单缸汽油发动机电控系统设计

柏碧泽，张振东

(上海理工大学 机械工程学院 ，上海 200093)

单缸汽油发动机电控系统设计

柏碧泽，张振东

(上海理工大学 机械工程学院 ，上海 200093)

针对传统发动机使用的化油器反应滞后、控制不精确、排放污染大的问题，以某款单缸化油器式汽油发动机为研究对象，设计了基于MC9S12XS128单片机的电子控制系统。文中分析了单片机对A/D转化信号的采集要求，设计了各个传感器的信号处理电路及驱动电路。通过对发动机工作过程的分析，对整个控制程序进行了模块化设计，并对主要模块的控制算法进行了阐述。实验结果表明，该系统使得发动机的动力性得到了提高，最大功率约提高了6.62%，同时提高了经济性，燃油消耗量(每小时油耗)降低了5.26%，验证了电控系统的有效性。

汽油发动机；电控系统；电路设计；喷油MAP

随着全球汽车保有量的持续增多，世界范围的很多地区开始出现能源危机以及由于汽车尾气排放造成的环境污染。为了应对这些问题，各国开始针对汽车制定相应的排放法规来限制其尾气污染。由于排放法规的制定标准不断提高，传统的发动机已然无法满足其要求。

传统的发动机使用化油器的燃油供给系统与机械式的点火系统，这些落后的控制方式不仅无法满足发动机在排放性方面的要求还严重影响其动力性和经济性的实现。实践证明，汽油机应用电控燃油喷射技术与在三元催化器技术，不仅可以实现精确的空燃比控制，还可将废气中的3种主要有害气体HC、CO、NOx的排放量降低95%以上。因此使用电子控制系统取代传统的化油器是必要及有效的。

1 系统总体结构方案

根据电控系统对发动机的结构要求，为原化油器发动机设计了电控化总体改造方案。根据方案对其燃油喷射系统和点火系统进行了改造。为其增加了电子燃油喷射系统，使用电子点火系统替代了机械式点火系统，如图1所示。

图1 电控系统总体结构

该发动机电子控制系统由3部分构成：燃油供给系统，燃油喷射系统，点火系统。原发动机的供油系统主要由油箱、油管和化油器组成，其结构简单但无法对燃油供给进行精确控制。电控系统的燃油供给系统主要由油箱、油管、电动燃油泵、燃油滤清器、油轨、燃油压力调节器和喷油器等组成。发动机工作时，燃油泵负责将燃油从油箱中泵出，燃油经滤清器后再经压力调节器进行调压，使燃油压力与进气管内的压力差保持恒定，喷油器安装在油轨上，喷油器根据ECU传来的喷射信号，将燃油喷射到进气门附近，与空气混合形成可燃混合气后进入气缸燃烧。原发动机采用机械式点火系统，该点火方式的点火提前角固定，不能根据发动机不同工况下进行调节，所以发动机的功率不能得到最大限度的发挥。电控系统中，点火系统主要由电源、点火控制器、高压线、点火线圈和火花塞等组成。因为本文研究的是单缸发动机，因此不需要对点火能量进行分配，所以点火系统里没有使用分电器。发动机工作时，点火控制器根据ECU的指令，对点火线圈的初级电路进行控制。当点火线圈电路导通时，初级电路有电流产生，点火能量在点火线圈中以磁场的方式进行储存；当初级电路断开时，次级电路中感应出很高的电动势，电动势传递至火花塞，火花塞的能量会在瞬间得到释放，产生电火花，点燃气缸中的混合气。

2 电控系统硬件设计

如图2所示，电控系统主要由传感器、电控单元(ECU)和执行器所组成[4-6]。因此电控系统的硬件设计主要包括电控单元主芯片的选型和电路设计、各传感器信号处理电路设计以及执行器的驱动电路设计等[7-9]。

图2 发动机电控系统总体结构

2.1 主芯片的选型

本文针对ECU的功能要求选择了Freescale公司生产的MC9S12XS128作为主芯片。MC9S12XS128拥有16位的中央处理单元(CPU 12X)，晶振频率为12 MHz，通过设置其内置的锁相环功能，最高能提供工作频率为60 MHz的总线时钟。其由128 kB程序Flash(P-Flash)、8 kB RAM、8 kB数据Flash(D-Flash)组成片内存储器，能够满足ECU对存储器的容量要求[10-11]。

2.2 传感器和执行器信号处理电路

传感器的功用是将发动机在各种工况下的状态信息转换成ECU能够理解的电信号。ECU只能接受0～5 V的电压输入，但许多传感器的输出电压并不能满足ECU的输入要求，因此在传感器信号输入ECU之前，需要增加信号调节与变换电路对其进行处理，使之成为ECU能够接受和识别的电压信号。

本系统传感器所接收的信号分为模拟信号和数字信号。其中模拟信号包括：进气温度信号，进气压力信号，节气门位置信号，氧传感器信号，蓄电池电压信号。数字信号包括曲轴转速信号和起动信号。分析了各传感器信号的作用并针对其输出信号的特点设计了相应的处理电路，包括进气温度传感器电路、进气压力传感器电路、节气门位置传感器电路、氧传感器电路、蓄电池电压信号电路、曲轴传感器电路和起动信号电路等。

2.3 喷油器

本系统所用喷油器的阻值为13 Ω，采用电压驱动型电路。该驱动中利用反相器对信号进行整形，使用光电耦合器对单片机输出的数字电平信号和后面的强电信号进行隔离，在喷油回路中并联二极管可在喷油器断电时对其产生的感应电动势形成放电回路，对功率放大管形成保护[12-13]。

3 电控系统软件设计

为提高电控系统的开发效率，缩短其开发周期，并且使功能相同的模块可得到重复利用以及提高系统的可靠性，本文在程序中使用了模块化设计方法，即把复杂的程序逐步分解成具有独立功能的子模块[14]。 软件设计的内容较为复杂, 本文简要介绍其主要模块和控制策略。

3.1 电控系统软件总体结构设计

发动机电控系统属于多任务控制系统。控制程序不仅需要对传感器输入的信号进行处理，对发动机工况状态进行分析并根据相应的控制策略更新喷油、点火参数等，还需要输出信号对喷油、点火等事件进行控制[15-16]。

根据任务功能将基于时域控制的任务分成3个主要模块：数据管理模块(DM),发动机管理模块(EM)，用户管理模块(UM)[17]。

3.2 主要模块的控制逻辑设计

3.2.1 用户管理模块

用户管理模块的主要功能是进行发动机工况的判定，并根据不同工况的控制策略对发动机进行控制。本文首先在用户管理函数中根据转速将发动机工况分为：初始工况(INIT)、停机工况(STOP)、起动工况(START)、运行工况(RUN)以及超速工况(OVERRUN)。

程序运行时，首先在用户管理模块初始化中将当前发动机状态(CA_State)设置为INT，INT函数负责工况指示灯的初始化并将CA_State设置为STOP。

STOP函数首先对油泵进行设置，因为当发动机处于停机状态时，油路中需要保持足够的燃油压力以确保发动机在需要时能够快速启动，但油泵不能在停机工况中持续工作，这样会造成电池电量的过多消耗。因此本文在发动机处于停机状态时，让油泵保持工作状态3 s后断电；同时需要对发动机转速进行计算，若0

START函数中使用开环控制，根据转速的大小按预先给定的数据对发动机进行控制，当0

RUN函数中首先对转速与节气门开度的信息进行计算，根据转速与节气门开度的状态再将工况区分成：稳定工况和过渡工况。程序根据不同工况的控制策略对发动机进行控制。当n>3 200 r/min，将CA_State设置为OVERRUN。

OVERRUN函数中根据转速分为可恢复超速(3 2003 500)两种情况。当发动机处于可恢复超速状态时，将CA_State设置为RUN；当发动机处于不可恢复超速状态时，程序将强制关闭喷油器，使转速恢复到允许的范围内。

3.2.2 发动机管理模块

发动机管理模块的主要功能是根据发动机转速和节气门开度查表插值得到发动机喷油和点火的基本参数。发动机管理模块用来确定4个参数，包括喷油起始角、喷油脉宽和点火提前角、点火闭合角。

喷油起始角(α)的MAP图里储存的是相对角度，即其相对于发动机活塞上止点的角度。喷油事件是基于角度域执行的，即当曲轴转到特定角度时，触发喷油事件或结束喷油事件。喷油脉宽(Fuel_Pulse_Width)是指喷油的持续时间，其数值同样也是通过对MAP图查表插值得到。但与喷油起始角不同的是，其在MAP图里存储的数据是以时间为单位，因此，其查表插值得到后的数值并不需要进行进一步转化。点火提前角是指点火时刻距离活塞到达压缩行程上止点的角度，其通过MAP图查表插值得到，在MAP图中存储的数据以角度为单位。点火闭合角是指初级线圈的接通时间，其通过MAP图查表插值得到，在MAP图中存储的数据以角度为单位。

3.2.3 数据管理模块

数据管理模块的主要功能是对传感器的信号进行采集，并当采集样本达到一定值时，进行相关计算处理。其中包括节气门位置信号、进气温度信号、氧传感器信号等。但不包括进气压力信号以及曲轴转速信号，因为这两个信号是基于角度域进行采集的。设置数组存储传感器采集的数据，每采集一次数据，计数变量C+1，当C=8时，进行滤波处理，即对采集到的8个数据取平均值。

3.3 进气量的测量方法的选择

本电控系统选择转速-节气门开度法对进气量进行测量。转速-节气门开度法根据发动机的转速和节气门开度来间接确定发动机每循环进气量。发动机工作时，当节气门开度固定且发动机转速稳定时，进气量基本不变。该测量方法不会受到进气腔内压力波动的影响，且过渡响应快，成本低廉。

4 电控系统的性能测试

为了验证所设计的电子控制系统的性能，对改进后的系统进行了台架试验性能测试。

4.1 发动机台架试验总体方案

如图3所示，发动机台架试验系统由发动机、测功机、各种传感器、电控单元、计算机、油耗仪、测功机控制柜等组成。

图3 发动机台架试验方案

4.2 喷油MAP图的制取

4.2.1 喷油器流量特性标定

本文对所用喷油器的流量特性进行了标定试验。试验时，从2 ms开始，每隔0.5 ms作为一个标定点，每个标定点连续进行400次喷射，结束后用电子天平进行称重，每个标定点重复3次试验后取其平均值。如图4所示，当喷油时间为3～8 ms时，喷油器的流量特性基本不变，为4.63 mg/ms。

图4 喷油器的流量特性曲线

4.2.3 喷油脉宽MAP图

利用Matlab绘制出直观的喷油脉宽MAP图的三维图，其如图5所示。尽管存在实验误差，但总体上来看，当发动机转速不变时，喷油脉宽随着节气门开度的增加而增加；当发动机保持节气门开度不变时，喷油脉宽随着转速的上升而增加。

图5 喷油脉宽MAP图

4.3 改造后与原机的性能对比

得到喷油脉宽MAP图后，将其数据储存到单片机的内存中，利用设计电控系统在发动机台架上进行整机的负荷特性试验。测试了若干转速点的负荷特性以及整机的外特性，并与原化油器发动机特性做了对比，外特性对比结果如图6和图7所示。

图6 改造前后的功率对比

图7 改造前后的油耗对比

如图6所示，加了电控系统后，发动机的动力性得到了提高，最大功率约提高6.62%。由图7可以看出，发动机的燃油经济性也有了较大的改善，在1 200～3 200 r/min的运行范围内，有效燃油消耗率(比油耗)比原化油器发动机约降低了4.41%～15.6%，燃油消耗量(每小时油耗)最多降低了5.26%。

5 结束语

根据单缸汽油发动机对电控系统的结构要求，设计了电控系统的总体结构方案。并根据方案将化油器供油系统改造为电控燃油喷射系统；用电子点火系统替代机械点火。根据电控系统对主芯片的性能要求，选用Freescale公司生产的MC9S12XS128芯片。根据单片机对A/D转化信号的采集要求，设计了各个传感器的信号处理电路。由于单片机的输出信号电压不足以驱动执行器，因此也对喷油器、点火模块的驱动电路进行了设计。通过对发动机工作过程的分析，并根据发动机事件的主要功能对整个控制程序进行了模块化设计。搭建了发动机-测功机实验台架并根据控制目标测取了喷油MAP图，并对改造前后发动机的性能进行了对比，证明了该电子控制系统的有效性。

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A Design and Match of A Electronic Control System for A Single Cylinder Gasoline Engine

BAI Bize,ZHANG Zhendong

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

To solve the problem of traditional engine carburetor for delayed response, inaccurate control and large exhaust emissions,Using a gasoline engine as the research object, designing a electronic control system based on the MC9S12XS128 single chip microcomputer. This paper analyzed the acquisition requirements of A/D conversion signal，designed the signal processing circuit and driving circuit of each sensor. Based on the analysis of the working process of the engine, the whole control program is designed, and the control algorithm of the main modules is described. Experimental results show that, the system makes the engine dynamic performance improved, maximum power increased by 6.62%, at the same time the fuel economy improved, fuel consumption (fuel consumption per hour) decreased by 5.26%，the effectiveness of the electronic control system is verified.

gasoline engine;electronic control system;circuit design;fuel injection MAP

2017- 02- 24

国家自然科学基金(51275309)

柏碧泽(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：汽车电子控制。张振东(1968-)，男，教授，博士生导师。研究方向：汽车电子控制技术。

TP311

A

1007-7820(2018)01-063-05