基于MCS-51的汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)控制

摘要 針對(duì)電噴汽油機(jī)燃油噴射電子控制系統(tǒng)，對(duì)電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器的工作電路和控制原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的噴油量控制策略和噴油提前角的控制方法。進(jìn)行了燃油噴射控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速的計(jì)算、噴油正時(shí)信號(hào)和噴油量的控制程序等。
關(guān)鍵詞 燃油噴射電子控制系統(tǒng)；ECU；傳感器；噴油量

    汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射技術(shù)是關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)發(fā)展中能源和環(huán)保的問(wèn)題，在電子技術(shù)發(fā)展的支撐下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)不斷發(fā)展并日趨完善。電控燃油噴射系統(tǒng)以其對(duì)噴油量的精確控制，使得噴射霧化良好、燃燒完全，不僅能提高汽車的動(dòng)力性，而且還能顯著改善汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。
    嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)已深入到眾多技術(shù)領(lǐng)域，MCS-51系列單片機(jī)是使用最廣泛的單片機(jī)系列，其中由Philips公司生產(chǎn)的89V51系列單片機(jī)，具有低功耗／低電壓、高性能的特點(diǎn)，因此是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，尤其是它片內(nèi)的Flash ROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程，給單片機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用帶來(lái)便利。
    文中所研究的系統(tǒng)在對(duì)汽油及燃油噴射電子控制系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，以AT89C51單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合TLC2543串行A／D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)各種相關(guān)傳感器及外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)噴油量及噴油正時(shí)控制程序進(jìn)行編程。硬件電路的設(shè)計(jì)包括傳感器輸出信號(hào)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)，模擬輸入A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，以及AT89C51與TIC2543等芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)?？刂瞥绦虻木帉懼饕ㄞD(zhuǎn)速計(jì)算、噴油量計(jì)算以及噴油正時(shí)控制程序。

1 汽油機(jī)燃油控制系統(tǒng)的組成
    燃油噴射電子控制系統(tǒng)由各種傳感器與控制開(kāi)關(guān)、電子控制單元ECU和執(zhí)行器3部分組成，如圖1所示。

    汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射電子控制系統(tǒng)，采用的傳感器主要有空氣流量傳感器或歧管壓力傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、氧傳感器和車速傳感器等；電子控制單元ECU采集的控制開(kāi)關(guān)信號(hào)主要有點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)、起動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)、電源電壓信號(hào)、空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)和空擋開(kāi)關(guān)信號(hào)等；執(zhí)行器主要有電動(dòng)燃油泵、電磁噴油器和油壓調(diào)節(jié)器。
    在燃油噴射電子控制系統(tǒng)的控制部件中，空氣流量傳感器、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器最關(guān)鍵，其信號(hào)是計(jì)算確定和控制燃油噴射量必不可少的傳感器。冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、氧傳感器、車速傳感器的信號(hào)以及各種開(kāi)關(guān)信號(hào)主要用于判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、修正燃油噴射量，增強(qiáng)控制效果。
    發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上不同位置的傳感器將檢測(cè)到表示發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)輸送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)其內(nèi)存程序進(jìn)行分析、運(yùn)算，然后向各執(zhí)行器發(fā)出指令，使其按要求工作。
    發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)主要由輸入回路、單片機(jī)以及輸出回路組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 汽油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)原理
2．1 起動(dòng)時(shí)噴油控制
    當(dāng)啟動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低，且波動(dòng)較大，導(dǎo)致空氣流量傳感器誤差較大。因此，當(dāng)ECU根據(jù)曲軸位置傳感器、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)和節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)工況時(shí)，將運(yùn)行啟動(dòng)程序。ECU根據(jù)冷卻液溫度傳感器的信號(hào)確定基本噴油量，進(jìn)氣溫度和蓄電池電壓確定修正量，對(duì)噴油量進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制?？刂圃砣鐖D3所示。

2．2 起動(dòng)后噴油量控制
    在起動(dòng)后正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，單片機(jī)主要根據(jù)空氣流量傳感器(AFS)信號(hào)和曲軸位置傳感器(CPS)信號(hào)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出基本噴油量，并經(jīng)過(guò)進(jìn)氣溫度、大氣壓力、蓄電池電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、怠速工況、加速工況以及全負(fù)荷工況等參數(shù)修正后，得出噴油脈寬，向噴油器發(fā)送噴油指令控制噴油。
    噴油器的實(shí)際噴油量由基本噴油量、噴油修正量和噴油增量3部分組成。
    基本噴油量由空氣流量傳感器(AFS)信號(hào)、曲軸位置傳感器(CPS)信號(hào)、以及目標(biāo)空燃比(A／F)計(jì)算確定。噴油修正量由氧傳感器(EGO)信號(hào)和蓄電池電壓UBAT信號(hào)計(jì)算確定。噴油增量由節(jié)氣門位置傳感器(TPS)信號(hào)、冷卻液溫度傳感器(CTS)信號(hào)和點(diǎn)火開(kāi)關(guān)(IGN)信號(hào)計(jì)算確定。
    啟動(dòng)后噴油量控制原理如圖4所示。

2．3 斷油控制
    發(fā)動(dòng)機(jī)斷油控制系統(tǒng)根據(jù)斷油條件的不同，可分為超速斷油控制、減速斷油控制和清除溢流控制等。
    超速斷油是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)超過(guò)允許的極限轉(zhuǎn)速時(shí)，ECU立即控制噴油器中斷燃油噴射。
    減速斷油是指發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中突然減速時(shí)，ECU自動(dòng)控制噴油器中斷燃油噴射。
    清除溢流是指當(dāng)加速踏板踩到底，同時(shí)又接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，ECU自動(dòng)控制噴油器中斷燃油噴射，以便排除汽缸內(nèi)的燃油蒸汽，使火花塞干燥以便能夠跳火。
2．4 空燃比反饋控制
    為降低發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體的排放量，許多汽車上裝備了三元催化轉(zhuǎn)換裝置。但三元催化轉(zhuǎn)換裝置只有在混合氣濃度處于理想空燃比附近時(shí)才能使CO、HC的氧化反應(yīng)和NO的還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，才能最大限度地降低有害氣體地排放量。為將混合氣體濃度控制在理想空燃比14．7：1附近，在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管中安裝了氧傳感器，單片機(jī)通過(guò)氧傳感器的反饋信號(hào)對(duì)噴油量進(jìn)行控制，從而控制混合氣的濃度。
2．5 噴油正時(shí)的控制
    噴油正時(shí)控制就是控制噴油器何時(shí)開(kāi)始噴油。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)按噴油器安裝部位分為單點(diǎn)噴射系統(tǒng)和多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)兩類。單點(diǎn)噴射系統(tǒng)只有一或兩只噴油器，安裝在節(jié)氣門體上，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦工作就連續(xù)噴油。多點(diǎn)燃油噴射系統(tǒng)每個(gè)汽缸配有一只噴油器，安裝在燃油分配管上。噴油器的控制電路決定著噴油正時(shí)，即噴油時(shí)刻與噴油順序。噴油器的控制電路可分為同時(shí)噴射、分組噴射和順序噴射3種方式。

3 燃油噴射控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)控制芯片采用89C51單片機(jī)，由3個(gè)89C51芯片分別進(jìn)行噴油量計(jì)算、轉(zhuǎn)速計(jì)算和噴油正時(shí)控制。A／D轉(zhuǎn)換采用TI公司生產(chǎn)的串行A／D轉(zhuǎn)換器TLC2543，它具有輸入通道多、精度高、速度高、使用靈活和體積小的優(yōu)點(diǎn)。
    TLC2543為CMOS型12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)含有一個(gè)14通道多路器，可從11個(gè)模擬輸入或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中選擇一個(gè)。
    發(fā)動(dòng)機(jī)上裝配的傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)控制和判斷發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵部件，但其輸出的信號(hào)千差萬(wàn)別，不能直接輸送給單片機(jī)進(jìn)行處理，必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)后再送給單片機(jī)。
    各種傳感器所采集的信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。對(duì)于模擬信號(hào)，如空氣流量傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器等幅值為0.5～5V之間，頻率變化緩慢，主要處理方式是低通濾波和信號(hào)隔離。經(jīng)低通濾波后，在經(jīng)過(guò)隔離裝置送入A／D轉(zhuǎn)換器，以消除數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾。模擬信號(hào)中有些幅值較小的信號(hào)如果直接送給A／D轉(zhuǎn)換器，不能充分的利用A／D轉(zhuǎn)換器的精度，故需對(duì)其進(jìn)行放大處理。對(duì)一些大幅值信號(hào)，如蓄電池電壓信號(hào)，其幅值達(dá)14V，因此需要對(duì)其進(jìn)行限幅處理之后再經(jīng)低通濾波和隔離，才可進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    對(duì)于數(shù)字信號(hào)，因其在傳輸過(guò)程中受到電磁輻射以及自身信號(hào)衰減等會(huì)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致單片機(jī)無(wú)法直接使用，故需進(jìn)行整形處理。整形后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字脈沖再經(jīng)高速光電隔離電路后送給單片機(jī)，以消除干擾，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。
3．1 空氣流量傳感器輸出信號(hào)的處理
    設(shè)計(jì)采用專用芯片5階開(kāi)關(guān)低通濾波器Max7419，對(duì)空氣流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波。Max7419允許通過(guò)的信號(hào)頻率為1 Hz～45 kHz，其外圍電路如圖5所示。芯片采用+5 V供電，時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部提供，也可以用外部時(shí)鐘以獲得更高的頻率穩(wěn)定性，失調(diào)調(diào)節(jié)引腳(OS)可用于調(diào)節(jié)輸出直流電平。Max7419提供53 dB的阻帶抑制，過(guò)渡比為1．6：1。Max7419采用的逼近函數(shù)為Besel函數(shù)。

3．2 曲軸位置傳感器輸入信號(hào)的處理
3．2．1 輸出波形的整形
    曲軸位置傳感器信號(hào)決定著何時(shí)進(jìn)行噴油，對(duì)噴油正時(shí)尤為重要。文中以上汽通用五菱4缸微型車曲軸位置傳感器為例。該車采用霍爾式曲軸位置傳感器，輸出信號(hào)為方波脈沖信號(hào)，曲軸齒圈上人為地去掉兩個(gè)輪齒，以確定曲軸位置。曲軸旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，產(chǎn)生58個(gè)方波脈沖，其中包括1個(gè)較寬脈沖和57個(gè)較窄脈沖，寬脈沖寬度約為窄脈沖寬度的3倍。由此可知，每個(gè)窄脈沖相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)過(guò)60°，可根據(jù)該寬脈沖作為基準(zhǔn)，確定曲軸的位置。同時(shí)，配以凸輪軸位置傳感器信號(hào)，即可確定各缸活塞的運(yùn)行位置?；魻柺角S位置傳感器輸出的方波信號(hào)由于在傳輸?shù)倪^(guò)程中受到輻射等干擾會(huì)產(chǎn)生一定程度的失真，需對(duì)其進(jìn)行整形。在此，采用集成施密特觸發(fā)器CD40106作為整形電路。觸發(fā)器輸出端接反相器即可得到與輸入信號(hào)同相并且消除了幅值波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖信號(hào)。
3．2．2 曲軸位置的檢測(cè)
    曲軸位置傳感器的標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖，經(jīng)過(guò)高速光電隔離器可送入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)結(jié)合凸輪軸位置傳感器信號(hào)，即可測(cè)得曲軸位置的第0號(hào)大缺齒脈沖，再通過(guò)凸輪軸位置傳感器的高低電平狀態(tài)判斷此時(shí)第一缸處于的工作狀態(tài)。
3．3 溫度傳感器輸出信號(hào)的處理
    燃油噴射電子控制系統(tǒng)中有兩個(gè)溫度傳感器，即冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器。圖6所示為水溫傳感器的工作電路。

    對(duì)水溫傳感器輸出信號(hào)的處理方法與對(duì)節(jié)氣門位置傳感器輸出信號(hào)的處理方法相似，也通過(guò)低通濾波器和線性光電隔離放大器，然后送入TLC2543 A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。進(jìn)氣溫度傳感器信號(hào)的處理可參照水溫傳感器信號(hào)處理的方法。
3．4 氧傳感器輸出信號(hào)的處理
    氧傳感器是空燃比反饋控制系統(tǒng)的重要部件，它通過(guò)監(jiān)測(cè)排氣中的氧離子含量來(lái)獲得混合氣的空燃比信號(hào)，并將空燃比信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。ECU根據(jù)氧傳感器信號(hào)對(duì)噴油脈寬進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制，從而將過(guò)量空氣系數(shù)控制在1．0左右，使發(fā)動(dòng)機(jī)得到最佳濃度的混合氣，從而降低有害氣體排放量和節(jié)約燃油之目的。
3．5 噴油器及其驅(qū)動(dòng)電路
    噴油器的驅(qū)動(dòng)電路可采用如圖7所示的電路。通過(guò)控制噴油器的工作電壓來(lái)控制噴油器工作。在該電路中，使用高電阻噴油器時(shí)，可將蓄電池電壓直接加在噴油器上；而使用低電壓噴油器時(shí)，則應(yīng)在電路中串入附加電阻，將蓄電池電壓分壓后加在噴油器上。圖中的R和C組成消弧回路。

4 程序設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，采用3片單片機(jī)E1、E2、E3，由E1單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，計(jì)算完成后將轉(zhuǎn)速計(jì)算數(shù)值通過(guò)串行口發(fā)送給E2。E2單片機(jī)首先根據(jù)起動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)(STA)、怠速觸點(diǎn)信號(hào)(IDL)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行工況識(shí)別，而后進(jìn)行噴油量計(jì)算，計(jì)算完成后，將噴油量控制脈寬數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給E1。E2單片機(jī)根據(jù)噴油脈寬在噴油時(shí)刻到來(lái)時(shí)控制各缸噴油器按照1-3-4-2的順序進(jìn)行噴油。控制流程圖如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
    論文研究并設(shè)計(jì)了基于MCS-51單片機(jī)的汽油機(jī)電控燃油噴射控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)傳感器和控制芯片對(duì)噴油脈寬進(jìn)行閉環(huán)控制，解決了化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣阻力大、汽油霧化質(zhì)量差、不能實(shí)現(xiàn)最佳空燃比控制、排氣污染高等問(wèn)題，并能較大地提高汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)初步實(shí)現(xiàn)了特定工況下的控制目標(biāo)，分析了控制策略，并完成整個(gè)控制系統(tǒng)的搭建。