MC68HC9S12单片机的发动机电喷系统设计

摘要：设计基于MC68HC9S12单片机的发动机电喷控制系统。结合节能车的特殊要求进行了硬件抗干扰设计，结合节油型的综合工况进行了控制算法设计。系统的装机和装车道路试验表明，该控制系统具有明显的节油效果，达到了预期的目标。
关键词：节能车；发动机；电喷系统；MC68HC9S12

1 概述
    电控喷射技术是汽车发动机节能环保的重要技术措施，目前汽车行业已经普遍实现电喷化，摩托车行业也已出产了多款电喷车。国内外开展了对摩托车用汽油机电喷的研究。新大洲本田摩托有限公司的“XDZ50DQT电喷摩托车项目”曾在2000年被有关方面确定为国家技术创新项目。2003年春兰集团对原有电喷系统做了改进，成功运用到出产欧洲的125踏板车上，通过CDI无触点电子点火装置智能控制点火角度，使发动机在任何工况下都能达到最佳状态。天津内燃机研究所进行了大量基础理论研究，已有较多的研究成果。天津摩托车技术中心研制成功了适用于四冲程进气道和二冲程缸内直喷的FAI燃油电喷系统。2002年武汉理工大学颜伏伍等人开发了LH150摩托车电喷系统，并成功投入生产使用。
    本文针对摩托车单缸发动机进行了电喷技术研究，设计了发动机电喷控制系统，实现了空燃比的精确控制，提高了燃烧效率。

2 系统设计
    电喷控制系统结构如图1所示。本系统基于125 cc单缸四冲程汽油发动机设计。整个系统包括传感器、ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)，以及喷油器和喷油泵等。其中，传感器包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、空气门位置传感器、发动机温度传感器和空气温度传感器。ECU包括Freescale公司的MC68HC9S12XS128，以及信号调理电路、喷油驱动电路、油泵驱动电路和点火驱动电路。

2．1 传感器的选择与安装
    为了得到曲轴和凸轮轴的位置信号，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器使用霍尔开关量传感器，在启动离合器和小链盘的特定位置分别固定一个小磁铁，通过磁铁经过传感器时产生的方波信号来判断曲轴和凸轮轴的位置。由于传感器体积小、不易安装，设计了传感器电路板，使得传感器的信号稳定，不受油污、灰尘等不良环境的影响。传感器在发动机上的安装如图2所示。

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    节气门位置传感器是一个线性电位计，实物图如图3所示。其电阻值与节气门的开度成正比，通过给电位计供电，采用A／D采集得到节气门开度。

    发动机温度传感器和空气温度传感器选用热敏电阻式传感器。其电阻值会随温度的变化而呈线性变化，从而测量发动机缸温和空气温度。
2．2 执行器的选择
    执行器包括用于点火的高压包，给燃油系统提供油压的燃油喷射泵(喷油泵)和用于喷射燃油的燃油喷射器(喷油器)。
    高压包又称点火线圈，由一次线圈、二次线圈和铁芯组成。使用时先给一次线圈充电，在一次线圈中自感应出200～300 V的电压；然后与二次线圈互感而产生出18～20 kV的高压电，产生的电压大小取决于两线圈的匝数比；最后将高压电输送到火花塞点火。
    喷油泵输出油压300 kPa，恒压输出，采用脉冲信号驱动柱塞运动、压缩燃油获得压力。喷油器自带高压进油嘴，喷射量精确，流量与喷射脉宽如图4所示，雾化效果较好。三条线对应的驱动电压由上至下依次为14．2 V、13．2 V、12．2 V。

3 控制系统硬件设计
    采用Freescale公司MC68HC9S12XS128单片机作为控制芯片，使用IGBT v2040s芯片控制点火，使用Power MOSFET IRF3205控制喷油泵和喷射器，通过控制门极电压来实现开关的功能，对执行器进行低端控制。执行器控制电路如图5所示。MC74HC125AD为同相器。

    由于整车的电气环境比较恶劣，因此硬件电路的抗干扰性能就显得很重要。首先，通过Protel DXP软件设计、绘制PCB电路板，既减小了电路板的体积，又增强了抗干扰能力。其次，输入信号都要经过相应的信号调理电路处理后再进入单片机，处理后的信号干扰大大减小。对于曲轴和凸轮轴的信号，采用阈值比较器LM339设计了阈值比较电路，如图6所示。这个电路不但把发动机原装的励磁信号转化成方波信号，而且可以对改装以后的传感器信号进行处理。另外，单片机有内部A／D模块，对于模拟量需要使用一个低通滤波器电路进行滤。M74HC04M1R为反相器。

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4 控制系统软件设计
    本控制系统的程序是在Codewarrior IDE上完成编写和调试的。控制程序结合节能车的工况来设计，节能车发动机在比赛时主要有启动、怠速和加速3个过程。控制程序流程如图7所示。

    点火时刻的确定：通过两次曲轴信号来计算出转速，进而查得设定的点火提前角，然后在相应时刻点火。
    喷油时刻的确定：依据凸轮轴信号判断出压缩冲程，与压缩冲程的曲轴信号同步喷射。
    喷油量的确定：先设定基本喷油量，再根据节气门开度、缸温、空气温度对喷油量进行修正。
    喷射持续时间的计算方法：
    TI=TP·FC+FV
    式中，TI为汽油喷射的持续时间(ms)；TP为基本喷射时间(ms)；FC为基本喷射时间的修正系数；TV为喷射器无效喷射时间(ms)。
    其中，FC由下式计算得出：
    FC=g(FAT，FTP，FCT)
    式中，FAT为空气温度修正系数；FCT为缸温修正系数；FTP为节气门开度修正系数。

5 实际测试结果
    本系统首先在发动机上完成验证试验，然后利用节能车来做路跑试验。结果表明该系统可稳定工作，节油效果明显。进一步采用化油器、市售电喷系统和自研电喷系统进行对比试验。试验场地为操场塑胶跑道，试验人员体重配重达到50 kg。试验方式为在跑道上行驶5圈，点火加速10次，每圈时间在57 s以内，最后记录耗油量。以至少3次数据作为分析依据，超时成绩作废。尽量选择晴朗无风(或微风)天气，当天机械上不做改动。测得的试验数据如图8所示。

结语
    本文完成了传感器和执行器的选型，以及发动机电喷控制系统的软硬件设计，并进行了装机和装车道路试验。设计的控制系统工作稳定，试验测试数据显示节油效果明显，为后续的深入研究建立了基础。