器每隔360°产生一个转速信号，不能满足精确控制的需要，需要用软件延时的方式来处理[21-22]。

图3 转子发动机控制策略框图

2.2 喷油正时和点火正时

本文采用的曲轴位置传感器产生中断信号间隔360°，油压调节器调节油压至0.3 MPa左右。如果每次都在产生中断信号处喷油，当发动机转速变化时，由喷油器喷射进入发动机的燃油不能较好地与空气混合，导致发动机燃烧状态恶化。为此，本文从软件优化方面入手，运用软件延时的方法，实现对喷油正时和点火正时的精确控制。具体实现过程见式（1）和式（2），图4所示为转子发动机点火喷油正时控制示意图。

图4中βInj为喷油提前角，（°）；βig为点火提前角（°）。α为传感器产生的转速信号所对应的曲轴位置与转子发动机上止点位置的固定角度；Td1为喷油延迟时间，s；Td2为点火延迟时间，s；Tinj为喷油脉宽，s；Tig为点火充磁脉宽，s。其中βinj，βig，Tinj，Tig为已知。根据不同转速和节气门下的点火提前角和喷油提前角对应的延时角度可以算得对应的延时时间Td1和Td2，s。

当ECU检测到曲轴位置传感器转速信号后，设当前发动机转速n（r/min），所以：

Td1决定喷油器开启时刻，Td1时间过小，喷油器过早喷射，喷油器喷出的燃油会在进气道上凝结，不能进入发动机燃烧室；Td1时间过大，喷油器在进气口打开之后喷射，会导致一部分燃油在进气口关闭之后喷射。喷油器喷油动作要在进气口刚好打开之前结束，这样才能使燃油与空气在进气道内充分混合，进入发动机燃烧室，随着发动机转速的提高，喷油提前角也相应地增大，才能满足发动机运行需要。Td2决定转子发动机点火充磁开始时刻，充磁结束后火花塞放电点火。随着发动机工况的变化，当发动机负荷一定时，点火提前角随着转速的提高而增大；当发动机转速一定时，点火提前角随着负荷的增加而减小。当点火提前角过大时，发动机会产生爆震；当点火提前角过小时，发动机会产生后燃。

图4 转子发动机喷油点火正时控制示意图

2.3 曲轴位置传感器冗余设计与故障诊断

本文采用单转速信号正时控制策略，容易实现，没有复杂的信号逻辑处理过程。ECU是根据曲轴位置传感器信号来对发动机进行精确控制，为保证测量转速功能的可靠性，本文采用两路曲轴位置传感器，做双路冗余转速设计[23]，提出故障诊断方法。两路曲轴位置传感器输出互补的方波信号，同时输入到发动机ECU中，一路输入捕捉上升沿，一路输入捕捉下降沿，双路冗余测速算法以第一路信号为主，即以捕捉上升沿一路为主，另一路为备用。两路使用相同的曲轴位置传感器，ECU上两路测速通道使用相同的硬件电路，用Sij表示第i个通道在j时刻的测量值。若某个测速通道出现故障，不管是曲轴位置传感器、ECU上的硬件电路有问题，都应该反映在该通道测量转速值异常上，通过分析测量值，可以判断哪路测速通道产生故障，并对故障状态进行判断。通道1的测量值为S1j（r/min），通道2的测量值为S2j（r/min）。

在ECU软件程序中要限制发动机转速在某一上限值Smax，防止因故障而出现发动机转速突然上升失控，即转速测量值有：

在程序中设定一个判断阀值P1，SmaxP1时，且该现象出现超过一定的时间，则判断第i个通道出现信号异常故障，弃用该通道测量值，以另一通道测量值为准。

若一路测速通道的转速测量值为0，另一通道的转速测量值不为0，为一正常值，即：

该现象出现且持续一定的时间，那么程序中即可判断该通道发生信号丢失故障。当两路测速通道测量值都为0时，则程序中应该立刻断油断火，停机检查，检查传感器是否损坏，ECU硬件电路是否损坏等。

当发动机节气门开度一定时，发动机运行在稳定工况，转速测量值的变化有一定限值P2，当发动机运行在稳定工况时，转速测量值超过限值P2，即：

该现象出现并且持续一段时间，则可以判断测速通道i发生故障，程序中弃用该通道测量值，以另一通道测量值为准。

3 试验验证

3.1 仿真试验

为了验证所设计转子发动机ECU控制策略的准确性与可行性，需要对ECU进行硬件在环半物理仿真试验，硬件半物理仿真平台主要包括信号发生器、电控系统、执行器、测控软件等。本文选取了2个典型工况进行验证，分别是转速为2 500 r/min，节气门开度为10%工况,转速为4 500 r/min，节气门开度为50%工况，分别列出这两个工况下的仿真试验结果，程序里写入的喷油MAP、点火MAP、点火提前角MAP和喷油提前角MAP值与实际试验仿真值见表1、表2。

表1 2 500 r/min、10%参数设置值与仿真值对比

表2 4 500 r/min、50%参数设置值与仿真值对比

仿真试验结果如图5～图8所示，纵坐标为电压（V），横坐标为时间（ms），图中通道2均为转速信号。

图5 2 500 r/min喷油信号与转速信号相位

图6 2 500 r/min点火信号与转速信号相位

图7 4 500 r/min喷油信号与转速信号相位

图8 4 500 r/min点火信号与转速信号相位

表1、表2第一列为写入到ECU喷油MAP、点火MAP、喷油提前角MAP、点火提前角MAP中的理论值，第二列为半物理仿真时ECU的输出值。上止点位置距离转速传感器产生中断信号位置是70°曲轴转角，当转速为2 500 r/min，节气门开度为10%时，由图5、图6所示，测得喷油信号上升沿与转速信号上升沿之间相差0.52 ms，转换为当前转速下上止点前的曲轴转角77.8°CA，喷油提前角实际值与理论值绝对误差为0.2°CA，相对误差为0.2%。测得喷油脉宽实际值与理论值绝对误差为0.01 ms，相对误差为0.2%。点火提前角实际值与理论值相同。测得点火充磁脉宽实际值与理论值绝对误差为0.02 ms，相对误差为0.8%。

同理，当转速为4 500 r/min，节气门开度为50%时，从图7、图8可以看出，喷油提前角实际值与理论值绝对误差为0.5°CA，相对误差为0.4%。喷油脉宽实际值与理论值绝对误差为0.01 ms，相对误差为0.2%。点火提前角实际值与理论值绝对误差为0.2°CA，相对误差为0.9%。点火充磁脉宽实际值与理论值绝对误差为0.01 ms，相对误差为0.8%。

由上述分析可知，自主设计的转子发动机ECU能够在不同工况下准确控制点火提前角、喷油提前角、喷油脉宽及点火充磁脉宽，误差均在1%以下。时序控制正确，并且设计的转子发动机ECU控制策略准确可行。

3.2 台架试验

为了进一步验证所设计ECU硬件系统、软件系统的有效性，以及设计的转子发动机控制策略的正确性与可靠性，本文搭建了转子发动机试验台架，结构如图9所示。

图9 转子发动机台架示意图

发动机的台架试验设备及仪器如表3和表4所示，包括110 kW级电涡流测功机、温度传感器、压力传感器、空燃比传感器等，利用发动机测控系统，完成转子发动机动力性能参数采集。

表3 发动机试验测试设备

表4 中成测功机CWF110G设备参数

在环境温度为24℃，大气压力为0.1 MPa下进行发动机启动试验，转子发动机节气门从0%慢慢开到100%最大，转子发动机转速从怠速2 500 r/min升至7 100 r/min，通过测功机记录转子发动机各个工况下的功率和转矩，结果如图10所示，由图可知，使用自主设计的ECU进行试验，转子发动机运转平稳，具有良好的动力性。