汽車電控燃油噴射模擬系統的開發

陳琨韶

（廣州市輕工高級技工學校，廣東 廣州 510055）

1 汽車電控燃油噴射模擬系統的設計模型

1.1 汽車電控燃油噴射系統概述

發動機電控系統主要由傳感器、控制單元和執行器三大部分組成。汽車電控燃油噴射系統只是汽車電控單元其中一個部分，其核心是對噴油持續時間 （即噴油量）的控制，包括起動時噴油持續時間、起動后噴油持續時間和斷油控制[1]。D型EFI系統的基本噴油持續時間可由發動機轉速Ne信號和進氣歧管絕對壓力信號Pm確定。用于D系統的ECU內存了一個基本噴油時間MAP圖，如圖1所示，它表明了與發動機各種轉速和進氣歧管絕對壓力對應的基本持續時間[2]。本模擬系統主要研究發動機起動后的噴油持續時間控制。表1是依靠發動機臺架試驗取得的電控燃油噴射脈寬數據表。

1.2 汽車電控燃油噴射模擬系統設計思路

基于上述理論依據，基本噴油脈寬由進氣壓力和轉速決定，制定汽車電控燃油噴射模擬系統的開發硬件框架和軟件的流程圖，如圖2～圖4所示。

表1 噴油脈寬數據 時間/ms

2 進氣壓力檢測系統

進氣壓力檢測系統組成框圖如圖5所示。

2.1 進氣壓力檢測系統硬件電路

進氣歧管絕對壓力傳感器在采用進氣歧管壓力作為進氣量計量方式時，是電控燃油噴射系統中最重要的傳感器，ECU通過此信號判斷進入發動機的空氣量。本模擬系統以壓敏電阻式進氣歧管絕對壓力傳感器為研究對象，它產生一個與輸入壓力成正比的0～5 V電壓輸出信號。表2是進氣歧管壓力傳感器的輸入/輸出實測值。

表2 進氣歧管壓力傳感器的輸入/輸出實測值

由于進氣歧管絕對壓力傳感器的輸出信號是0～5 V的模擬電壓，考慮到進氣壓力的變化是kPa，經過實測數據分析，每kPa的進氣壓力導致傳感器的輸出電壓變化大概是0.05 V，模數轉換采用8位逐次逼近型A/D轉換器ADC0809，電壓范圍是0～5V，精度是 （1/255）×5V=0.0196V，能夠滿足設計的要求。DC0809的內部沒有時鐘電路，由74LS74為ADC0809提供工作時鐘，時鐘信號頻率為500 kHz。

圖6是進氣壓力檢測系統硬件電路原理圖。電路主要由AD轉換器ADC0809，雙D觸發器74LS74，單片機AT89S51及顯示用數碼管組成。從ADC0809的通道IN0輸入0～5 V的模擬量，通過ADC0809轉換成數字量，單片機進行數據處理后，用動態掃描方式在數碼管上顯示出來。

2.2 進氣壓力檢測系統程序設計

進氣壓力檢測編程的時候一定要注意模數轉換器件的工作時序。進氣壓力檢測系統程序設計內容及流程如下。

1）程序初始化：設置START（A／D轉換啟動脈沖輸入端）、EOC （A／D轉換結束信號）、OE （模數轉換結果輸出允許）等標志位，設置模數轉換結果存儲單元 （GDATA）、電壓數值存儲單元。

2）啟動模數轉換：ABC=000選擇第一通道；順序設置START=0，START=1，START=0產生啟動轉換的正脈沖信號。

3）根據EOC信號來判斷是否模數轉換完畢，獲取轉換數據，并轉換成實際電壓值。實際電壓值=（模數轉換所得代碼/255）×5×100。 模擬量的電壓范圍是0～5V，在公式中將實際電壓值擴大100倍，以去除小數點，降低匯編編程難度。通過設置小數點存儲位，在編程顯示電壓值時，將數碼管的小數位單獨點亮。

4）將步驟3）所得數據進行二進制→十進制轉換。

5）過數碼管動態掃描方式，實時顯示進氣歧管壓力傳感器的輸出電壓值。

6）程序自動循環，不斷檢測并顯示進氣歧管壓力傳感器的輸出電壓值。

3 發動機轉速檢測系統

發動機轉速檢測系統組成框圖如圖7所示。

3.1 發動機轉速檢測系統硬件電路

轉速-曲軸位置傳感器能精確測量發動機的轉速。本模擬系統采用電磁線圈式傳感器采集轉速變化信號。電磁線圈式傳感器安裝在分電器軸或凸輪軸上時，其輸出的脈沖信號頻率與多齒轉子齒數和凸輪軸轉速之間的關系為f=znp/60（式中：f為感應電動勢頻率；np為凸輪軸轉速；z為多齒轉子齒數）。

電磁線圈式傳感器輸出的電壓信號頻率變化直接反映凸輪軸 （曲軸）的轉速情況。本模擬系統采用具有四齒轉子的電磁線圈式傳感器作為采集轉速變化信號的研究對象。當發動機轉速為0～6400r/min時，傳感器產生一個頻率與轉速成正比的0～12 V（或0～5 V）的電壓輸出信號。硬件電路設計需將該信號統一為5 V左右的方波脈沖信號，以便系統檢測。

發動機轉速檢測系統硬件電路如圖8所示。電路主要由運算放大器LM741構成的限幅電路、LM741構成的反向比例放大電路、555定時器構成的施密特觸發器脈沖整形電路、單片機AT89S51及數碼管組成。

3.2 發動機轉速檢測系統程序設計

由于實際發動機的轉速在0～6 000 r/min之間，通過公式f=nz/60計算所得，相應傳感器的輸出信號頻率在0～400 Hz之間，屬于低頻信號。為降低誤差，宜采用測量周期法，通過測量信號周期間接得到信號頻率。程序設計的內容及流程如下。

1）程序初始化：單片機定時器T1初始化；外部中斷初始化，開放中斷并設置為邊沿觸發；設置信號頻率存儲單元、轉速數值存儲單元。

2）中斷服務程序：檢測到第1個下降沿啟動定時器計時，檢測到第2個下降沿停止定時器計時，從TH1和TL1中取出計時值，得到信號周期。

3）將信號周期取倒數轉換為信號頻率。

4）通過信號頻率公式計算發動機轉速。

5）小數點后四字節二進制轉十進制，得到轉速顯示值。

6）通過數碼管動態掃描方式，實時顯示發動機轉速值。

7）程序自動循環，不斷檢測并顯示發動機轉速值。

4 基本噴油量控制系統

4.1 基本噴油量控制系統硬件電路

基本噴油量控制系統硬件電路原理圖如圖9所示。硬件電路由單片機、脈寬顯示、噴油驅動電路3部分組成。其中脈寬顯示有2種形式：一種是用數碼管顯示噴油脈寬的實際脈寬值；另一種通過發光二極管的閃爍效果展示放大10倍后的噴油時間的長短。

4.2 基本噴油量控制系統程序設計

4.2.1 數據處理及控制方法

朱大可先生支持巴別塔的說法，他把華夏神系都稱為“巴別神系”——由一種神系變亂而形成的各地的神系。原因是人類都是出自非洲的同一母親，被威爾遜命名為“線粒體夏娃”(Mitochondrial Eve)⑥，因此世界語言也起源于非洲，因為神祇名字的頭一個音，音素相同率很高。如果人類的種族如所說是來自非洲的同一個祖先，而且在人類走出非洲之前就已經有語言了，那么，起初天下只有一門語言，“耶和華將人拆散了分遣各地”應該描寫的是人類走出非洲時的狀態。但這其中有很多疑點：

由于發動機的結構復雜，噴油脈寬很難用精確的數學模型來描述，本試驗系統的電控燃油噴射脈寬數據依靠發動機臺架試驗制取，制取的數據參見表1。為了降低編程難度和便于控制，對上述的數據處理和控制方法構思如下。

1）對被控制量噴油脈寬進行編碼，如表3所示。進氣歧管壓力和模數轉換代碼的對照表如表4所示。

表3 噴油脈寬編碼表

表4 進氣歧管壓力和模數轉換代碼的對照表

2）分別對進氣歧管壓力和發動機轉速進行檢測，當檢測到的進氣歧管壓力值和發動機轉速值符合上述表格的控制關系時，輸出對應的噴油脈寬的編碼。

3）對非設定值的處理方法：當進氣歧管壓力值不是表格里的值時，取兩個相鄰值的中間值，實測值和中間值相比較，判斷大小，取對應的相鄰值。當發動機轉速不是表格里的值時，處理方法和進氣歧管壓力的處理方法一樣。

4）本系統采用ATMEL公司型號為AT89S51的單片機。為了解決端口問題和降低編程難度，本系統采用兩塊單片機實時通信來實現系統功能。一塊單片機實現進氣歧管壓力檢測顯示、發動機轉速檢測顯示和噴油脈寬控制編碼，將噴油脈寬的編碼以數據形式并行輸出；另一塊單片機根據表1編制定時初值數據表和脈寬顯示值數據表，存放在ROM中，以檢測到的數據為偏移量進行查找表操作，定時產生占空比為10∶1的噴油脈寬信號，輸出顯示。

4.2.2 基本噴油量控制系統程序設計內容及流程

2）定時器初始化和定時中斷初始化，以檢測到的編碼為偏移量進行查找表操作，得到定時初值和脈寬顯示初值，啟動定時器開始定時。

3）噴油脈寬數值通過數碼管顯示。

4）中斷服務程序：定時時間到轉向中斷服務程序，實現高低電平跳變，產生占空比為10∶1的噴油脈沖信號。

5）編制定時初值高位數據表、定時初值低位數據表、脈寬顯示值數據表、數碼管段碼數據表。

6）程序自動循環，不斷檢測實時噴油脈寬編碼，產生不同的噴油脈沖信號。

5 成果與不足

圖10為工作中的模擬系統試驗箱的內部圖，通過實踐驗證，該模擬系統能實現汽車電控燃油噴射系統的基本噴油持續時間 （噴油脈寬）和2個決定因素的模擬控制和顯示。顯示效果明顯，控制效果良好，對于控制原理有很好的詮釋。但在信號的處理上不夠理想，與實測信號還未能完全吻合。另外，目前開發的系統主要研究基本噴油持續時間，但實際噴油持續時間還要加上修正量，該系統還未能實現這個功能。

［1］李國勇著.智能控制與MATLAB在電控發動機中的應用.［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［2］王洪齡，劉震系，王新.汽車電控系統原理與檢測技術［M］.濟南：山東科學技術出版社，2008.