國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)摩托車電控單元開發(fā)*

侯圣智 朱 棣 劉豐喆 尹 君

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所（天津摩托車技術(shù)中心） 天津 300072）

引言

2019年7月1日，GB 14622-2016《摩托車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第四階段）》（簡(jiǎn)稱摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)）[1]正式全面實(shí)施。與摩托車國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)相比，摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)在排放限值、測(cè)試運(yùn)行工況和測(cè)試設(shè)備等方面進(jìn)行了大幅度的修訂，原有的化油器及電控化油器技術(shù)路線已無(wú)法滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)要求。電控燃油噴射系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集曲軸信號(hào)、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門位置、混合氣濃度等發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和策略對(duì)噴油與點(diǎn)火進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化和降低排放的目的[2-3]。由于摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)增加了車載診斷（OBD）系統(tǒng)的技術(shù)要求，使得電控燃油噴射+OBD 成為滿足摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的“標(biāo)配”技術(shù)路線[4]。

本文以某款配置了125 mL 風(fēng)冷四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的踏板式兩輪摩托車為研究對(duì)象，針對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，研究了電控系統(tǒng)的總體方案、硬件結(jié)構(gòu)以及控制策略等關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)了能夠滿足摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)要求的電控單元（ECU），通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了電控系統(tǒng)的控制功能和減排效果。

1 電控系統(tǒng)總體方案

為滿足摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)要求，電控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制+三元催化+OBD 的技術(shù)方案。從整體結(jié)構(gòu)上來(lái)看，電控系統(tǒng)主要包括電控單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3 部分。其中，電控單元是整個(gè)電控系統(tǒng)的核心部分，它的功能有：

1）根據(jù)曲軸位置傳感器產(chǎn)生的信號(hào)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸位置信息；

2）根據(jù)進(jìn)氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器以及進(jìn)氣溫度傳感器計(jì)算每個(gè)工作循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量；

4）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度確定最佳點(diǎn)火提前角；

5）采集氧傳感器信號(hào)，判斷上一工作循環(huán)混合氣的濃度，以此為依據(jù)對(duì)下一工作循環(huán)的噴油量進(jìn)行修正，保證發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)工作區(qū)域混合氣在理論空燃比條件下燃燒；

6）驅(qū)動(dòng)燃油泵、噴油器、點(diǎn)火線圈、碳罐等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)；

7）實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)氣門位置傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、氧傳感器以及噴油器等器件的狀態(tài)及參數(shù)等信息，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，儲(chǔ)存故障信息、驅(qū)動(dòng)故障燈閃爍、通過(guò)OBD 診斷通信接口（本文采用ISO 9141-2 標(biāo)準(zhǔn)）傳遞故障信息；

8）通過(guò)CAN 總線與標(biāo)定計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，傳遞狀態(tài)信息、進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和整車標(biāo)定等。

電控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 摩托車電控系統(tǒng)的總體方案

2 電控單元硬件電路設(shè)計(jì)

電控單元硬件電路由微控制器MCU、電源模塊、輸入信號(hào)處理模塊、功率輸出模塊以及通信模塊等組成，如圖2 所示。

圖2 電控單元硬件電路框圖

在電控單元硬件電路的設(shè)計(jì)中，微控制器MCU是電控單元的核心部件，它是控制算法和控制策略運(yùn)行的載體，需要實(shí)時(shí)響應(yīng)傳感器信號(hào)、快速處理數(shù)據(jù)信息、高速輸出控制信號(hào)，其性能直接關(guān)系到整個(gè)控制策略的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。本文選用NXP 公司專門用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)控制的MC9S12P128 系列微控制器，其采用16 位的S12CPU 內(nèi)核，有多種外部總線接口，具有較高的數(shù)據(jù)處理能力；片內(nèi)集成了128 KB程序Flash、4 KB 的EEPROM、6 KB 的RAM 和擴(kuò)展存儲(chǔ)端口；具有10 個(gè)12 位的A/D 轉(zhuǎn)換通道，并且具有轉(zhuǎn)換完成時(shí)產(chǎn)生中斷、外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換等功能。定時(shí)器模塊包括一個(gè)16 位可編程的計(jì)數(shù)器，主要實(shí)現(xiàn)的功能有輸入捕捉、輸出比較、脈沖累加和模數(shù)遞減計(jì)數(shù)。脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM）具有6 個(gè)8 位或者3個(gè)16 位的PWM 輸出通道。通信模塊可進(jìn)行異步串行通信（SCI）、串行設(shè)備通信（SPI）、LIN 通信和CAN 通信。

在市區(qū)內(nèi)鋪設(shè)各類管道,首要任務(wù)是挖掘符合標(biāo)準(zhǔn)的溝渠,如果溝渠的參數(shù)(直線度、深度的一致性)不能得到保證,管道在實(shí)際的應(yīng)用中就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)失效破裂或堵塞.因此,挖溝機(jī)在高低不平的復(fù)雜地形環(huán)境中開展挖掘工作,支撐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是挖溝機(jī)最關(guān)鍵的組成部分,其功能、適應(yīng)性直接關(guān)系到挖溝的品質(zhì)和效率.支撐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和定位的車輪以及自適應(yīng)地形地貌的懸架,既是挖溝機(jī)的重要組成部分,又是挖溝機(jī)適應(yīng)地形性能的綜合體現(xiàn).

針對(duì)噴油器、繼電器、油泵、點(diǎn)火線圈、氧傳感器等功率器件的驅(qū)動(dòng)需求，在電控單元硬件電路設(shè)計(jì)中選用了NXP 公司專門為摩托車或小型內(nèi)燃機(jī)控制而設(shè)計(jì)的MC33814 智能IC。MC33814 將系統(tǒng)中的微控制器與外圍器件連接，起到調(diào)理傳感器信號(hào)和驅(qū)動(dòng)功率器件的作用。MC33814 包含6 路低邊驅(qū)動(dòng)電路，用于噴油器、繼電器、故障燈等功率器件的驅(qū)動(dòng)；3 路預(yù)驅(qū)動(dòng)電路用于電感點(diǎn)火的IGBT 驅(qū)動(dòng)和用于氧傳感器加熱的MOS_FET（BUK9230）驅(qū)動(dòng)；2 路跟隨電壓源（5V），1 路可為MCU 供電，另1 路可為外部傳感器供電，可將這路跟隨電壓采集到ADC中，保證傳感器輸出數(shù)據(jù)不受5V 電壓波動(dòng)影響；1路基于ISO 9141 協(xié)議的K 線接口，用于OBD 故障診斷；1 路SPI 通信接口用于與MCU 通信，接收控制指令，傳輸芯片狀態(tài)信息等；可變磁阻傳感器接口用于處理曲軸位置傳感器信號(hào)，將磁電信號(hào)轉(zhuǎn)換成MCU 能夠識(shí)別的脈沖信號(hào)。

節(jié)氣門位置信號(hào)、進(jìn)氣溫度信號(hào)、缸蓋溫度信號(hào)、進(jìn)氣壓力信號(hào)、電池電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)、氧傳感器信號(hào)以及傾倒開關(guān)信號(hào)屬于模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路濾波、放大和整形等處理后，傳遞到A/D 轉(zhuǎn)換模塊，得到與其大小成正比的數(shù)字量，供MCU 讀取和處理。

電控單元選用MC33879 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，微控制器通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）向MC33879發(fā)送指令和獲取芯片的狀態(tài)信息，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制。

電控單元選用JTA1050 作為CAN 通信電路的主控芯片，微控制器通過(guò)CAN 總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，傳遞狀態(tài)信息、進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和整車標(biāo)定等。

3 電控單元軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

控制策略建立在各類數(shù)據(jù)MAP 及相應(yīng)算法的基礎(chǔ)上，主要包括輸入信號(hào)故障判斷、運(yùn)行故障判斷、運(yùn)行工況判斷、工況控制、補(bǔ)償控制等功能模塊，各模塊有機(jī)結(jié)合與協(xié)調(diào)工作是控制策略能否執(zhí)行的關(guān)鍵，決定了發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的控制品質(zhì)。

控制過(guò)程主要是依據(jù)節(jié)氣門開度、節(jié)氣門開度變化率等“控制指令信息”，再根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、節(jié)氣門位置、進(jìn)氣壓力、缸蓋溫度信息來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，然后查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)MAP 以及修正系數(shù)確定點(diǎn)火提前角、噴油量和噴油定時(shí)，通過(guò)輸出正確的信號(hào)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火線圈及噴油器，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火及噴油的精確控制?？刂撇呗匀鐖D3 所示。

圖3 摩托車電控系統(tǒng)的控制策略

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況判斷

在實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火控制策略之前，必須先確定發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況，然后才能通過(guò)不同的噴油、點(diǎn)火控制方法對(duì)其進(jìn)行有效控制。確定發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的方法是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和節(jié)氣門開度變化率判斷發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前所處工況，據(jù)此進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工況處理子程序，按照工況既定的控制策略，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前噴油脈寬、噴油正時(shí)、點(diǎn)火正時(shí)等參數(shù)的控制。

1）停車工況。停車工況下，ECU 自動(dòng)檢查各個(gè)傳感器、執(zhí)行器輸入信號(hào)的情況，如超過(guò)最大值或低于最小值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警（驅(qū)動(dòng)故障燈），并且保存故障信息。

2）起動(dòng)工況。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為500～2 000 r/min 時(shí)，處于起動(dòng)工況，ECU 查詢存儲(chǔ)在ROM 中的基本噴油量、噴油時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻，并根據(jù)進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、缸體溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行修正。起動(dòng)工況下，ECU 適當(dāng)增加噴油量和點(diǎn)火充磁角，提高點(diǎn)火能量和補(bǔ)償燃油因形成油膜而造成的混合氣變稀。

3）怠速工況（暖機(jī)）。怠速工況是由節(jié)氣門開度信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)判斷的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 400 r/min 而節(jié)氣門開度等于某一數(shù)值（需要標(biāo)定確定）時(shí)，ECU 判斷為怠速工況。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況的控制目標(biāo)是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)和噴油、點(diǎn)火參數(shù)等將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在目標(biāo)值附近。怠速時(shí)的基本噴油量MAP 需事先標(biāo)定并儲(chǔ)存在ROM 中。

4）加、減速工況（瞬態(tài)工況）。加、減速工況的判斷通過(guò)檢測(cè)節(jié)氣門開度變化率來(lái)進(jìn)行。當(dāng)節(jié)氣門開度變化率超過(guò)一定數(shù)值之后，則進(jìn)入加、減速控制模式。當(dāng)節(jié)氣門開啟速率超過(guò)一定數(shù)值之后，ECU 判定為加速工況，軟件進(jìn)入加速控制模式，此時(shí)的噴油量為由MAP 得到的基本噴油量乘以加速修正系數(shù)。當(dāng)節(jié)氣門關(guān)閉速率超過(guò)一定數(shù)值之后，ECU 判定為減速工況，軟件進(jìn)入減速控制模式，采用減油或斷油等相應(yīng)的控制策略。

5）穩(wěn)態(tài)工況。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、缸蓋溫度等參數(shù)的不同，穩(wěn)態(tài)工況分為開環(huán)工況和閉環(huán)工況。在開環(huán)工況，ECU 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置等信息查取ROM 中的點(diǎn)火時(shí)刻MAP 圖、噴油量MAP 圖，進(jìn)行插值運(yùn)算后得到基準(zhǔn)點(diǎn)火時(shí)刻及噴油量，最后進(jìn)行進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、缸蓋溫度等參數(shù)的修正，從而得到實(shí)際的噴油和點(diǎn)火控制量；在閉環(huán)工況，ECU 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置等信息查取ROM 中的點(diǎn)火時(shí)刻MAP 圖、噴油量MAP 圖，結(jié)合氧傳感器采集到的混合氣濃度信息，修正實(shí)際的噴油和點(diǎn)火控制量，保證混合氣在理論空燃比條件下燃燒。

6）超速工況。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于某一轉(zhuǎn)速時(shí)（超速），ECU 切斷噴油信號(hào)，使噴油器斷油，并發(fā)出超速報(bào)警信號(hào)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于超速轉(zhuǎn)速后，ECU 控制噴油器恢復(fù)供油。

3.3 排放試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電控系統(tǒng)軟、硬件的功能，對(duì)某型號(hào)125 mL 踏板式兩輪摩托車進(jìn)行了電噴化改造，電控系統(tǒng)采用本文的電控單元。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和摩托車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)匹配試驗(yàn)研究與標(biāo)定，確定了基本噴油量MAP、點(diǎn)火時(shí)刻MAP 以及控制策略。在標(biāo)定工作完成后，進(jìn)行常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放測(cè)試（Ⅰ型試驗(yàn)），實(shí)際測(cè)試結(jié)果與摩托車國(guó)四排放限值的對(duì)比見表1。

表1 摩托車工況法排放測(cè)試結(jié)果與國(guó)四排放限值對(duì)比

從表1 可以看出，實(shí)際測(cè)試結(jié)果滿足摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，驗(yàn)證了電控系統(tǒng)的控制功能和減排效果。

4 結(jié)論

1）由于摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)增加了OBD 的技術(shù)要求，電控燃油噴射+OBD 成為滿足摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的“標(biāo)配”技術(shù)路線。

2）基于MC9S12P128 系列16 位微控制器和MC33814 智能芯片開發(fā)的電控單元以及控制策略，能夠滿足摩托車國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。