单缸发动机电控系统硬件设计

祁儒明，刘海潮，郝庆英，郭朋彦，郑俊强，张庆波，莫 非

(1.华北水利水电学院，河南郑州450011;2.河南省科学院能源研究所有限公司，河南郑州450008;3.国家电网电力科学研究院，江苏南京210061)

单缸发动机具有结构简单、体积小、灵活性强、成本低等优点，广泛应用于小型摩托车、个人水上摩托艇、应急发电机、雪地摩托、草坪维护设备、汽油喷雾器等设备上.随着国家减排监管力度加大，小型发动机市场面临新的设计挑战［1］.新的排放标准进一步限制了化油器式发动机在各种小型引擎上的使用，为满足未来需求，以小型发动机为动力的产品，必须由化油器控制系统转向电子控制系统.化油器式发动机是靠机械装置实现对燃油供给和点火进行控制，发动机电控化改造需要将机械控制方式转化为由处理器进行喷油、点火的控制方式，并需配置多种传感器，用以精确计量燃烧过程中的油、气进给量.该过程不仅需要设计一个电控单元，还需要在原有的化油器发动机上加装传感器、执行器等电控元件.本研究以嘉陵125摩托车的单缸发动机为研究对象，对其进行了电控化改造，开发了燃油喷射-点火控制系统，以提高发动机的动力性能，并降低燃油消耗率和污染物排放.

1 发动机电控化改造方案

将化油器式发动机改造为电子控制式发动机不仅要开发符合控制要求的电控硬件和相应的软件，还需要对化油器式发动机的结构进行一系列改造，改造方案如图1所示.本研究主要是电控化改造的方法及电控系统的硬件设计、仿真与试验.

图1 单缸发动机电控化改造方案Fig.1 The modification scheme of single cylinder electronic control

1.1 发动机喷油、进气系统电控化改造

化油器式发动机的设计结构与电控发动机大体上是一致的，由于控制原理不同，普通化油器式发动机改造成为电控式发动机需要进行一系列的电控化改造.化油器式发动机采用化油器供油，油箱装在化油器的上方，燃油在重力的作用下，流入化油器的浮子室，发动机吸气时，燃油吸入进气歧管，形成空气-燃油混合气进入气缸［2］.电控发动机燃油是经燃油泵从燃油箱中泵出，经高压油路进入喷油器.为了满足电控燃油系统的需要，在这里将化油器去掉，在燃油箱内安装燃油泵，在进气道上，节气门之后安装喷油器，并对油路进行适当的改造.化油器式发动机采用节气门进气，当踩下踏板时节气门开度加大，进气量随之增加;但是无节气门位置信号、进气压力和进气温度信号，怠速时节气门有一个小的开度可以维持怠速的进气需要.电控化改造方法是将常规的化油器式节气门整体更换为集成有传感器的节气门，并在节气门前后开小孔，加装开关式电磁阀控制怠速进气.化油器式发动机点火线圈是由机械装置控制点火，电子控制点火系统是由微机根据各有关传感器的电信号确定最佳的点火时间，然后输出一个电脉冲信号，该信号经过驱动芯片放大后驱动点火线圈初级绕组、次级绕组放点产生火花.改造方法是加装点火的控制回路，将点火控制由磁电机飞轮信号控制更换为由电控单元(ECU)输出和点火驱动电路驱动的控制方式.单缸机发动机没有冷却水循环系统，不需要测量冷却水温度，该系统采集的是缸体外的温度，即将外置贴片式温度传感器加装在汽缸外表面以采集缸体的散热状况.

1.2 电控系统硬件结构

电控系统就是通过采集汽油机各工况下的参量并依据预定的设计程序对汽缸喷油量和点火时刻进行控制，使发动机始终工作在最佳的空燃比下，以实现发动机高效低排污地运行.发动机的控制系统包括四大模块，信号采集与处理模块，处理与控制器模块，输出与控制模块，调试与标定模块.其中处理与控制系统是核心，而控制系统的核心功能是燃油喷射控制与点火正时控制.而调试与标定模块是电控系统与PC机之间的通讯模块，它的功能是向系统ECU烧入控制程序及后期联机调试中由PC机中的上位机标定下位机系统运行的各个参数，如喷油量和点火提前角等.控制系统构成如图2所示.

图2 控制系统结构框图Fig.2 Principal frame of control system

2 电控系统硬件设计

2.1 数字控制系统设计

电控单元(ECU)是发动机电控系统中最重要的电子单元.本案选用的MC9Sl2XDG128，芯片拥有8通道增强型捕捉定时器(ECT)，它含有8路输入捕捉/输出比较电路［3］，输入捕捉可以捕捉到转速信号的周期，以方便精确的测出发动机的转速.输出比较功能可以用于精确的控制喷油量以及点火正时.芯片的2个8通道10位的模数转换器(ADC)，可以高精度采集节气门位置进气温度等模拟信号.

2.2 传感器信号电路设计

传感器信号调理电路包括温度传感器调理电路和发动机转速调理电路［4］.温度传感器包括水温传感器和空气温度传感器.空气温度传感器和水温传感器均是负温度系数传感器［5］.在发动机电控系统中，需要实时地获得发动机的转速信号，综合其他的信号，判断发动机的工况，并针对各种工况实施不同的控制策略.在汽车上一般通过转速传感器来测量发动机转速.根据检测原理，电控发动机中转速传感器可分为磁感应式、光电式、霍尔效应式3种类型［6］.而原有的化油器式发动机由于采用机械控制，本身没有预安装转速传感器.在改造中如果在化油器式发动机安装转速传感器不仅难度非常大还将大大地增加改造成本.通过分析该125化油器式发动机照明线圈的信号特点，得出其随着发动机转动会产生和发动机转速成正比的正弦脉冲信号，也就相当于一个电磁式速度传感器，利用该信号来采集发动机转速简单易行.电控发动机的燃油喷射、点火正时都是由ECU基于转速信号精确控制的，所以，还需要准确定位曲轴的转角［7］，即较高分辨率的转速信号.发动机每转动1周其照明线圈最多只能输出4个脉冲信号，这远远无法满足精确测量转速的要求.针对这种情况通过大量研究，确定采用一种使用 CD4046B和CD4518B芯片组成的信号倍频电路，该电路可以对频率不能满足要求的CDI信号进行频率倍增，提高转速信号分辨率以达到精确测量转速，从而满足喷油点火等控制所需要的信号精度要求.由于CDI信号为正弦信号，而倍频电路只能处理方波信号，所以需要对该正弦信号进行整形处理，将照明线圈发出的频率及幅值随转速变化的正弦脉冲信号转化为具有TTL电平的方波信号，然后对该信号进行15倍频，以得到所需信号精度.倍频电路如图3所示.设计中整形电路采用MAX9924可变磁阻(VR或电磁线圈)传感接口芯片，该芯片是汽车机轴、凸轮轴，传动轴等部件的定位和速度检测专用信号处理芯片.它集成了可选择自适应峰值门限的高精度放大器和比较器及过零检测电路，该模块能够在嘈杂的系统噪音或较弱的VR信号环境下产生强大的输出脉冲，如图4所示.

2.3 喷油模块驱动电路设计

发动机电控系统的功能之一就是精确控制发动机喷油过程，喷油的精确控制不仅取决于程序的控制，而且也受喷油电路性能的影响.电磁阀在开启瞬间需要较大电流以提供较大的开启力，保证电磁阀可靠开启并减少喷射延时［8］.本研究设计了能够使喷油电磁阀快速响应的驱动电路，如图5所示.该电路的特点是:(1)利用双路供电，加大驱动电流使喷油电磁阀能瞬间开启，在电磁阀完全开启后，采用单路供电，以较少的电流维持电磁阀的开启状态;(2)改善了汽油喷嘴的动态响应特性，节省汽油喷嘴的电能消耗，并减轻了汽油喷嘴的负荷.本驱动器的创新之处在于开启的瞬间是由2个驱动芯片同时打开，减少开启时间;维持开启状态时使用1个芯片以降低功耗.相比于一般汽油机电控喷油电路本电路控制的喷油阀具有很多优势，可以提高控制精度和减少元件功耗和产热.

2.4 点火模块驱动电路设计

点火电路的核心是点火控制器，电子点火控制的目的在于控制发生在火花塞上的点火时刻和点火能量［9］，它根据ECU输入的信号，接通或者断开点火线圈1次绕组的电流，从而使2次绕组产生高压电，以击穿火花塞间隙，产生用于点燃压缩混合气的火花.本方案选择大功率场效应管作为开关元件来控制初级线圈的通断.IRF350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.点火驱动电路如图6所示.稳压管D2和电容C1防止IRF350受到瞬时高压的冲击，起到保护大功率场效应管的作用.点火线圈并联的R3，D1可以在IRF350关闭时使点火线圈的感应电动势形成放电通路，起到保护点火线圈和场效应管的作用［10］.该电路结构简单，驱动电流大，芯片在打开状态时压降非常小可以减小芯片本身产热.系统采用了信号隔离手段防止点火线圈初级绕组感应电动势对单片机的干扰.

3 仿真与试验

为了验证硬件设计能够实现的功能，需要运用仿真软件对设计的硬件电路进行了仿真.首先验证的是转速信号处理电路，整形电路的输入端接信号发生器，输入端和输出端接示波器，图7所示的是其仿真波形输出.从图7可以看出，设定输入1个一定幅值的正弦信号通过电路后可以转换为TTL方波信号.

方案中信号倍频电路的作用是增加信号的输出频率，倍频器的仿真波形输出见图8.其中，输入为方波信号，幅值5 V，频率20 Hz，输出为方波信号，幅值为5 V，频率为300 Hz，仿真结果显示倍频电路实现了15倍频的要求，即是将转速信号分辨率提高15倍.点火电路主要工作原理是放大控制信号，将ECU输出的5 V微弱的控制信号放大为12 V的驱动信号，如图9仿真结果所示，电路实现了信号放大功能.电路仿真通过后将电路原理图转换为PCB图，并制作电路板，将真实电路板与改造后的发动机进行联机试验，由系统控制发动机在怠速状态下，用高精度示波器测试了具有代表性的喷油控制器的电流波形，以及喷油器和点火线圈驱动电压波形.图10验证了喷油器能够实现大电流快速开启及小电流维持等设计指标，图11的波形验证了喷油器和点火线圈能在转速信号的驱动下正常工作.

4 结论

1)发动机电子控制方式是提高其动力性、降低排气污染和燃油消耗的有效手段.本研究针对市场上较有代表性的嘉陵125摩托车的化油器式单缸发动机进行了电控化改造，并进行了电控系统硬件单元的设计与试验仿真.制作了PCB硬件电路板，将其与改造后发动机进行了联机试验.试验表明改造后的发动机可以在各个工况下工作，在联机试验中测试各个驱动元件的波形，其都达到了设计的预期目标.

2)在电控化改造过程中设计了化油器式发动机转速信号的获取电路，并进行了试验，该电路可将每转获取的脉冲数量由4个提高至60个.这种方案无需更改原车的电路和元件，简单方便，易于实现，大大降低了电控化改造的成本.同时，在硬件设计中，采用当前最新的设计理念设计了电控喷油电路，该电路具有开启瞬间电流大以实现快速开启电磁阀，从而减小喷油延时，之后仅需要较小的维持电流以降低功耗和减小元件产热.

［1］ 彭卫锋，施 卫.摩托车用发动机电控喷射系统的设计研究［J］.山东内燃机，2006(2):6-10.

［2］ 黄 英，赵经纬.125摩托车发动机电控燃油喷射系统的开发研究［J］.小型内燃机与摩托车，2003(2):42-46.

［3］ 孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［4］ 黄 英，赵经纬，张付军，等.摩托车发动机电控燃油喷射系统的开发研究［J］.小型内燃机与摩托车，2003(1):42-46.

［5］ 陈 华.发动机燃油单点喷射电子控制系统研究［D］.成都:四川大学，2001.

［6］ 麻友良，丁卫东.汽车电器与电子控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［7］ 郭林福，张 欣，李国岫.电控天然气发动机ECU中新型驱动电路的设计［J］.车用发动机，2005(3):36-39.

［8］ 邓旭斌.摩托车电控发动机硬件系统设计及控制策略研究［D］.广州:广东工业大学，2008.

［9］ 郑国勇.天然气发动机电控系统的开发研究［D］.北京:北京工业大学，2008.

［10］张庆波.氢燃料发动机电控系统硬件开发［D］.郑州:华北水利水电学院，2009.