缸內(nèi)直噴發(fā)動機傳感器處理電路模塊的設(shè)計

【摘要】針對電控缸內(nèi)直噴發(fā)動機（GDI）的特點開發(fā)，分析了GDI發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了直噴發(fā)動機電控單元的硬件系統(tǒng)，研究中采用模塊化設(shè)計思想。

【關(guān)鍵詞】缸內(nèi)直噴；電控系統(tǒng)；硬件模塊

一、引言

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用以及排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)得到了快速的發(fā)展。GDI研究開發(fā)中還面臨許多問題：因為空燃比不在當(dāng)量比附近，而且GDI的供油系統(tǒng)比PFI復(fù)雜得多，且采用高壓共軌汽油噴射和渦流霧化噴嘴，成本大大高于PFI系統(tǒng)；在要求的范圍控制混合氣分層燃燒較困難。在開發(fā)國產(chǎn)GDI發(fā)動機的同時，其電控系統(tǒng)的研究開發(fā)也要同步跟進(jìn)，也是其發(fā)展的必由之路。

電控系統(tǒng)中所用到的傳感器主要有：曲軸轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、油軌壓力傳感器、凸輪相位傳感器、冷卻水溫傳感器、氧傳感器和進(jìn)氣翻板位置傳感器等。其中，轉(zhuǎn)速傳感器和凸輪相位傳感器輸出信號經(jīng)處理后得到的是數(shù)字量。

二、轉(zhuǎn)速傳感器信號處理電路

轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)含一永久磁體和一感應(yīng)線圈。裝于曲軸上的靶輪齒圈均勻分布有60-62個齒，當(dāng)曲軸靶輪轉(zhuǎn)過曲軸位置傳感器時，隨著齒頂和齒底距離傳感器位置的變化，使得磁場發(fā)生變化，在線圈中感應(yīng)出一交流電壓，其頻率和幅值隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而變化。如圖1所示的轉(zhuǎn)速信號處理電路。該電路采用了低通濾波、比較、去耦等措施。用電壓比較器LM339將正弦波整形至矩形脈沖；用光電耦合器TLP521-2將模擬端和數(shù)字端隔開，起抗干擾作用；光電耦合器TLP521-2輸出的信號經(jīng)4049集成反向器進(jìn)一步整形和平穩(wěn)后輸入到單片機IOC0通道（PT0引腳）。

該轉(zhuǎn)速信號處理電路能夠較好地處理轉(zhuǎn)速信號，單片機采集轉(zhuǎn)速信號時能保證沒有丟齒現(xiàn)象的發(fā)生。轉(zhuǎn)速信號處理完后的波形如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)速傳感器信號處理電路

圖2 處理后的轉(zhuǎn)速信號

三、凸輪相位信號處理電路

凸輪相位傳感器裝在凸輪軸上，為霍爾效應(yīng)式傳感器，轉(zhuǎn)輪上感應(yīng)片轉(zhuǎn)過相位傳感器時，會輸出一個方波信號，信號電壓大小與傳感器和脈沖輪間相對速度大小無關(guān)。霍爾傳感器是一種有源磁電轉(zhuǎn)換部件，傳感器內(nèi)部電路的輸出端為OC門（集電極開路輸出），輸出為電平信號，必須在輸出端與電源之間接上拉電阻才有正常信號輸出。盡管傳感器內(nèi)部設(shè)施密特電路，其輸出為矩形波，無需對其進(jìn)行整形，但由于在發(fā)動機運行過程中，受點火系統(tǒng)干擾，信號中可能會混有幅值較高的尖脈沖干擾信號，為此，處理電路（如圖3所示）中加入濾波電路和鉗位電路，用來抑制噪聲和保護(hù)單片機系統(tǒng)。

圖3 凸輪相位傳感器處理電路

如圖4所示為發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器信號和凸輪相位傳感器信號經(jīng)示波器實測出的正時關(guān)系圖。轉(zhuǎn)速傳感器信號中的缺齒位置與1缸上止點的相位差是固定的，在上止點前84°。當(dāng)轉(zhuǎn)速信號為缺齒信號時，如果此時凸輪相位信號電平為低電平時，則此缺齒為一缸壓縮上止點前的缺齒，如果凸輪相位信號電平為高電平時，則此缺齒為一缸排氣上止點前的缺齒，這樣結(jié)合轉(zhuǎn)速傳感器信號和凸輪相位傳感器信號就可以確定曲軸當(dāng)前的相位。

圖4 轉(zhuǎn)速信號與凸輪信號的正時關(guān)系

四、模擬信號接口電路

冷卻水溫信號（WAT）、進(jìn)氣溫度（MAT）、油軌壓力信號（RPS）、節(jié)氣門開度（TPS）、進(jìn)氣流量（MAF）、進(jìn)氣翻板位置（SBP）等信號都是0-5V的模擬信號，對它們的處理原理上相同，以油軌壓力和節(jié)氣門開度為例，電路圖如圖5和圖6所示。先經(jīng)過信號電壓鉗位，然后經(jīng)過電壓跟隨器射隨處理后送到單片機的ATD口。水溫傳感器（WAT）信號也是0-5V，但在給其供電的+5V電源電壓線路上需串聯(lián)一個分壓電阻后將電壓加到水溫傳感器內(nèi)的熱敏電阻上。水溫傳感器輸出信號同樣經(jīng)過電壓跟隨器處理后可直接送到單片機ATD口。

圖5 軌壓傳感器信號處理電路

圖6 節(jié)氣門開度信號處理電路

五、結(jié)論

發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)是一項龐大而復(fù)雜的工作，需要依靠先進(jìn)的軟硬件開發(fā)系統(tǒng)、經(jīng)過大量的硬件測試試驗、軟件調(diào)試和大量的發(fā)動機標(biāo)定試驗才能完成，GDI發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)更是如此。本章介紹了信號處理電路模塊（曲軸轉(zhuǎn)速信號的處理、凸輪相位信號的處理，以及各模擬信號的處理）的電路設(shè)計，對電控系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的參考價值。

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作者簡介：趙得娟（1989—），女，山東日照人，研究方向：汽車運用工程。