MC68HC9S12單片機的發(fā)動機電噴系統(tǒng)設計

摘要：設計基于MC68HC9S12單片機的發(fā)動機電噴控制系統(tǒng)。結(jié)合節(jié)能車的特殊要求進行了硬件抗干擾設計，結(jié)合節(jié)油型的綜合工況進行了控制算法設計。系統(tǒng)的裝機和裝車道路試驗表明，該控制系統(tǒng)具有明顯的節(jié)油效果，達到了預期的目標。
關鍵詞：節(jié)能車；發(fā)動機；電噴系統(tǒng)；MC68HC9S12

1 概述
    電控噴射技術是汽車發(fā)動機節(jié)能環(huán)保的重要技術措施，目前汽車行業(yè)已經(jīng)普遍實現(xiàn)電噴化，摩托車行業(yè)也已出產(chǎn)了多款電噴車。國內(nèi)外開展了對摩托車用汽油機電噴的研究。新大洲本田摩托有限公司的“XDZ50DQT電噴摩托車項目”曾在2000年被有關方面確定為國家技術創(chuàng)新項目。2003年春蘭集團對原有電噴系統(tǒng)做了改進，成功運用到出產(chǎn)歐洲的125踏板車上，通過CDI無觸點電子點火裝置智能控制點火角度，使發(fā)動機在任何工況下都能達到最佳狀態(tài)。天津內(nèi)燃機研究所進行了大量基礎理論研究，已有較多的研究成果。天津摩托車技術中心研制成功了適用于四沖程進氣道和二沖程缸內(nèi)直噴的FAI燃油電噴系統(tǒng)。2002年武漢理工大學顏伏伍等人開發(fā)了LH150摩托車電噴系統(tǒng)，并成功投入生產(chǎn)使用。
    本文針對摩托車單缸發(fā)動機進行了電噴技術研究，設計了發(fā)動機電噴控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了空燃比的精確控制，提高了燃燒效率。

2 系統(tǒng)設計
    電噴控制系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。本系統(tǒng)基于125 cc單缸四沖程汽油發(fā)動機設計。整個系統(tǒng)包括傳感器、ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)，以及噴油器和噴油泵等。其中，傳感器包括曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、空氣門位置傳感器、發(fā)動機溫度傳感器和空氣溫度傳感器。ECU包括Freescale公司的MC68HC9S12XS128，以及信號調(diào)理電路、噴油驅(qū)動電路、油泵驅(qū)動電路和點火驅(qū)動電路。

2．1 傳感器的選擇與安裝
    為了得到曲軸和凸輪軸的位置信號，曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器使用霍爾開關量傳感器，在啟動離合器和小鏈盤的特定位置分別固定一個小磁鐵，通過磁鐵經(jīng)過傳感器時產(chǎn)生的方波信號來判斷曲軸和凸輪軸的位置。由于傳感器體積小、不易安裝，設計了傳感器電路板，使得傳感器的信號穩(wěn)定，不受油污、灰塵等不良環(huán)境的影響。傳感器在發(fā)動機上的安裝如圖2所示。

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    節(jié)氣門位置傳感器是一個線性電位計，實物圖如圖3所示。其電阻值與節(jié)氣門的開度成正比，通過給電位計供電，采用A／D采集得到節(jié)氣門開度。

    發(fā)動機溫度傳感器和空氣溫度傳感器選用熱敏電阻式傳感器。其電阻值會隨溫度的變化而呈線性變化，從而測量發(fā)動機缸溫和空氣溫度。
2．2 執(zhí)行器的選擇
    執(zhí)行器包括用于點火的高壓包，給燃油系統(tǒng)提供油壓的燃油噴射泵(噴油泵)和用于噴射燃油的燃油噴射器(噴油器)。
    高壓包又稱點火線圈，由一次線圈、二次線圈和鐵芯組成。使用時先給一次線圈充電，在一次線圈中自感應出200～300 V的電壓；然后與二次線圈互感而產(chǎn)生出18～20 kV的高壓電，產(chǎn)生的電壓大小取決于兩線圈的匝數(shù)比；最后將高壓電輸送到火花塞點火。
    噴油泵輸出油壓300 kPa，恒壓輸出，采用脈沖信號驅(qū)動柱塞運動、壓縮燃油獲得壓力。噴油器自帶高壓進油嘴，噴射量精確，流量與噴射脈寬如圖4所示，霧化效果較好。三條線對應的驅(qū)動電壓由上至下依次為14．2 V、13．2 V、12．2 V。

3 控制系統(tǒng)硬件設計
    采用Freescale公司MC68HC9S12XS128單片機作為控制芯片，使用IGBT v2040s芯片控制點火，使用Power MOSFET IRF3205控制噴油泵和噴射器，通過控制門極電壓來實現(xiàn)開關的功能，對執(zhí)行器進行低端控制。執(zhí)行器控制電路如圖5所示。MC74HC125AD為同相器。

    由于整車的電氣環(huán)境比較惡劣，因此硬件電路的抗干擾性能就顯得很重要。首先，通過Protel DXP軟件設計、繪制PCB電路板，既減小了電路板的體積，又增強了抗干擾能力。其次，輸入信號都要經(jīng)過相應的信號調(diào)理電路處理后再進入單片機，處理后的信號干擾大大減小。對于曲軸和凸輪軸的信號，采用閾值比較器LM339設計了閾值比較電路，如圖6所示。這個電路不但把發(fā)動機原裝的勵磁信號轉(zhuǎn)化成方波信號，而且可以對改裝以后的傳感器信號進行處理。另外，單片機有內(nèi)部A／D模塊，對于模擬量需要使用一個低通濾波器電路進行濾。M74HC04M1R為反相器。

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4 控制系統(tǒng)軟件設計
    本控制系統(tǒng)的程序是在Codewarrior IDE上完成編寫和調(diào)試的?？刂瞥绦蚪Y(jié)合節(jié)能車的工況來設計，節(jié)能車發(fā)動機在比賽時主要有啟動、怠速和加速3個過程?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D7所示。

    點火時刻的確定：通過兩次曲軸信號來計算出轉(zhuǎn)速，進而查得設定的點火提前角，然后在相應時刻點火。
    噴油時刻的確定：依據(jù)凸輪軸信號判斷出壓縮沖程，與壓縮沖程的曲軸信號同步噴射。
    噴油量的確定：先設定基本噴油量，再根據(jù)節(jié)氣門開度、缸溫、空氣溫度對噴油量進行修正。
    噴射持續(xù)時間的計算方法：
    TI=TP·FC+FV
    式中，TI為汽油噴射的持續(xù)時間(ms)；TP為基本噴射時間(ms)；FC為基本噴射時間的修正系數(shù)；TV為噴射器無效噴射時間(ms)。
    其中，F(xiàn)C由下式計算得出：
    FC=g(FAT，F(xiàn)TP，F(xiàn)CT)
    式中，F(xiàn)AT為空氣溫度修正系數(shù)；FCT為缸溫修正系數(shù)；FTP為節(jié)氣門開度修正系數(shù)。

5 實際測試結(jié)果
    本系統(tǒng)首先在發(fā)動機上完成驗證試驗，然后利用節(jié)能車來做路跑試驗。結(jié)果表明該系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，節(jié)油效果明顯。進一步采用化油器、市售電噴系統(tǒng)和自研電噴系統(tǒng)進行對比試驗。試驗場地為操場塑膠跑道，試驗人員體重配重達到50 kg。試驗方式為在跑道上行駛5圈，點火加速10次，每圈時間在57 s以內(nèi)，最后記錄耗油量。以至少3次數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，超時成績作廢。盡量選擇晴朗無風(或微風)天氣，當天機械上不做改動。測得的試驗數(shù)據(jù)如圖8所示。

結(jié)語
    本文完成了傳感器和執(zhí)行器的選型，以及發(fā)動機電噴控制系統(tǒng)的軟硬件設計，并進行了裝機和裝車道路試驗。設計的控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，試驗測試數(shù)據(jù)顯示節(jié)油效果明顯，為后續(xù)的深入研究建立了基礎。