摩托車發動機電子控制系統研究

陳振天， 尹叢勃， 張振東

（1上海汽車集團股份有限公司 技術中心，上海 200041；2上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

發動機電子控制技術以其良好的經濟性和排放性，已經成為滿足越來越嚴格的排放法規的首選技術方案［1－2］.摩托車作為機動車中一類重要組成部分，具有成本低、體積小、路況適應性強等優點，在我國眾多地域有著廣泛的應用.隨著摩托車保有量的增加及日趨嚴格的節能減排措施的實施，摩托車發動機的經濟性能及排放指標已成為各廠家互相競爭的重要內容［3－4］.近年來，我國現有電噴摩托車的生產和制造大多依賴國外技術，為打破不利局面，國內摩托車企業和科研院所不斷加大對電控燃油噴射技術的研究［5］.

本文選取某型號125mL排量單缸風冷四沖程化油器式發動機作為研究對象，將原發動機化油器式供油結構改進為電控燃油噴射系統.設計系統軟硬件對發動機各種模擬量、數字量進行采集和存儲，實現對各驅動電路的控制，詳細研究了控制系統的硬件結構、控制電路以及軟件編程等問題，并通過實驗對所開發的控制系統的控制效果進行了驗證.

1 控制系統總體設計

為實現目標發動機的電子控制，首先對原化油器式發動機進行了電噴化改造.在改造過程中針對原機的化油器系統，重新設計加工了發動機進氣管，將電子節氣門、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器以及噴油器與進氣管集成為一體；增設了電子點火系統，重新選配了點火線圈、火花塞等部件；在系統中布置了曲軸位置傳感器、節氣門開度傳感器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、排氣氧含量傳感器、發動機溫度等傳感器；控制系統以Freescale 16 單片機為核心構建，開發了相應的傳感器信號調理電路以及輸出信號的驅動電路.發動機控制系統的總體結構如圖1所示.

圖1 發動機控制系統結構簡圖Fig.1 Structural diagram of engine EFI system

2 控制系統硬件電路

控制系統電路由傳感器輸入信號處理電路、主控芯片、執行器驅動電路以及電源管理、上位機通訊等輔助電路組成.

選擇MC9S12XS128 單片機作為主控芯片，并根據各個傳感器和執行器件的不同要求（如PWM功能、AD轉換功能以及通訊功能等），對單片機的I／O資源進行分配.同時，為提高系統的可靠性，選用了MC33812 集成芯片對發動機的噴油和點火進行控制，控制電路如圖2所示.

圖2 噴油、點火集成控制電路Fig.2 Integrated circuit for fuel injection and ignition

由于伺服電機具有相應迅速、控制精準、位置自鎖等優點，非常適合用于節氣門控制.本文選用的伺服電機其內部集成了驅動電路，單片機通過向電機驅動電路發送PWM 控制信號即可實現節氣門開度的控制.伺服電機接口電路如圖3所示.

圖3 節氣門電機接口電路Fig.3 Interface circuit of the throttle motor

3 控制軟件

3.1 控制軟件架構

本文基于前后臺程序設計方法［6－8］開發了系統控制軟件.后臺軟件作為應用程序的運行平臺，基于時間片管理方法進行設計；前臺軟件基于中斷響應方法進行設計，包括發動機運行所需要的信號采集與處理、執行機構的輸出與控制等程序［9］.

前臺應用程序遵循模塊化設計思想進行設計，在程序等級上，將軟件程序劃分為驅動層程序和算法層程序.驅動層包括各個傳感器信號的采集與處理，點火、噴油等執行機構的控制.算法層包括傳感器信號的調用、執行機構的控制邏輯以及發動機工況的控制算法與轉換等.在控制類型上，將軟件程序劃分為信號處理層、工況與參數更新層以及發動機驅動層3個主要的子模塊.其中信號處理層和執行器控制層子模塊作為驅動層次，而工況與參數更新層則作為算法層次，前臺應用程序的邏輯關系如圖4所示.

圖4 前臺應用程序總體框架Fig.4 Framework of the foreground application program

3.2 時間基準信號處理

對于四沖程摩托車發動機，控制系統通常每循環執行一次噴油、點火操作，但對于某些特殊工況（如起動、進氣壓力信號故障等情況）則需要執行兩次噴油、點火操作，如圖5和圖6所示.

圖5 單次噴油、點火時序Fig.5 Single injection and ignition conditions

圖6 兩次噴油、點火情況Fig.6 Two fuel injections and ignition conditions

本文設定單次噴油、點火情況下做功沖程內的缺齒位置為第0 齒，從0～21 齒循環計數.兩次噴油、點火情況下兩次缺齒均為第0 齒，齒輪計數由0～10齒進行循環.控制系統硬件設計過程中，為了保證準確判斷發動機的工作沖程，安裝時將齒盤第7齒下降沿對應發動機活塞的上止點（排氣或壓縮上止點）.

發動機噴油、點火操作是基于曲軸轉速信號進行設定，只有曲軸轉速信號正確，發動機才能在正確的時間執行噴油、點火指令，驅動發動機的運轉.對于發動機轉速，需要輸出基于時間域的速度信號，而對于噴油、點火控制，則需要輸出基于角度域的齒數和基于時間的混合信號.本文采用的是磁電式曲軸轉速傳感器配12缺1齒信號齒盤的轉速測量方案.當發動機起動后，需要根據信號齒盤的運動進行曲軸轉速的同步操作，其算法流程如圖7所示.通過以上條件判斷該輪齒為缺齒，如果不是則按照以上方法繼續檢測下一齒輪直至缺齒出現，進入到齒輪計數階段.進入齒輪計數階段后，具體算法流程如圖8所示.由于發動機一個工作循環曲軸旋轉兩圈，出現兩次缺齒位置，因此，需要結合進氣壓力信號確定發動機工作沖程，以確定發動機是否處于噴油、點火狀態.

3.3 噴油、點火控制信號產生方法

圖7 缺齒同步算法流程Fig.7 Missing teeth synchronous algorithm

圖8 曲軸同步程序流程圖Fig.8 Flow chart of synchronous program of crankshaft

曲軸轉速信號同步成功后，為發動機噴油及點火控制提供了準確的時間基準.在控制系統中，噴油、點火的產生均基于中斷響應實現.在軟件程序設計初期，將噴油時刻固定在第4齒位置，在缺齒的下降沿處設置中斷標志，定時器計時開始后，當曲軸轉角旋轉到第4齒下降沿時，觸發中斷使噴油器開始噴油，再根據特性圖中的噴油脈寬計算噴油終止位置，當達到噴油停止點時完成噴油操作，具體過程如圖9所示.點火控制信號與噴油控制信號的產生原理基本相同，其不同點在于點火控制需要依據已知的點火提前角和點火閉合角計算點火線圈閉合充電時刻，如圖10 所示.同時，為了達到精確控制的目的，考慮到發動機運行轉速不穩定對噴油點火時刻的影響，需要每個下降沿均觸發中斷并及時計算更新噴油時刻等重要參數.

圖9 噴油操作控制方法Fig.9 Injection operation control method

圖10 點火操作控制方法Fig.10 Ignition operation control method

4 控制參數標定

控制系統硬件及控制軟件設計完成后，需要對發動機不同工況下的基本點火提前角、基本噴油脈寬等目標參數進行試驗標定［10－12］.

基本噴油質量Δmf可以根據以下公式計算得到，即

式中，μn為噴油器流量系數；Fn為噴油嘴面積；g為重力加速度；df為燃油密度；Pf為燃油壓力；Pd為進氣管壓力；dt為噴油脈寬.

式中，Δma為理論空燃比狀態下的實際進氣質量，由理想氣體方程得

式中，R 為理想氣體常數；T 為進氣溫度；Vh為氣缸工作容積；ηV為充氣效率.

基本點火提前角的數據標定時，控制實際空燃比的值為理論空燃比的14.7倍.標定過程中保持發動機輸出轉速處于2 000～9 000r／min中每個工況節點上，調節節氣門的開度為0～100%.改變點火提前角的值，以2°曲軸轉角慢慢變化.發動機在未爆震的狀態下，輸出扭矩開始下降趨勢，那么將扭矩下降點定為該工況點的最大扭矩（MBT）點火提前角；如果在沒有達到MBT 點之前發動機就出現爆震狀態，則將此時的點火提前角向后推遲3°曲軸轉角，定為當前工況的點火提前角.重復以上工作，將點火提前角覆蓋整個可以標定的工況點，完成發動機點火提前角的標定，標定好的基本點火提前角特性圖如圖11所示［6］.

圖11 基本點火提前角特性圖Fig.11 Basic ignition advanced angle map

根據標定好的基本噴油脈寬計算出噴油量，進一步得到理論空燃比狀態下的實際進氣質量，發動機實際進氣質量與理論進氣質量之比即為不同工況下的充量系數，其充量系數特性如圖12所示.從圖中可以看出，充氣效率的值在絕大部分的工況下都處于0.7～1之間，同時數據符合高轉速、低負荷時充氣效率低，而高轉速、大負荷時充氣效率高的特點.

圖12 充量系數特性圖Fig.12 Charging coefficient map

臺架試驗中，分別采用洛陽南峰測試系統公司生產的CW25－2400／10000電渦流型測功機和上海內燃機研究所生產的FCD－M型油耗儀進行了輸出功率和燃油消耗率的測試，圖13為發動機增加電噴控制系統前后節氣門開度為40%時，輸出功率和燃油消耗的對比.從圖13（a）可以看出，發動機的輸出功率有明顯上升，轉速為3 000r／min時，功率從2.7kW 上升到3kW，升高比例為10%；轉速為5 500r／min時，功率增加0.2kW，升高比例為5%.主要原因是各工況點都在最大扭矩輸出的基本點火提前角工作，有效地提高了輸出功率.

圖13 40%節氣門開度時優化前后功率和油耗對比Fig.13 Under 40%opening of throttle valve，comparison of power and fuel consumption rate before and after optimization

圖14為優化前后節氣門開度為70%時的發動機輸出功率和燃油消耗的對比，也可以明顯看出，發動機在采用電控系統后輸出功率得到了一定的提高，同時燃油消耗明顯低于化油器式發動機.從圖14（b）可 以 看 到 在3 000r／min時 燃 油 消 耗 從350g／（kW·h）下降到340g／（kW·h），下降比例為3%；在4 500r／min時，燃油消耗下降12g／（kW·h），下降比例約為4%.主要原因是發動機增加電控系統后，噴油量更精確，同時基本點火提前角下輸出功率增加，使發動機的燃油消耗率有所下降.

圖14 70%節氣門開度時優化前后功率和油耗對比Fig.14 Under 70%opening of throttle valve，comparison of power and fuel consumption rate before and after optimization

5 結束語

以某型125mL排量單缸風冷四沖程化油器式汽油發動機作為研究對象，對其進氣、點火和噴油系統進行改進，匹配相應的傳感器、執行器，實現了化油器式汽油發動機的電噴化改裝.

根據傳感器和執行器件的不同要求設計發動機電控系統，編制軟件控制程序，實現了對發動機傳感器信號的采集和噴油、點火的控制.

對發動機不同工況下的基本點火提前角、基本噴油脈寬以及充量系數等目標參數進行試驗標定.發動機臺架試驗表明，發動機改進為電控噴射系統后，輸出功率增加，燃油消耗率下降，達到了提高燃油利用率、減小排放的目的.

［1］范炳良，許廣舉，陳慶樟.某型摩托車用汽油機點火提前角的優化研究［J］.小型內燃機與摩托車，2013，42（3）：19－22.

［2］張振東，王玉順，劉志遠，等.基于進氣調節的汽油機空燃比控制系統研究［J］.上海理工大學學報，2007，29（6）：521－524.

［3］熊樹生，謝蓮，郗大光，等.電噴摩托車發動機氣缸內壁面溫度模型研究［J］.內燃機工程，2015，36（2）：82－92.

［4］李星韻，劉昌文，楊延相，等.電噴摩托車氧傳感器溫度特性試驗研究［J］.傳感器與微系統，2015，34（5）：15－18.

［5］張奇，徐國強.小排量汽油機電控燃油噴射系統技術進展［J］.小型內燃機與摩托車，2011，40（2）：89－92.

［6］尹叢勃.電控燃油噴射系統的總體設計［D］.上海：上海理工大學，2008.

［7］黃益政.單缸四沖程摩托車發動機電噴控制單元開發［D］.上海：上海理工大學，2013.

［8］陳超.基于8位單片機的摩托車發動機電控單元軟硬件的開發［D］.北京：清華大學，2004.

［9］周萍，張振東，孫躍東.車用汽油發動機穩態控制參數的優化研究［J］.上海理工大學學報，2001，23（2）：141－145.

［10］王祝煒，王伯年.汽油機電控噴油系統空氣流量的檢測［J］.上海理工大學學報，1999，21（4）：397－402.

［11］王嘉鈞，任澤生，張乃力.摩托車發動機臺架基礎設計的探 討［J］.小 型 內 燃 機 與 摩 托 車，2013，42（3）：48－51.

［12］葉昌，張振東，劉鈺，等.單缸發動機進氣特性仿真與實驗 研 究［J］.上 海 理 工 大 學 學 報，2014，36（6）：562－565.