发动机电喷控制系统的设计应用

1、发动机电喷控制系统的设计应用1 概述电控喷射技术是汽车发动机节能环保的重要技术措施， 目前汽车行业已经普遍实现电喷化，摩托车行业也已出产了 多款电喷车。国内外开展了对摩托车用汽油机电喷的研究。 新大洲本田摩托有限公司的“ XDZ50DQT 电喷摩托车项目” 曾在 2000 年被有关方面确定为国家技术创新项目。 2003 年 春兰集团对原有电喷系统做了改进，成功运用到出产欧洲的 125 踏板车上，通过 CDI 无触点电子点火装置智能控制点火 角度，使发动机在任何工况下都能达到最佳状态。天津内燃 机研究所进行了大量基础理论研究，已有较多的研究成果。 天津摩托车技术中心研制成功了适用于四冲程进气道和

2、二 冲程缸内直喷的 FAI 燃油电喷系统。 2002 年武汉理工大学颜 伏伍等人开发了 LH150 摩托车电喷系统， 并成功投入生产使 用。本文针对摩托车单缸发动机进行了电喷技术研究，设计 了发动机电喷控制系统，实现了空燃比的精确控制，提高了 燃烧效率。2 系统设计电喷控制系统结构如图 1 所示。本系统基于 125 cc 单缸 四冲程汽油发动机设计。 整个系统包括传感器、 ECU（ElectrOnic Control Unit ，电子控制单元） ，以及喷油器和喷油 泵等。其中，传感器包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感 器、空气门位置传感器、发动机温度传感器和空气温度传感 器。ECU 包括 Fr

3、eescale公司的 MC68HC9S12XS128，以及 信号调理电路、喷油驱动电路、油泵驱动电路和点火驱动电 路。2.1 传感器的选择与安装 为了得到曲轴和凸轮轴的位置信号，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器使用霍尔开关量传感器，在启动离合器和 小链盘的特定位置分别固定一个小磁铁，通过磁铁经过传感 器时产生的方波信号来判断曲轴和凸轮轴的位置。由于传感 器体积小、不易安装，设计了传感器电路板，使得传感器的 信号稳定，不受油污、灰尘等不良环境的影响。传感器在发 动机上的安装如图 2 所示。节气门位置传感器是一个线性电位计，实物图如图 3 所 示。其电阻值与节气门的开度成正比，通过给电位计供电，

4、采用 A D 采集得到节气门开度。发动机温度传感器和空气温度传感器选用热敏电阻式 传感器。其电阻值会随温度的变化而呈线性变化，从而测量 发动机缸温和空气温度。2.2 执行器的选择执行器包括用于点火的高压包，给燃油系统提供油压的 燃油喷射泵（喷油泵）和用于喷射燃油的燃油喷射器（喷油 器）。高压包又称点火线圈，由一次线圈、二次线圈和铁芯组成。使用时先给一次线圈充电， 在一次线圈中自感应出 200 300 V的电压；然后与二次线圈互感而产生出1820 kV的高压电，产生的电压大小取决于两线圈的匝数比；最后将高 压电输送到火花塞点火。喷油泵输出油压300kPa,恒压输出，采用脉冲信号驱动 柱塞运动、压

5、缩燃油获得压力。喷油器自带高压进油嘴，喷 射量精确，流量与喷射脉宽如图 4 所示，雾化效果较好。三 条线对应的驱动电压由上至下依次为142 V、132 V、122V。3 控制系统硬件设计采用 Freescale公司 MC68HC9S12XS128 单片机作为控制芯片， 使用 IGBT v2040s 芯片控制点 火，使用 Power MOSFET IRF3205 控制喷油泵和喷射器， 通过控制门极电压来 实现开关的功能，对执行器进行低端控制。执行器控制电路 如图 5 所示。 MC74HC125AD 为同相器。由于整车的电气环境比较恶劣，因此硬件电路的抗干扰 性能就显得很重要。首先，通过 Prot

6、el DXP 软件设计、绘制 PCB 电路板，既减小了电路板的体积， 又增强了抗干扰能力。 其次，输入信号都要经过相应的信号调理电路处理后再进入 单片机，处理后的信号干扰大大减小。对于曲轴和凸轮轴的 信号， 采用阈值比较器 LM339 设计了阈值比较电路， 如图 6 所示。这个电路不但把发动机原装的励磁信号转化成方波信 号，而且可以对改装以后的传感器信号进行处理。另外，单 片机有内部 A D 模块，对于模拟量需要使用一个低通滤波 器电路进行滤。 M74HC04M1R 为反相器。4 控制系统软件设计 本控制系统的程序是在 Codewarrior IDE 上完成编写和 调试的。控制程序结合节能车的

7、工况来设计，节能车发动机 在比赛时主要有启动、怠速和加速 3 个过程。控制程序流程 如图 7 所示。点火时刻的确定：通过两次曲轴信号来计算出转速，进 而查得设定的点火提前角，然后在相应时刻点火。喷油时刻的确定：依据凸轮轴信号判断出压缩冲程，与 压缩冲程的曲轴信号同步喷射。喷油量的确定： 先设定基本喷油量， 再根据节气门开度、 缸温、空气温度对喷油量进行修正。喷射持续时间的计算方法：TI=TP?FC+FV式中， TI 为汽油喷射的持续时间（ ms）；TP 为基本喷射 时间（ ms）； FC 为基本喷射时间的修正系数； TV 为喷射器 无效喷射时间（ ms）。其中， FC 由下式计算得出：FC=g （ FAT， FTP， FCT ）式中，FAT为空气温度修正系数；FCT为缸温修正系数； FTP 为节气门开度修正系数。5 实际测试结果 本系统首先在发动机上完成验证试验，然后利用节能车 来做路跑试验。 结果表明该系统可稳定工作， 节油效果明显。 进一步采用化油器、市售电喷系统和自研电喷系统进行对比 试验。 试验场地为操场塑胶跑道， 试验人员体重配重达到 50kg。试验方式为在跑道上行驶 5圈，点火加速10次，每圈 时间在57 s以内，最后记录耗油量。以至少 3次数据作为分 析依据， 超时成绩作废。 尽量选择晴朗无风 （或微风） 天气， 当天