汽车起动机控制电路保护设计的研究

苏梁德

摘 要：为了研究一套传统汽车起动机保护系统，有效解决新手司机和正在学车的学员在起动汽车时出现起动机“空转”和“打齿”现象，损坏起动机和缩短起动机使用寿命的问题。本文通过研究汽车起动机控制电路保护设计系统在传统汽车的应用意义，本文用一台丰田汽车台架进行试验研究，并且通过对曲轴位置传感器检测发动机启动时曲轴的转速，曲轴位置传感器将发动机转速变化以电信号形式输送到单片机，单片机根据到发动机转速变化，对起动系统电路进行控制。研究冷车启动时发动机转速和热车启动时发动机转速电信号变化，在发动机启动后将由单片机切断电路，让起动机停止工作起到保护起动机作用。结果分析表明发动机冷车时发动机转速达到800±50r/min，热车启动时发动机转速达到700±50r/min。

关键词：单片机控制 保护 起动机 电路

Abstract：The study is to study a set of traditional automobile starter protection system， which can effectively solve the problems of “idling” and “tooth-beating” of starter when novice drivers and students learning to start cars， which will damage the starter and shorten its service life. In this paper， the application significance of automobile starter control circuit protection design system in traditional automobiles is studied， and a Toyota test bench is used for experimental research. The crankshaft position sensor detects the crankshaft speed when the engine starts， and the crankshaft position sensor sends the engine speed change to the single chip microcomputer in the form of electric signal， and the single chip microcomputer controls the starting system circuit according to the engine speed change. The electric signal changes of engine speed when cold car starts and when hot car starts are studied. After the engine starts， the single chip microcomputer will cut off the circuit， so that the starter can stop working to protect the starter. The results show that the engine speed reaches 800±50r/min when the engine is cold and 700±50r/min when the engine is hot.

Key words：single chip microcomputer control， protection， starter， circuit

1 引言

开发和研究汽车起动系统控制电路保护，可以避免新手司机和学车的学员在启动汽车时，不知道汽车已经起动的情况下，仍然扭动电门，从而出现“打齿”现象，造成汽车起动机损坏，从而起到保护汽车起动机作用。汽车发动机启动时需要借助起动机带动飞轮旋转，促使发动机曲轴跟随旋转，从而带动活塞连杆压缩混合气进而启动发动机。

本文通过利用单片机控制电路接通与断开，在发动机启动后，曲轴位置传感器检测到曲轴转动速度并以电信号形式输送给单片机，单片机切断启动系统电源，促使起动机停止工作，起到保护作用。

2 汽车起动机控制线路设计过程

2.1 起动机工作原理

通过对起动系统的拆解测试研究，对汽车起动系统有了更深入的了解，传统起动系统主要由控制线路与起动机两大部分组成，控制线路包括蓄电池、点火开关、常开式起动继电器，电磁开关，导线组成；起动机由直流电动机、动力传动机构、控制机构三部分组成。系统的工作过程如图1所示，当点火开关旋至ST档，接通起动继电器的线圈电路使之工作。电流便可以通过端子50流入起动机电磁开关，电磁开关内的线圈产生磁场力，吸引电磁开关内的活动铁芯移动，铁芯端的接触盘被推出与端子30、端子C结合，便接通了直流电动机的驱动电路，电动机开始运转。活动铁芯同时也拉动拨叉把驱动齿轮撬出与飞轮啮合，起动机便能顺利带动发动机。当发动机开始自行运转后，驾驶员松开钥匙，断开ST档，起动继电器电路被断开，端子50无电流输入，电磁开关磁场消失，活动铁芯在回位弹簧的作用下回到原來的位置，便断开了直流电动机的电流，起动机停止工作，系统完成一次完整的工作过程。在系统工作过程中起动继电器和起动电磁开关起到小电流控制大电流的作用，避免了在起动车辆瞬间因电流过大而烧毁系统导线与开关。另外，系统在动力传递路线上设置有单向传动离合器，主要作用是：在发动机起动后防止发动机动力通过驱动齿轮反向传递给起动机，从而保护了起动机。但如果发动机起动后，驾驶员并未松开点火钥匙，侧点火开关一直处于接通状态，起动机控制电路迟迟没有断开，或断开后又再次接通，起动机驱动齿轮还是会弹出与正在转动的飞轮强行啮合而导致起动机发生机械损坏。故原有的系统设计并没有避免人为的“误起动”所引起的机械损毁。

通过上述对传统起动系统工作过程分析知道，对于“误起动事故”引起起动机的机械损毁，带来不必要的维修，将“单片机+传感器”技术串接到起动控制线路中，可以避免因“误起动”引起的机械损毁。发动机曲轴位置传感器是检测发动机曲轴转动，它可以检测活塞上止点信号和曲軸转角信号，并将检测的信号传送至ECU，用于控制点火时刻和喷油正时。改进设计电路如图2所示，在起动机控制回路的点火开关与起动继电器间串联一个常闭继电器，在起动控制回路外附加“单片机+传感器”控制线路。传感器为曲轴位置感器，曲轴位置传感器是电喷发动机控制系统中最重要的传感器之一，也是点火系统和燃油喷射系统共用的传感器，一般安装在分电器内，在变速箱离合器壳体上，位于发动机缸体左侧后面，用二条螺栓紧固，一些则安装在曲轴前端、凹轮轴前端或飞轮上。

2.2 实验设计

使用发动机实训台架，用传统强制啮合式起动系统为原型。12V电压电瓶作为电源，与实车保持相同，保证实训的高度切合。当发动机启动时候，冷车启动时发动机转速为1200转每分钟，曲轴位置传感器检测到发动机转速不断以电信号形式输送给ECU。用曲轴位置传感器电压信号变化，输送给单片机，单片机检测曲轴位置传感器电压信号变化判断发动机已经启动，切断启动系统电路，让起动机停止工作，从而起到保护起动机的作用。具体设计流程如图3所示。

3 单片机设计与实验

3.1 单片机控制电路设计

图4所示为单片机设计控制电路设计框图，控制电路设计系统主要有信号接收，单片机控制电路和电流切断电路。

实验所用发动机为一台四缸、自然吸气冷车用汽油发动机，试验发动机主要参数见表1。实验系统主要有发动机在不同工况下起动时曲轴转动参数测量和试验控制系统。

3.2 曲轴位置传感器传感器工作原理

目前丰田发动机采用的是磁脉冲式曲轴位置传感器安装在分电器内。曲轴位置传感器上有信号盘，曲轴每转动一周，传感器发出四个信号，发动机ECU根据信号判断曲轴转角，其传感器的为磁感应传感器，产生交流电压信号，电阻阻值在300—800欧之间，其波形图如下图5所示。

曲轴位置传感器是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一，它提供点火时刻（点火提前角）、确认曲轴位置的信号，用于检测活塞上止点、曲轴转角及发动机转速。

3.3 实验过程

在实验过程中根据现实生活中发动机冷启动和热车启动。发动机冷车启动时冷却水温度在（30±5）℃，发动机热车启动时冷却水温（85±5）℃。利用示波器检测发动机启动瞬间曲轴转速，根据示波器检测曲轴位置传感器着火瞬间曲轴转速信号为800±50r/min，热车后曲轴转速信号为750±50r/min[3]，在单片机接收到信号后对起动机电路进行切断，断开蓄电池对起动机的供电，从而起动机停止工作，达到保护起动机作用。

4 实验结果分析

在发动机起动后利用单片机控制电路切断起动控制线路，实现在发动机处于正常工作状态后不会再次起动发动机。新手司机或是驾校学员出现误起动发动机，起动机控制线路处于断开状态，起动机无电流流入，所以不工作。避免了驱动齿轮与飞轮的非正常啮合，保护了起动机与传动机构。

冷车起动，设置曲轴转速达到800±50r/min，在单片机接受到信号后立刻切断起动机电源，发动机无法启动，一方面是起动机无力导致起动无力，将会导致发动机无法起动，另一方面是发动机在达到800±50r/min时，切断电源则曲轴转速下降，ECU检测到发动机转速下降，停止对其他几个缸喷油，气缸内无可燃混合气，导致汽车无法启动。在单片机接受到信号时，延迟2秒对起动机切断电源信号，在延迟切断起动机电源后发动机可以正常启动。但是在热车启动时，延迟2秒钟则出现起动机“打齿”现象，主要原因在发动机热车后对混合气的浓度依赖没有热车高。导致出现以上现状一方面是设计发动机转速，另一方面是对起动机电源切断的延迟时间。所以设置发动机转速在750±50r/min时，延迟1.5秒切断起动机电源。在这个参数下，不管是热车还是冷车，发动机均可以启动，同时避免“打齿”现象。

5 总结

本文通过对汽车起动机电路原理入手，通过对发动机转速的测试，以曲轴位置传感器信号输送给单片机，检测到曲轴位置传感器电压信号的变化，从未判断发动机已经着火，进一步切断起动机电源，使起动机停止工作。通过对汽车起动机控制电路保护设计的研究主要得出以下结论：

（1）通过单片机控制电路，可以让发动机启动后切断起动机可得出起动机避免打“打齿”，导致起动机损坏，延长起动机寿命。（2）检测发动机转速，可以找到发动机启动时转速，可以利用单片机切断起动机电路。（3）结合起动机电路，设计单片机在发动机启动后切断起动机的电路可以保护起动机，提高起动机寿命。

基金项目：广西中青年教师科研能力基础提升《基于单片机与传感器技术的汽车起动控制系统设计与实践》（2021KY1442）。

参考文献：

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