汽车发动机电控燃油喷射系统检测回路设计

前言上个世纪60年代以前，汽车燃油输送系统，绝大多数采用构造简单的化油器，随着汽车工业的飞速发展，世界汽车的保有量在60年代有了急剧的增长，由于传统化油器混合气调节不精确，汽车尾气排放废气含量过高(CO,HC,NO化合物等)，对大气、环境的污染也日益严重，因此西方各国都制定了严格的汽车排放法规法案，相继推出欧I、欧II、欧=3\*ROMANIII排放标准，目前己经制定出欧IV标准。同时受能源危机的冲击以及电子技术、计算机技术等的飞速发展，促进了电子控制燃油喷射发动机的诞生。1953年美国Bendix公司首先开发了电子喷射器(Electrojector),1957年正式问世，开创了电控燃油喷射的先河。1967年，博世公司在购买美国Bendix公司专利的基础上，推出了速度密度型的D-Jetronic电控燃油喷射装置，并在各大汽车公司得到应用，电子控制燃油喷射技术得到了较大发展。D-Jetronic燃油喷射装置己经具有现代电子燃油喷射的全部要素，是现代电子燃油喷射的先驱。1973年之后，博世公司又相继开发了质量流量式(massflow)L-Jetronic电子控制非连续喷射、K-jetroni机械式连续喷射、LH-Jetronic电控燃油喷射等系统。随着电子技术集成电路的发展，微电脑技术飞速发展，汽车电子控制电脑也从模拟时代进入到了数字时代。利用数字技术控制发动机首推1976年通用汽车公司研发的点火时间控制(MASIR)。它能更好的根据发动机运转工况，对点火提前角作出精确的点火时间控制。由于微电脑的运用，以及微电脑计算、储存、分析等功能的发展，可以进行复杂的逻辑、智能控制计算，对发动机运转速度和进气流量及其它工况的变化能作出敏捷的反应，使微电脑控制型燃油喷射渐渐成为主要的喷射方式。近年来，国外进一步加强了对电喷系统的研究，性能显著提高，发动机油耗进一步降低，装配部分高档轿车的排放可达到欧洲=4\*ROMANIV标准。到目前为止，电控系统不仅能够控制所有的喷油参数(喷油量、喷油正时、喷射压力、喷油率)，而且对怠速稳定性、起动性、增压、各缸喷油量不均衡性等也可实施控制。目前国内上千家汽车电子企业基本上都集中于汽车音响、车载电话等技术含量相对低端的领域，真正检验汽车电子核心力量的发动机电子和底盘电子市场几乎由国外厂商或者合资企业垄断。但是，对电喷发动机的研究我国从未停止过，早在80年代初期，长春汽车研究院、清华大学、上海交通大学、浙江大学、北京理工大学、北方交通大学等高校及研究所，就发动机电喷系统作了大量的工作。其中清华大学对国外精确控制空燃比的方法进行了跟踪研究，并进行了台架实验，空燃比控制精度得到很大的改善，发动机排放可达到接近欧I标准。虽然取得了不少成果，但总体上仍处于国外初中期水平，在控制方法上都采用常规的稳态工况控制方法。中国有巨大的汽车市场，这其中配套电喷发动机的汽车需求量也逐年增加，“十五”期间电喷系统需求量迅速增加。新出台的《汽车产业发展政策》，鼓励自主开发，提高国际竞争力;汽车行业要发展制造业而不是组装业。这对自主发展中国大陆汽车业和汽车发动机电子控制来说是一种激励。目前国内自主开发能够满足相当于欧=2\*ROMANII排放标准的电控燃油喷射系统，在技术上已不存在问题。要使中国的汽车电子业发生质的飞跃，电子燃油喷射系统的自主设计与开发是重中之重。综上所述，我国汽车电喷技术要达到国际先进水平还有一个漫长的过程，需要国家加大投入，集中一批既懂发动机又懂自动控制的人员，从多角度对发动机进行综合研究，才能开发出达到国际先进水平的具有自主知识产权的电子控制燃油喷射系统。通过对国内外的电子燃油喷射系统研究发展的相关资料的查找和学习，对国外电子燃油喷射系统的研究现状及动态进行认真分析以及对系统的组成和原理深入的了解，本设计提出了整体的ECU设计方案，包括主控芯片的外围电路同时结合ECU外部各种传感器信号的特性，设计出这些传感器信号的采集、检测和转换的电路。根据ECU的设计原理，编写设计了ECU整体的控制软件，并且对系统在强干扰的工作环境中如何抗干扰的问题提出了解决办法。最后，经过运行调试后，基本可以满足该发动机的喷油要求，为以后设计精确的发动机电控单元（ECU）打下了坚实基础。1电子控制燃油喷射系统简介1.1电子控制燃油喷射系统的整体结构1.1.1电子控制燃油喷射系统的优势汽车发动机燃油供给系统、点火系统主要经历了三个发展阶段：化油器式发动机、电控式发动机、电喷式发动机。电喷式发动机从结构上取消了化油器，用燃油喷射取代化油器，通过精确控制喷油量和喷油时间，使空燃比比较稳定地保持在14.7:1，降低了尾气中有害气体的排放，这种发动机是目前汽车发动机的主流。燃油喷射控制系统分为机械控制系统(K系统)和电子控制系统(EFI系统)两种。与机械控制喷射系统相比，电子控制喷射系统具有如下的优势:1）耗油量低，经济性好。2）动力性强。3）控制自由度较大。电子控制燃油喷射系统的最大特点是，既可获得最大功率，又可最大限度地节省燃油、净化排气，是节约能源、降低排污的有效措施之一。1.1.2电子控制燃油喷射系统的结构组成汽车发动机微电脑控制燃油喷射系统由空气供给系统、燃料供给系统和微电脑(又称电子控制单元，英文全称为ElectronicControlUnit，简写为ECU)控制系统三部分组成，其中微电脑控制系统是核心部分，辅以各类传感器、功率放大器、执行器以及各项管理和控制的软件，实现对发动机燃油喷射的精确控制。1）空气供给系统空气供给系统的作用是测量和控制汽油燃烧时所需要的空气量，以控制发动机输出功率。发动机的空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量计(或进气管压力传感器)、节气门、进气歧管、附加空气阀以及怠速控制阀等组成。空气供给系统的工作过程如图2-1所示。图1-1空气供给系统的工作过程Fig1-1Thecourseoftheairsupplysystemwork2）燃油供给系统燃油供给系统的作用是由电动燃油泵向喷油器提供足够压力的燃油，这些喷油器根据来自ECU的控制信号向进气歧管内进气门上方喷射一定量的燃油。发动机的燃油供给系统主要由油箱、电动燃油泵、燃油压力调节器、喷油器以及油管等组成。图1-2燃油供给系统的工作过程Fig1-2Thecourseoffuelsupplysystemwork3）微电脑控制系统微电脑控制系统的作用是:a.根据各传感器输送来的信号，决定喷油量以获得最佳的空燃比。b.根据转速、空气流量或进气管处的绝对压力、水温等传感器输送的信号，决定最佳点火提前角。c.检测传感器的故障，并对故障信息进行存储和输出，同时使仪表板上的故障指示灯亮起来。微电脑控制系统主要由MCU(微控制器)、传感器和执行器等组成。常用的传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、空气流量计、水温传感器、进气温度传感器、氧传感器以及爆震传感器等;常用的执行器有喷油器、点火器、怠速控制阀以及电动燃油泵等。图1-3微电脑控制系统的工作示意图Fig.1-3Microcomputercontrolsystem’sworksketchmap发动机电子控制单元(ECU)主要由输入回路、MCU以及输出回路等组成。将在下一章作详细介绍。1.1.3发动机气缸工作原理我们以单缸汽油发动机为例，讲解一下汽油机的工作原理。气缸内装有活塞，活塞通过活塞销、连杆与曲轴相连接。活塞在气缸内做往复运动，通过连杆推动曲轴转动。为了吸入新鲜气体和排出废气，设有进气门和排气门。活塞顶离曲轴中心最远处，即活塞最高位置，称为上止点。活塞顶部离曲轴中心最近处，即活塞最低位置，称为下止点。上、下止点间的距离称为活塞行程，曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的距离称为曲轴半径。活塞每走一个行程相应于曲轴转角180°。对于气缸中心线通过曲轴中心线的发动机，活塞行程等于曲柄半径的两倍。活塞从上止点到下止点所扫过的容积称为发动机的工作容积或发动机排量，用符号VL表示。

四冲程发动机的工作循环包括四个活塞行程，既进气行程、压缩行程、膨胀行程（作功行程）和排气行程。进气行程

化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门打开，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压力以下，即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。

压缩行程

为使吸入气缸内可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程称为压缩行程。压缩终了时，活塞到达上止点，活塞上方形成很小空间，称为燃烧室。压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比，以ε表示：压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度便愈高，燃烧速度也愈快，因而发动机发出的功率愈大，经济性愈好。但压缩比过大时，不仅不能进一步改善燃烧情况，反而会出现爆燃和表面点火等不正常燃烧现象。爆燃是由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃造成的一种不正常燃烧。爆燃时火焰以极高的速率向外传播，甚至在气体来不及膨胀的情况下，温度和压力急剧升高。同时，还会引起发动机过热，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。表面点火是由于燃烧室内炽热表面与炽热处（如排气门头，火花塞电极，积炭处）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧（也称为炽热点火或早燃）。表面点火发生时，也伴有强烈的敲击声（较沉闷），产生的高压会使发动机件负荷增加，寿命降低。作功行程在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气被燃烧后，放出大量的热能，因此，燃气的压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力约为3-5Mpa，相应的温度则为2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。排气行程可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。

当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。在排气行程中气缸内压力稍高于大气压力，约为0.105-0.115Mpa。排气终了时，废气温度约为900-1200K。

由于燃烧室占有一定容积，因此在排气终了时，不可能将废气排尽，留下的这一部分废气称为残余废气。

综上所述，四冲程汽油发动机经过进气、压缩、燃烧作功、排气四个行程，完成一个工作循环。这期间活塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应地曲轴旋转了两周。1.1.4汽车发动机的点火系统1）作用

汽油机在压缩接近上止点时，可燃混合气是由火花塞点燃的，从而燃烧对外作功，为此，汽油机的燃烧室中都装有火花塞。能够在火花塞两电极间产生电火花的全部设备称为发动机点火系(ignitingsystem)。点火系的功用就是按照气缸的工作顺序定时地在火花塞两电极间产生足够能量的电火花。2）分类

点火系按照组成和产生高压电方法不同和分类与组成电源产生高压的方法，可以分为：

a、蓄电池：点火系蓄电池或发电机点火线圈和断电器

b、半导体：点火系蓄电池或发电机点火线圈和半导体元件

c、磁电机：点火系磁电机3）要求

a、在火花塞两电极间产生足够高的次级电压。

b、火花具有一定的能量。

c、在任何工况下，均获得最佳点火提前角。

d、汽车发动机的点火系同汽车上的其它电器设备一样采用单线制连接，即一端搭铁。无论是正极搭铁还是负极搭铁，均应保证点火瞬间火花塞中心电极为负，因为，热的金属表面比冷的金属表面容易发射电子，发动机工作时，火花塞的中心电极较侧电极温度高。4）工作原理

电源是蓄电池，其电压为12V或24V，由点火线圈和断电器共同产生高压10000V以上。分初级回路和次极回路。点火线圈实际上是一个变压器,主要由初级绕组(primarywinding),次极绕组（secondarywinding）和铁芯组成。断电器是一个凸轮操纵的开关。断电器凸轮由发动机配气凸轮驱动，并以同样的转速旋转，即曲轴齿轮每转两圈，凸轮轴转一圈，为了保证曲轴转两圈各缸轮流点火一次，断电器凸轮的凸棱数一般等于发动机的气缸数，断电器的触点与点火线圈的初级绕组串联，用来切断或接通初级绕组的电路。

触点闭合时，初级电路通电，初级电流从蓄电池的正极经点火开关、点火线圈的初级绕组、断电器触点臂、触点，搭铁流回蓄电池的负极，为低压电路。触点断开时，在初级绕组通电时，其周围产生磁场，并由于铁芯的作用而加强。当断电器凸轮顶开触点时，初级电路被切断，初级电路迅速下降到零，铁芯中的磁通随之迅速衰减以至消失，因而在匝数多，导线细的次极绕组中感应出很高的电压，使火花塞两极之间的间隙被击穿，产生火花。

初级绕组中电流下降的速度愈大，铁芯中磁通的变化就愈大，次极绕组中的感应电压也就愈高。

初级电路为低压电路，次极电路为高压电路。

在断电器触点分开瞬间，次极电路中分火头恰好与侧电极对准，次极电流从点火线圈的次极绕组，经蓄电池正极、蓄电池，搭铁、火花塞侧电极、火花塞中心电极、高压导线，配电器流回次极绕组。5）点火提前

点火时刻对发动机性能影响很大，从火花塞点火到气缸内大部分混合气燃烧，并产生很高的爆发力需要一定的时间，虽然这段时间很短，但由于曲轴转速很高，在这段时间内，曲轴转过的角度还是很大的。若在压缩上止点点火，则混合气一面燃烧，活塞一面下移而使气缸容积增大，这将导致燃烧压力低，发动机功率也随之减小。因此要在压缩接近上止点点火，即点火提前。把火花塞点火时，曲轴曲拐位置与活塞位于压缩上止点时曲轴曲拐位置之间的夹角称为点火提前角(sparkadvanceangle)。

最佳的点火提前角随许多因素变化，最主要的因素是发动机转速和混合气的燃烧速度，混合气的燃烧速度又和混合气的成分、燃烧室形状、压缩比等因素有关。

当发动机转速一定时，随着负荷的加大，节气门开大，进入气缸的可燃混合气量增多，压缩终了时的压力和温度增高，同时，残余废气在气缸内所占的比例减小，混合气燃烧速度加快，这时，点火提前角应适当减小。反之，发动机负荷减小时，点火提前角则应适当增大。

当发动机节气门开度一定时，随着转速增高，燃烧过程所占曲轴转角增大，这时，应适当加大点火提前角。点火提前角应随转速增高适当加大。

另外，点火提前角还和汽油的抗暴性能有关，使用辛烷值高，抗爆性能好的汽油，点火提前角应较大。6)点火线圈点火线圈把电源的低压电转变成火花塞点火所需要的高压电。按其铁芯结构型式有两种：

开磁路点火线圈：开磁路点火线圈采用柱形铁芯，其上下两端没有连接在一起，磁力线通过空气形成磁回路。

闭磁路点火线圈：闭磁路点火线圈的铁芯用"口"字形或"日"字形的铁片叠制而成。磁路闭合。7)火花塞

功用：将高压电引入燃烧室产生火花并点燃混合气。

自净温度>500～600℃以上，裙部温度，若低于此温度，落在绝缘体裙部的油粒便不能立即燃烧掉，形

成积炭而引起漏电。

炽热点<800～900℃，温度若太高，则混合气与这样炽热的绝缘体接触时，可能在火花塞产生火花之前

就自行着火，从而引起发动机早燃，发生化油器，回火现象。

不同发动机使用的火花塞裙部受热是不一样的，就要求绝缘体裙部长度不同，根据裙部长度不同，又把

火花塞分成冷型（裙部长度等于8ｍｍ）；中型（裙部长度等于11ｍｍ和14ｍｍ）；热型（裙部长度等于

16ｍｍ和20ｍｍ）8)电子点火系统

蓄电池点火系工作时，断电器触点分开瞬间，会在触点处产生火花，烧损触点。当火花塞积炭时，易漏电，次极电压上不去，不能可靠地点火，产生高速缺火现象。半导体点火系克服了这些缺点，具有较强地跳火能力，使点火可靠。半导体点火系统大体分为以下3类:

a.由电磁、红外或霍尔元器件构成的非接触式断电器组成的点火系统称为无触点点火器，其放大电路又分晶体管电路和电容放电电路两种。

b.ECU(ElectronicControlUnit)控制的点火系由ECU中的微处理器根据曲轴转角传感器的信号确定点火时刻，因而它没有断电器，只有分电器，根据ECU送来的信号直接控制点火线圈初级电路的通断。

c.无分电器点火系统(Distributor-LessIgnition)是当前最先进的点火系统，曲轴传感器送来的不仅有点火时刻信号，而且还有气缸识别信号，从而使点火系统能向指定的汽缸在指定的时刻送去点火信号，这就要求每缸配有独立的点火线圈，但如果是六缸机则1，6缸、2，5缸和3，4缸分别共用一个点火线圈，即共有三个点火线圈，显然每一个点火线圈点火时，总有一个缸是空点火，检测时应注意到这一点。

无触点点火系统能使用低阻抗电感线圈，从而大幅度提高初级电流，使次级电压高达30kV以上，增强点火能量以提高点燃稀混合气的能力，在改善燃料经济性的同时也降低排气污染。无分电器点火系统完全是电子器件而无机械运动部件，彻底解决了凸轮和轴承磨损以及触点烧蚀间隙失调而引起的一系列故障。信号发生器(传感器)半导体点火系的工作原理与蓄电池点火系工作原理基本相同，只是半导体点火系与蓄电池点火系产生高压的方法不同，它利用了一些半导体元件替代了蓄电池点火系中的断电器，产生脉冲信号点火。例如，在无触点半导体点火系中使用了点火发生器（传感器）代替了断电器,常用的传感器有霍尔式、电磁式和光电式。

a.霍尔式传感器:由信号盘叶片、永久磁铁、霍尔芯片及霍尔传感器槽等构成。当叶片从槽中移出时，点火线圈初级线圈由导通状态变为断路状态，使次级线圈产生高电压。b.电磁式传感器：由转子和线圈组成。转子固定在分电器轴上，线圈固定在分电器壳体上。永久磁铁的磁力线经转子、线圈、托架构成封闭回路，转子旋转时，由于转子凸起与托架间的磁隙不断变化，通过线圈的磁通也不断变化，线圈中便产生感应电压，并以交流形式输出。在实用结构中，常将发动机转速和曲轴位置传感器一同装于分电器上，使用复合转子和耦合线圈。c.光电式传感器(图6-19和图6-20)：主要由发光二级管、光敏二级管、遮光盘和控制电路组成。发光二级管和光敏二级管位置相对，分别位于遮光盘两侧。遮光盘固定在凸轮轴上，与凸轮轴一同旋转。当遮光盘挡住发光二级管的光线时，光敏二级管截止，控制电路输出低电平。当缝隙对准发光二级管与光敏二级管时，光线照射到光敏二极管上，控制电路输出高电平。凸轮轴转一周，由360条缝隙所控制的电路将输出360个脉冲信号，此信号作为向电脑输入的转速信号。电子点火器,电子点火器是电子点火系的核心，其基本作用是将点火脉冲发生器的信号放大，以控制初级回路的通断状态。此外，有些系统还对初级回路的闭和角和初级电流进行控制，并设有初级回路自动切断功能，以防止点火线圈在停车时长期通电而损坏。图6-22是一个简化的电子点火器的内部原理图。此电路与电磁式传感器配合使用。主要包括四个部分：稳压部分A、脉冲整形部分B、通电角控制部分C、复合管输出级D。图1-4现在为了增加点火器的可靠性、减小体积以及增加控制功能,一般点火器的内部电路采用厚膜电路技术，将大规模集成电路IC及其外围元件和大功率三级管作在一个厚膜电路上,大大提高了点火控制器可控制功能。9)点火系统的微机控制

电子控制单元(ECU)是点火系统的核心。它根据发动机各种传感器信号经过计算求出最佳点火时刻和初级线圈通电时间，并在适当时候给发火器发出点火信号。CPU首先据转速信号和吸气量求出基本的点火提前角。再根据水温、起动信号、车速信号、空调开关等对基本点火提前角进行修正，主要包括暖机修正、过热修正、怠速稳定性修正及爆震修正。ECU通过控制初级回路的断电时间来实现通电时间的控制。1.1.5电子燃油喷射系统的控制原理当ECU接收到点火开关接通信号时，便开始接收传感器的输出信号。当ECU接受到发动机的启动信号时，便进入工作状态。与此同时，根据发动机的工作状态，MCU从ROM中调用某些程序(如喷油控制程序、点火控制程序等)或数据，完成各项控制功能。一般喷油量的控制方式可分为启动喷油控制、正常运转喷油控制、反馈控制、断油控制等。在电控燃油喷射发动机上，微电脑根据各传感器传送的信号控制喷油量。和传统的化油器发动机一样，不同的运转工况需要不同浓度的可燃混合气。在电喷发动机中，微电脑根据启动开关信号可确定发动机启动工况;根据节气门位置传感器的怠速开关信号、全负荷开关信号及节气门的开关速率可确定发动机的怠速工况、大负荷工况以及加减速工况。对于不同的工况，微电脑会按不同的模式来控制喷油器的工作。1)启动喷油控制在发动机启动时，由于吸入汽缸的空气量较少，空气流量计的检测精度低，因此启动时不把空气流量计的信号作为喷油控制的依据，而是根据预先设定的启动程序来进行喷油量控制。2)正常运转喷油控制在正常运转工况下，微电脑主要根据空气流量计(或进气压力传感器)输出信号和发动机转速计算出基本喷油量，并经过进气温度、大气压力、蓄电池电压、发动机水温、怠速工况、加速工况以及全负荷工况等参数修正后，控制喷油器的喷油。在实际控制程序中，按照各运转参数对喷油量的影响程度和方式，通常把喷油量分成基本喷油量、修正量两部分，这两部分之和作为总喷油量。a.基本喷油量基本喷油量是根据发动机每个工作循环的进气量，按理想空燃比14.7计算出的喷油量，即每循环基本喷油量=比例常数×空气流量÷发动机转速由上式可以看出，每循环的基本喷油量与空气流量成正比，与发动机转速成反比。b.修正量当发动机实际运行条件改变时，应对基本喷油量进行适当的修正，以保证发动机正常运行。一般主要考虑进气温度、大气压力以及蓄电池电压三个方面的影响。修正量的大小用修正系数表示:修正系数=修正后的喷油量÷基本喷油量3)断油控制断油控制主要有超速断油控制，减速断油控制两种。a.超速断油控制当发动机转速达到微电脑设定的最高转速时，微电脑会控制喷油器暂时中断喷油，以防止超速运转而损坏机件。待发动机转速降低到规定值时，微电脑控制喷油器又恢复喷油。如此循环，即可防止发动机转速无限上升，这就是超速断油控制。b.减速断油控制当在发动机运转过程中突然松开油门踏板减速且满足如下条件时，微电脑会控制喷油器停止喷油，即实行减速断油。节气门位置传感器怠速开关接通；发动机转速高于微电脑内存的设定值；发动机水温已达正常值；待发动机转速下降到规定值时，微电脑又控制喷油器恢复供油。4）理想空燃比的反馈控制为了降低发动机有害气体的排放量，许多汽车上装备了三元催化转换装置。但三元催化转换装置只有在混合气浓度处于理想空燃比附近时才能使CO,HC的氧化反应和NOx的还原反应同时进行，才能最大限度地降低有害气体地排放量。为了将混合气体浓度控制在理想空燃比14.7附近，在发动机的排气管中安装了氧传感器，微电脑通过氧传感器的反馈信号对喷油量进行控制，从而控制混合气的浓度。5）喷油正时的控制喷油正时控制就是控制喷油器何时开始喷油。发动机燃油喷射系统按喷油器安装部位分为单点喷射系统(SPFI或SPI)和多点燃油喷射系统(MPFI或MPI)两类。单点喷射系统只有一只或两只喷油器，安装在节气门体上，发动机一旦工作就连续喷油。多点燃油喷射系统每个汽缸配有一只喷油器，安装在燃油分配管上。喷油器的控制电路决定着喷油正时，即喷油时刻与喷油顺序。喷油器的控制电路可分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种。a.同时喷射所有的喷油器全部并联，由微电脑控制同时搭铁，各喷油器同时喷油。该电路所需的控制软件简单、成本低，但不能使各缸都得到良好的喷油时刻，会影响发动机的工作性能。b.分组喷射分组喷射是将喷油器分成若干组，一般每两个喷油器为一组，微电脑控制各组喷油器轮流喷射。c.顺序喷射顺序喷射是指微电脑控制各缸喷油器按各缸的工作顺序单独轮流喷油。采用此种控制电路能让各缸得到准确的喷油正时，但其控制软件比较复杂、成本高，目前只在部分高档车上得到应用。随着电子技术的发展，顺序喷射方式将逐步取代其他喷油方式。6)点火时刻控制点火时刻控制就是点火提前角控制。微电脑根据各传感器输入的信号，从存储器中选出基本点火提前角并根据各参数对其进行修正，然后根据曲轴位置传感器的输入信号判断活塞在汽缸中的位置，适时控制大功率晶体管截止，使初级电流中断，火花塞点火。影响基本点火提前角的主要因素是发动机的转速和负荷。通过模拟试验可获得各种工况下的基本点火提前角，并将这些数据存储在ECU的存储器中。当微电脑接收到传感器送来的发动机负荷与转速信号时，就可根据这两个信号从存储器中找出基本点火提前角。微电脑再根据各传感器对基本点火提前角进行修正，即可得到最佳点火提前角。1.2本设计的任务本设计采用沈阳华晨金杯汽车有限公司生产的4G93汽油机。该汽油机主要用于中华骏捷、尊驰等轿车上。排量为1.8L。本设计的任务是在原有电控汽油机的基础上自主设计开发一套与之相近的电控系统。在设计成本更低的前提下，进行对比试验，其目的是以低成本设计高效率的电控系统，以便进一步改进和完善。本设计应尽量达到如下技术指标：1）四个喷油器的喷油相位和周期应能适应发动机不同工况的要求，使发动机在各种工况下能平稳运转，不会出现喷油不正常、机体发抖、死火等现象。2）火花塞的点火时刻也应能适应发动机不同工况的要求，不会出现失火、乱火、爆震等现象。3）原机的怠速转速在800士50r/min。因此，本电控系统的目标控制怠速也应在该值附近，或小该转速，同时波动在50r/min。4）在部分负荷工况下对CO和HC的排放进行了测定。目标是基本达到原机的数据。2电控系统硬件设计自适应电控单元的设计主要包括控制电路设计、信号采集处理电路设计、执行机构驱动电路设计等。控制单元的作用是：对信号采集系统送入的信号进行运算处理，判断发动机的工作状态及控制效果，进而做出控制决策，并发出控制指令驱动执行机构工作。控制系统组成如图2-1所示。图2-1控制系统组成图Fig2-1Controlsystem’scomposing2.1ECU的总体设计1）单片机的选型，根据现有电控产品可以知道，大部分采用专用芯片作为主芯片，价格较高，而且通用性较差，经过市场调研，本系统选择80C196KC单片机作为中央控制单元，INTEL的通用芯片功能强大、精确度高，完全可以实现专用芯片的功能，而且市场上很普及，价格也较低，这样可以降低电控系统的成本，同时使我们电控系统通用性及普及性加强，并且INTEL80C196KC单片机能满足发动机现阶段的功能、速度和存储空间的控制要求。80C196KC单片机硬件总体框图如图2-2，本单片机硬件总体结构由14个单元组成，有中央处理单元CPU、时钟发生器、中断控制单元、程序存储器、存储器控制器MCR和从程序记数器SPC以及队列QUEUE，端口3(P3)和端口4(P4)、总线交换协议与端口I(PI)、高速输入输出通道、定时器单元、串行通信单元、D/A转换单元、端口2(P2)多路转换器、端口0(P0)和端口2（P2），A/D转换单元；软件总体结构由4个方面组成(操作数类型、程序状态字、寻址方式、指令分类)。图2-280C196KC单片机硬件总体框图Fig2-280C196KCSCMhardwarecollectivitychart80C196KC部分内容分析:a.中央处理单元CPUCPU由RALU，CR和RAM组成。RALU称为寄存器算术逻辑单元，是8XC196KB单片机的运算器，主要从事加、减、乘、除四则运算以及“与”、“或”、“异或”逻辑操作，它体现了计算机最基本的特征。CR称为控制器，由指令寄存器和微代码发生器组成。8XC196KB单片机的“程序”存储于片内或片外的程序存储器中，控制器的责任在于从这里取出指令并临时放在指令寄存器中，然后，通过微代码发生器将其翻译成为具有某种功能的控制信号。RAM称为随机存取存储器，其容A为256B（字节)，只能容纳数据，不能存放程序。按功能划分，地址单元为00H-17H的区域称为特殊功能寄存器组SFRS,其用途专一不可它用。地址单元为18H-0FFH的区域有232个寄存器，位于CPU内部，其地址与功能犹如一般计算机中的累加器。b.时钟发生器片内单级非门电路和片外石英晶体等组成晶体振荡器，产生一定频率的高频信号并送至二分频与两相波发生电路，在该电路的输出端便可得到时钟信号CLOUT，其周期也称为“状态周期T”。c.中断控制单元该单元用于规定中断源并对中断源信号进行检测、登记、屏蔽和优先级中断。经历上述各环节后，该单元的中断发生器负责产生向CPU申请中断的信号。当中断被响应时，该单元通过数据总线送出中断矢量。d.串行通信单元串行通信单元为串行通信服务，它有3个重要寄存器和波特率发生器:波特率寄存器BAUD-RATE，其内容决定了数据传送的速率。串行接口缓冲器SBUF(RX)/SBUF(TX)，用于临时存待接收或待发送的数据。串行接口控制/状态寄存器SPCON/SPSTAT，该寄存器用来规定串行接口的工作方式和反映数据通信过程中的状态。此外，数据的出、入通道分别是端口2(P2)的TxD/P2.0和RxD/P2.1，通过对IOC.的有关位进行设置，使其具备斜杠上方功能。e.高速输出器HSO高速输出口HSO用于按程序设定的时间触发某一事件，要求CPU的开销极少，速度很高。被触发的时间包括：起动A/D转换，复位定时器2，设置4个软件定时器的标志和接通多达6根输出线(HSO.0-HS0.5)。同一时刻可以挂号8个事件。当事件被触发时，还会产生中断请求。f.P1口P1口是一个准双向I/O口。它由输出缓冲器、内部口锁存器、内部口寄存器(SFR.X)和输出口缓冲器构成。本文用P1.0,P1.1,P1.2口作输出口，P1.3作输入口。g.定时器1在系统中作实时时钟用，其时钟信号来自内部时钟发生电路，每8个状态周期计数加1。16位计数器计满时，能触发一个中断，对I/O状态寄存器的位5即IOS1.5置位。作为系统实时时钟的定时器1一直在循环计数，任何时候都可以读它，但只有用系统复位操作才能使它停止计数并复位。h.高速输入器HSI用于记录某一外部事件发生的时间，时间基准由定时器1提供。共可记录8个事件。有四根引脚(HIS.0-HIS.3)可作高速输入脚。其中HIS.2和HIS.3是双向引脚，也可以作高速输出引脚HSO.4和HSO.5，它们的功能靠I/O控制寄存器IOC0和IOC1来选择。i.A/D转换器输入引脚是与P0.0-P0.7共享的ACH0-ACH7。它有一个8通道的模拟多路转换开关、一个采样/保持电路一个10位逐次逼近型A/D转换器、A/D命令寄存器、A/D结果寄存器和控制逻辑等组成。本课题中采用80C196KC的资源如表2-1所示。2)系统电源设计，本系统中电源采用蓄电池12V电源，目的是更好的适应车辆匹配电源，为以后做成产品奠定基础，ECU控制电路中前向通道传感器的的电源需要5V，由7805将12V转化为5V。电路中采用电容滤波，有效的减少了电源干扰。电源转化如图2-3所示:图2-3电源转化电路图Fig2-3Thechartofpowersupplychange名称用途高速输出HSO.0点火器2,3缸高速输出HSO.1点火器1,4缸高速输出HSO.2电磁喷油器1,4缸高速输出HSO.3电磁喷油器2,3缸P1.0怠速步进电机A相P1.1怠速步进电机B相P1.2怠速步进电机控制定时器T1计数HSI.0曲轴位置传感器AD0(P0.0)进气压力信号AD1(P0.1)冷却水温信号AD2(P0.2)进气温度信号AD3(P0.3)节气门位置信号AD4(P0.4)电池电压监测P1.3氧传感器信号表2-180C196KC资源分配表Tablet2-1Theresourceof80C196KCdistributetablet3)晶振电路设计，80C196KC需要一个时钟源进行操作，时钟频率在6MHz与12MHz之间。这个时钟可由外接晶体和内部电路的晶体振荡器产生，也可以由外部时钟直接提供，本课题采用外部晶体和内部电路构成的晶体振荡器。晶体电路如图2-4所示:图2-4晶振电路Fig2-4CrystalOscillatorCircuit2.2前向通道配置及电路设计本课题中，使用了节气门位置传感器、曲轴位置传感器、冷却水温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器和氧传感器，下面逐一介绍这些传感器的选择及相关电路的设计。2.2.1节气门位置传感器节气门位置传感器输出特性如图2-5。TP(节气门位置传感器)的作用是将节气门的开度和开度的变化率转换成电信号，它安装在节气门体上。本控制系统中将节气门位置信号传给ECU，用来判断发动机的工况模式。其工作原理是：TP实际上是一只由节气门轴驱动的电位器，采用5V的参考电压，活动触点在电阻滑道上滑动，由其引出的电压即代表了节气门的位置信号。电位计有三个接线柱，其中一个与电刷连接，这个接线柱为电位计的输出端，当把另外两个接线柱分别同+5V电源和地连接时，就构成了一个分压电路。TP的输出电压与节气门开度的关系在生产时经过标定，为避免由于元件差异、老化等造成的误差，在每次点火开关接通时，节气门会有一次复位动作，并以此位置为基准进行自校正。它的输出电压与转角的关系在生产时经过标定。ECU根据输出电压来判断节气门位置。电位计的输出电压在0.74~4.5V之间变化，可直接进行A/D转换，不需要放大处理。控制器根据它提供的节气门全开、节气门开度变化率、节气门在怠速位置等信号，判定发动机正处于全负荷、加速、怠速工况，从而适当延长喷油时间，实现全负荷加浓、加速加浓、怠速加浓等。05010050.505010050.5节气门开度（%）输出电压（V）DN怠速触点信号2-5气门位置传感器输出特性Fig2-5Theoutputcharacteristicofvalvepositionsensor2.2.2曲轴位置传感器曲轴位置传感器一般有两种形式，电磁式和霍耳式。曲轴位置传感器也被称为发动机转速传感器，或简称转速传感器。曲轴位置传感器一般为磁电式脉冲信号传感器。它是构成现代汽车发动机管理系统中速度—密度法空气计量算法理论和实践的重要零部件，也是发动机管理系统中最重要的核心零部件之一。曲轴位置传感器被用于测试曲轴旋转时的转速和曲轴(活塞)的相对位置。是根据电磁线圈原理，由一个永久磁铁作铁芯元件和外部加以线圈构成其核心元件。外壳一般采用复合材料注塑成型封装。根据发动机在车辆上的实际总体布置状态，一般情况下，曲轴位置传感器可被安装于曲轴的前部，皮带轮附带曲轴目标轮；或后部，飞轮总成附带曲轴目标轮；或者是设计装配在发动机的气缸体上，曲轴目标轮被设计在缸体内部的曲轴上曲柄相应位置上。曲轴目标轮被设计成60-2矩形齿均布的黑色金属材料齿轮。缺齿信号可帮助系统判定曲轴的相对位置。曲轴目标轮旋转产生脉冲电压信号直接反映了发动机的实测转速工作状态。该信号被输出给发动机电子控制模块(ECU)。发动机管理系统的发动机电子控制模块即可根据系统算法确定曲轴实时的旋转速度和位置。曲轴位置传感器信号采集电路如图2-6所示。图2-6曲轴位置传感器信号采集电路Fig2-6Thecrankcasepositionsensor’ssignalcollectioncircuit这里我们选用了LM1815来处理曲轴位置信号，LM1815是一款发动机控制的专用芯片，适合于可变磁阻式传感器的信号处理，可以作为过零比较器、也可以工作在自适应工作模式。经过信号处理模块后，曲轴位置传感器发出的正弦波信号成为了方波信号，该信号可以直接送到196KC单片机，作为曲轴转速和位置判断的信号。2.2.3进气压力传感器在速度—密度方法的电子控制喷射系统中，需要测定进气管绝对压力。此外，要对大气压力的变化进行补偿，也需进行气压测量。进气歧管绝对压力传感器利用压电原理设计而成。传感器主要有一个密封良好的弹性膜片和一个铁质磁芯构成。膜片和磁芯精确地放置在微型线圈内，当感应到压力时，就产生一个与输入压力成正比的、与参考电压成比例的输出信号。在电子控制燃油喷射系统中普遍应用的压力传感器是半导体压敏电阻式传感器。压力传感器是由压力转换元件和把转换元件输出信号进行放大的混合集成电路(IC)构成的。输出电压在0-5V之间变化，可直接进行A/D转换，不需要放大处理。半导体压敏电阻型压力传感器的压力转换元件是利用半导体压阻效应制成的硅膜片。硅膜片的一面是真空室，别一面导入进气管压力。进气管内的压力越高，硅膜片的变形越大。利用惠斯通电桥将这种变化转换成电压信号输出，即可测得绝对压力。进气管绝对压力和气缸的充气效率反映了发动机的循环进气量，因而也反映了发动机的负荷。在同转速下，负荷越高，进气压力越大；负荷越低，进气压力越小；所以，一般可用进气管绝对压力和转速表示出发动机的工况。2.2.4冷却水温度传感器发动机冷却水温度传感器是发动机管理系统中表征发动机实际工作状态的重要元件。是发动机管理系统空气燃料供给控制子系统的一个主要部件之一。发动机冷却水温度传感器采用了快速响应特性的负温度系数(NTC)热敏电阻作为其核心温度传感元件。它通常被安装在发动机气缸盖或发动机的冷却水出口水道中。它必须有足够的可靠性并可承受各种恶劣的使用环境状况考核。冷却水温度传感器的作用是监测发动机冷却水温度。发动机在暖机阶段，其温度(冷却水温度)较低，进入气缸的部分汽油会凝结在气缸壁上，使混合气变稀。因此，在暖机阶段应适当多喷汽油，即暖机加浓。控制器主要根据冷却水温度传感器提供的信号来适当增加喷油时间。冷却水温度传感器使用前需要标定，传感器标定值如图2-7。图2-7冷却水温传感器标定值Fig2-7Thecoolingwatertemperaturedemarcatenumericalvalue标定过程如下:1)将冷却水温度传感器放在盛有水的烧杯内，用电热器加热烧杯中的水2)在烧杯中悬置一个温度计，用万用表电阻档测量冷却水温度传感器的1,2端子，记录不同温度下的电阻值。2.2.5进气温度传感器发动机进气温度传感器的核心温度传感元件由负温度系数特性的半导体热敏电阻构成。其温度特性为负温度系数(NTC)热敏电阻特性。这种温度传感器通常需要采用特殊测量电路来进行其电阻特性的测试。负温度系数特性的半导体热敏电阻的输出特性为热敏电阻阻值高低与温度冷热的变化成反比关系：即当温度升高时，热敏电阻的输出阻值下降；当温度降低时，热敏电阻的输出阻值增加。进气温度传感器的作用是监测发动机的进气温度，安装在进气总管上。进气温度越高，空气的密度也就越小，进气量相应也就减少。控制器根据此传感器信号对由进气压力传感器和发动机转速传感器所确定的喷油时间进行修正。本系统进气温度传感器的标定方法跟冷却水标定方法一样。2.2.6氧传感器氧传感器在现代发动机管理系统的配置机构中被用于探测汽车发动机所排出的燃烧废气中氧的含量，借以判定发动机实时燃油供给空气燃料混合比的实际状态，并通过自身产生的电器反应信号反馈给发动机电子控制模块(ECM)，以作为系统燃油管理子系统的闭环燃油修正补偿控制的重要依据，使燃油管理子系统能够更加精确的控制调整发动机各种工作状态下的空气燃料混合比；并在绝大多数工况下使系统保持在理想空燃比工作状态，以便获得更加优良的汽车排放控制特性和燃油经济性。现代发动机管理系统采用的氧传感器有两种主要类型：非加热型氧传感器和加热型氧传感器。图2-8氧传感器的输出电压特性Fig2-8ThecharacteristicOxygenSensor’soutputvoltage氧传感器安装在发动机的排气管上，用氧化锆制成，氧传感器通常的工作表现为在当发动机空燃比变稀时，排气中氧含量的浓度将会升高，此时，氧传感器的输出电压信号接近0V；当空燃比变浓时，排气中氧含量的浓度降低，传感器的输出电压将接近1v。氧传感器的特性如图2-8所示。氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的二氧化锆元素起到类似电解液的作用。在高温时，二氧化锆能导电，如果此时两个极板接触的气体的含氧量不同，极板之间就会产生一个微量电压。这是因为氧原子带有两个自由电子，即有负电荷，而二氧化锆吸收氧离子，结果是负电荷积聚在靠近铂极一侧的二氧化锆表面。当传感器暴露在废气中时，二氧化锆接触空气一侧的含氧量相对增大，其负荷也相对增加，结果在电极之间产生电动势，电动势的大小取决于电极两侧含氧量的浓度差。氧传感器的信号采集电路如图2-9所示。图2-9氧传感器的信号采集电路Fig2-9TheOxygenSensor’ssignalcollectioncircuit发动机电子控制模块(ECM)根据这一输入电压信号，配合系统控制逻辑及控制策略，通过响应的传感器和执行器，就可以调整系统输出控制指令，使发动机工作在和保持理想的空燃比燃油供给状态。2.3后向通道配置及电路设计2.3.1喷油器的控制1）喷油器的控制方式,由于试验汽油机原有系统采用分组喷射方式，为了更好的与原机性能作对比，本课题也采用分组喷射方式。电控汽油喷油器接收来自ECU的指令，将信号传给喷油器的电磁线圈，因针阀与线圈铁芯是一体，所以通电后产生磁力使针阀开启，将燃油喷射出去，并精确地喷射所要求数量的燃油。其喷油量取决于针阀开启的时间，即电磁线服的通电时间。喷油器试验前必须标定，标定过程为：a.选取喷油时2ms,3ms,5ms,8ms四个点，分别选取量程为10ml和25m1量筒。将单个喷油器垂直放入量筒，由ECU发出喷油指令喷油，读出所喷出的汽油量。b.每个点重复四次，求出平均值，绘制特性曲线。其喷油特性如图2-10所示。图2-10喷油器喷油特性Fig2-10Thecharacteristicofoilatomizer由图2-10可以看出，喷油时间<1.2ms时，电磁阀没有动作，这个时间称为无效喷射时间。喷油器针阀只有在大于其它力的合力时，才开启喷油。2)喷油器的控制电路,对喷油器的控制采用峰值—保持式驱动电路，见图2-11。图2-11喷油器驱动电路Fig2-11Theoilatomizer’sdrivecircuit该电路的特点是，在喷油器开启瞬间，利用双路供电加大驱动电流，减少喷油器处于不稳定流动区域的时间，使之尽快处于稳定流动状态。喷油器完全开启后，采用单路供电，以较少的电流维持喷油器的开启状态。这种电路即可改善喷油器的动态响应特性，又能节省喷油器的电能消耗及减轻喷油器的负荷。当控制电流通过4N25光耦时，计算机输出的喷油信号被滤波放大，再通过达林顿管放大电路放大，输入到喷嘴电磁线圈，流过的线圈大电流使喷油器开启，喷油器具有良好的响应特性。2.3.2点火执行机构的控制点火控制器又称为点火电子组件或点火器，它的功用是根据由ECU输入的信号，接通或者断开点火线圈一次绕组的电流，使点火线圈的二次绕组产生高压电，击穿火花塞间隙。点火信号由HS0.2和HS0.3提供，单片机HSO口的输出电流是非常微弱的，仅有几个微安。需要经过放大后才能对初级线圈的通断进行控制。我们选择大功率MOS管作为开关元件来控制初级线圈的通断。MOS管的开关状态是通过电压控制的，只需很低的电压即可达到饱和状态，开关速度可达200MHz。点火驱动电路如图3-12所示。系统采用了信号隔离手段防止点火线圈对80C196KC的干扰。稳压管D和电容C防止MOS管受到瞬时高压的冲击，起到保护大功率MOS管的作用。图2-12点火驱动电路Fig2-12Theignition’sdrivecircuitECU发出控制指令输出低电平，经7406非门变成高电平，光耦内部二极管不导通，三极管不导通，MOS管导通，点火线圈接通进入充电状态。ECU输出高电平，光耦接通，点火线圈断电，火花塞点火。ECU输出信号与点火线圈感应电压由光耦进行隔离，防止干扰。2.3.3怠速步进电机的控制发动机怠速运转时，节气门处于全关闭位置，空气通过节气门缝隙或旁通气道进入发动机，进气量的多少由ECU控制发动机怠速控制装置完成。怠速控制装置大致可分两种:一种是控制节气门在怠速时开度的节气门直动式；另一种是控制节气门旁通气道中空气流量的旁通空气式(怠速控制阀)。本文所用的汽油机怠速控制装置为旁通空气式。步进电机控制怠速旁通阀的开启大小，步进电机的原理是利用脉冲电流将定子磁场作步进式转动，步进电机的旋转是以固定的角度(步距角)运行的，其特点是在不丢步、不超步情况下积累误差，所以广泛应用开环控制系统。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，步进电机通过步进电机驱动器来驱动，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。本课题怠速步进电机主要用于发动机怠速状态的控制、怠速时发动机节气门全闭，发动机的进气量靠怠速电机来控制。步进电机由阀杆、转子、阀座、挡板等几部分组成。阀杆的一端有螺纹，旋入步进电机的转子中。当转子旋转时，由于阀轴受到挡板的约束，阀随阀轴一起作轴向运动，这样就改变了阀与阀座之间的距离。步进电机有4组励磁线圈。改变励磁线圈通电顺序，可以改变电机的旋转方向。线圈每通一次电，转子转过一步，阀共有125种不同的开启位置。ECU通过控制励磁线圈的通断来控制进入气缸空气量。本课题设计中采用了专用的步进电机驱动芯片L6219，其控制电路如图2-13所示。L6219有多种封装形式，它具有以下一些特点：可以驱动双极性工作的步进电机；可以为每一路线圈提供750毫安的电流，峰值可以达到1安培；可以工作在较广的电压范围，电压可以为10到46伏之间的值；可以工作在半步、全步、微步等模式；具有内部脉宽调制器，可以方便的控制电流大小；此外还具有内部的热保护电路，特别适合于工作在电压不稳定的场合。由图可见控制信号由196KC单片机的P1.0,P1.1,P1.2引脚提供，P1.2为允许信号，P1.0为A相控制信号，P1.1为B相控制信号。输出信号分别接到步进电机的四个接线端。图2-13步进电机驱动电路Fig2-13Thesteppermotor’sdrivecircuit2.4电喷发动机的工作原理电喷发动机是采用电子控制装置.取代传统的机械系统(如化油器)来控制发动机的供油过程。如汽油机电喷系统就是通过各种传感器将发动机的温度、空燃比.油门状况、发动机的转速、负荷、曲轴位置、车辆行驶状况等信号输入电子控制装置.电子控制装置根据这些信号参数.计算并控制发动机各气缸所需要的喷油量和喷油时刻,将汽油在一定压力下通过喷油器喷入到进气管中雾化。并与进入的空气气流混合,进入燃烧室燃烧,从而确保发动机和催化转化器始终工作在最佳状态。这种由电子系统控制将燃料由喷油器喷入发动机进气系统中的发动机称为电喷发动机。电喷发动机按喷油器数量可分为多点喷射和单点喷射。发动机每一个气缸有一个喷油咀,英文缩写为MPI,称多点喷射。发动机几个气缸共用一个喷油咀英文缩写SPI.称单点喷射。汽油喷射发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能准确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，使废气排放物和燃油消耗都能够降得下来，同时它还提高了发动机的充气效率，增加了发动机的功率和扭矩。电子控制燃油喷射装置的缺点就是成本比化油器高一点，因此价格也就贵一些，故障率虽低,一旦坏了就难以修复(电脑件只能整件更换)，但是与它的运行经济性和环保性相比，这些缺点就微不足道了。分类汽油喷射型式分为机械式和电子控制式两种。机械式汽油喷射装置是一种以机械液力控制的喷射技术，早在30年代就应用在飞机发动机，50年代开始应用在德国奔驰300BL轿车发动机上。集成电路的出现使电子技术能在发动机上得到应用，一种更好的汽油喷射装置——电子控制汽油喷射技术也就应运而生了。结构任何一种电子控制汽油喷射装置，都是由喷油油路，传感器组和电子控制单元(微型电脑)三大部分组成。当喷射器安装在原来化油器位置上，称为单点电控燃油喷射装置；当喷射器安装在每个气缸的进气管上，称为多点电控燃油喷射装置。原理喷油油路由电动油泵，燃油滤清器，油压调节器，喷射器等组成，电控单元发出的指令信号可将喷射器头部的针阀打开，将燃油喷出。传感器好似人的眼耳鼻等器官，专门接受温度，混合气浓度，空气流量和压力，曲轴转速等数值并传送给“中枢神经”的电子控制单元。电子控制单元是一个微计算机，内有集成电路以及其它精密的电子元件。它汇集了发动机上各个传感器采集的信号和点火分电器的信号，在千分之几十秒内分析和计算出下一个循环所需供给的油量，并及时向喷射器发出喷油的指令，使燃油和空气形成理想的混合气进入气缸燃烧产生动力。历史从60年代起，随着汽车数量的日益增多，汽车废气排放物与燃油消耗量的不断上升困扰着人们，迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化，节约燃料的新技术装置去取替已有几十年历史的化油器，汽油喷射技术的发明和应用，使人们这一理想能以实现。早在1967年，德国波许公司成功地研制了D型电子控制汽油喷射装置，用在大众轿车上。这种装置是以进气管里面的压力做参数，但是它与化油器相比，仍然存在结构复杂，成本高，不稳定的缺点。针对这些缺点，波许公司又开发了一种称为L型电子控制汽油喷射装置，它以进气管内的空气流量做参数，可以直接按照进气流量与发动机转速的关系确定进气量，据此喷射出相应的汽油。这种装置由于设计合理，工作可靠，广泛为欧洲和日本等汽车制造公司所采用，并奠定了今天电子控制燃油喷射装置的邹型。至1979年起美国的通用，福特，日本的丰田，三菱，日产等汽车公司都推出了各自的电子控制汽油喷射装置，尤其是多气门发动机的推广，使电子控制喷射技术得到迅速的普及和应用。到目前为止，欧美日等主要汽车生产大国的轿车燃油供给系统，95%以上安装了燃油喷射装置。从99年1月1日起，只有采用电子控制汽油喷射装置的轿车才能准予在北京市场上销售。现在电喷发动机(电子控制汽油喷射式发动机)的使用在轿车中越来越普遍，有消息称化油器式发动机轿车在我国各大城市将很快被“消灭”。因此车主对电喷发动机的了解变得越来越重要，只有了解了电喷发动机的“脾气”，您才能更好地使用和养护爱车。电喷发动机与化油器式发动机有很大的区别，在使用操作方法上也颇有不同。起动电喷发动机时(包括冷车起动)，一般无需踩油门。因为电喷发动机都有冷起动加浓、自动冷车快怠速功能，能保证发动机不论在冷车或热车状态下顺利起动；在起动发动机之前和起动过程中，像起动化油器式发动机那样反复快速踩油门踏板的方法来增加喷油量的做法是无效的。因为电喷发动机的油门踏板只操纵节气门的开度，它的喷油量完全是电脑根据进气量参数来决定；在油箱缺油状态下，电喷发动机不应较长时间运转。因为电动汽油泵是靠流过汽油泵的燃油来进行冷却的。在油箱缺油状态下长时间运转发动机，会使电动汽油泵因过热而烧坏，所以如果您的爱车是电喷车，当仪表盘上的燃油警告灯亮时，应尽快加油；在发动机运转时不能拔下任何传感器插头，否则会在电脑中显现人为的故障代码，影响维修人员正确地判断和排除故障。另外要注意的是，尽量不要在电喷车上装用大功率的移动式无线电话系统及无线电设备，以防止无线电信号对电脑工作产生干扰。3控制系统软件设计3.1控制系统的软件设计要求发动机控制模块ECM的核心是一个十六位的微处理器单片机系统。控制系统的软件能够很好地控制发动机的运行，就必须满足下面的两个要求：其一是软件要具有完备性，即系统软件能够正确地体现发动机的实际运行状态，并针对某种具体情况做出正确的控制。这就要求软件具有完善的工况判断功能。其二是具有良好的实时性，即控制软件能够实时正确地采集发动机的各种信号、更新控制量并且实时地输出控制信号。为了满足系统设计要求，控制软件设计采取了主程序和中断程序相结合的主体结构。这样就要求合理分配它们的功能。主程序的功能主要是利用传感器的信号来判断发动机的实际工况，据此选用合理的控制模块来计算控制量的值，对于ECU而言主要是喷油时间、喷油时刻、点火时间和点火时刻。3.2控制系统软件的开发为了方便对程序进行不断完善，本课题控制系统软件采用模块化设计的方法。模块化程序设计方法通过分解和抽象的手段，把一些复杂的问题分解成许多子问题。所有的模块具有清晰的结构和完备的接口，具有清晰的层次和界面，缩短了开发周期。功能相同的模块可以重复利用，模块化设计可以提高程序开发的效率。另外，每个模块具有独立性，使得一个模块发生故障不会扩散到整个系统，可以提高系统的可靠性，而且每个模块规模都比较小，使程序便于维护和修改。具体模块分主程序模块和子程序模块。子程序由一些功能模块组成，包括转速计算、传感器采样、喷油控制、点火控制、起动工况模块、怠速工况模块、加减速工况模块、全负荷工况模块、超速断油工况模块、部分负荷排放控制模块等，采用汇编语言进行编写。1)主程序的设计,主程序是控制软件的中心模块。其流程图见图3-1。它主要包括控制系统通电后的初始化程序及发动机工况测定、判别和相应的处理程序等。本程序中主要根据节气门位置和转速及节气门开度变化率的大小来判定发动机所处的工况。主程序是一个循环体，没有收到中断请求时，主机就一直在执行主程序，循环进行模式判别、控制决策和控制输出等过程。2)起动工况模块,起动工况指从起动电机啮合到发动机不靠起动电机而能自行运转的时间过程。在发动机起动时ECU的工作过程为：ECU接收到转速信号后进行初始化，时间约为65ms，然后起动油泵：起动油泵约0.1s，发动机转过一定齿数后开始预喷，预喷量等于一个固定值乘以水温修正系数，预喷后开始确认上止点信号；确认到上止点信号再过一定曲轴转角开始正常起动喷射，并开始点火；转速到达一定限值时进入起动后暖机阶段。一般认为，-30℃以下属冷起动，-30℃到95℃属正常起动，大于95℃属热起动。冷起动和正常起动时，其修正是转速的修正或随发动机转动圈数的修正再乘以水温修正。图中n≥50是起动转速，n≥100是起动成功转速(即进入后起动工况的标志)。时间t是为了保证若瞬时转速小于起动成功转速t秒后停止程序，表明此次起动失败。起动工况模块流程图如图3-2。图3-1主程序流程图Fig3-1Themainprocess’sflowchart图3-2起动工况模块流程图Fig3-2Thejump-startconditionsflowchart3）怠速模块，当节气们开度为零时为怠速工况，怠速转速为750-850r/min，通过调节喷油量和怠速步进电机实现怠速控制。怠速模块流程图如图3-3。图3-3怠速控制模块流程图Fig3-3TheIACflowchart4）加减速模块，加减速根据节气门开度来判定：当节气门开度变化大于当时开度认为是在加速，从而增加喷油量；相反则认为是在减速，减少喷油量。程图如图3-4。图3-4加减速模块流程图Fig3-4Thespeedupandslowdownmoduleflowchart5）部分负荷下追求排放控制模块，现在排放法规日益严格，要求发动机在一般情况下运行时满足排放要求，此时追求的是排放性能，以此为依据进行控制。其流程图如3-5所示。6）全负荷模块，节气门全开时，要求发动机输出最大扭矩，因此，为保证发动机的功率输出，应供给较浓的混合气。其流程图如图3-6。7）超速断油模块，为了保证发动机的安全，在超过设定转速以后发动机应立即停止供油。其流程图如图3-7。图3-5部分负荷模块Fig3-5Thepartburthenmodule图3-6全负荷模块流程图图3-7超速断油流程图Fig3-6ThefullburthenmoduleflowchartFig3-7Theoverspeedoil-breakflowchart8）转速计算模块，发动机控制过程中，转速是一个很重要的量，本文采用计算齿轮齿数的方法确定转速。流程图如图3-8所示。9）喷油计算模块，根据齿轮缺齿后第一个齿计算，沿运转方向第20齿为上止点，根据不同工况确定不同的喷油时刻和喷油时间。流程图如图3-9所示。图3-8转速计算模块流程图图3-9喷油控制模块流程图Fig3-8Therotatingspeed’scountflowchartFig3-9Theoilspoutcontrolmoduleflowchart10）采样模块，流程图如3-10所示。11）点火模块，流程图如3-11所示图3-10采样模块流程图图3-11点火模块流程图Fig3-10ThesamplingmoduleflowchartFig3-11Theignitionmoduleflowchart4电控系统可靠性和抗干忧措施4.1系统硬件的抗干扰技术发动机的工作环境决定了它随时都可能受到内外界的电磁千扰，这种干扰可能以冲击脉冲的形式进入控制系统内部，干扰破坏某些电子器件的工作。为了确保系统可靠的工作，在电路及印制电路板设计中必须充分考虑抗干扰性。对系统内部的干扰主要是各电路之间的公共阻抗耦合所引起的，如在一电路中的电流变化必然对另一电路产生干扰影响；各个电路共用同一电源，当其中一个电路的负荷发生变化，也会引起其它电路工作电压的变化；各个电路的共同接地存在的共地阻抗，会引起电路中的噪声与电平的漂移。这些内部的干扰都会造成电路工作稳定性下降，使信号出现干扰噪声。汽车用电器是控制系统的外部干扰源，其干扰主要是这些设备中的电感性负荷在切换过程中产生的，其中干扰最强的是点火系统。在点火系一次电路断开时，二次线圈上感应出10-20kV的高压，发射出高频电磁波，通过点火高压线，向四周辐射进行干扰。这些干扰与系统中传感器输入信号间的电感性、电容性耦合，产生高达100V噪声电压，混入信号中叠加后送入系统，造成对电路和微处理器的干扰。因此控制系统的抗干扰问题如果解决不好，将会对控制系统产生一些不良影响，主要表现在以下几个方面：1)数据采集误差加大。2)控制状态失灵。3)数据受干扰而发生变化。4)程序运行失常。由此可知，对于一个控制系统，良好的抗干扰能力是其实现控制功能的前提条件。抗干扰措施主要是从控制系统的硬件电路着手，尽量把干扰信号在进入微处理器前消除。常用的措施有：滤波技术、隔离技术、屏蔽技术和去耦技术。本文在硬件电路设计时采取的抗干扰措施是：1)供电系统干扰的抑制。在电源输入端跨接较大的电解电容，在各集成电路芯片的电源和地线间接入去耦电容进行去耦滤波。这种滤波器可以使某个信号频谱的公共阻抗大大减少，避免了耦合噪声。2)信号滤波。电路中模拟量的采样经常受到工频干扰，因此为了抑制高次谐波干扰，通常在模拟量输入通道中加入RC滤波器，从而可以减小高频信号的影响，RC值的确定取决于对干扰信号要求衰减的倍数以及RC电路所引入的时间常数。3)采用光电隔离技术。输入、输出信号通过隔离可以切断干扰通道，避免强电流对回路的冲击。在数字量信息的传递过程中，采用光电耦合器作为传递的耦接，使微机系统与前向通道和后向通道的电路联系切断，能有效地防止干扰从过程通道进入控制系统。光电藕合器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。4)高压阻尼线的应用。点火系统高压部分干扰源的抑制主要是采用高压阻尼线，用它可取得良好的抗干扰效果。点火线圈产生的高压脉冲电流在火花塞间隙处要产生火花。而这种脉冲电流的上升时间是很陡的，在跌落时会产生振荡，从而产生干扰电磁波，通过点火高压线向周围辐射，形成干扰。把高压导线作成带电阻的，使整条高压导线有数千欧的电阻值，因此使高压导线的电感与寄生电容不能引起高压波峰辐射，可对干扰电平产生抑制作用。5)去藕电路。数字信号电平转换在转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供应电源内阻上产生较大压降，形成严重干扰。为抑制此干扰，在电源电路、数字电路和信号处理电路中适当配置去耦电容，即形成去耦电路，这样可旁路集成电路产生的干扰。6)串联一点接地。根据频率的高低可将控制系统中的地线接法分为“多点接地”和“一点接地”。频率低于1MHz时应采用一点接地。一点接地有并联一点接地和串联一点接地之分。采用并联一点接地较为理想，这种接地方式可使各电路的电流流经导线时所产生的压降互不影响，不会产生干扰。但这种接地方式实现起来非常麻烦，在复杂的系统中尤其如此，因而本系统采用了串联一点接地的方法。串联一点接地引线较少，简便易行，但这种接地方式中各个电路的电流要流经一个公共阻抗，所产生的压降可对各电流造成不同的干扰，因此在实用中要注意以下几点：a.各电路接地线应尽可能短而粗，以使地电位不随电流的变化而变化，从而提高系统的抗干扰性能；b.电平低的电路应距地最近，以减少地电位的影响；c.数字地线和模拟地线分开，若有高速逻辑电路，又有线性电路，应尽量使它们分开，两者的接地不要相混，应分别与电源地线相连。7)合理布线。它是抗干扰措施中的一个重要方面，导线的种类，线径的粗细，走线的方式，线间距离，导线的长短、捆扎或绞合，屏蔽方式及布线的对称等都对导线的电感，电阻和噪声的耦合有直接影响。4.2系统软件抗干扰技术在控制电路上采取抗干扰措施后，干扰问题基本上可以得到解决，但任何抗干扰措施都只能削弱干扰源的影响或降低系统对干扰的敏感性，不可能绝对消除。同时由于车用发动机控制系统所受干扰的复杂多样性，尽管采取了硬件上的措施加以抑制，但为了确保系统的高度可靠性，还需在软件设计中采取一定措施，使干扰一旦进入微机后能使其恢复正常运行。本系统在软件设计时，主要采取了以下几条抗干扰技术。1）应用数字滤波消除测量误差传感器测量信号最终被用来进行控制输出，它直接影响到系统的工作状况。为消除传感器测量中的干扰信号，除了用模拟滤波器对信号进行滤波以外，还应该用软件进行数字滤波实现软件抗干扰。在一般控制系统中，可用简单的数值逻辑运算处理来达到滤波的效果。常用的滤波方法有：a.算术平均值法,算术平均值法指对一点数据连续采样几次，计算平均值作为采样结果，这种方法有利于消除随机干扰误差。由于转速、节气门开度等信号具有波动性，用单次采样值作为控制发动机的依据显然不好，所以在控制过程中我们采用了算术平均值法处理传感器测得的信号。b.极值判别法，控制系统所采集数据的大小范围是基本已知的，这样可采用程序判断采样值是否超出正常值的范围，若超出范围，则认为是干扰