车用天然气发动机控制器关键技术的研究

【摘要】：随着汽车保有量的不断增加，石油供需矛盾和尾气排放造成的环境污染问题日益加剧，开发代用燃料汽车成为汽车领域的研究热点。由于天然气具有储量丰富，尾气排放低等优点，使天然气成为各大汽车公司开发代用燃料汽车的理想选择。本课题来源于国家863计划节能与新能源汽车交通领域重大项目——“大型公交车用CNG发动机产品开发”，针对电控CNG(Compressed Natural Gas)发动机控制器的关键技术开展了设计和试验研究，本文所做的工作将加快国内CNG发动机电控系统的产业化进程。 本文首先介绍天然气汽车和天然气发动机电控系统的发展过程及其燃料供给系统的技术路线，确定了本课题采用电控调压式燃料供给方式。对宽域氧传感器的结构、特性及其工作原理等进行了比较详尽的分析，并根据课题的研究目标进行了CNG发动机电控系统的总体设计，完成系统零部件地配置和选型。 本文基于32位单片机MC68376设计了CNG发动机控制器硬件系统。针对控制系统功能的要求，设计了相关外围电路，包括电源电路、A/D转换参考电平，输入处理电路及输出驱动电路等。在深入分析、研究宽域氧传感器工作原理的基础上，开发了宽域氧传感器分离控制电路和集成控制模块，包括泵电流控制模块、电源供给模块和加热模块等，完成了空燃比和温度信号优化与标定。 本文对宽域氧传感器空燃比、温度信号采集、宽域氧传感器加热驱动的底层控制程序进行开发，实现了电控调压器与控制器之间的CAN总线通信，用于燃料供给量的控制。 设计并成功研制出CNG发动机电控系统专用硬件在环仿真平台，可以在办公室环境下实现CNG发动机控制器功能的初步调试和优化控制，从而减少试验的危险性，节约了大量的人力、物力和财力。 发动机试验表明，所开发的CNG发动机控制器性能稳定，在全工况运行中宽域氧传感器的信号采集稳定、准确，对发动机的运行实现了空燃比的闭环控制，发动机性能达到课题的预期目标。 【关键词】：CNG发动机 控制器 宽域氧传感器 空燃比
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP273;U464.174
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 课题背景12-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.2.1 国外研究现状14-19
• 1.2.2 国内研究现状19-21
• 1.3 课题研究意义21
• 1.4 课题研究内容21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第二章 CNG 发动机电控系统设计23-39
• 2.1 CNG 单燃料发动机23
• 2.2 CNG 发动机电控系统23-32
• 2.2.1 燃料供给系统24-27
• 2.2.2 空气供给系统27
• 2.2.3 点火控制系统27-28
• 2.2.4 ECU 选型28
• 2.2.5 传感器选型28-31
• 2.2.6 执行器选型31-32
• 2.3 车用氧传感器32-38
• 2.3.1 浓度差型氧传感器32-34
• 2.3.2 极限电流型氧传感器34-35
• 2.3.3 宽域氧传感器35-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 CNG 发动机控制器硬件设计39-59
• 3.1 引言39-40
• 3.2 32 位处理器 MC68376 介绍40-41
• 3.2.1 中央处理器 CPU3240
• 3.2.2 队列串行 A/D 转换模块40
• 3.2.3 定时处理器40-41
• 3.2.4 CAN2.0B 控制器模块41
• 3.3 外围电路设计41-44
• 3.3.1 电源电路设计41-42
• 3.3.2 A/D 转换模块参考电平设计42-43
• 3.3.3 复位电路设计43
• 3.3.4 CAN 通讯接口电路43-44
• 3.4 输入信号处理电路44-46
• 3.4.1 曲轴传感器处理电路44-45
• 3.4.2 凸轮轴传感器处理电路45
• 3.4.3 模拟信号处理电路45-46
• 3.4.4 开关信号处理电路46
• 3.5 输出驱动信号处理电路46-49
• 3.5.1 电子节气门驱动控制电路46-48
• 3.5.2 点火驱动控制电路48-49
• 3.6 宽域氧传感器控制电路49-57
• 3.6.1 分离电路设计方案49-52
• 3.6.2 集成控制电路模块设计方案52-57
• 3.7 系统抗干扰设计57-58
• 3.8 本章小结58-59
• 第四章 CNG 发动机控制器软件设计59-76
• 4.1 电控单元开发流程59-60
• 4.1.1 传统电控单元软件开发流程59-60
• 4.1.2 现代 V 型开发模式60
• 4.2 模拟信号采集设计60-62
• 4.3 加热驱动控制设计62-65
• 4.3.1 定时处理器 TPU 模块介绍62-63
• 4.3.2 加热驱动信号控制63-65
• 4.4 CAN 通信设计65-70
• 4.4.1 CAN 通信协议介绍65-66
• 4.4.2 TouCAN 介绍66-68
• 4.4.3 CAN 总线位定时68-69
• 4.4.4 CAN 通信驱动设计69-70
• 4.5 宽域氧传感器温度控制设计70-72
• 4.6 空燃比控制设计72-75
• 4.7 本章小结75-76
• 第五章 CNG 发动机电控系统试验研究76-89
• 5.1 控制器硬件在环仿真试验76-79
• 5.1.1 CNG 发动机硬件在环仿真平台76-77
• 5.1.2 电子节气门响应测试77
• 5.1.3 宽域氧传感器加热驱动测试77-79
• 5.1.4 空燃比信号响应测试79
• 5.2 试验设备79-81
• 5.2.1 测试仪器和设备80
• 5.2.2 试验用天然气成分80-81
• 5.2.3 CNG 发动机技术参数81
• 5.3 空燃比与电压关系的标定81-84
• 5.3.1 空燃比分析仪 LA482-83
• 5.3.2 标定试验总体方案83-84
• 5.4 温度与电压关系的标定84
• 5.5 试验结果分析84-88
• 5.5.1 空燃比控制试验84-85
• 5.5.2 发动机动力性试验85
• 5.5.3 发动机经济性试验85-86
• 5.5.4 发动机排放性试验86-88
• 5.6 本章小结88-89
• 第六章 全文总结与展望89-91
• 6.1 总结89
• 6.2 展望89-91
• 参考文献91-94
• 致谢94-95
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文95

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