利用MC68HC9S12單片機(jī)和汽油發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)電噴控制系統(tǒng)

1 概述

電控噴射技術(shù)是汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能環(huán)保的重要技術(shù)措施，目前汽車行業(yè)已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)電噴化，摩托車行業(yè)也已出產(chǎn)了多款電噴車。國內(nèi)外開展了對摩托車用汽油機(jī)電噴的研究。新大洲本田摩托有限公司的“XDZ50DQT電噴摩托車項(xiàng)目”曾在2000年被有關(guān)方面確定為國家技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目。春蘭集團(tuán)對原有電噴系統(tǒng)做了改進(jìn)，成功運(yùn)用到出產(chǎn)歐洲的125踏板車上，通過CDI無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置智能控制點(diǎn)火角度，使發(fā)動機(jī)在任何工況下都能達(dá)到最佳狀態(tài)。天津內(nèi)燃機(jī)研究所進(jìn)行了大量基礎(chǔ)理論研究，已有較多的研究成果。天津摩托車技術(shù)中心研制成功了適用于四沖程進(jìn)氣道和二沖程缸內(nèi)直噴的FAI燃油電噴系統(tǒng)。

本文針對摩托車單缸發(fā)動機(jī)進(jìn)行了電噴技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了發(fā)動機(jī)電噴控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空燃比的精確控制，提高了燃燒效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電噴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)基于125 cc單缸四沖程汽油發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)。整個系統(tǒng)包括傳感器、ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元），以及噴油器和噴油泵等。其中，傳感器包括曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、空氣門位置傳感器、發(fā)動機(jī)溫度傳感器和空氣溫度傳感器。ECU包括Freescale公司的MC68HC9S12XS128，以及信號調(diào)理電路、噴油驅(qū)動電路、油泵驅(qū)動電路和點(diǎn)火驅(qū)動電路。

圖1 電噴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．1 傳感器的選擇與安裝

為了得到曲軸和凸輪軸的位置信號，曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器使用霍爾開關(guān)量傳感器，在啟動離合器和小鏈盤的特定位置分別固定一個小磁鐵，通過磁鐵經(jīng)過傳感器時產(chǎn)生的方波信號來判斷曲軸和凸輪軸的位置。由于傳感器體積小、不易安裝，設(shè)計(jì)了傳感器電路板，使得傳感器的信號穩(wěn)定，不受油污、灰塵等不良環(huán)境的影響。傳感器在發(fā)動機(jī)上的安裝如圖2所示。

圖2 傳感器在發(fā)動機(jī)上的安裝

節(jié)氣門位置傳感器是一個線性電位計(jì)，實(shí)物圖如圖3所示。其電阻值與節(jié)氣門的開度成正比，通過給電位計(jì)供電，采用A／D采集得到節(jié)氣門開度。

圖3 　節(jié)氣門位置傳感器

發(fā)動機(jī)溫度傳感器和空氣溫度傳感器選用熱敏電阻式傳感器。其電阻值會隨溫度的變化而呈線性變化，從而測量發(fā)動機(jī)缸溫和空氣溫度。

2．2 執(zhí)行器的選擇

執(zhí)行器包括用于點(diǎn)火的高壓包，給燃油系統(tǒng)提供油壓的燃油噴射泵（噴油泵）和用于噴射燃油的燃油噴射器（噴油器）。

高壓包又稱點(diǎn)火線圈，由一次線圈、二次線圈和鐵芯組成。使用時先給一次線圈充電，在一次線圈中自感應(yīng)出200～300 V的電壓；然后與二次線圈互感而產(chǎn)生出18～20 kV的高壓電，產(chǎn)生的電壓大小取決于兩線圈的匝數(shù)比；最后將高壓電輸送到火花塞點(diǎn)火。

噴油泵輸出油壓300 kPa，恒壓輸出，采用脈沖信號驅(qū)動柱塞運(yùn)動、壓縮燃油獲得壓力。噴油器自帶高壓進(jìn)油嘴，噴射量精確，流量與噴射脈寬如圖4所示，霧化效果較好。三條線對應(yīng)的驅(qū)動電壓由上至下依次為14．2 V、13．2 V、12．2 V。

圖4 三種驅(qū)動電壓14．2 V、13．2 V、12．2 V下不同驅(qū)動脈完對應(yīng)用的流量

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用Freescale公司MC68HC9S12XS128單片機(jī)作為控制芯片，使用IGBT v2040s芯片控制點(diǎn)火，使用Power MOSFET IRF3205控制噴油泵和噴射器，通過控制門極電壓來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能，對執(zhí)行器進(jìn)行低端控制。執(zhí)行器控制電路如圖5所示。MC74HC125AD為同相器。

由于整車的電氣環(huán)境比較惡劣，因此硬件電路的抗干擾性能就顯得很重要。首先，通過Protel DXP軟件設(shè)計(jì)、繪制PCB電路板，既減小了電路板的體積，又增強(qiáng)了抗干擾能力。其次，輸入信號都要經(jīng)過相應(yīng)的信號調(diào)理電路處理后再進(jìn)入單片機(jī)，處理后的信號干擾大大減小。對于曲軸和凸輪軸的信號，采用閾值比較器LM339設(shè)計(jì)了閾值比較電路，如圖6所示。這個電路不但把發(fā)動機(jī)原裝的勵磁信號轉(zhuǎn)化成方波信號，而且可以對改裝以后的傳感器信號進(jìn)行處理。另外，單片機(jī)有內(nèi)部A／D模塊，對于模擬量需要使用一個低通濾波器電路進(jìn)行濾。M74HC04M1R為反相器。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的程序是在Codewarrior IDE上完成編寫和調(diào)試的?？刂瞥绦蚪Y(jié)合節(jié)能車的工況來設(shè)計(jì)，節(jié)能車發(fā)動機(jī)在比賽時主要有啟動、怠速和加速3個過程?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D7所示。

圖7 控制程序流程

點(diǎn)火時刻的確定：通過兩次曲軸信號來計(jì)算出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而查得設(shè)定的點(diǎn)火提前角，然后在相應(yīng)時刻點(diǎn)火。

噴油時刻的確定：依據(jù)凸輪軸信號判斷出壓縮沖程，與壓縮沖程的曲軸信號同步噴射。

噴油量的確定：先設(shè)定基本噴油量，再根據(jù)節(jié)氣門開度、缸溫、空氣溫度對噴油量進(jìn)行修正。

噴射持續(xù)時間的計(jì)算方法：

TI=TP·FC+FV

式中，TI為汽油噴射的持續(xù)時間（ms）；TP為基本噴射時間（ms）；FC為基本噴射時間的修正系數(shù)；TV為噴射器無效噴射時間（ms）。

其中，F(xiàn)C由下式計(jì)算得出：

FC=g（FAT，F(xiàn)TP，F(xiàn)CT）

式中，F(xiàn)AT為空氣溫度修正系數(shù)；FCT為缸溫修正系數(shù)；FTP為節(jié)氣門開度修正系數(shù)。

5 實(shí)際測試結(jié)果

本系統(tǒng)首先在發(fā)動機(jī)上完成驗(yàn)證試驗(yàn)，然后利用節(jié)能車來做路跑試驗(yàn)。結(jié)果表明該系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，節(jié)油效果明顯。進(jìn)一步采用化油器、市售電噴系統(tǒng)和自研電噴系統(tǒng)進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)場地為操場塑膠跑道，試驗(yàn)人員體重配重達(dá)到50 kg。試驗(yàn)方式為在跑道上行駛5圈，點(diǎn)火加速10次，每圈時間在57 s以內(nèi)，最后記錄耗油量。以至少3次數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，超時成績作廢。盡量選擇晴朗無風(fēng)（或微風(fēng)）天氣，當(dāng)天機(jī)械上不做改動。測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

結(jié)語

本文完成了傳感器和執(zhí)行器的選型，以及發(fā)動機(jī)電噴控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了裝機(jī)和裝車道路試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)顯示節(jié)油效果明顯，為后續(xù)的深入研究建立了基礎(chǔ)。