摘要：設(shè)計基于MC68HC9S12單片機(jī)的發(fā)動機(jī)電噴控制系統(tǒng)。結(jié)合節(jié)能車的特殊要求進(jìn)行了硬件抗干擾設(shè)計,，結(jié)合節(jié)油型的綜合工況進(jìn)行了控制算法設(shè)計,。系統(tǒng)的裝機(jī)和裝車道路試驗表明，該控制系統(tǒng)具有明顯的節(jié)油效果,，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),。
關(guān)鍵詞：節(jié)能車；發(fā)動機(jī),；電噴系統(tǒng),；MC68HC9S12
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電噴摩托車項目”曾在2000年被有關(guān)方面確定為國家技術(shù)創(chuàng)新項目,。2003年春蘭集團(tuán)對原有電噴系統(tǒng)做了改進(jìn),，成功運用到出產(chǎn)歐洲的125踏板車上，通過CDI無觸點電子點火裝置智能控制點火角度,，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),。2002年武漢理工大學(xué)顏伏伍等人開發(fā)了LH150摩托車電噴系統(tǒng)，并成功投入生產(chǎn)使用,。
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)計了發(fā)動機(jī)電噴控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了空燃比的精確控制,，提高了燃燒效率,。
2 系統(tǒng)設(shè)計
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,。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)動電路和點火驅(qū)動電路,。
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。
節(jié)氣門位置傳感器是一個線性電位計,，實物圖如圖3所示,。其電阻值與節(jié)氣門的開度成正比，通過給電位計供電,，采用A／D采集得到節(jié)氣門開度,。
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,。
3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
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,、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
本控制系統(tǒng)的程序是在Codewarrior IDE上完成編寫和調(diào)試的,。控制程序結(jié)合節(jié)能車的工況來設(shè)計,，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,。
點火時刻的確定：通過兩次曲軸信號來計算出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而查得設(shè)定的點火提前角,，然后在相應(yīng)時刻點火,。
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 實際測試結(jié)果
本系統(tǒng)首先在發(fā)動機(jī)上完成驗證試驗,，然后利用節(jié)能車來做路跑試驗。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,。試驗場地為操場塑膠跑道,，試驗人員體重配重達(dá)到50 kg。試驗方式為在跑道上行駛5圈,，點火加速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,，并進(jìn)行了裝機(jī)和裝車道路試驗。設(shè)計的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，試驗測試數(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),。