摩托車電噴系統檢測平臺的設計與仿真

馬 昆,姚竹亭

（中北大學機械與動力工程學院，山西太原,030051）

1 電噴系統工作原理

摩托車電控燃油噴射系統以電子控制裝置（ECU）為控制中心，分析摩托車上的各類傳感器傳回的數據，進而了解發動機各個時刻的工況。控制器依據設定好的控制程序對各類信號進行相關處理，精確地控制噴油泵的噴油時刻，使發動機依據實際工況找到最佳的噴油時刻和噴油量，真正實現低耗油量、低排放的目的。電控系統控制預熱系統，保障柴油機的低溫起動性能。電控系統零件包括ECU、噴油泵上的各種傳感器和控制器元件，以及電熱塞等。

2 檢測平臺原理和組成

圖1 電噴系統

檢測平臺的原理:各傳感器自身電阻會根據測試信號的變化而發生相應的變化從而導致發送給單片機的電壓也會產生一致的變化，單片機再根據得到的電壓信號轉換成相應的數字信號發送給測試軟件，測試軟件將得到的數據處理以后進行顯示以及存儲等。

檢測平臺主要由兩部分組成：硬件部分和軟件部分。

硬件部分主要包括：單片機、AT、ET的調理電路，TPS調理電路，MAP調理電路，O2調理電路。

軟件部分主要包括：EFI測試軟件 ProCal-SE 1.0。

檢測平臺的總體設計框圖如圖2。

圖2 檢測平臺結構框圖

3 檢測平臺的硬件設計

3.1 硬件選擇與使用原理

首先依據監測平臺的要求和各個芯片的特點，選擇在汽車領域大范圍應用的MC9S12P芯片作為檢測平臺單片機芯片。傳感器是檢測平臺的重要部分是各類數據的來源。其中進氣溫度傳感器與發動機溫度傳感器均為負溫度系數的電阻型測溫傳感器。在計算發動機燃油量時電控軟件需根據放置在進氣管中的進氣溫度傳感器所測得的空氣溫度數據和溫度與進氣密度進氣質量的關系進行燃油量數值的修正。第二個需要測量的溫度數據是工作狀態下的發動機溫度，這一溫度通過發動機溫度傳感器獲得。因發動機在各個工況下溫度控制要求并不一致，所以這就要求ECU針對具體溫度狀況對發動機的燃油量等工作特性做相應的調整。發動機工作時的信息主要來自ECU接收到的關于節氣門打開角度轉化來的電壓信號。而這一信息的采集源于位于節氣門軸尾端的節氣門位置傳感器。TPS的輸出電壓與節氣門的開度呈正特性關系，即節氣門的全開狀態對應小于五伏的電壓，而全閉狀態對應與零伏電壓。基礎噴油量由ECU根據MAP傳感器采集來的進氣歧管內的絕對壓力操控。若假設大氣壓力一直處于穩定狀態，那么可由節氣門的后方得到真空度與絕對壓力這兩方面信息，因為大氣壓、真空度與絕對壓力三者之間的關系可通過公式:真空度=大氣壓力-歧管內絕對壓力表述。而輸送給ECU的電壓信號與發動機的節氣門開度、歧管內的絕對壓力呈正向關系自然與真空度呈負向關系。電噴車利用氧傳感器在理論空燃比（14.7：1）附近輸出的電壓有突變（實際空燃比高于理論值時意味著氧氣在排氣中的比例增大，這時氧傳感器會發送一個0伏電壓信號給ECU作為混合氣體的狀態指示。反之當空燃比低于理論空燃比時，意味著氧氣的比例在降低此時ECU將接收到氧傳感器發來的1伏電壓信號）這一特性來查看氧氣在排氣中的含量進而通過三元催化器準確地將空燃比控制在理論值附近從而獲得高排氣凈化率。

3.2 串口通信電路

通過串口驅動電路中的RS-232電平轉換芯片MAX232，單片機可以利用異步串行通信協議同PC通信。MAX232芯片可以實現TTL電平與RS-232電平之間的轉換，然后通過利用SCI模塊和PC機通信。如圖7所示。顯然芯片的第15引腳是與地線相連的。而三線制連接串口是使用該芯片時通常會選擇的方式。即芯片的14引腳連接電腦的第2引腳（數據接收），芯片的第13引腳與電腦的第3腳相連（數據發送），同時將電腦的第5引腳接地。芯片與單片機的連接方法為：芯片的第9引腳、第10引腳則分別對應單片機的17、18引腳。

圖3 串口通信電路

4 檢測平臺的軟件設計與仿真

4.1 軟件仿真

ProCAL-SE是一個為測試傳感器信號的改裝簡化版軟件，也是基于EFI的測試軟件，在利用ProCAL-SE進行實時數據顯示之前需將默認的配置文件、A2l文件（用于描述各個傳感器的特性（如作用、范圍及其精度等）及其在單片機地址）、Cal文件（描述的是各個傳感器默認的數據）載入軟件。之后為單片機上電進行PC機和單片機的之間的通信，當通信成功后方可載入五個傳感器變量，便可觀察來自單片機的實時數據（包括數據精度與信號范圍），如圖4所示。為了方便日后對數據進行分析可以對數據進行錄制操作，而后保存數據文件。利用Data Analyzer回放軟件，可以對保存的數據文件進行數據回放，同時能顯示出指定位置處的信號值，如圖5所示。

4.2 數據異常

當測試的數據發生異常時，顯示數據的單元格底色會變成紅色，此時代表測試的傳感器可能存在問題，但數據異常并不代表傳感器一定損壞，只是說明輸出的數據發生了較大的突變或者是超出了一定的范圍，造成的原因可能是來自外界的瞬間的干擾，也可能是其它人為的原因。當測試的數據超出其最大值時，此時軟件會提出警告，表明此傳感器的已經損壞。兩種不同的異常情況如圖6（a）（b）所示。測試完一組數據后可將數據保存為文本格式，對數據的精度、提示信息和警告的頻率進行分析可以得出所測試的傳感器的質量和精度。

5 結論

圖4 帶示波器的數據顯示窗口

圖5 帶游標的回放軟件界面

圖6 數據異常顯示

在設計研究中，首先對各個傳感器的性能特點進行了詳細的分析和研究，結合各傳感器在實際當中的應用情況，提出了檢測平臺的總體設計方案，對單片機的芯片進行了認真的篩選，優化各個硬件電路，用VB編寫了便于人機交互的軟件界面，并進行了數據的模擬仿真。隨著國家對機動車輛排放法規的逐漸嚴格控制和國Ⅲ標準的頒布實施，電噴系統在摩托車領域的應用已經成為一種趨勢，促進了電噴系統的規模生產必然使得這種檢測平臺大步發展并不斷完善。