摩托車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)研究

陳振天， 尹叢勃， 張振東

（1上海汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心，上海 200041；2上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

發(fā)動機電子控制技術(shù)以其良好的經(jīng)濟性和排放性，已經(jīng)成為滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)的首選技術(shù)方案［1－2］.摩托車作為機動車中一類重要組成部分，具有成本低、體積小、路況適應(yīng)性強等優(yōu)點，在我國眾多地域有著廣泛的應(yīng)用.隨著摩托車保有量的增加及日趨嚴(yán)格的節(jié)能減排措施的實施，摩托車發(fā)動機的經(jīng)濟性能及排放指標(biāo)已成為各廠家互相競爭的重要內(nèi)容［3－4］.近年來，我國現(xiàn)有電噴摩托車的生產(chǎn)和制造大多依賴國外技術(shù)，為打破不利局面，國內(nèi)摩托車企業(yè)和科研院所不斷加大對電控燃油噴射技術(shù)的研究［5］.

本文選取某型號125mL排量單缸風(fēng)冷四沖程化油器式發(fā)動機作為研究對象，將原發(fā)動機化油器式供油結(jié)構(gòu)改進為電控燃油噴射系統(tǒng).設(shè)計系統(tǒng)軟硬件對發(fā)動機各種模擬量、數(shù)字量進行采集和存儲，實現(xiàn)對各驅(qū)動電路的控制，詳細研究了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、控制電路以及軟件編程等問題，并通過實驗對所開發(fā)的控制系統(tǒng)的控制效果進行了驗證.

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)目標(biāo)發(fā)動機的電子控制，首先對原化油器式發(fā)動機進行了電噴化改造.在改造過程中針對原機的化油器系統(tǒng)，重新設(shè)計加工了發(fā)動機進氣管，將電子節(jié)氣門、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器以及噴油器與進氣管集成為一體；增設(shè)了電子點火系統(tǒng)，重新選配了點火線圈、火花塞等部件；在系統(tǒng)中布置了曲軸位置傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、排氣氧含量傳感器、發(fā)動機溫度等傳感器；控制系統(tǒng)以Freescale 16 單片機為核心構(gòu)建，開發(fā)了相應(yīng)的傳感器信號調(diào)理電路以及輸出信號的驅(qū)動電路.發(fā)動機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 發(fā)動機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of engine EFI system

2 控制系統(tǒng)硬件電路

控制系統(tǒng)電路由傳感器輸入信號處理電路、主控芯片、執(zhí)行器驅(qū)動電路以及電源管理、上位機通訊等輔助電路組成.

選擇MC9S12XS128 單片機作為主控芯片，并根據(jù)各個傳感器和執(zhí)行器件的不同要求（如PWM功能、AD轉(zhuǎn)換功能以及通訊功能等），對單片機的I／O資源進行分配.同時，為提高系統(tǒng)的可靠性，選用了MC33812 集成芯片對發(fā)動機的噴油和點火進行控制，控制電路如圖2所示.

圖2 噴油、點火集成控制電路Fig.2 Integrated circuit for fuel injection and ignition

由于伺服電機具有相應(yīng)迅速、控制精準(zhǔn)、位置自鎖等優(yōu)點，非常適合用于節(jié)氣門控制.本文選用的伺服電機其內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，單片機通過向電機驅(qū)動電路發(fā)送PWM 控制信號即可實現(xiàn)節(jié)氣門開度的控制.伺服電機接口電路如圖3所示.

圖3 節(jié)氣門電機接口電路Fig.3 Interface circuit of the throttle motor

3 控制軟件

3.1 控制軟件架構(gòu)

本文基于前后臺程序設(shè)計方法［6－8］開發(fā)了系統(tǒng)控制軟件.后臺軟件作為應(yīng)用程序的運行平臺，基于時間片管理方法進行設(shè)計；前臺軟件基于中斷響應(yīng)方法進行設(shè)計，包括發(fā)動機運行所需要的信號采集與處理、執(zhí)行機構(gòu)的輸出與控制等程序［9］.

前臺應(yīng)用程序遵循模塊化設(shè)計思想進行設(shè)計，在程序等級上，將軟件程序劃分為驅(qū)動層程序和算法層程序.驅(qū)動層包括各個傳感器信號的采集與處理，點火、噴油等執(zhí)行機構(gòu)的控制.算法層包括傳感器信號的調(diào)用、執(zhí)行機構(gòu)的控制邏輯以及發(fā)動機工況的控制算法與轉(zhuǎn)換等.在控制類型上，將軟件程序劃分為信號處理層、工況與參數(shù)更新層以及發(fā)動機驅(qū)動層3個主要的子模塊.其中信號處理層和執(zhí)行器控制層子模塊作為驅(qū)動層次，而工況與參數(shù)更新層則作為算法層次，前臺應(yīng)用程序的邏輯關(guān)系如圖4所示.

圖4 前臺應(yīng)用程序總體框架Fig.4 Framework of the foreground application program

3.2 時間基準(zhǔn)信號處理

對于四沖程摩托車發(fā)動機，控制系統(tǒng)通常每循環(huán)執(zhí)行一次噴油、點火操作，但對于某些特殊工況（如起動、進氣壓力信號故障等情況）則需要執(zhí)行兩次噴油、點火操作，如圖5和圖6所示.

圖5 單次噴油、點火時序Fig.5 Single injection and ignition conditions

圖6 兩次噴油、點火情況Fig.6 Two fuel injections and ignition conditions

本文設(shè)定單次噴油、點火情況下做功沖程內(nèi)的缺齒位置為第0 齒，從0～21 齒循環(huán)計數(shù).兩次噴油、點火情況下兩次缺齒均為第0 齒，齒輪計數(shù)由0～10齒進行循環(huán).控制系統(tǒng)硬件設(shè)計過程中，為了保證準(zhǔn)確判斷發(fā)動機的工作沖程，安裝時將齒盤第7齒下降沿對應(yīng)發(fā)動機活塞的上止點（排氣或壓縮上止點）.

發(fā)動機噴油、點火操作是基于曲軸轉(zhuǎn)速信號進行設(shè)定，只有曲軸轉(zhuǎn)速信號正確，發(fā)動機才能在正確的時間執(zhí)行噴油、點火指令，驅(qū)動發(fā)動機的運轉(zhuǎn).對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，需要輸出基于時間域的速度信號，而對于噴油、點火控制，則需要輸出基于角度域的齒數(shù)和基于時間的混合信號.本文采用的是磁電式曲軸轉(zhuǎn)速傳感器配12缺1齒信號齒盤的轉(zhuǎn)速測量方案.當(dāng)發(fā)動機起動后，需要根據(jù)信號齒盤的運動進行曲軸轉(zhuǎn)速的同步操作，其算法流程如圖7所示.通過以上條件判斷該輪齒為缺齒，如果不是則按照以上方法繼續(xù)檢測下一齒輪直至缺齒出現(xiàn)，進入到齒輪計數(shù)階段.進入齒輪計數(shù)階段后，具體算法流程如圖8所示.由于發(fā)動機一個工作循環(huán)曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，出現(xiàn)兩次缺齒位置，因此，需要結(jié)合進氣壓力信號確定發(fā)動機工作沖程，以確定發(fā)動機是否處于噴油、點火狀態(tài).

3.3 噴油、點火控制信號產(chǎn)生方法

圖7 缺齒同步算法流程Fig.7 Missing teeth synchronous algorithm

圖8 曲軸同步程序流程圖Fig.8 Flow chart of synchronous program of crankshaft

曲軸轉(zhuǎn)速信號同步成功后，為發(fā)動機噴油及點火控制提供了準(zhǔn)確的時間基準(zhǔn).在控制系統(tǒng)中，噴油、點火的產(chǎn)生均基于中斷響應(yīng)實現(xiàn).在軟件程序設(shè)計初期，將噴油時刻固定在第4齒位置，在缺齒的下降沿處設(shè)置中斷標(biāo)志，定時器計時開始后，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)到第4齒下降沿時，觸發(fā)中斷使噴油器開始噴油，再根據(jù)特性圖中的噴油脈寬計算噴油終止位置，當(dāng)達到噴油停止點時完成噴油操作，具體過程如圖9所示.點火控制信號與噴油控制信號的產(chǎn)生原理基本相同，其不同點在于點火控制需要依據(jù)已知的點火提前角和點火閉合角計算點火線圈閉合充電時刻，如圖10 所示.同時，為了達到精確控制的目的，考慮到發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定對噴油點火時刻的影響，需要每個下降沿均觸發(fā)中斷并及時計算更新噴油時刻等重要參數(shù).

圖9 噴油操作控制方法Fig.9 Injection operation control method

圖10 點火操作控制方法Fig.10 Ignition operation control method

4 控制參數(shù)標(biāo)定

控制系統(tǒng)硬件及控制軟件設(shè)計完成后，需要對發(fā)動機不同工況下的基本點火提前角、基本噴油脈寬等目標(biāo)參數(shù)進行試驗標(biāo)定［10－12］.

基本噴油質(zhì)量Δmf可以根據(jù)以下公式計算得到，即

式中，μn為噴油器流量系數(shù)；Fn為噴油嘴面積；g為重力加速度；df為燃油密度；Pf為燃油壓力；Pd為進氣管壓力；dt為噴油脈寬.

式中，Δma為理論空燃比狀態(tài)下的實際進氣質(zhì)量，由理想氣體方程得

式中，R 為理想氣體常數(shù)；T 為進氣溫度；Vh為氣缸工作容積；ηV為充氣效率.

基本點火提前角的數(shù)據(jù)標(biāo)定時，控制實際空燃比的值為理論空燃比的14.7倍.標(biāo)定過程中保持發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速處于2 000～9 000r／min中每個工況節(jié)點上，調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度為0～100%.改變點火提前角的值，以2°曲軸轉(zhuǎn)角慢慢變化.發(fā)動機在未爆震的狀態(tài)下，輸出扭矩開始下降趨勢，那么將扭矩下降點定為該工況點的最大扭矩（MBT）點火提前角；如果在沒有達到MBT 點之前發(fā)動機就出現(xiàn)爆震狀態(tài)，則將此時的點火提前角向后推遲3°曲軸轉(zhuǎn)角，定為當(dāng)前工況的點火提前角.重復(fù)以上工作，將點火提前角覆蓋整個可以標(biāo)定的工況點，完成發(fā)動機點火提前角的標(biāo)定，標(biāo)定好的基本點火提前角特性圖如圖11所示［6］.

圖11 基本點火提前角特性圖Fig.11 Basic ignition advanced angle map

根據(jù)標(biāo)定好的基本噴油脈寬計算出噴油量，進一步得到理論空燃比狀態(tài)下的實際進氣質(zhì)量，發(fā)動機實際進氣質(zhì)量與理論進氣質(zhì)量之比即為不同工況下的充量系數(shù)，其充量系數(shù)特性如圖12所示.從圖中可以看出，充氣效率的值在絕大部分的工況下都處于0.7～1之間，同時數(shù)據(jù)符合高轉(zhuǎn)速、低負荷時充氣效率低，而高轉(zhuǎn)速、大負荷時充氣效率高的特點.

圖12 充量系數(shù)特性圖Fig.12 Charging coefficient map

臺架試驗中，分別采用洛陽南峰測試系統(tǒng)公司生產(chǎn)的CW25－2400／10000電渦流型測功機和上海內(nèi)燃機研究所生產(chǎn)的FCD－M型油耗儀進行了輸出功率和燃油消耗率的測試，圖13為發(fā)動機增加電噴控制系統(tǒng)前后節(jié)氣門開度為40%時，輸出功率和燃油消耗的對比.從圖13（a）可以看出，發(fā)動機的輸出功率有明顯上升，轉(zhuǎn)速為3 000r／min時，功率從2.7kW 上升到3kW，升高比例為10%；轉(zhuǎn)速為5 500r／min時，功率增加0.2kW，升高比例為5%.主要原因是各工況點都在最大扭矩輸出的基本點火提前角工作，有效地提高了輸出功率.

圖13 40%節(jié)氣門開度時優(yōu)化前后功率和油耗對比Fig.13 Under 40%opening of throttle valve，comparison of power and fuel consumption rate before and after optimization

圖14為優(yōu)化前后節(jié)氣門開度為70%時的發(fā)動機輸出功率和燃油消耗的對比，也可以明顯看出，發(fā)動機在采用電控系統(tǒng)后輸出功率得到了一定的提高，同時燃油消耗明顯低于化油器式發(fā)動機.從圖14（b）可 以 看 到 在3 000r／min時 燃 油 消 耗 從350g／（kW·h）下降到340g／（kW·h），下降比例為3%；在4 500r／min時，燃油消耗下降12g／（kW·h），下降比例約為4%.主要原因是發(fā)動機增加電控系統(tǒng)后，噴油量更精確，同時基本點火提前角下輸出功率增加，使發(fā)動機的燃油消耗率有所下降.

圖14 70%節(jié)氣門開度時優(yōu)化前后功率和油耗對比Fig.14 Under 70%opening of throttle valve，comparison of power and fuel consumption rate before and after optimization

5 結(jié)束語

以某型125mL排量單缸風(fēng)冷四沖程化油器式汽油發(fā)動機作為研究對象，對其進氣、點火和噴油系統(tǒng)進行改進，匹配相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器，實現(xiàn)了化油器式汽油發(fā)動機的電噴化改裝.

根據(jù)傳感器和執(zhí)行器件的不同要求設(shè)計發(fā)動機電控系統(tǒng)，編制軟件控制程序，實現(xiàn)了對發(fā)動機傳感器信號的采集和噴油、點火的控制.

對發(fā)動機不同工況下的基本點火提前角、基本噴油脈寬以及充量系數(shù)等目標(biāo)參數(shù)進行試驗標(biāo)定.發(fā)動機臺架試驗表明，發(fā)動機改進為電控噴射系統(tǒng)后，輸出功率增加，燃油消耗率下降，達到了提高燃油利用率、減小排放的目的.

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