汽車起動機控制電路保護設計的研究

蘇梁德

摘 要：為了研究一套傳統汽車起動機保護系統，有效解決新手司機和正在學車的學員在起動汽車時出現起動機“空轉”和“打齒”現象，損壞起動機和縮短起動機使用壽命的問題。本文通過研究汽車起動機控制電路保護設計系統在傳統汽車的應用意義，本文用一臺豐田汽車臺架進行試驗研究，并且通過對曲軸位置傳感器檢測發動機啟動時曲軸的轉速，曲軸位置傳感器將發動機轉速變化以電信號形式輸送到單片機，單片機根據到發動機轉速變化，對起動系統電路進行控制。研究冷車啟動時發動機轉速和熱車啟動時發動機轉速電信號變化，在發動機啟動后將由單片機切斷電路，讓起動機停止工作起到保護起動機作用。結果分析表明發動機冷車時發動機轉速達到800±50r/min，熱車啟動時發動機轉速達到700±50r/min。

關鍵詞：單片機控制 保護 起動機 電路

Abstract：The study is to study a set of traditional automobile starter protection system， which can effectively solve the problems of “idling” and “tooth-beating” of starter when novice drivers and students learning to start cars， which will damage the starter and shorten its service life. In this paper， the application significance of automobile starter control circuit protection design system in traditional automobiles is studied， and a Toyota test bench is used for experimental research. The crankshaft position sensor detects the crankshaft speed when the engine starts， and the crankshaft position sensor sends the engine speed change to the single chip microcomputer in the form of electric signal， and the single chip microcomputer controls the starting system circuit according to the engine speed change. The electric signal changes of engine speed when cold car starts and when hot car starts are studied. After the engine starts， the single chip microcomputer will cut off the circuit， so that the starter can stop working to protect the starter. The results show that the engine speed reaches 800±50r/min when the engine is cold and 700±50r/min when the engine is hot.

Key words：single chip microcomputer control， protection， starter， circuit

1 引言

開發和研究汽車起動系統控制電路保護，可以避免新手司機和學車的學員在啟動汽車時，不知道汽車已經起動的情況下，仍然扭動電門，從而出現“打齒”現象，造成汽車起動機損壞，從而起到保護汽車起動機作用。汽車發動機啟動時需要借助起動機帶動飛輪旋轉，促使發動機曲軸跟隨旋轉，從而帶動活塞連桿壓縮混合氣進而啟動發動機。

本文通過利用單片機控制電路接通與斷開，在發動機啟動后，曲軸位置傳感器檢測到曲軸轉動速度并以電信號形式輸送給單片機，單片機切斷啟動系統電源，促使起動機停止工作，起到保護作用。

2 汽車起動機控制線路設計過程

2.1 起動機工作原理

通過對起動系統的拆解測試研究，對汽車起動系統有了更深入的了解，傳統起動系統主要由控制線路與起動機兩大部分組成，控制線路包括蓄電池、點火開關、常開式起動繼電器，電磁開關，導線組成；起動機由直流電動機、動力傳動機構、控制機構三部分組成。系統的工作過程如圖1所示，當點火開關旋至ST檔，接通起動繼電器的線圈電路使之工作。電流便可以通過端子50流入起動機電磁開關，電磁開關內的線圈產生磁場力，吸引電磁開關內的活動鐵芯移動，鐵芯端的接觸盤被推出與端子30、端子C結合，便接通了直流電動機的驅動電路，電動機開始運轉。活動鐵芯同時也拉動撥叉把驅動齒輪撬出與飛輪嚙合，起動機便能順利帶動發動機。當發動機開始自行運轉后，駕駛員松開鑰匙，斷開ST檔，起動繼電器電路被斷開，端子50無電流輸入，電磁開關磁場消失，活動鐵芯在回位彈簧的作用下回到原來的位置，便斷開了直流電動機的電流，起動機停止工作，系統完成一次完整的工作過程。在系統工作過程中起動繼電器和起動電磁開關起到小電流控制大電流的作用，避免了在起動車輛瞬間因電流過大而燒毀系統導線與開關。另外，系統在動力傳遞路線上設置有單向傳動離合器，主要作用是：在發動機起動后防止發動機動力通過驅動齒輪反向傳遞給起動機，從而保護了起動機。但如果發動機起動后，駕駛員并未松開點火鑰匙，側點火開關一直處于接通狀態，起動機控制電路遲遲沒有斷開，或斷開后又再次接通，起動機驅動齒輪還是會彈出與正在轉動的飛輪強行嚙合而導致起動機發生機械損壞。故原有的系統設計并沒有避免人為的“誤起動”所引起的機械損毀。

通過上述對傳統起動系統工作過程分析知道，對于“誤起動事故”引起起動機的機械損毀，帶來不必要的維修，將“單片機+傳感器”技術串接到起動控制線路中，可以避免因“誤起動”引起的機械損毀。發動機曲軸位置傳感器是檢測發動機曲軸轉動，它可以檢測活塞上止點信號和曲軸轉角信號，并將檢測的信號傳送至ECU，用于控制點火時刻和噴油正時。改進設計電路如圖2所示，在起動機控制回路的點火開關與起動繼電器間串聯一個常閉繼電器，在起動控制回路外附加“單片機+傳感器”控制線路。傳感器為曲軸位置感器，曲軸位置傳感器是電噴發動機控制系統中最重要的傳感器之一，也是點火系統和燃油噴射系統共用的傳感器，一般安裝在分電器內，在變速箱離合器殼體上，位于發動機缸體左側后面，用二條螺栓緊固，一些則安裝在曲軸前端、凹輪軸前端或飛輪上。

2.2 實驗設計

使用發動機實訓臺架，用傳統強制嚙合式起動系統為原型。12V電壓電瓶作為電源，與實車保持相同，保證實訓的高度切合。當發動機啟動時候，冷車啟動時發動機轉速為1200轉每分鐘，曲軸位置傳感器檢測到發動機轉速不斷以電信號形式輸送給ECU。用曲軸位置傳感器電壓信號變化，輸送給單片機，單片機檢測曲軸位置傳感器電壓信號變化判斷發動機已經啟動，切斷啟動系統電路，讓起動機停止工作，從而起到保護起動機的作用。具體設計流程如圖3所示。

3 單片機設計與實驗

3.1 單片機控制電路設計

圖4所示為單片機設計控制電路設計框圖，控制電路設計系統主要有信號接收，單片機控制電路和電流切斷電路。

實驗所用發動機為一臺四缸、自然吸氣冷車用汽油發動機，試驗發動機主要參數見表1。實驗系統主要有發動機在不同工況下起動時曲軸轉動參數測量和試驗控制系統。

3.2 曲軸位置傳感器傳感器工作原理

目前豐田發動機采用的是磁脈沖式曲軸位置傳感器安裝在分電器內。曲軸位置傳感器上有信號盤，曲軸每轉動一周，傳感器發出四個信號，發動機ECU根據信號判斷曲軸轉角，其傳感器的為磁感應傳感器，產生交流電壓信號，電阻阻值在300—800歐之間，其波形圖如下圖5所示。

曲軸位置傳感器是發動機電子控制系統中最主要的傳感器之一，它提供點火時刻（點火提前角）、確認曲軸位置的信號，用于檢測活塞上止點、曲軸轉角及發動機轉速。

3.3 實驗過程

在實驗過程中根據現實生活中發動機冷啟動和熱車啟動。發動機冷車啟動時冷卻水溫度在（30±5）℃，發動機熱車啟動時冷卻水溫（85±5）℃。利用示波器檢測發動機啟動瞬間曲軸轉速，根據示波器檢測曲軸位置傳感器著火瞬間曲軸轉速信號為800±50r/min，熱車后曲軸轉速信號為750±50r/min[3]，在單片機接收到信號后對起動機電路進行切斷，斷開蓄電池對起動機的供電，從而起動機停止工作，達到保護起動機作用。

4 實驗結果分析

在發動機起動后利用單片機控制電路切斷起動控制線路，實現在發動機處于正常工作狀態后不會再次起動發動機。新手司機或是駕校學員出現誤起動發動機，起動機控制線路處于斷開狀態，起動機無電流流入，所以不工作。避免了驅動齒輪與飛輪的非正常嚙合，保護了起動機與傳動機構。

冷車起動，設置曲軸轉速達到800±50r/min，在單片機接受到信號后立刻切斷起動機電源，發動機無法啟動，一方面是起動機無力導致起動無力，將會導致發動機無法起動，另一方面是發動機在達到800±50r/min時，切斷電源則曲軸轉速下降，ECU檢測到發動機轉速下降，停止對其他幾個缸噴油，氣缸內無可燃混合氣，導致汽車無法啟動。在單片機接受到信號時，延遲2秒對起動機切斷電源信號，在延遲切斷起動機電源后發動機可以正常啟動。但是在熱車啟動時，延遲2秒鐘則出現起動機“打齒”現象，主要原因在發動機熱車后對混合氣的濃度依賴沒有熱車高。導致出現以上現狀一方面是設計發動機轉速，另一方面是對起動機電源切斷的延遲時間。所以設置發動機轉速在750±50r/min時，延遲1.5秒切斷起動機電源。在這個參數下，不管是熱車還是冷車，發動機均可以啟動，同時避免“打齒”現象。

5 總結

本文通過對汽車起動機電路原理入手，通過對發動機轉速的測試，以曲軸位置傳感器信號輸送給單片機，檢測到曲軸位置傳感器電壓信號的變化，從未判斷發動機已經著火，進一步切斷起動機電源，使起動機停止工作。通過對汽車起動機控制電路保護設計的研究主要得出以下結論：

（1）通過單片機控制電路，可以讓發動機啟動后切斷起動機可得出起動機避免打“打齒”，導致起動機損壞，延長起動機壽命。（2）檢測發動機轉速，可以找到發動機啟動時轉速，可以利用單片機切斷起動機電路。（3）結合起動機電路，設計單片機在發動機啟動后切斷起動機的電路可以保護起動機，提高起動機壽命。

基金項目：廣西中青年教師科研能力基礎提升《基于單片機與傳感器技術的汽車起動控制系統設計與實踐》（2021KY1442）。

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