MC68HC9S12单片机的发动机电喷系统设计

　　1 概述

　　电控喷射技术是汽车发动机节能环保的重要技术措施，目前汽车行业已经普遍实现电喷化，摩托车行业也已出产了多款电喷车。国内外开展了对摩托车用汽油机电喷的研究。新大洲本田摩托有限公司的“XDZ50DQT电喷摩托车项目”曾在2000年被有关方面确定为国家技术创新项目。2003年春兰集团对原有电喷系统做了改进，成功运用到出产欧洲的125踏板车上，通过CDI无触点电子点火装置智能控制点火角度，使发动机在任何工况下都能达到最佳状态。天津内燃机研究所进行了大量基础理论研究，已有较多的研究成果。天津摩托车技术中心研制成功了适用于四冲程进气道和二冲程缸内直喷的FAI燃油电喷系统。2002年武汉理工大学颜伏伍等人开发了LH150摩托车电喷系统，并成功投入生产使用。

　　本文针对摩托车单缸发动机进行了电喷技术研究，设计了发动机电喷控制系统，实现了空燃比的精确控制，提高了燃烧效率。

　　2 系统设计

　　电喷控制系统结构如图1所示。本系统基于125 cc单缸四冲程汽油发动机设计。整个系统包括传感器、ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)，以及喷油器和喷油泵等。其中，传感器包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、空气门位置传感器、发动机温度传感器和空气温度传感器。ECU包括Freescale公司的MC68HC9S12XS128，以及信号调理电路、喷油驱动电路、油泵驱动电路和点火驱动电路。

 

 

　　2.1 传感器的选择与安装

　　为了得到曲轴和凸轮轴的位置信号，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器使用霍尔开关量传感器，在启动离合器和小链盘的特定位置分别固定一个小磁铁，通过磁铁经过传感器时产生的方波信号来判断曲轴和凸轮轴的位置。由于传感器体积小、不易安装，设计了传感器电路板，使得传感器的信号稳定，不受油污、灰尘等不良环境的影响。传感器在发动机上的安装如图2所示。

 

 

　　节气门位置传感器是一个线性电位计，实物图如图3所示。其电阻值与节气门的开度成正比，通过给电位计供电，采用A/D采集得到节气门开度。

 

 

　　发动机温度传感器和空气温度传感器选用热敏电阻式传感器。其电阻值会随温度的变化而呈线性变化，从而测量发动机缸温和空气温度。

　　2.2 执行器的选择

　　执行器包括用于点火的高压包，给燃油系统提供油压的燃油喷射泵(喷油泵)和用于喷射燃油的燃油喷射器(喷油器)。

　　高压包又称点火线圈，由一次线圈、二次线圈和铁芯组成。使用时先给一次线圈充电，在一次线圈中自感应出200～300 V的电压;然后与二次线圈互感而产生出18～20 kV的高压电，产生的电压大小取决于两线圈的匝数比;最后将高压电输送到火花塞点火。

　　喷油泵输出油压300 kPa，恒压输出，采用脉冲信号驱动柱塞运动、压缩燃油获得压力。喷油器自带高压进油嘴，喷射量精确，流量与喷射脉宽如图4所示，雾化效果较好。三条线对应的驱动电压由上至下依次为14.2 V、13.2 V、12.2 V。

 

 

　　3 控制系统硬件设计

　　采用Freescale公司MC68HC9S12XS128单片机作为控制芯片，使用IGBT v2040s芯片控制点火，使用Power MOSFET IRF3205控制喷油泵和喷射器，通过控制门极电压来实现开关的功能，对执行器进行低端控制。执行器控制电路如图5所示。MC74HC125AD为同相器。

 

 

　　由于整车的电气环境比较恶劣，因此硬件电路的抗干扰性能就显得很重要。首先，通过Protel DXP软件设计、绘制PCB电路板，既减小了电路板的体积，又增强了抗干扰能力。其次，输入信号都要经过相应的信号调理电路处理后再进入单片机，处理后的信号干扰大大减小。对于曲轴和凸轮轴的信号，采用阈值比较器LM339设计了阈值比较电路，如图6所示。这个电路不但把发动机原装的励磁信号转化成方波信号，而且可以对改装以后的传感器信号进行处理。另外，单片机有内部A/D模块，对于模拟量需要使用一个低通滤波器电路进行滤。M74HC04M1R为反相器。