一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统和控制方法

1.本发明属于发动机领域，涉及一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统和控制方法。


背景技术：

2.为了提高电子控制的进气道喷射航空二冲程煤油发动机的动力性及经济性，需要对航空二冲程煤油发动机进行不同工况下的标定，确定各工况下的最佳喷油脉宽、点火提前角和过量空气系数等参数。发动机试验前需要检查各个部分安装的正确性和执行器是否正常工作，通常情况下需要人工的检查和判断，这便增加了标定的繁琐性，降低了工作效率。标定过程中的数据通常是试验时人工的实时记录和分析，而且界面的集成度不够高，通常需要较多的试验人员，增加了试验的次数和试验的成本。标定系统通常不能实时的改变比较全面的控制参数，也不能够进行ecu上电自检和执行器的检查，如果这些因素不能够保证正常合理，那么必须停机进行检查和修改，降低了标定的效率。发明的该标定系统有效解决了上述的难题，提高了标定的效率和精确程度。


技术实现要素：

3.为了克服技术的不足，本发明提供一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统和控制方法，该标定系统有较为全面的测试设备，并在上位机系统中高度集中了标定试验所需的参数，该标定系统能够极大地提高发动机标定的准确性和标定效率，减少发动机的试验的次数和时间，并使标定后的航空二冲程煤油发动机具有较佳的动力性和经济性，本发明利用电子技术及计算机技术，开发了包括标定参数高度集成化和执行器故障诊断功能在内的电控航空二冲程煤油发动机标定系统。
4.本发明采用以下技术方案：
5.一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统，其包括电控单元、上位机系统、多个传感器、执行器、电涡流测功机、空燃比分析仪、动态信号采集分析仪、油耗仪，所述执行器包括：喷油器、点火装置、舵机，所述点火装置包括火花塞以及点火线圈；
6.所述发动机与油耗仪、测功机以及传感器相连；所述电控单元与发动机、上位机系统、传感器以及执行器相连；所述上位机系统与电涡流测功机、空燃比分析仪、动态信号采集分析仪、油耗仪、舵机以及电控单元相连；
7.所述传感器包括：缸压传感器、氧传感器、节气门位置传感器、转速传感器、排气温度传感器、缸头温度传感器；所述缸压传感器与动态信号采集分析仪相连；节气门位置传感器与舵机相连；氧传感器与空燃比分析仪相连；所述传感器连接于发动机，将模拟信号经过调理和整形转换为数字信号后传输至电控单元，执行器连接于电控单元和发动机之间，电控单元发出的控制信号传输至执行器后完成指令动作，以此控制二冲程煤油发动机。
8.进一步的，所述标定系统在上位机系统中添加了故障诊断模块，包括对火花塞、舵机及喷油器进行故障诊断，判断是否正常工作，若正常工作电控单元发送“1”，反之发送“0”。由发送回来的信号进行判断执行器是否正常工作。
9.进一步的，所述标定系统将发动机转速、节气门开度、过量空气系数、排气温度、缸头温度、燃油消耗率、喷油脉宽、功率、扭矩监测集成在了一个界面，并有独立的rs232串口进行ecu、空燃比分析仪、测功机、油耗仪的数据同步通讯。
10.一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统的控制方法，采用下列步骤：
11.步骤1：电控单元ecu上电后进行开机自检，进行舵机工作诊断，判断是否正常工作，若出现不正常现象，则需要停机进行检查，当舵机正常工作后，电子节气门进行一次由最小开度到最大开度的自动标定；
12.步骤2：各传感器将所采集的模拟信号输入到电控单元ecu，经过信号调理、整形电路转换成ecu能够识别的数字信号；
13.步骤3：电控单元ecu通过对当前发动机转速、节气门开度的参数获取，由ecu程序中的喷油map和点火map图通过二维插值的方式获取当前工况修正后的喷油脉宽和点火提前角；
14.步骤4：将ecu计算获取的喷油脉宽和点火提前角参数指令发送至喷油器和点火线圈的驱动，以此控制喷油器的喷油时刻和喷油持续时间及点火线圈的通电时间和点火时刻；
15.步骤5：根据具体标定要求，通过上位机系统在线调节喷油脉宽和点火提前角，调节发动机功率、扭矩及燃油消耗率；通过改变节气门开度和发动机转速进行工况的切换，在标定过程中需要实时结合缸头温度、排气温度、缸压去评判发动机工作状态的好与坏；若发动机出现爆震现象，结合监测参数中的缸压和排气温度，通过标定系统在线适当增大喷油脉宽和推迟点火提前角，可以有效抑制爆震；若发动机的动力性和经济性达到标定要求，则认为该标定参数为最优，否则继续调整标定参数，重复上述操作直至最优。
16.进一步的，电控单元ecu采用了“flash闪存”模块保存需要的发动机控制参数和状态参数，包括了发动机转速、节气门开度、过量空气系数、喷油脉宽、点火提前角、缸头温度、排气温度，ecu每次上电后在上位机桌面路径下生成电控参数的txt文本文档，从中能够进行自标定开始至结束的试验数据的记录和复查。
17.进一步的，所述步骤1中，电子节气门进行一次由最小开度至最大开度的自动在线标定，通过节气门位置传感器采集节气门最小和最大开度的ad采集值后，将节气门最大和最小开度的ad值之差作为100％开度区间的ad值，并进行线性划分，确定当前节气门开度，进行实时的修正。
18.进一步的，所述步骤5中，燃油消耗率的测量采用称量法，在上位机系统中能够在线实时调节采样周期、测量周期、采样组数、滤波组数，以此调节燃油消耗率的计算精度及计算速度以满足不同的标定需求。
19.有益效果：
20.(1)本发明添加了节气门开度的自动标定，以此省略了长时间标定因为机械间的间隙和弹性变化导致的误差而需要再次重新标定节气门位置的繁琐工作。将其简化到每次开机之前；ecu上电后进行开机自检，检查舵机是否正常工作。进行节气门最大开度和最小开度的自动标定，并确定当前节气门开度，达到标定开始前的对节气门开度的实时修正。
21.(2)上位机系统中的故障诊断模块可诊断火花塞、舵机和喷油器是否能够正常工
作，极大缩短了试验前的准备工作。一般故障诊断仅仅是，将执行器(火花塞、喷油器、舵机等)单独拆卸下来后，利用测试台架进行测试。本发明不需要将执行器从发动机线束台架中拆除，可以保留在现有台架上，通过上位机发送固定的测试指令信号，经过ecu后传输至执行器，通过测试人员在执行器前判断是否执行指令。例如：发送特定喷油脉宽，判断喷油器是否正常喷油。
22.(3)标定系统能够对点火提前角和喷油脉宽进行在线调节，标定系统控制界面集成了发动机转速、功率、扭矩、喷油脉宽、点火提前角、缸头温度、排气温度、燃油消耗率等标定参数，标定参数通过rs232串口通讯进行实时显示，实现了高度集成化和自动化。
23.(4)该标定系统中的上位机系统控制中可在线实时调节采样周期、测量周期、采样组数、滤波组数，以此调节燃油消耗率的计算精度及计算速度以满足不同的标定需求。
24.(5)该标定系统结合动态信号采集仪的缸压信号，结合缸压信号的形状及信号的频率能够有效判定煤油发动机标定试验中是否有爆震的发生，通过开环控制，上位机自动进行喷油脉宽的加大和点火时刻的推迟，并能够通过上位机界面进行喷油、点火控制参数进行微调以实现闭环控制的效果，爆震可以进行及时有效的抑制，极大地保护了发动机，提高了标定效率。
附图说明
25.图1是标定系统组成示意图。
26.图2是标定系统上位机界面，其中包括不同模块的串口设置，及模块包含的实时数据，诊断模块，标定控制模块，测功机模块，过量空气系数监控模块，燃油消耗率模块。
27.图3为标定控制模块，cinj为全局喷油脉宽修正系数，cign为点火提前角，cphs为充磁脉宽，ctps为节气门开度。
28.图4为实时数据的监测界面，能够直观的反应出发动机标定过程中所需要监测的参数。
29.图5为故障诊断模块，检查火花塞、喷油器、舵机是否正常工作。
30.图6是监测数据的txt文本文档，其中包含了标定试验中的控制参数和状态参数。
具体实施方式
31.结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。标定系统组成如图1所示。
32.本系统中ecu中的微控制器采用飞思卡尔公司的mcs12dp512芯片，其为一个16位的微控制器，带有flash rom闪存、定时器、8位a/d转换模块及rs232通讯模块，其功能够满足标定系统的要求。该标定系统中的上位机标定界面由labview软件完成开发，且电控单元(ecu)中的控制程序通过codewarrior ide软件，用c语言进行编写设计。
33.一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统，其包括电控单元、上位机系统、多个传感器、执行器、电涡流测功机、空燃比分析仪、动态信号采集分析仪、油耗仪，所述执行器包括：喷油器、点火装置、舵机，所述点火装置包括火花塞以及点火线圈；
34.所述发动机与油耗仪、测功机以及传感器相连；所述电控单元与发动机、上位机系统、传感器以及执行器相连；所述上位机系统与电涡流测功机、空燃比分析仪、动态信号采集分析仪、油耗仪、舵机以及电控单元相连；
35.所述传感器包括：缸压传感器、氧传感器、节气门位置传感器、转速传感器、排气温度传感器、缸头温度传感器；所述缸压传感器与动态信号采集分析仪相连；节气门位置传感器与舵机相连；氧传感器与空燃比分析仪相连；所述传感器连接于发动机，将模拟信号经过调理和整形转换为数字信号后传输至电控单元，执行器连接于电控单元和发动机之间，电控单元发出的控制信号传输至执行器后完成指令动作，以此控制二冲程煤油发动机。
36.所述标定系统在上位机系统中添加了故障诊断模块，包括对火花塞、舵机及喷油器进行故障诊断，判断是否正常工作，若正常工作电控单元发送“1”，反之发送“0”。由发送回来的信号进行判断执行器是否正常工作。所述标定系统将发动机转速、节气门开度、过量空气系数、排气温度、缸头温度、燃油消耗率、喷油脉宽、功率、扭矩监测集成在了一个界面，并有独立的rs232串口进行ecu、空燃比分析仪、测功机、油耗仪的数据同步通讯。
37.本发明中，缸头温度传感器、排气温度传感器采用pt 100热电阻。氧传感器采用的是bosch lsu4.9型氧传感器。转速传感器采用的是霍尔转速传感器。点火线圈采用bt-9109s型。舵机采用futaba s3071hv型数字舵机。测功机为cwac型交流电力测功机。缸压传感器采用kistler 6113c压电式传感器，缸压采集分析仪为dh5960超动态信号测试分析系统。空燃比分析仪为alm-adv型双通道空燃比分析仪。燃油消耗率测量设备为带有rs232串口通讯的高精度电子秤st30002。
38.本发明所使用的进气道喷射二冲程两缸发动机，每缸配置一套点火装置。点火装置由点火模块、点火线圈和火花塞组成。点火模块用来将ecu传来的脉冲控制信号转化为驱动点火线圈的大电流信号。点火能量的大小由ecu通过控制线圈通电持续时间即充磁脉宽进行调节。为了保证点火线圈和火花塞的安全和使用寿命，点火模块有限流功能。
39.pc机与电控单元ecu之间的通讯方式采用rs232串口通讯方式。通讯协议中采用1个起始位、1个停止位、8个数据位，无校验位，波特率38400。每次传输一帧数据由起始字、命令类型、数据和结束字组成，数据的字节数由命令类型确定。对重要的标定数据进行奇偶校验，保证数据的准确性。首先设定ecu通讯模块的波特率、串口端号及各个模块的串口端号进行调试，对油耗模块的采样周期、测量周期、采样组数、滤波组数进行设置。
40.一种电控航空二冲程煤油发动机标定系统的控制方法，采用下列步骤：
41.步骤1：电控单元ecu上电后进行开机自检，进行舵机工作诊断，判断是否正常工作，若出现不正常现象，则需要停机进行检查，当舵机正常工作后，电子节气门进行一次由最小开度到最大开度的自动再标定；通过节气门位置传感器采集节气门最小和最大开度的ad采集值后，将节气门最大和最小开度的ad值之差作为100％开度区间的ad值，并进行线性划分，确定当前节气门开度，进行实时的修正。通过诊断模块判断火花塞、喷油器、节气门舵机执行器是否正常工作，并对火花塞设置了4个通道，喷油器设置了2个通道，节气门舵机设置了4个通道，当上电时，发出设定的指令，进行诊断，当接收值为1时，执行器正常工作，当接收值为0时，执行器发生故障。
42.电控单元ecu采用了“flash闪存”模块保存需要的发动机控制参数和状态参数，包括了发动机转速、节气门开度、过量空气系数、喷油脉宽、点火提前角、缸头温度、排气温度，ecu每次上电后在上位机桌面路径下生成电控参数的txt文本文档，从中能够进行自标定开始至结束的试验数据的记录和复查。
43.步骤2：各传感器将所采集的模拟信号输入到电控单元ecu，经过信号调理、整形电
路转换成ecu能够识别的数字信号；
44.步骤3：电控单元(ecu)采集的各个状态参数通过rs232通讯传输至上位机系统控制界面中的实时数据模块显示；电控单元ecu通过对当前发动机转速、节气门开度的参数获取，由ecu程序中的喷油map和点火map图通过二维插值的方式获取当前工况修正后的喷油脉宽和点火提前角；
45.步骤4：将ecu计算获取的喷油脉宽和点火提前角参数指令发送至喷油器和点火线圈的驱动，以此控制喷油器的喷油时刻和喷油持续时间及点火线圈的通电时间和点火时刻；
46.步骤5：根据具体标定要求，通过上位机系统在线调节喷油脉宽和点火提前角，调节发动机功率、扭矩及燃油消耗率；由于煤油在燃烧时易发生爆震，需要结合缸压分析仪，分析缸内压力的波形，并结合排气温度、缸头温度控制发动机在正常的工况内运转，修改后的参数通过通讯传输至ecu，ecu中进行指令处理和输出，通过点火线圈和喷油器和舵机等执行器来改变发动机的运行工况，从而发动机新的运行状态参数在标定系统界面的实时数据模块显示出来，结合发动机功率、扭矩、燃油消耗率进行判断是否满足标定需求。若发动机出现爆震现象，结合监测参数中的缸压和排气温度，通过标定系统在线适当增大喷油脉宽和推迟点火提前角，可以有效抑制爆震；若发动机的动力性和经济性达到标定要求，则认为该标定参数为最优，否则继续调整标定参数，重复上述操作直至最优。
47.燃油消耗率的测量采用称量法，在上位机系统中能够在线实时调节采样周期、测量周期、采样组数、滤波组数，以此调节燃油消耗率的计算精度及计算速度以满足不同的标定需求。
48.标定结束数据记录如图5所示，可在电控txt文本文档中看到自动记录的控制和状态参数，该文档记录了时间、发动机转速、功率、扭矩、喷油脉宽、点火提前角、过量空气系数、缸头温度、排气温度、燃油消耗率等参数。