單缸汽油機電控噴射控制系統(tǒng)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計

1、北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要電控汽油噴射系統(tǒng)(簡稱電噴)，以電控單元(ecu)為控制中心，采集發(fā)動機上的各種傳感器的運行參數(shù)，經(jīng)過計算，精確地控制噴油器的噴油量和噴油時刻，向發(fā)動機提供最佳空燃比的可燃混合氣。整個系統(tǒng)包括傳感器，電控單元及執(zhí)行器等。本文闡述了結(jié)合節(jié)能車設(shè)計了電噴的電控單元，進行了整車試驗及數(shù)據(jù)分析。首先，閱讀了國內(nèi)外相關(guān)資料，了解基本原理和制定了總體方案。選擇了飛思卡爾公司的mc9s12xs128單片機為主控芯片，設(shè)計了電控單元所需要的電路，并使用protel-dxp軟件繪制pcb電路板，加工，焊接和調(diào)試。其次在codewarrior軟件中采用模塊化的思想編寫控制程

2、序，逐步增加控制修正量，由簡單到復(fù)雜的改進噴油量控制精度。隨后又利用實驗室的試驗車在同等條件下做對比試驗，得到了大量試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)不斷完善程序，設(shè)計的電噴運行穩(wěn)定，在同等條件下相對化油器節(jié)省燃油，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞： 電控汽油噴射；單片機；protel；codewarriorabstractelectronic fuel injection system (efi) ,order the electronic control units(ecu) for the control center, collecting the operating parameters of the variou

3、s sensors on the engine, has been calculated, precise control of fuel injector fuel injection quantity and injection timing, to provide the best air-fuel ratio of the combustible mixture. the system includes sensors, electronic control units and actuators, etc.in this paper, combined with energy-sav

4、ing vehicle designed efi electronic control unit, conducted a vehicle test and data analysis.first,read the information home and abroad to understand the basic principles and the development of the overall program.selected freescales mc9s12xs128 as the main chip microcontroller, designed circuit of

5、the electronic control unit, used protel-dxp plotting pcb circuit boards, processing, welding and debugging. second, in the codewarrior software modular thinking write programs, and gradually increase the control of rectification, the improvement from simple to complex precision fuel injection quant

6、ity control. then use the laboratory test car, under the same conditions to do comparison tests, get a great deal of test data, the continuous improvement process，designed efi stable, relatively carburetor under the same conditions to save fuel, to achieve the excepted goals.keywords:electronicfueli

7、njection; single-chip microcomputer;protel;codewarrio56目 錄摘 要iabstractii目 錄i第一章 引 言11.1 選題背景11.1.1 行業(yè)背景11.1.2 相關(guān)背景21.2 國內(nèi)外電噴技術(shù)發(fā)展簡介31.3 深入研究過的兩套電噴51.4 論文的主要內(nèi)容及工作安排7第二章 電噴控制電路設(shè)計82.1電噴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖82.2 發(fā)動機相關(guān)簡介82.2.1 發(fā)動機簡介82.2.2 發(fā)動機有關(guān)傳感器和相關(guān)信號介紹102.2 單片機的功能簡介及其最小系統(tǒng)的設(shè)計122.2.1 單片機的功能簡介122.2.2 最小系統(tǒng)的設(shè)計132.3 外圍電路設(shè)計

8、15第三章 電噴程序設(shè)計193.1 編程環(huán)境的使用方法193.2 程序的模塊化設(shè)計203.3 噴油時刻的確定和噴油量的計算233.3.1 汽油機功率的控制方法和空燃比243.3.2 空氣量的檢測方法243.3.3 汽油噴射方式243.3.4 溫度修正系數(shù)253.3.5 加減速運轉(zhuǎn)修正系數(shù)263.3.6非同步噴射263.3.7 回歸理論空燃比的反饋修正263.3.8 高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時的加濃修正273.3.9 無效噴射時間273.3.10 斷油控制283.3.11 啟動時噴射持續(xù)時間283.3.12 噴油量的計算方法283.3.13 作者的控制思路29第四章 試驗及結(jié)果分析304.1 試驗條件和設(shè)備

9、304.2 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析30第五章 總結(jié)和展望335.1總結(jié)335.2展望33致 謝34參考文獻(xiàn)35附 錄37第一章 引 言1.1 選題背景 1.1.1 行業(yè)背景摩托車工業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位。2008年，摩托車生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟運行總體良好，主要經(jīng)濟指標(biāo)保持不同程度增長，經(jīng)濟效益總體水平繼續(xù)提高。2010年3月份，摩托車產(chǎn)品出口72.90萬輛，比上月增長了33.72%，比去年同期增長了52.75%；出口金額3.23億美元，與去年同期增長了40.55%。 13月份，摩托車產(chǎn)品累計出口195.00萬輛，比去年同期增長了62.66%；累計出口金額8.52億美元，比去年同期增長了46.47%

10、。在國內(nèi)外市場需求的刺激下，我國摩托車產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持快速穩(wěn)定的發(fā)展趨勢，成為我國國民經(jīng)濟中最有潛力的產(chǎn)業(yè)之一。隨著摩托車的保有量和出口量的增加，摩托車也對環(huán)境的污染也不容忽視。在全球范圍內(nèi)機動車尾氣排放造成的空氣污染日趨嚴(yán)重，保護環(huán)境、治理機動車排放污染己受到世界各國政府的高度重視。尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)在不斷升級，不久就要實施國標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的化油器摩托車，只能在某些工況下達(dá)到比較好的空燃比（可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比為空燃比，空燃比a/f(a：air-空氣，f：fuel-燃料)表示空氣和燃料的混合比?？杖急仁前l(fā)動機運轉(zhuǎn)時的一個重要參數(shù)，它對尾氣排放、發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性都有很大的影響。）大多數(shù)

11、工況下的燃燒效率都不高。人們曾在化油器上進行了各種改進設(shè)計，使它變得越來越復(fù)雜，甚至最后出現(xiàn)了電子控制化油器，但是效果都一般。降低摩托車污染物排放的技術(shù)是多方面的，對于燃油摩托車而言，包括機內(nèi)控制與機外控制兩方面的措施5：(1)通過發(fā)動機的結(jié)構(gòu)改進，完善發(fā)動機的工作過程，達(dá)到降低污染物排放的目的。主要技術(shù)措施包括：優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進排氣系統(tǒng)，多氣門及可變技術(shù)等。(2)采用電控燃油噴射系統(tǒng)，精確控制發(fā)動機空燃比，從而提升發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性能和動力性能。電噴系統(tǒng)取代化油器系統(tǒng)是摩托車未來的發(fā)展趨勢。(3)采用二次空氣噴射技術(shù)。(4)采用排氣催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。(5)采用廢氣再循環(huán)技術(shù)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、

12、微型電子計算機的研究開發(fā)和應(yīng)用將給內(nèi)燃機的發(fā)展注入新的活力，使內(nèi)燃機更節(jié)能、排放更清潔成為可能，尤其是在大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動下所產(chǎn)生的微型計算機以其低價、輕巧、高速、可變等優(yōu)點己成為汽車技術(shù)發(fā)展的主要動力之一，同時高性能、多功能的傳感器的開發(fā)也加速了微機在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。這些技術(shù)最終促進了電控燃油噴射技術(shù)的誕生，電控燃油噴射技術(shù)可以有效降低發(fā)動機的油耗和排放水平。電子控制燃油噴射系統(tǒng)不但能滿足發(fā)動機各種工況對空燃比和點火提前角的不同要求，汽油霧化質(zhì)量也比化油器大為改善，使排放特性、燃油經(jīng)濟性和動力性達(dá)到最佳，而且具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性和進氣密度，從而使充氣效率和加速性得到了改善。另外電子

13、控制燃油噴射系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制方式，可滿足三效催化劑對空燃比的嚴(yán)格要求，以此來滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)。就我國目前狀況而言，在汽車行業(yè)由于引進國外成型技術(shù)，電控燃油噴射技術(shù)已經(jīng)普及，汽車已經(jīng)拋棄了化油器。但是由于成本和技術(shù)的問題，摩托車電噴還沒有怎么普及，市場潛力還是很大的。1.1.2 相關(guān)背景我校節(jié)能車創(chuàng)新開發(fā)室是一個專門為參加節(jié)能車比賽而成立的實驗室，主要研究小排量發(fā)動機（125cc甚至更低）的節(jié)油技術(shù)。節(jié)能車比賽要求用大賽提供的125cc本田發(fā)動機進行改造，自制比賽車輛，使用最少的燃油，在規(guī)定的時間內(nèi)跑完規(guī)定的路程。此項比賽就是要挑戰(zhàn)燃油的行駛極限。我校節(jié)能車隊在歷年的比賽中都取得了輝

14、煌的成績。更在2009年的上海比賽中以1279.565km/l的成績獲得全國冠軍，創(chuàng)下了國內(nèi)記錄，如圖1-1所示。作者就是其中主要隊員之一。由于比賽限制，一直以來實驗室研究的都是化油器。但是今年報名參加了殼牌公司在馬來西亞舉辦的殼牌生態(tài)馬拉松比賽，這個比賽的歷史更加久遠(yuǎn)，而且是針對整個亞洲區(qū)的比賽，比賽的組別也更加豐富，沒有了對電噴的限制。于是實驗室成立隊伍，專門制作參加這個比賽的車輛，如圖1-2所示。作者主要負(fù)責(zé)車輛電噴的設(shè)計，制作，試驗及調(diào)試工作。圖1-1 獲得冠軍（左）和季軍的節(jié)能車圖1-2 使用自制電噴系統(tǒng)并即將參加比賽的節(jié)能車1.2 國內(nèi)外電噴技術(shù)發(fā)展簡介電控汽油噴射系統(tǒng)的最初設(shè)想是

15、從年美國bendix公司試制電控噴油器開始的，但由于當(dāng)時電子技術(shù)水平限制，此項研究成果沒有得到實際應(yīng)用。德國bosch公司于1962年著手開發(fā)電子控制噴射汽油噴射系統(tǒng)，經(jīng)過幾年的努力，1967年研制出速度一密度式的djetronic電控汽油噴射系統(tǒng)，它利用進氣歧管的絕對壓力信號和模擬計算機來控制空燃比，并裝在大眾公司的轎車上，開創(chuàng)了汽油噴射電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用歷史。接著在1972年bosch公司又開發(fā)了ljetronic電子控制噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用葉片式空氣流量計直接測量進入發(fā)動機的空氣體積流量來控制空燃比，它比用進氣歧管絕對壓力間接控制的方式精度高、穩(wěn)定性好。之后進一步發(fā)展成為lhjetron

16、ic系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可精確測量空氣流量，又能隨時補償大氣壓力和溫度的影響，而且進一步減少了進氣阻力，其響應(yīng)速度更快，性能更加優(yōu)越。1977年，德國bosch公司首先研制出了由氧傳感器及三元催化轉(zhuǎn)換器組成的閉環(huán)空燃比控制系統(tǒng)，并裝配在2.1升volvo發(fā)動機上。由于排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，這種控制系統(tǒng)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了普遍的推廣和使用。1979年到1982年這四年中，發(fā)動機電控系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，世界上各大汽車生產(chǎn)廠家都推出了自己的產(chǎn)品，除bosch公司外，還有g(shù)m公司的efi系統(tǒng)和tbi系統(tǒng)，ford公司的eec-和eec-系統(tǒng)，chrysler公司的cfi系統(tǒng)，日產(chǎn)的eccs系統(tǒng)，豐田的tccs

17、系統(tǒng)，三菱的ect-jet系統(tǒng)和lucas的ems系統(tǒng)等。與此同時，各種高質(zhì)量的傳感器、執(zhí)行器及汽車專用控制芯片也得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在的汽車領(lǐng)域依然淘汰了化油器，全部改成了電噴13。從1995年開始，國內(nèi)摩托車企業(yè)對電噴技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，陸續(xù)進入摩托車電噴領(lǐng)域。由于企業(yè)沒有電噴技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)，所以技術(shù)引進往往需要花費大量的資金，直接結(jié)果是電噴摩托車的價格居高不下，加上我國摩托車排放法規(guī)相對滯后，國產(chǎn)摩托車電噴化的進程就顯得非常緩慢。從2001年開始，國外許多電噴系統(tǒng)的知名企業(yè)開始進入我國市場，而國內(nèi)一些企業(yè)和科研機構(gòu)的電噴成果也層出不窮，與此同時，我國部分城市對摩托車的排放提出了更加嚴(yán)格的

18、要求，所以國產(chǎn)摩托車電噴化的步伐明顯加快。1995年，海南新大洲公司的領(lǐng)導(dǎo)在“北京國際內(nèi)燃機國際交流會”上對澳大利亞澳必托公司的燃油直噴技術(shù)產(chǎn)生興趣，雙方進行了互訪，隨后確立了合作意向,在1998年9月18日新聞發(fā)布會上推出xdz50dqt型電噴摩托車，其卓越表現(xiàn)令在場觀眾震驚不已，但是這個是屬于技術(shù)引進型的合作。2001年，海南新大洲摩托車股份有限公司、日本本田技研株式會社和天津摩托集團有限公司合資組建了新大洲本田摩托有限公司，在日本本田的技術(shù)支持下，繼續(xù)進行電噴的研究。1999年，春蘭推出首輛電噴摩托車樣車。2000年，春蘭cll25-6型電噴摩托車開始正式上市。2003年，春蘭集團對原四

19、沖程發(fā)動機的電噴系統(tǒng)做了改進，并將其成功運用到出口歐洲的125踏板車上。此次改進后的電噴系統(tǒng)，傳感器部分和燃油供油系統(tǒng)均為小型摩托車專用設(shè)計。其中傳感器數(shù)量也由6個減少到了4個；燃油供給系統(tǒng)通過采用燃油泵、調(diào)節(jié)器和濾油器的一體化設(shè)計，減少了管線數(shù)量，并采用了容積只有過去一半大小的噴油器，實現(xiàn)了整個油路系統(tǒng)的輕量化和小型化。重慶力帆實業(yè)有限公司的電噴項目的研究主要集中在1999-2002年，曾被列為“2002重慶市信息化帶動工業(yè)化80項重點項目” 之一。2000年，力帆集團推出了首輛電噴樣車，2001年，力帆lfl50一a型電噴摩托車開始試生產(chǎn)銷售。2001年后在自主成功開發(fā)了電噴摩托車后，便在

20、國內(nèi)和產(chǎn)品出口國申請了注冊專利。力帆項目的創(chuàng)新點主要集中在軟件開發(fā)上，為此成立了“重慶力帆電噴有限公司”，如今的電噴軟件已經(jīng)由過去的第一代、第二代發(fā)展為新二代。2001年，天津摩托車技術(shù)中心對外宣布，研制成功了一種適用于四沖程進氣道和二沖程缸內(nèi)直噴的fai燃油電噴系統(tǒng)。2000年，湛江德利化油器有限公司宣稱，該公司與清華大學(xué)合作的摩托車電噴系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)成功，并推出了首輛電噴樣車。2002年3月，武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院顏伏伍，鄒斌等人開發(fā)了lhl50摩托車電噴系統(tǒng)，并成功投入生產(chǎn)使用。2002年11月，廣摩集團的五羊wyl2514d型電噴摩托車開始在部分地區(qū)試銷售。2003年1月13日，國家環(huán)?？?/p>

21、局正式公布了摩托車排放污染防治技術(shù)政策，明確規(guī)定：2004年新定型的摩托車(不含輕便摩托車)產(chǎn)品污染物的排放，應(yīng)當(dāng)達(dá)到相當(dāng)于歐盟第二階段排放控制水平，而“電控燃油噴射技術(shù)”成為該政策推薦的技術(shù)措施之一。2006年6月11日的公告指示：全國范圍內(nèi)，所有制造、銷售、注冊登記的兩輪摩托車和兩輪輕便摩托車自2010年7月1日起、三輪摩托車和三輪輕便摩托車自2011年7月1日起，其大氣污染物排放須符合國三標(biāo)準(zhǔn)要求，同時停止制造、銷售、注冊登記不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的相應(yīng)類型的車輛。國三標(biāo)準(zhǔn)型式核準(zhǔn)要求的實施時間不變。政策的出臺，推動了電噴的發(fā)展，摩托車行業(yè)電噴化將是一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。1.3 深入研究過的兩套電

22、噴為了制作自己的電噴，作者首先深入研究了幾款較為成熟的電噴。浙江飛亞電子有限公司是專門從事小型發(fā)動機管理系統(tǒng)（即電噴）的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技公司。其生產(chǎn)的電噴系統(tǒng)比較成熟。他們有自己自主研制的噴油器，如圖1-3所示。圖1-3 fai噴油器原理透視圖和實物圖fai噴油器是一款動力噴嘴，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為機械能，通過機械能噴射和霧化燃油。它是由通過電脈沖驅(qū)動的，包含一個獨立的自由電樞，故稱為自由電樞噴射技術(shù)。這個噴油器能直接產(chǎn)生噴油壓力，不需要外部的油泵，控制方便，噴油流量適用于90-150cc單缸四沖程發(fā)動機，安裝與使用簡單。它的成套產(chǎn)品安裝簡單，可以直接使用。但是其內(nèi)部參數(shù)無法修改，并且

23、屬于動力電噴，在我們對發(fā)動機進行了大量機械改造之后，其控制參數(shù)就無法滿足我們的要求。通過使用示波器對其控制信號做測試后，摸清了其內(nèi)部的控制策略，雖然最后沒有使用，但對作者制定控制方案起到了指導(dǎo)作用。隨后又從光印電子公司購得其自制的動力電噴，其噴油器是和節(jié)氣門體組裝在一起的，但是需要用專門的油泵給燃油加壓，給噴油器提供高壓油。其配套的電控單元是可以調(diào)節(jié)參數(shù)的，也可以在線調(diào)諧，有專門的上位機調(diào)試軟件。但是它的噴油器噴射的燃油位置比較偏，不在進氣道的中心，這樣油氣的混合效果一般。而且它的調(diào)諧軟件可以調(diào)節(jié)的參數(shù)很多，而且比較復(fù)雜，作者也是用了很長時間的試驗和測試才漸漸掌握了它的控制策略。不建議剛接觸電

24、噴的用戶使用，因此還沒有大批量裝車。實物如圖1-4所示。其流量與噴射脈寬的關(guān)系如圖1-5所示。圖1-4 光印噴油器及其節(jié)氣門體圖1-5 3種驅(qū)動電壓（12.2v、13.2v、14.2v）下不同噴射脈寬對應(yīng)的流量(ml)1.4 論文的主要內(nèi)容及工作安排本文介紹發(fā)動機上傳感器選擇和安裝，選擇合適的單片機，設(shè)計信號處理電路，執(zhí)行器控制電路，指示燈電路，及上位機通訊電路。按照模塊化的思想，由簡到繁地編寫控制程序，逐漸精確地控制執(zhí)行器。最后用自己設(shè)計的控制程序和飛亞的電噴、化油器進行了對比試驗，并根據(jù)實際結(jié)果調(diào)整控制思路和程序，實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)定可靠工作并且省油的目的。第二章介紹電噴的控制電路設(shè)計，第三章介

25、紹軟件控制思想，第四章介紹實際對比試驗和實驗數(shù)據(jù)分析，第五章總結(jié)與展望。第二章 電噴控制電路設(shè)計2.1電噴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電噴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。信號調(diào)理電路曲軸位置傳感器凸輪軸位置傳感器節(jié)氣門位置傳感器發(fā)動機溫度傳感器空氣溫度傳感器微控制器mc9s12xs128噴油驅(qū)動電路油泵驅(qū)動電路點火驅(qū)動電路圖2-1 電噴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工作過程：系統(tǒng)上電后，微控制器復(fù)位，各模塊初始化。點火啟動后，檢測曲軸位置信號獲得轉(zhuǎn)速及噴油起始時刻，通過檢測凸輪軸位置信號判斷是否噴油，并檢測節(jié)氣門位置信號，通過轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置，得到噴油脈寬和點火提前角。同時檢測發(fā)動機溫度傳感器和空氣溫度傳感器信號對噴油脈寬進

26、行修正，發(fā)出點火和噴油信號，使發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。2.2 發(fā)動機相關(guān)簡介2.2.1 發(fā)動機簡介如圖2-2所示，是單缸四沖程125cc汽油發(fā)動機的實物圖、示意圖及其工作過程。 圖2-2 四沖程汽油機實物圖（左）、示意圖（中）和工作過程發(fā)動機都有啟動電機，我們比賽是使用電啟動，給啟動電機通電后，電機帶動曲軸開始轉(zhuǎn)動，曲軸帶動活塞上下運動，同時通過鏈條帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動。凸輪軸轉(zhuǎn)動可以打開和關(guān)閉進氣門和排氣門。進氣門打開后，就會有混合氣進入燃燒室，在活塞運動到上止點前一定角度（我們稱之為點火提前角）火花塞點火，引燃混合氣，這樣發(fā)動機運轉(zhuǎn)就有了動力，發(fā)動機就會運轉(zhuǎn)下去，此后啟動電機就不再轉(zhuǎn)動。只要有源源不斷的

27、燃油供給，發(fā)動機就能一直運轉(zhuǎn)下去。發(fā)動機正常工作時，每個工作循環(huán)包括四個工作過程：進氣沖程，壓縮沖程，做功沖程，排氣沖程。在進氣沖程中，活塞從上止點向下止點移動，此時，隨活塞的下移，汽缸容積增加，在汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空度，因此吸入混合氣；而在壓縮形程中，活塞從上止點向上止點運動，此時已進入氣缸內(nèi)的混合氣被壓縮?；旌蠚獾膲嚎s程度越高，燃燒后爆發(fā)壓力就越大。則作用在活塞頂上的壓力也就越強；在做功沖程中，已壓縮的可燃混合氣被點燃而燃燒。燃燒所產(chǎn)生的爆發(fā)壓力推動活塞做功，并對外輸出；在排氣沖程中，通過活塞的向上運動，將氣缸內(nèi)燃?xì)馔瞥鰵飧淄?。曲軸旋轉(zhuǎn)兩周完成一個工作循環(huán)并對外輸出一次功。 電噴就是控制噴油器在

28、每個工作循環(huán)的合適的時間噴射足夠的燃油，在壓縮上止點前一定角度點火，根據(jù)不同的發(fā)動機工況來調(diào)整噴油量，既能保證正常工作，又能達(dá)到省油的目的。2.2.2 發(fā)動機有關(guān)傳感器和相關(guān)信號介紹曲軸位置傳感器：與曲軸相連的飛輪上會有一個凸臺，而在外殼的固定位置會有一個可變磁阻傳感器，當(dāng)凸臺運動接近傳感器時，磁通量增大；凸臺離開，磁通量減小。飛輪的運動引起磁通量變化，于是感應(yīng)出與磁通量變化速率成正比的電壓信號，如圖2-3所示。圖2-3 示波器采集的幾種信號圖2-3中1通道信號就是曲軸位置傳感器的信號。這個信號可以通過一定的電路處理后，成為相對應(yīng)的峰值為5v的方波信號被單片機采集。但是我們后來對發(fā)動機這一部分

29、進行了改造，去掉了飛輪和外殼，也就沒有了傳感器。但是為了表征這個信號，我們在其原裝傳感器的位置安放一個霍爾開關(guān)量傳感器，在啟動離合器上安放一個磁鐵，同樣能產(chǎn)生方波信號。這個信號能被一般的點火器識別，同樣可以被單片機采集。安裝如圖2-4所示。傳感器比較小，為此專門設(shè)計了一塊傳感器電路板，其pcb圖和實物圖如圖2-5所示。其中包括傳感器的供電電路和輸出信號處理電路。圖2-4 改裝的曲軸位置傳感器安裝圖2-5 傳感器電路板的pcb圖和實物圖凸輪軸位置傳感器：原裝的發(fā)動機是沒有這里的傳感器，但是為了準(zhǔn)確的判斷出沖程，在正時鏈盤上安裝一塊磁鐵，同樣在表征壓縮沖程的位置安放一塊霍爾開關(guān)量傳感器。其安裝位置

30、如圖2-6所示。圖2-6 凸輪軸位置傳感器的安裝方法節(jié)氣門位置傳感器：節(jié)氣們體上有節(jié)氣門位置傳感器，是一個電位計。對于這種傳感器可以先給接上5v的電壓，用單片機的a/d模塊采集可變電阻的電壓值，這個電壓在0-5v之間，和節(jié)氣門的開度呈線性關(guān)系。如圖2-7所示。節(jié)氣門位置傳感器圖2-7 節(jié)氣門位置傳感器溫度傳感器：使用熱敏電阻式傳感器，同樣是需要給傳感器供電，把電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，然后測其電壓隨溫度的變化。溫度傳感器用在測發(fā)動機缸溫和進氣溫度上。實物如圖2-8所示。圖2-8 溫度傳感器氧傳感器：用來測尾氣中的氧含量，實現(xiàn)閉環(huán)控制，但由于目前技術(shù)不怎么成熟，暫時沒有采集，先進行開環(huán)控制。2

31、.2 單片機的功能簡介及其最小系統(tǒng)的設(shè)計2.2.1 單片機的功能簡介我選擇的單片機是飛思卡爾公司生產(chǎn)的專用于汽車電子行業(yè)的單片機，型號為mc9s12xs128。這是一款16位cpu的單片機，8k的ram，128k的flash。作者選用的是112管腳的貼片式封裝單片機。這款單片機采用功能模塊化設(shè)計，共包含10余種功能模塊。對于時鐘信號，可以接受外部晶振的信號，同時可以內(nèi)部鎖相環(huán)進行超頻操作，以提高運算速度?？偩€頻率最高可以達(dá)到60mhz。112個管腳包含5個供電管腳和9個接地管腳，特定模塊使用的管腳，多達(dá)91個通用i/o口，如圖2-9所示。因此這塊單片機的gpio口很多，可以同時實現(xiàn)很多功能。圖

32、2-9 mc9s12xs128管腳說明本系統(tǒng)用到的?？欤簝?nèi)部16路a/d轉(zhuǎn)化模塊，可轉(zhuǎn)化成8位，10位，12位精度的數(shù)字量，單次轉(zhuǎn)化時間3us，同時管腳可用作數(shù)字i/o口；8個通道，16位輸入捕捉或輸出比較通道（tim），可以捕捉到輸入波形的上升沿，下降沿，以及產(chǎn)生方波信號；4個周期中斷定時器（pit），可以對總線時鐘進行1-分頻，精確定時中斷；兩個串行通信接口（sci），可與周邊設(shè)備和其他cpu進行異步串行通信；8通道8位可復(fù)用為4通道16位的脈寬調(diào)制器（pwm）；1m bit/s的can 2.0，支持汽車can通信。2.2.2 最小系統(tǒng)的設(shè)計單片機要正常工作，首先需要搭建其最小系統(tǒng)。包括：

33、供電電路，時鐘電路，復(fù)位電路，程序下載口。供電電路:車載電瓶是12v，但是單片機需要5v供電，因此使用lm2596-5.0v芯片，把12v電壓轉(zhuǎn)成5v。電路圖如圖2-10所示。圖2-10 電源電路時鐘電路：我選擇的是12mhz的無源晶振來產(chǎn)生時鐘信號，單片機上是第46（extal）管腳和47（xtal）管腳接受時鐘信號。如圖2-11所示。圖2-11 時鐘電路復(fù)位電路：42（reset）管腳平時接高電平，需要復(fù)位時接地即可。如圖2-12所示。圖2-12 復(fù)位電路程序下載口：這款單片機有專門的jtag程序下載器，所以程序下載口就比較簡單。如圖2-13所示。圖2-13 程序下載電路2.3 外圍電路設(shè)

34、計由于發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)時各種電磁干擾會比較大，信號噪聲大，同時為了保護單片機，一般的信號不直接接入單片機，都設(shè)計了信號的調(diào)理電路。首先要把發(fā)動機原裝的信號轉(zhuǎn)化成方波信號，這樣才能被單片機采集。用模擬電路實現(xiàn)限幅，濾波，比較整形。發(fā)動機改裝后的方波信號，也可以先經(jīng)過這個電路再進入單片機。如圖2-14所示。因為需要采集2組以上的方波信號，因此直接設(shè)計了三組這樣的電路，連接在3個輸入捕捉管腳上，分別為pt4、pt5、pt6口。圖2-14 曲軸信號處理電路模擬量輸入，在輸入端設(shè)計了一個低通濾波電路對信號進行一下處理，預(yù)留四路a/d口做模擬量的采集。如圖2-15所示。圖2-15 模擬量處理電路此外，對于信

35、號輸入端，設(shè)計了開關(guān)量處理電路。可以把電瓶的電壓作為一種外部控制信號，只代表2種狀態(tài)：開與斷，來處理一些簡單的事件。例如解決某些事件只在開關(guān)導(dǎo)通時執(zhí)行，開關(guān)斷開時不執(zhí)行。如圖2-16所示。圖2-16 開關(guān)量處理電路需要控制的執(zhí)行器包括高壓包、噴油泵和噴油器等，這些都是帶線圈的器件。它們是通過電瓶供電，在控制時只要導(dǎo)通一定時間(ms級)即可。但是一般線圈電阻都在10以內(nèi)，通電時電流都比較大，因此選擇功率型mosfet作為噴油泵和噴油器的驅(qū)動芯片，用igbt驅(qū)動高壓包來點火，同時為了單片機的安全和提高mosfet芯片驅(qū)動端的驅(qū)動電流，在單片機和驅(qū)動芯片之間加了一個同向器。如圖2-17所示。圖2-1

36、7 執(zhí)行器驅(qū)動電路為了能實現(xiàn)于上位機的通訊，設(shè)計了串口通信電路。單片機的電平是ttl電平，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片（max232）把電平轉(zhuǎn)化成rs232電平。電路如圖2-18所示。圖2-18 串口電路此外，為了對程序的執(zhí)行效果做一個外部的判斷，用pa口控制8個發(fā)光二極管做指示燈，這些二極管用gpio口直接驅(qū)動，共陰極設(shè)計。最終控制系統(tǒng)電路原理圖如圖2-19所示。圖2-19 控制系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計完原理圖之后，自學(xué)了protel_dxp軟件的pcb繪制功能，使用軟件把原理圖繪制成一塊電路板。為了節(jié)省空間，元器件全部采用貼片芯片，畫成雙層板。畫電路板經(jīng)歷了選擇封裝，布局，布線及覆銅等幾個過程，最后經(jīng)過認(rèn)

37、真檢查和學(xué)長的審核后交給加工廠加工出來。電路板元器件全部自己焊接，調(diào)試，經(jīng)驗證電路板能工作正常，各個功能模塊均可以使用。最后的電路板如圖2-20所示。圖2-20 電噴控制系統(tǒng)電路板正反面第三章 電噴程序設(shè)計3.1 編程環(huán)境的使用方法作者使用的單片機有公司發(fā)布的編程環(huán)境，名稱為freescale codewarrior, 作者使用的是5.0版本的。這個軟件可以在公司官網(wǎng)下載到，支持這家公司出產(chǎn)的所有型號的單片機。安裝后打開會出現(xiàn)如圖3-1所示界面。圖3-1 單片機編程環(huán)境要想編寫程序，先要創(chuàng)建一個工程，然后選擇自己使用的芯片，如圖3-2所示。隨后修改好工程的名字和存儲地址，按下一步即可，如圖3-

38、3所示。圖3-2 選擇芯片圖3-3 修改文件名和地址最后就會進入如圖3-4所示的界面，使用者就可以在文件里面編寫自己的程序了，這個軟件可以對程序進行編譯，然后會提示錯誤，警告。如果編譯成功，可以連接下載器，把程序下載到單片機里面，而且軟件還支持在線調(diào)試，可以在連接下載器的情況下看到程序的運行情況。圖3-4 編程界面3.2 程序的模塊化設(shè)計為了使得程序易讀易修改，作者采用模塊化的思想編寫程序，把各個功能模塊的程序?qū)懗勺映绦?，這樣在使用時只需要調(diào)用這些子程序即可，可以隨時增加功能，同時在程序重要的語句加入了注釋。舉例說明一下。首先要進行程序鎖相環(huán)，做超頻操作，設(shè)為內(nèi)部時鐘。/*void pll_i

39、nit(void);*/void pll_init(void) pllctl=0x00; /禁止pll postdiv=0x00; / fpll=fvco synr_vcofrq=1; / 36mhz=fvco=48mhz synr_syndiv=7; / fvco=2*fosc*(syndiv+1)/(refdiv+1) fosc=12mhz refdv_reffrq=1; / 2mhzfref=6mhz refdv_refdiv=2; / fbus=fpll/2=32mhz pllctl=0x5f; /打開pll copctl=0x00; /禁止看門狗 while(crgflg_lock=

40、0); /等待鎖相環(huán)穩(wěn)定 clksel=0x80; /設(shè)定為內(nèi)部時鐘 這樣內(nèi)部總線時鐘頻率為32mhz，已經(jīng)可以滿足自己的使用要求。對于方波信號需要使用輸入捕捉和輸出比較模塊。其初始化程序如下：/*void ect_init(void);*void ect_init(void) tios_ios1=1; /t1口輸出比較，控制噴油 tios_ios2=1; /t2口輸出比較，控制油泵 tios_ios4=0; /t4口輸入捕捉凸輪信號 tios_ios5=0; /t4口輸入捕捉曲軸信號 tscr2=0x07; /定時器128分頻 32mhz/128=250k tscr1=0x80; /定時器使

41、能 ，不使用精確時鐘 tctl3_edg4b=0; /t4口捕捉上升沿 tctl3_edg4a=1; tctl3_edg5b=0; /t5口捕捉上升沿 tctl3_edg5a=1; tie_c4i=1; /t4口輸入捕捉中斷使能 tie_c5i=1; /t5口輸入捕捉中斷使能 tie_c1i=0; /t1輸出比較中斷禁止 tie_c2i=0; /t2輸出比較中斷禁止 tie_c3i=0; /t3輸出比較中斷禁止 tie_c0i=0; tscr2_toi=1; /定時器溢出中斷使能需要用到a/d采集，其初始化程序如下：/*void atd_init()*/void atd_init() atd0

42、ctl0 = 0x00; /轉(zhuǎn)換完an1之后跳轉(zhuǎn)回an0繼續(xù)轉(zhuǎn)換 atd0ctl1 = 0x40; /an0通道，12位精度 00 8位 20 10位 atd0ctl2_affc=1; /快速標(biāo)志位清零順序，每次讀取結(jié)果寄存器自動清零 atd0ctl3 = 0x90;/右對齊方式,序列長度2,無fifo 無freeze atd0ctl4 = 0x07; / 4*a/d時鐘周期,prs=7 /f(atdclk)=f(bus)/(prs+1)/2=32m/8/2=2m atd0ctl5 = 0x30; /多通道轉(zhuǎn)換 ,連續(xù)轉(zhuǎn)換,起始轉(zhuǎn)換通道pad0, /不使用特殊通道 atd0dien=0x00;

43、 /禁止數(shù)字輸入 對于噴油泵的控制需要用到定時中斷功能void pump_init(void)pitce_pce0= 1;/使用pit0；pitmux_pmux0 = 0;/channel0 connected to micro time base 0;pitinte_pinte0 = 1;/channel0 interrupt enable;pittf_ptf0= 1;/channel0 timeout flag (ptf) enable;pitld0= 0xffff;/pit timer load register 0pitmtld0= (byte) microtimer;/pit mic

44、ro timer load register 0,micro timer0 2.048ms/unit;pitcflmt_pflmt0 = 1;/force load micro timer 0pitflt_pflt0 = 1; /force load timer 0 pitcflmt_pite= 1;這樣的好處就是，在主程序中需要用到哪一個模塊，只需要調(diào)用一下這些子函數(shù)即可。若暫時不需要用到，只要屏蔽掉即可，對于程序的修改很方便。同樣的在為了實現(xiàn)某些功能，需要不同的子程序，這時作者也選擇把程序編寫成子程序的形式，在需要的情況下調(diào)用出來。例如，對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速（即曲軸轉(zhuǎn)速），單位轉(zhuǎn)/分，通過采集連

45、續(xù)兩次曲軸信號的上升沿，計算之間的時間差得到周期，周期的倒數(shù)就是頻率，這個頻率相當(dāng)于轉(zhuǎn)/秒，乘以60得到轉(zhuǎn)速。但是由于外界信號的干擾會使得會偶爾出現(xiàn)與實際轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)偏差很多的數(shù)據(jù)，所以要使用轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)做一些控制的話，需要對轉(zhuǎn)速做濾波處理。因此專門寫了轉(zhuǎn)速濾波子程序，思路是把連續(xù)采集到的5個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值，然后取剩下3個值的平均值作為濾波后的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。類似的模塊化的子程序很多，主要為了實現(xiàn)不同的功能而編寫。3.3 噴油時刻的確定和噴油量的計算通過查閱相關(guān)資料和書籍（參見文獻(xiàn)1），可以看到對于噴油時刻和噴油量的計算是多種多樣的。作者經(jīng)過理論知識的對比研究和結(jié)合自己的實際試驗條件，確定自己的

46、控制方法。3.3.1 汽油機功率的控制方法和空燃比一般發(fā)動機的輸出功率是通過駕駛者操縱油門來控制的，對汽油機來說，油門的操作直接改變節(jié)氣門開度，由此調(diào)節(jié)進入氣缸的空氣量，并對應(yīng)這個空氣量，按規(guī)定的空燃比，供給適量的汽油，以獲得所需要的功率。汽油機氣缸內(nèi)燃燒的是由空氣和汽油混合而形成的可燃混合氣，所輸出的功率大小及排氣成分隨混合比的不同而變化。由碳?xì)浠衔锝M成的汽油與空氣中的氧，按下式進行燃燒化學(xué)反應(yīng)： （3-1） 混合氣中的空氣和汽油的質(zhì)量之比，稱為空燃比，理論空燃比約等于14.7。而扭矩在空燃比等于12.5，比理論空燃比稍微濃時出現(xiàn)峰值。使扭矩最大的空燃比稱為功率空燃比。發(fā)動機的性能與空燃比

47、有密切的關(guān)系。因此精確控制空燃比非常重要。3.3.2 空氣量的檢測方法檢測進氣空氣量的方法有直接和間接兩種。直接檢測方式稱為質(zhì)量流量式；間接檢測方式分為速度-密度方式和節(jié)氣門-速度方式兩種。質(zhì)量流量方式，是通過空氣流量計直接測量進氣空氣流量。速度-密度方式，是通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣管內(nèi)的壓力，來推算每循環(huán)的進氣空氣量，據(jù)此推算汽油噴射量。這種方法可以獲得較好的燃油量調(diào)節(jié)精度，但是進氣管壓力和進氣量之間不是簡單的函數(shù)關(guān)系，為了測出過渡狀態(tài)下的進氣流量，需要進行修正。而且，作為排氣進化措施，進行排氣再循環(huán)（egr）時，由于進氣內(nèi)壓力發(fā)生變化，給進氣量的檢查帶來一定的困難。節(jié)氣門-速度方式是通過節(jié)氣門

48、開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速來推算每循環(huán)的進氣空氣量。并以此為依據(jù)推算出汽油噴射量。這種方法過渡響應(yīng)性好。考慮到自己的實際試驗條件，決定采用這種方式來計算噴油量。3.3.3 汽油噴射方式噴射位置分為缸內(nèi)噴射和進氣管噴射，進氣管噴射又分為多點噴射和單點噴射。由于缸內(nèi)噴射對于噴油器的要求很高，所以選擇進氣道單點噴射。噴射時間分為連續(xù)噴射和間歇噴射。間歇噴射又可分為與轉(zhuǎn)速同步噴射和非同步噴射-頻率同步噴射。作者經(jīng)過試驗對比和驗證，決定采取與轉(zhuǎn)速信號同步的間歇噴射方式。3.3.4 溫度修正系數(shù)啟動冷態(tài)發(fā)動機時，或者夏天發(fā)動機停機10min-30min，然后再從熱發(fā)動機狀態(tài)啟動時，均需要增加燃油噴射量。這是因為，在

49、低溫時燃油附著部分的表面溫度也低，所以燃油蒸發(fā)不良，而高溫時，在燃油內(nèi)易發(fā)生蒸發(fā)。無論低溫高溫，只用基本噴射時間噴射的燃油量得出的發(fā)動機實際空燃比相對目標(biāo)空燃比稀。所以若不進行相應(yīng)的加濃修正的話將會造成怠速不穩(wěn)。1）啟動加濃修正系數(shù)。發(fā)動機冷態(tài)啟動時，在發(fā)動機著火（發(fā)動機能自力維持運轉(zhuǎn)的狀態(tài)）后的數(shù)十秒時間內(nèi)，進行啟動加濃修正。發(fā)動機啟動時的溫度越低，所需要的燃油增加量就越多，修正時間就越長。啟動加濃修正系數(shù)，主要考慮低溫啟動后，由于進氣門、氣缸內(nèi)壁等溫度低而造成的汽油氣化不良現(xiàn)象。例如，即使向發(fā)動機供給能實現(xiàn)理論空燃比的汽油量，因汽油氣化不良，附在壁面上的汽油不能與空氣混合，所以，實際參與燃

50、燒的混合氣就變稀了。啟動后，在ecu內(nèi)的加濃修正處理按以下順序進行：根據(jù)啟動時的缸溫，確定啟動后加濃修正系數(shù)的初值。發(fā)動機著火后，開始修正噴射持續(xù)時間，每隔一定發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)，或者每隔一定時間，減少一次啟動后加濃修正系數(shù)。2）暖機加濃修正系數(shù)。暖機加濃修正系數(shù)也是發(fā)動機處于冷態(tài)時增加燃油噴射量的修正系數(shù)，與上述啟動加濃修正同時進行加濃修正。啟動加濃修正在發(fā)動機著火后數(shù)十秒內(nèi)就結(jié)束，但暖機加濃修正一直進行到缸頭溫度達(dá)到預(yù)定值為止。3）高溫加濃修正系數(shù)。需要高溫修正的運行模式，例如有這樣的情況，汽車在高溫下高速行駛后，發(fā)動機熄火，經(jīng)10-30min后再啟動，這種再啟動后的2-3min內(nèi)就需要修正。因為

51、，在高速行駛時，汽油的溫度由于行駛迎面風(fēng)的冷卻作用最高也只上升到50左右。但若此時停止發(fā)動機，則發(fā)動機作為熱源，可使汽油溫度上升到80-100左右。如果汽油溫度上升到這樣的高的程度，在噴油器內(nèi)的汽油就沸騰，產(chǎn)生蒸氣。一旦發(fā)生蒸氣，則由噴油器噴射汽油中含有蒸氣泡，使實際噴射的汽油量減少，造成混合氣變稀。3.3.5 加減速運轉(zhuǎn)修正系數(shù)在發(fā)動機加速、減速等過渡工況下，只靠基本噴油量，空燃比就會偏離目標(biāo)值。一般加速時混合氣變稀，而減速時變濃，所以分別需要加濃或變稀修正。如果加減速時不進行修正，會發(fā)生熄火、抖動、回火等現(xiàn)象，而且，有害排放物也增加。1）加速修正。相對進氣管壓力，以350kpa-400kp

52、a高壓噴射的大部分汽油都附著在進氣門及其附近的表面上。這種附著燃油的蒸發(fā)速度受進氣管壓力和附著部分表面溫度的強烈影響。當(dāng)進氣壓力越高（這里指絕對壓力，所以對應(yīng)大負(fù)荷），或附著部分表面溫度越低，燃油的蒸發(fā)就越慢。在加速工況下，進氣管內(nèi)壓力升高，而附著燃油的蒸發(fā)速度卻降低，所以造成附著的燃油量增加。在一定時間間隔內(nèi)，負(fù)荷變化量越大，意味著進氣壓力變化越大，對應(yīng)的修正量就增加。2）減速修正。當(dāng)減速行駛時，由于節(jié)氣門關(guān)閉，進氣管壓力隨之降低。因此，促進了在進氣門及其附近附著的汽油的蒸發(fā)，使得空燃比與加速時相反而加濃，需要減小噴油量。3.3.6非同步噴射所謂非同步噴射，是指于曲軸轉(zhuǎn)角不同步的急加速時的臨

53、時性噴射。前面的加速修正是指與曲軸轉(zhuǎn)角同步噴射的加濃修正系數(shù)。同樣是加速修正的非同步噴射，是用來修正在同步噴射時汽油供給來不及所造成的在急加速工況下混合比變稀的部分。3.3.7 回歸理論空燃比的反饋修正作為排放控制的有效措施，在汽車領(lǐng)域都采用三效催化裝置。三效催化劑只在理論空燃比附近才能有效地對co、hc進行氧化，同時對進行還原，并將這些有害成分轉(zhuǎn)化為、等無害成分。換句話說，當(dāng)空燃比比理論空燃比稀時就排出，當(dāng)空燃比比理論空燃比濃時就排出co和hc。所以，為了有效地利用三效催化充分凈化排氣，需要將空燃比高精度地控制在理論空燃比附近。但是，能同時有效地凈化co、hc、的空燃比范圍非常窄，故開環(huán)控制不能滿足要求。實現(xiàn)三效催化劑所要求的空燃比的方法，就是通過氧傳感器信號進行的回歸理論空燃比的反饋控制。1）空燃比的反饋控制。氧傳感器在理論空燃比附近輸出電壓急劇的變化。ecu通過將氧傳感器的輸出電壓和表示理論空燃比的基準(zhǔn)電壓進行比