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

1 概述
    電控噴射技術是汽車發動機節能環保的重要技術措施，目前汽車行業已經普遍實現電噴化，摩托車行業也已出產了多款電噴車。國內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新項目。2003年春蘭集團對原有電噴系統做了改進，成功運用到出產歐洲的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，使發動機在任何工況下都能達到最佳狀態。天津內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直噴的FAI燃油電噴系統。2002年武漢理工大學顏伏伍等人開發了LH150摩托車電噴系統，并成功投入生產使用。
    本文針對摩托車單缸發動機進行了電噴技術研究，設計了發動機電噴控制系統，實現了空燃比的精確控制，提高了燃燒效率。

2 系統設計
    電噴控制系統結構如圖1所示。本系統基于125 cc單缸四沖程汽油發動機設計。整個系統包括傳感器、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，以及信號調理電路、噴油驅動電路、油泵驅動電路和點火驅動電路。

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，通過磁鐵經過傳感器時產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定，不受油污、灰塵等不良環境的影響。傳感器在發動機上的安裝如圖2所示。

    節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采集得到節氣門開度。

    發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，從而測量發動機缸溫和空氣溫度。
2．2 執行器的選擇
    執行器包括用于點火的高壓包，給燃油系統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生出18～20 kV的高壓電，產生的電壓大小取決于兩線圈的匝數比；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。三條線對應的驅動電壓由上至下依次為14．2 V、13．2 V、12．2 V。

3 控制系統硬件設計
    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開關的功能，對執行器進行低端控制。執行器控制電路如圖5所示。MC74HC125AD為同相器。

    由于整車的電氣環境比較惡劣，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，輸入信號都要經過相應的信號調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。這個電路不但把發動機原裝的勵磁信號轉化成方波信號，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。

4 控制系統軟件設計
    本控制系統的程序是在Codewarrior IDE上完成編寫和調試的。控制程序結合節能車的工況來設計，節能車發動機在比賽時主要有啟動、怠速和加速3個過程。控制程序流程如圖7所示。

    點火時刻的確定：通過兩次曲軸信號來計算出轉速，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，再根據節氣門開度、缸溫、空氣溫度對噴油量進行修正。
    噴射持續時間的計算方法：
    TI=TP·FC+FV
    式中，TI為汽油噴射的持續時間(ms)；TP為基本噴射時間(ms)；FC為基本噴射時間的修正系數；TV為噴射器無效噴射時間(ms)。
    其中，FC由下式計算得出：
    FC=g(FAT，FTP，FCT)
    式中，FAT為空氣溫度修正系數；FCT為缸溫修正系數；FTP為節氣門開度修正系數。

5 實際測試結果
    本系統首先在發動機上完成驗證試驗，然后利用節能車來做路跑試驗。結果表明該系統可穩定工作，節油效果明顯。進一步采用化油器、市售電噴系統和自研電噴系統進行對比試驗。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，最后記錄耗油量。以至少3次數據作為分析依據，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。測得的試驗數據如圖8所示。

結語
    本文完成了傳感器和執行器的選型，以及發動機電噴控制系統的軟硬件設計，并進行了裝機和裝車道路試驗。設計的控制系統工作穩定，試驗測試數據顯示節油效果明顯，為后續的深入研究建立了基礎。