單缸發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

祁儒明，劉海潮，郝慶英，郭朋彥，鄭俊強(qiáng)，張慶波，莫 非

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.河南省科學(xué)院能源研究所有限公司，河南鄭州450008;3.國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210061)

單缸發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈活性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型摩托車、個(gè)人水上摩托艇、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、雪地摩托、草坪維護(hù)設(shè)備、汽油噴霧器等設(shè)備上.隨著國(guó)家減排監(jiān)管力度加大，小型發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)面臨新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)［1］.新的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步限制了化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)在各種小型引擎上的使用，為滿足未來(lái)需求，以小型發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的產(chǎn)品，必須由化油器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向電子控制系統(tǒng).化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)是靠機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油供給和點(diǎn)火進(jìn)行控制，發(fā)動(dòng)機(jī)電控化改造需要將機(jī)械控制方式轉(zhuǎn)化為由處理器進(jìn)行噴油、點(diǎn)火的控制方式，并需配置多種傳感器，用以精確計(jì)量燃燒過(guò)程中的油、氣進(jìn)給量.該過(guò)程不僅需要設(shè)計(jì)一個(gè)電控單元，還需要在原有的化油器發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝傳感器、執(zhí)行器等電控元件.本研究以嘉陵125摩托車的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了電控化改造，開(kāi)發(fā)了燃油噴射-點(diǎn)火控制系統(tǒng)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，并降低燃油消耗率和污染物排放.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)電控化改造方案

將化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)改造為電子控制式發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要開(kāi)發(fā)符合控制要求的電控硬件和相應(yīng)的軟件，還需要對(duì)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列改造，改造方案如圖1所示.本研究主要是電控化改造的方法及電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn).

圖1 單缸發(fā)動(dòng)機(jī)電控化改造方案Fig.1 The modification scheme of single cylinder electronic control

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、進(jìn)氣系統(tǒng)電控化改造

化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與電控發(fā)動(dòng)機(jī)大體上是一致的，由于控制原理不同，普通化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)改造成為電控式發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行一系列的電控化改造.化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)采用化油器供油，油箱裝在化油器的上方，燃油在重力的作用下，流入化油器的浮子室，發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣時(shí)，燃油吸入進(jìn)氣歧管，形成空氣-燃油混合氣進(jìn)入氣缸［2］.電控發(fā)動(dòng)機(jī)燃油是經(jīng)燃油泵從燃油箱中泵出，經(jīng)高壓油路進(jìn)入噴油器.為了滿足電控燃油系統(tǒng)的需要，在這里將化油器去掉，在燃油箱內(nèi)安裝燃油泵，在進(jìn)氣道上，節(jié)氣門之后安裝噴油器，并對(duì)油路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)采用節(jié)氣門進(jìn)氣，當(dāng)踩下踏板時(shí)節(jié)氣門開(kāi)度加大，進(jìn)氣量隨之增加;但是無(wú)節(jié)氣門位置信號(hào)、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度信號(hào)，怠速時(shí)節(jié)氣門有一個(gè)小的開(kāi)度可以維持怠速的進(jìn)氣需要.電控化改造方法是將常規(guī)的化油器式節(jié)氣門整體更換為集成有傳感器的節(jié)氣門，并在節(jié)氣門前后開(kāi)小孔，加裝開(kāi)關(guān)式電磁閥控制怠速進(jìn)氣.化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈是由機(jī)械裝置控制點(diǎn)火，電子控制點(diǎn)火系統(tǒng)是由微機(jī)根據(jù)各有關(guān)傳感器的電信號(hào)確定最佳的點(diǎn)火時(shí)間，然后輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片放大后驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組、次級(jí)繞組放點(diǎn)產(chǎn)生火花.改造方法是加裝點(diǎn)火的控制回路，將點(diǎn)火控制由磁電機(jī)飛輪信號(hào)控制更換為由電控單元(ECU)輸出和點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的控制方式.單缸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，不需要測(cè)量冷卻水溫度，該系統(tǒng)采集的是缸體外的溫度，即將外置貼片式溫度傳感器加裝在汽缸外表面以采集缸體的散熱狀況.

1.2 電控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電控系統(tǒng)就是通過(guò)采集汽油機(jī)各工況下的參量并依據(jù)預(yù)定的設(shè)計(jì)程序?qū)ζ讎娪土亢忘c(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳的空燃比下，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效低排污地運(yùn)行.發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)包括四大模塊，信號(hào)采集與處理模塊，處理與控制器模塊，輸出與控制模塊，調(diào)試與標(biāo)定模塊.其中處理與控制系統(tǒng)是核心，而控制系統(tǒng)的核心功能是燃油噴射控制與點(diǎn)火正時(shí)控制.而調(diào)試與標(biāo)定模塊是電控系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通訊模塊，它的功能是向系統(tǒng)ECU燒入控制程序及后期聯(lián)機(jī)調(diào)試中由PC機(jī)中的上位機(jī)標(biāo)定下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，如噴油量和點(diǎn)火提前角等.控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示.

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Principal frame of control system

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控單元(ECU)是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中最重要的電子單元.本案選用的MC9Sl2XDG128，芯片擁有8通道增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器(ECT)，它含有8路輸入捕捉/輸出比較電路［3］，輸入捕捉可以捕捉到轉(zhuǎn)速信號(hào)的周期，以方便精確的測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.輸出比較功能可以用于精確的控制噴油量以及點(diǎn)火正時(shí).芯片的2個(gè)8通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以高精度采集節(jié)氣門位置進(jìn)氣溫度等模擬信號(hào).

2.2 傳感器信號(hào)電路設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)調(diào)理電路包括溫度傳感器調(diào)理電路和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)理電路［4］.溫度傳感器包括水溫傳感器和空氣溫度傳感器.空氣溫度傳感器和水溫傳感器均是負(fù)溫度系數(shù)傳感器［5］.在發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，綜合其他的信號(hào)，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，并針對(duì)各種工況實(shí)施不同的控制策略.在汽車上一般通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.根據(jù)檢測(cè)原理，電控發(fā)動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)速傳感器可分為磁感應(yīng)式、光電式、霍爾效應(yīng)式3種類型［6］.而原有的化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用機(jī)械控制，本身沒(méi)有預(yù)安裝轉(zhuǎn)速傳感器.在改造中如果在化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)安裝轉(zhuǎn)速傳感器不僅難度非常大還將大大地增加改造成本.通過(guò)分析該125化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)照明線圈的信號(hào)特點(diǎn)，得出其隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的正弦脈沖信號(hào)，也就相當(dāng)于一個(gè)電磁式速度傳感器，利用該信號(hào)來(lái)采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單易行.電控發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射、點(diǎn)火正時(shí)都是由ECU基于轉(zhuǎn)速信號(hào)精確控制的，所以，還需要準(zhǔn)確定位曲軸的轉(zhuǎn)角［7］，即較高分辨率的轉(zhuǎn)速信號(hào).發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1周其照明線圈最多只能輸出4個(gè)脈沖信號(hào)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足精確測(cè)量轉(zhuǎn)速的要求.針對(duì)這種情況通過(guò)大量研究，確定采用一種使用 CD4046B和CD4518B芯片組成的信號(hào)倍頻電路，該電路可以對(duì)頻率不能滿足要求的CDI信號(hào)進(jìn)行頻率倍增，提高轉(zhuǎn)速信號(hào)分辨率以達(dá)到精確測(cè)量轉(zhuǎn)速，從而滿足噴油點(diǎn)火等控制所需要的信號(hào)精度要求.由于CDI信號(hào)為正弦信號(hào)，而倍頻電路只能處理方波信號(hào)，所以需要對(duì)該正弦信號(hào)進(jìn)行整形處理，將照明線圈發(fā)出的頻率及幅值隨轉(zhuǎn)速變化的正弦脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有TTL電平的方波信號(hào)，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行15倍頻，以得到所需信號(hào)精度.倍頻電路如圖3所示.設(shè)計(jì)中整形電路采用MAX9924可變磁阻(VR或電磁線圈)傳感接口芯片，該芯片是汽車機(jī)軸、凸輪軸，傳動(dòng)軸等部件的定位和速度檢測(cè)專用信號(hào)處理芯片.它集成了可選擇自適應(yīng)峰值門限的高精度放大器和比較器及過(guò)零檢測(cè)電路，該模塊能夠在嘈雜的系統(tǒng)噪音或較弱的VR信號(hào)環(huán)境下產(chǎn)生強(qiáng)大的輸出脈沖，如圖4所示.

2.3 噴油模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的功能之一就是精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴油過(guò)程，噴油的精確控制不僅取決于程序的控制，而且也受噴油電路性能的影響.電磁閥在開(kāi)啟瞬間需要較大電流以提供較大的開(kāi)啟力，保證電磁閥可靠開(kāi)啟并減少噴射延時(shí)［8］.本研究設(shè)計(jì)了能夠使噴油電磁閥快速響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示.該電路的特點(diǎn)是:(1)利用雙路供電，加大驅(qū)動(dòng)電流使噴油電磁閥能瞬間開(kāi)啟，在電磁閥完全開(kāi)啟后，采用單路供電，以較少的電流維持電磁閥的開(kāi)啟狀態(tài);(2)改善了汽油噴嘴的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，節(jié)省汽油噴嘴的電能消耗，并減輕了汽油噴嘴的負(fù)荷.本驅(qū)動(dòng)器的創(chuàng)新之處在于開(kāi)啟的瞬間是由2個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片同時(shí)打開(kāi)，減少開(kāi)啟時(shí)間;維持開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)使用1個(gè)芯片以降低功耗.相比于一般汽油機(jī)電控噴油電路本電路控制的噴油閥具有很多優(yōu)勢(shì)，可以提高控制精度和減少元件功耗和產(chǎn)熱.

2.4 點(diǎn)火模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

點(diǎn)火電路的核心是點(diǎn)火控制器，電子點(diǎn)火控制的目的在于控制發(fā)生在火花塞上的點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量［9］，它根據(jù)ECU輸入的信號(hào)，接通或者斷開(kāi)點(diǎn)火線圈1次繞組的電流，從而使2次繞組產(chǎn)生高壓電，以擊穿火花塞間隙，產(chǎn)生用于點(diǎn)燃?jí)嚎s混合氣的火花.本方案選擇大功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)元件來(lái)控制初級(jí)線圈的通斷.IRF350的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是通過(guò)電壓控制的，只需很低的電壓即可達(dá)到飽和狀態(tài).點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示.穩(wěn)壓管D2和電容C1防止IRF350受到瞬時(shí)高壓的沖擊，起到保護(hù)大功率場(chǎng)效應(yīng)管的作用.點(diǎn)火線圈并聯(lián)的R3，D1可以在IRF350關(guān)閉時(shí)使點(diǎn)火線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成放電通路，起到保護(hù)點(diǎn)火線圈和場(chǎng)效應(yīng)管的作用［10］.該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電流大，芯片在打開(kāi)狀態(tài)時(shí)壓降非常小可以減小芯片本身產(chǎn)熱.系統(tǒng)采用了信號(hào)隔離手段防止點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)單片機(jī)的干擾.

3 仿真與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，需要運(yùn)用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行了仿真.首先驗(yàn)證的是轉(zhuǎn)速信號(hào)處理電路，整形電路的輸入端接信號(hào)發(fā)生器，輸入端和輸出端接示波器，圖7所示的是其仿真波形輸出.從圖7可以看出，設(shè)定輸入1個(gè)一定幅值的正弦信號(hào)通過(guò)電路后可以轉(zhuǎn)換為TTL方波信號(hào).

方案中信號(hào)倍頻電路的作用是增加信號(hào)的輸出頻率，倍頻器的仿真波形輸出見(jiàn)圖8.其中，輸入為方波信號(hào)，幅值5 V，頻率20 Hz，輸出為方波信號(hào)，幅值為5 V，頻率為300 Hz，仿真結(jié)果顯示倍頻電路實(shí)現(xiàn)了15倍頻的要求，即是將轉(zhuǎn)速信號(hào)分辨率提高15倍.點(diǎn)火電路主要工作原理是放大控制信號(hào)，將ECU輸出的5 V微弱的控制信號(hào)放大為12 V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖9仿真結(jié)果所示，電路實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大功能.電路仿真通過(guò)后將電路原理圖轉(zhuǎn)換為PCB圖，并制作電路板，將真實(shí)電路板與改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，由系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速狀態(tài)下，用高精度示波器測(cè)試了具有代表性的噴油控制器的電流波形，以及噴油器和點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)電壓波形.圖10驗(yàn)證了噴油器能夠?qū)崿F(xiàn)大電流快速開(kāi)啟及小電流維持等設(shè)計(jì)指標(biāo)，圖11的波形驗(yàn)證了噴油器和點(diǎn)火線圈能在轉(zhuǎn)速信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下正常工作.

4 結(jié)論

1)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制方式是提高其動(dòng)力性、降低排氣污染和燃油消耗的有效手段.本研究針對(duì)市場(chǎng)上較有代表性的嘉陵125摩托車的化油器式單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電控化改造，并進(jìn)行了電控系統(tǒng)硬件單元的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)仿真.制作了PCB硬件電路板，將其與改造后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了聯(lián)機(jī)試驗(yàn).試驗(yàn)表明改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在各個(gè)工況下工作，在聯(lián)機(jī)試驗(yàn)中測(cè)試各個(gè)驅(qū)動(dòng)元件的波形，其都達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo).

2)在電控化改造過(guò)程中設(shè)計(jì)了化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的獲取電路，并進(jìn)行了試驗(yàn)，該電路可將每轉(zhuǎn)獲取的脈沖數(shù)量由4個(gè)提高至60個(gè).這種方案無(wú)需更改原車的電路和元件，簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)現(xiàn)，大大降低了電控化改造的成本.同時(shí)，在硬件設(shè)計(jì)中，采用當(dāng)前最新的設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了電控噴油電路，該電路具有開(kāi)啟瞬間電流大以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)啟電磁閥，從而減小噴油延時(shí)，之后僅需要較小的維持電流以降低功耗和減小元件產(chǎn)熱.

［1］ 彭衛(wèi)鋒，施 衛(wèi).摩托車用發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2006(2):6-10.

［2］ 黃 英，趙經(jīng)緯.125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003(2):42-46.

［3］ 孫同景.Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］ 黃 英，趙經(jīng)緯，張付軍，等.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2003(1):42-46.

［5］ 陳 華.發(fā)動(dòng)機(jī)燃油單點(diǎn)噴射電子控制系統(tǒng)研究［D］.成都:四川大學(xué)，2001.

［6］ 麻友良，丁衛(wèi)東.汽車電器與電子控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［7］ 郭林福，張 欣，李國(guó)岫.電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中新型驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2005(3):36-39.

［8］ 鄧旭斌.摩托車電控發(fā)動(dòng)機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略研究［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

［9］ 鄭國(guó)勇.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［10］張慶波.氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)［D］.鄭州:華北水利水電學(xué)院，2009.