柏碧澤，張振東

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，上海 200093)

單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柏碧澤，張振東

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，上海 200093)

針對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的化油器反應(yīng)滯后、控制不精確、排放污染大的問(wèn)題，以某款單缸化油器式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于MC9S12XS128單片機(jī)的電子控制系統(tǒng)。文中分析了單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)化信號(hào)的采集要求，設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號(hào)處理電路及驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的分析，對(duì)整個(gè)控制程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)主要模塊的控制算法進(jìn)行了闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性得到了提高，最大功率約提高了6.62%，同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)性，燃油消耗量(每小時(shí)油耗)降低了5.26%，驗(yàn)證了電控系統(tǒng)的有效性。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；電控系統(tǒng)；電路設(shè)計(jì)；噴油MAP

隨著全球汽車保有量的持續(xù)增多，世界范圍的很多地區(qū)開始出現(xiàn)能源危機(jī)以及由于汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染。為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，各國(guó)開始針對(duì)汽車制定相應(yīng)的排放法規(guī)來(lái)限制其尾氣污染。由于排放法規(guī)的制定標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)已然無(wú)法滿足其要求。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用化油器的燃油供給系統(tǒng)與機(jī)械式的點(diǎn)火系統(tǒng)，這些落后的控制方式不僅無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在排放性方面的要求還嚴(yán)重影響其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，汽油機(jī)應(yīng)用電控燃油噴射技術(shù)與在三元催化器技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)精確的空燃比控制，還可將廢氣中的3種主要有害氣體HC、CO、NOx的排放量降低95%以上。因此使用電子控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的化油器是必要及有效的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)電控系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)要求，為原化油器發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了電控化總體改造方案。根據(jù)方案對(duì)其燃油噴射系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了改造。為其增加了電子燃油噴射系統(tǒng)，使用電子點(diǎn)火系統(tǒng)替代了機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：燃油供給系統(tǒng)，燃油噴射系統(tǒng)，點(diǎn)火系統(tǒng)。原發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)主要由油箱、油管和化油器組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但無(wú)法對(duì)燃油供給進(jìn)行精確控制。電控系統(tǒng)的燃油供給系統(tǒng)主要由油箱、油管、電動(dòng)燃油泵、燃油濾清器、油軌、燃油壓力調(diào)節(jié)器和噴油器等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油泵負(fù)責(zé)將燃油從油箱中泵出，燃油經(jīng)濾清器后再經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)壓，使燃油壓力與進(jìn)氣管內(nèi)的壓力差保持恒定，噴油器安裝在油軌上，噴油器根據(jù)ECU傳來(lái)的噴射信號(hào)，將燃油噴射到進(jìn)氣門附近，與空氣混合形成可燃混合氣后進(jìn)入氣缸燃燒。原發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)，該點(diǎn)火方式的點(diǎn)火提前角固定，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不能得到最大限度的發(fā)揮。電控系統(tǒng)中，點(diǎn)火系統(tǒng)主要由電源、點(diǎn)火控制器、高壓線、點(diǎn)火線圈和火花塞等組成。因?yàn)楸疚难芯康氖菃胃装l(fā)動(dòng)機(jī)，因此不需要對(duì)點(diǎn)火能量進(jìn)行分配，所以點(diǎn)火系統(tǒng)里沒(méi)有使用分電器。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，點(diǎn)火控制器根據(jù)ECU的指令，對(duì)點(diǎn)火線圈的初級(jí)電路進(jìn)行控制。當(dāng)點(diǎn)火線圈電路導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電路有電流產(chǎn)生，點(diǎn)火能量在點(diǎn)火線圈中以磁場(chǎng)的方式進(jìn)行儲(chǔ)存；當(dāng)初級(jí)電路斷開時(shí)，次級(jí)電路中感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)傳遞至火花塞，火花塞的能量會(huì)在瞬間得到釋放，產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃?xì)飧字械幕旌蠚狻?/p>

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，電控系統(tǒng)主要由傳感器、電控單元(ECU)和執(zhí)行器所組成[4-6]。因此電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電控單元主芯片的選型和電路設(shè)計(jì)、各傳感器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)以及執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等[7-9]。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 主芯片的選型

本文針對(duì)ECU的功能要求選擇了Freescale公司生產(chǎn)的MC9S12XS128作為主芯片。MC9S12XS128擁有16位的中央處理單元(CPU 12X)，晶振頻率為12 MHz，通過(guò)設(shè)置其內(nèi)置的鎖相環(huán)功能，最高能提供工作頻率為60 MHz的總線時(shí)鐘。其由128 kB程序Flash(P-Flash)、8 kB RAM、8 kB數(shù)據(jù)Flash(D-Flash)組成片內(nèi)存儲(chǔ)器，能夠滿足ECU對(duì)存儲(chǔ)器的容量要求[10-11]。

2.2 傳感器和執(zhí)行器信號(hào)處理電路

傳感器的功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成ECU能夠理解的電信號(hào)。ECU只能接受0～5 V的電壓輸入，但許多傳感器的輸出電壓并不能滿足ECU的輸入要求，因此在傳感器信號(hào)輸入ECU之前，需要增加信號(hào)調(diào)節(jié)與變換電路對(duì)其進(jìn)行處理，使之成為ECU能夠接受和識(shí)別的電壓信號(hào)。

本系統(tǒng)傳感器所接收的信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其中模擬信號(hào)包括：進(jìn)氣溫度信號(hào)，進(jìn)氣壓力信號(hào)，節(jié)氣門位置信號(hào)，氧傳感器信號(hào)，蓄電池電壓信號(hào)。數(shù)字信號(hào)包括曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)和起動(dòng)信號(hào)。分析了各傳感器信號(hào)的作用并針對(duì)其輸出信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的處理電路，包括進(jìn)氣溫度傳感器電路、進(jìn)氣壓力傳感器電路、節(jié)氣門位置傳感器電路、氧傳感器電路、蓄電池電壓信號(hào)電路、曲軸傳感器電路和起動(dòng)信號(hào)電路等。

2.3 噴油器

本系統(tǒng)所用噴油器的阻值為13 Ω，采用電壓驅(qū)動(dòng)型電路。該驅(qū)動(dòng)中利用反相器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，使用光電耦合器對(duì)單片機(jī)輸出的數(shù)字電平信號(hào)和后面的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行隔離，在噴油回路中并聯(lián)二極管可在噴油器斷電時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成放電回路，對(duì)功率放大管形成保護(hù)[12-13]。

3 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為提高電控系統(tǒng)的開發(fā)效率，縮短其開發(fā)周期，并且使功能相同的模塊可得到重復(fù)利用以及提高系統(tǒng)的可靠性，本文在程序中使用了模塊化設(shè)計(jì)方法，即把復(fù)雜的程序逐步分解成具有獨(dú)立功能的子模塊[14]。 軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容較為復(fù)雜, 本文簡(jiǎn)要介紹其主要模塊和控制策略。

3.1 電控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)屬于多任務(wù)控制系統(tǒng)?？刂瞥绦虿粌H需要對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況狀態(tài)進(jìn)行分析并根據(jù)相應(yīng)的控制策略更新噴油、點(diǎn)火參數(shù)等，還需要輸出信號(hào)對(duì)噴油、點(diǎn)火等事件進(jìn)行控制[15-16]。

根據(jù)任務(wù)功能將基于時(shí)域控制的任務(wù)分成3個(gè)主要模塊：數(shù)據(jù)管理模塊(DM),發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊(EM)，用戶管理模塊(UM)[17]。

3.2 主要模塊的控制邏輯設(shè)計(jì)

3.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊的主要功能是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況的判定，并根據(jù)不同工況的控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。本文首先在用戶管理函數(shù)中根據(jù)轉(zhuǎn)速將發(fā)動(dòng)機(jī)工況分為：初始工況(INIT)、停機(jī)工況(STOP)、起動(dòng)工況(START)、運(yùn)行工況(RUN)以及超速工況(OVERRUN)。

程序運(yùn)行時(shí)，首先在用戶管理模塊初始化中將當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)(CA_State)設(shè)置為INT，INT函數(shù)負(fù)責(zé)工況指示燈的初始化并將CA_State設(shè)置為STOP。

STOP函數(shù)首先對(duì)油泵進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，油路中需要保持足夠的燃油壓力以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在需要時(shí)能夠快速啟動(dòng)，但油泵不能在停機(jī)工況中持續(xù)工作，這樣會(huì)造成電池電量的過(guò)多消耗。因此本文在發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，讓油泵保持工作狀態(tài)3 s后斷電；同時(shí)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，若0

START函數(shù)中使用開環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速的大小按預(yù)先給定的數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)0

RUN函數(shù)中首先對(duì)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度的信息進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度的狀態(tài)再將工況區(qū)分成：穩(wěn)定工況和過(guò)渡工況。程序根據(jù)不同工況的控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)n>3 200 r/min，將CA_State設(shè)置為OVERRUN。

OVERRUN函數(shù)中根據(jù)轉(zhuǎn)速分為可恢復(fù)超速(3 2003 500)兩種情況。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于可恢復(fù)超速狀態(tài)時(shí)，將CA_State設(shè)置為RUN；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于不可恢復(fù)超速狀態(tài)時(shí)，程序?qū)?qiáng)制關(guān)閉噴油器，使轉(zhuǎn)速恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)。

3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊

發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊的主要功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度查表插值得到發(fā)動(dòng)機(jī)噴油和點(diǎn)火的基本參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊用來(lái)確定4個(gè)參數(shù)，包括噴油起始角、噴油脈寬和點(diǎn)火提前角、點(diǎn)火閉合角。

噴油起始角(α)的MAP圖里儲(chǔ)存的是相對(duì)角度，即其相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上止點(diǎn)的角度。噴油事件是基于角度域執(zhí)行的，即當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)到特定角度時(shí)，觸發(fā)噴油事件或結(jié)束噴油事件。噴油脈寬(Fuel_Pulse_Width)是指噴油的持續(xù)時(shí)間，其數(shù)值同樣也是通過(guò)對(duì)MAP圖查表插值得到。但與噴油起始角不同的是，其在MAP圖里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是以時(shí)間為單位，因此，其查表插值得到后的數(shù)值并不需要進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。點(diǎn)火提前角是指點(diǎn)火時(shí)刻距離活塞到達(dá)壓縮行程上止點(diǎn)的角度，其通過(guò)MAP圖查表插值得到，在MAP圖中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以角度為單位。點(diǎn)火閉合角是指初級(jí)線圈的接通時(shí)間，其通過(guò)MAP圖查表插值得到，在MAP圖中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以角度為單位。

3.2.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能是對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，并當(dāng)采集樣本達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理。其中包括節(jié)氣門位置信號(hào)、進(jìn)氣溫度信號(hào)、氧傳感器信號(hào)等。但不包括進(jìn)氣壓力信號(hào)以及曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，因?yàn)檫@兩個(gè)信號(hào)是基于角度域進(jìn)行采集的。設(shè)置數(shù)組存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)，每采集一次數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)變量C+1，當(dāng)C=8時(shí)，進(jìn)行濾波處理，即對(duì)采集到的8個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。

3.3 進(jìn)氣量的測(cè)量方法的選擇

本電控系統(tǒng)選擇轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度法對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)速-節(jié)氣門開度法根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度來(lái)間接確定發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)進(jìn)氣量。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，當(dāng)節(jié)氣門開度固定且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)氣量基本不變。該測(cè)量方法不會(huì)受到進(jìn)氣腔內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，且過(guò)渡響應(yīng)快，成本低廉。

4 電控系統(tǒng)的性能測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電子控制系統(tǒng)的性能，對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)性能測(cè)試。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)總體方案

如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、各種傳感器、電控單元、計(jì)算機(jī)、油耗儀、測(cè)功機(jī)控制柜等組成。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方案

4.2 噴油MAP圖的制取

4.2.1 噴油器流量特性標(biāo)定

本文對(duì)所用噴油器的流量特性進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，從2 ms開始，每隔0.5 ms作為一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行400次噴射，結(jié)束后用電子天平進(jìn)行稱重，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)重復(fù)3次試驗(yàn)后取其平均值。如圖4所示，當(dāng)噴油時(shí)間為3～8 ms時(shí)，噴油器的流量特性基本不變，為4.63 mg/ms。

圖4 噴油器的流量特性曲線

4.2.3 噴油脈寬MAP圖

利用Matlab繪制出直觀的噴油脈寬MAP圖的三維圖，其如圖5所示。盡管存在實(shí)驗(yàn)誤差，但總體上來(lái)看，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，噴油脈寬隨著節(jié)氣門開度的增加而增加；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持節(jié)氣門開度不變時(shí)，噴油脈寬隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加。

圖5 噴油脈寬MAP圖

4.3 改造后與原機(jī)的性能對(duì)比

得到噴油脈寬MAP圖后，將其數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到單片機(jī)的內(nèi)存中，利用設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行整機(jī)的負(fù)荷特性試驗(yàn)。測(cè)試了若干轉(zhuǎn)速點(diǎn)的負(fù)荷特性以及整機(jī)的外特性，并與原化油器發(fā)動(dòng)機(jī)特性做了對(duì)比，外特性對(duì)比結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 改造前后的功率對(duì)比

圖7 改造前后的油耗對(duì)比

如圖6所示，加了電控系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性得到了提高，最大功率約提高6.62%。由圖7可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也有了較大的改善，在1 200～3 200 r/min的運(yùn)行范圍內(nèi)，有效燃油消耗率(比油耗)比原化油器發(fā)動(dòng)機(jī)約降低了4.41%～15.6%，燃油消耗量(每小時(shí)油耗)最多降低了5.26%。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)單缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)了電控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案。并根據(jù)方案將化油器供油系統(tǒng)改造為電控燃油噴射系統(tǒng)；用電子點(diǎn)火系統(tǒng)替代機(jī)械點(diǎn)火。根據(jù)電控系統(tǒng)對(duì)主芯片的性能要求，選用Freescale公司生產(chǎn)的MC9S12XS128芯片。根據(jù)單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)化信號(hào)的采集要求，設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號(hào)處理電路。由于單片機(jī)的輸出信號(hào)電壓不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，因此也對(duì)噴油器、點(diǎn)火模塊的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的分析，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)事件的主要功能對(duì)整個(gè)控制程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)-測(cè)功機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架并根據(jù)控制目標(biāo)測(cè)取了噴油MAP圖，并對(duì)改造前后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了對(duì)比，證明了該電子控制系統(tǒng)的有效性。

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A Design and Match of A Electronic Control System for A Single Cylinder Gasoline Engine

BAI Bize,ZHANG Zhendong

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

To solve the problem of traditional engine carburetor for delayed response, inaccurate control and large exhaust emissions,Using a gasoline engine as the research object, designing a electronic control system based on the MC9S12XS128 single chip microcomputer. This paper analyzed the acquisition requirements of A/D conversion signal，designed the signal processing circuit and driving circuit of each sensor. Based on the analysis of the working process of the engine, the whole control program is designed, and the control algorithm of the main modules is described. Experimental results show that, the system makes the engine dynamic performance improved, maximum power increased by 6.62%, at the same time the fuel economy improved, fuel consumption (fuel consumption per hour) decreased by 5.26%，the effectiveness of the electronic control system is verified.

gasoline engine;electronic control system;circuit design;fuel injection MAP

2017- 02- 24

國(guó)家自然科學(xué)基金(51275309)

柏碧澤(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：汽車電子控制。張振東(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：汽車電子控制技術(shù)。

TP311

A

1007-7820(2018)01-063-05