维普资讯 http://www.cqvip.com ２ＯＯ６年第２期（总第９２期） 山东内燃机ＳＨＡＮＤＯＮＧＩ．Ｃ．Ｅ． ２００６年４月 【设计计算】 摩托车用发动机电控喷射系统的设计研究 彭卫锋 ，施卫 （１．常州工程职业技术学院，江苏常州２１３０００；２．江苏技术师范学院，江苏海门２１３００１） 摘要：本文针对摩托车用发动机化油器供油方式油耗高且废气排放超标的缺点而改造成 电子控制燃油喷射，进行了微电脑控制系统硬件与软件的设计，确定了系统的总体设计方案， 设计了硬件主控系统电路，输入采集处理电路，输出驱动电路以及控制软件等。 关键词：摩托车发动机；微电脑控制系统；燃油喷射 中图分类号：ＴＫ４１３．８文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—２４７１（２００６）０２—０００６—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄ‘ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｐｅｎｇ Ｗｅｉｆｅｎｇ￣，Ｓｈｉ Ｗｅｉ２ （１．Ｃ￣，ｌｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，￣ａｎｇｚｅｈｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１３０００； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉａＩｌ ｌｅｎ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１３００１） ：Ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｅ￣ｉｎｅ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｕｒｅｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏｄｉｉｆｅｄ ｎａｄ ｒｅｐｈｃｅｄ ｗｉｔｈ ｅｌｃｅｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｕｅｌ ｉｎｊｃｅｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｇｅｎｅｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ａｎｄ ｃｉｃｒｕｉｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｍｕｃｈ ｎｌＯｌ￣． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｔｏｃｒｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅ；Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｆｕｅｌ Ｉｎｊｃｅｔｉｏｎ Ｓｙｓｅｔｍ． １前言 ｌ 刖昌 ２糸统思 万菜 系统总体方案 随着新兴科学技术领域的不断创新，尤其是 ２．１节气门结构 计算机技术、电子控制技术、人工智能等高新技术 在考虑替换原有的化油器安装，其机械结构 的迅速发展，对各类交通工具的发展产生了巨大 必须考虑不改动原发动机的任何结构以达到适用 的影响和渗透。摩托车作为当今社会最普及的交 广，而且结构需紧凑。因此采用图１结构方案，节 通工具之一，占有广阔的商品市场。但随着摩托 气门、节气门传感器、喷油器、空气流量传感器集 车的迅猛发展及其保有量的增多，随着人们环保 一体。通直的进气道使进气阻力大大降低。 意识的增强，摩托车化油器式发动机有着较大的 ２．２信号提取 燃油消耗量，超标的废气排放日趋为人们所重视。 也是针对不破坏发动机结构的原则，利用发 针对日益突出排放公害问题，我们对现有化油器 动机上已有的信号，进行处理；喷油时刻信号可利 式发动机改电控喷射的微电脑控制系统进行了研 用点火系统的触发信号（因为市场上９ｏ％的摩托 究与设计开发。 车发动机为电子点火，都有触发信号）加以处理作 为上止点信号。温度传感器可粘贴在气缸盖散热 作者简介：彭卫锋（１９ｒ７８一），男，江苏常州人，助教，教师，大学本科。 收稿日期：２ｏｏ６—０３—０４ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２０Ｏ６年第２期 彭卫锋，等：摩托车用发动机的化油器供油改电控喷射系统设计研究 ・７・ 片凹槽里，在编程时考虑到所测为外表温度，作必 要的修正处理即可。 喷油器 节气门传感器 图ｌ节气门体结构 ３硬件系统 一ａ 毒 ３．１输入采集 Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ ３．１．１发动机温度 采用热敏电阻式温度传感器，其温度一电阻 特性曲线如图２所示，可用式（１）进行表示： Ｒｒ＝Ａ。 （１） 式中卜温度（Ｋ）； ——对应温度 的电阻值； Ａ Ｂ——特性常数。 为简单起见，采用如图３所示的分压电路。 图中 为标准电压， 为输出电压即 Ｖｏ＝ｖｓ，（Ｒ＋Ｒｒ）×Ｒｒ （２） 由（１）式代人（２）式后的反函数为： 一 旦 一Ｃ一￡ｎ（ ， 一１） 式中Ｃ＝Ｌｎ Ｒ／Ａ 在程序中运用该公式计算可得出温度，以进 行喷油量的修正。 ３．１．２空气流量传感器 发动机进气道光直，且直径不大可使流速分 布均匀，并为减少传感器的应用数量，采用热式空 气流量计。如图４所示，给放置于流道中的热丝 通以电流，，则它成为一发热体，当空气流量越 多，被带走的热量越多。若电流，以及电压 不 Ｔ（Ｋ） 图２温度特性曲线 图３温度采集 变，即给热丝的电功率不变，则空气的质量流量ｃ 越大，热丝的温度 越低，即热丝与空气的温差 （ 一 ）越大。若控制电流，，使（ 一 ）保 持恒定，则空气质量流量Ｃ越大，需提供的电流， 就越大，因此可测电流，的变化，来计算出空气质 量流量的变化。 ３．１．３节气门传感器 在图ｌ所示位置装一电位器来测量节气门开 度，再以最低端安装一触点作为怠速信号。 图４空气流量传感器原理 。 ３．１．４上止点信号 利用原发动机点火触发信号，并为进一步提 高可靠性，增强抗干扰能力及进行电平转换，该信 号不直接进入计算机的输入端，而是通过与非门 电路整形输入。因其触发角度提前了ｌ２度，在软 件计算时减去该值即可。 ３．２控制单元 本系统采用ＡＴ８９Ｃ５２单片机，其具有较高的 性能价格比，因此本控制系统应用它作为硬件电 路的核心器件，以进行信号采样后计算喷油量。 维普资讯 http://www.cqvip.com 山东内燃机 ２Ｏ０６年４月 为了使系统处理控制的实时性好，单独再用一片 ８９Ｃ２０５１进行喷油脉宽的控制，把８９１２５２处理计 算的喷油量数据转换为可控宽度的脉冲信号去控 制喷油量和喷油时刻，这样避免了用一片单片机 在处理完数据后还等待控制喷油完成这一阶段所 传输数据的地址线。 模数转换采用ＡＤＣ０８０９，它具有８路模拟量 的输入，足以满足系统需要，其通道选择采用 ７４Ｌ３７３进行锁存，８９１２５２的Ｐ２．０口与ＷＲ写信号 通过与非门电路共同作用作为写选通信号，进而 确定了地址。 系统抗干扰设计采用了ＭＡＸ６９２芯片［２】，它 消耗的时间，使的发动机在高速时处理计算精度 高，实时性强。 ８９１２５２往Ｃ２０５１传运算结果时利用７４Ｌ３７７进 行数据的锁存，因此８９Ｃ５２的Ｐ０口低８位连接到 ７４Ｌ３７７的输入端，其输出端直接连到Ｃ２０５１的Ｐｌ 口以便随时读取，８９１２５２的Ｐ２．３口作为给Ｃ２０５ｌ 空气 集看门狗、电压监控与一体，使在发动机启动以及 运行时，程序跑飞或死机时及时复位。喷油器驱 动电路用光偶隔离，末级推动采用达林顿管。 节 上至 图５控制单元 ４系统软件设计 软件设计是根据系统功能要求对空气流量的 采集转换，转速测量，喷油时间的准确计算，以及 各种工况进行编程控制，从而完成喷油控制命令， 控制喷油器喷出与进气量相匹配的燃油，使实时 工况的燃油比最佳。 ４．１控制算法 图６控制模型 ’ 控制规律可写成如下形式： （Ｋ）＝Ｐ∞（ ）＋ （ ） （４） 采用新型的发动机自适应控制，如图６所示。 由一个常规的开环控制系统加上一个自适应控制 Ｐ （ ）——供油的输出，即供油脉宽； Ｐ∞（ ）——供油的基本值； 回路所组成。控制系统中 。表示系统所希望的 动态响应。开环控制用于消除发动机工况发生变 （ ）——自适应辅助控制项。 其中Ｐ．ｏ（ＩＯ＝ （Ｋ）： △ （５） （６） 化时所出现的控制偏差，以改善系统的响应特性。 自适应控制回路用于消除由于系统特性和外界扰 动发生变化所产生的控制偏差（如温度，负荷，工 况等），以提高空燃比的控制精度。 Ｇｊ——热线式流量计测得的空气流量； ，ｌ——转速； 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第２期 彭卫锋，等：摩托车用发动机电控喷射系统的设计研究 ・９・ （Ａ／Ｆ）——目标空燃比； 后，——由喷油器决定的常数； 。——嵌套等到下次上止点信号来时结束计数，以记录 相邻上止点间的时间，计算出发动机的转速。 供油控制积分系数； △０ｂ＝０ｂ一０ｂ。： 由式（５）可知各参数通过发动机采集得到，通 过自适应调节空燃比维持在对应工况的最佳值， 从而实现对发动机的最优控制。 ４．２程序设计 ４．２．１控制系统主程序设计。 ｌ初始化ｌ 热启动油量ｌｌ测空气流 ｌ 堇 鏖Ｉ 富 ｌ萌ｌ Ｉ 竺 墨ｌ 。・＿－＿＿＿＿－。。Ｈ 丽 图７程序流程 控制系统主程序如图７所示，主程序是整个 软件的中心环节，它主要包括控制系统通电后的 初始化程序，启动程序，发动机的工况测量，判别 和处理程序等。担负着判断发动机各工况的任 务，根据发动机转速和节气门开度确定发动机运 行工况，并由此进入相应的处理程序中。主程序 为一循环体，发动机运行时，它一直在该循环体中 运行。 ４．２．２发动机转速测量子程序。 进行发动机工况判定等，经常要用到转速处 理程序，该程序框图如图８所示。上止点信号由 ｆｉｖｒｏ输入，当每次有上止点信号时，ＣＰＵ都会产 生中断，中断后开始内部记数，并开中断进行中断 图８转速子程序 ４．２．３ ＭＤ转换子程序及其他计算子程序。 在发动机控制系统中，有各种各样的模拟量 输入，如空气流量，水温等。对这些模拟量的输入 都采用相同的Ａ／Ｄ转换来进行，不同之处在于各 模拟量的输入通道不同。 ４．２．４控制量的输出程序。 在该系统中采用了单独的Ｃ２０５１进行控制输 出，利用上止点产生中断进行控制量读人后输出。 ５测试结果 通过西门子五气体分析仪对改装的 ＧＭ１５７ＦＭ发动机进行排气分析，在装有化油器的 情况下进行测试结果见表１，改装成电控喷射系 统后测试结果见表２。对比试验结果见图９、图ｌ０。 ｐｐｍ ２５０ ’～、～ ２００ １５Ｏ ： 、． ｌＯＯ ＼～‘～，～ ５Ｏ Ｏ ８００ １３ｏｏ ２１ｏｏ ２８００ ３２００ ３７００ ４ｌｏｏ ．…．化油器——电控喷射ｒ／ｍｉｎ 图９ ＨＣ含量 维普资讯 http://www.cqvip.com ・１０・ 山东内燃机 ２ＯＯ６年４月 表１ ＧＭ１５７ＦＭ发动机装有化油器的情况下排放的测试结果 成分＼ ８００ １３００ ２１０ｏ ２８００ ３２００ ３７０ｏ ．４１００ ＣＯ（％ｖｏ１） ０．３５９ ０．５６４ ０．６４７ ０．６４４ ０． ７２ ０．５２３ ０．４２７ ＮＯ，（ｐｐｍ） ｌ１６ ２３６ ４７８ ５５ｏ ８５１ １２３５ １３６１ 表２ ＧＭ１５７ＦＭ发动机改装电控喷射系统后排放的测试结果 成分＼ ８００ １３００ ２１０ｏ ２８００ ３２００ ３７０ｏ ４１００ ＣＯ（％、１０１） ０．３１３ ０．２６９ ０．３４９ ０．３５５ ０．３２５ ０．３４９ ０．３５６ ＨＣ（ｐｐｍ） １４６ １９７ １５３ ６７ ６２ ５４ ５５ ＮＯ，（ｐｐｍ） ｌ１２ ２２８ ４８０ ５４６ ８４８ １２４０ 】３６６ 市场上已有的化油器摩托车的改装很有必要，化 ●。－。－－●－。‘‘。、～油器摩托车仍然占有摩托车总数的９５％。进而如 、 能推广应用的话，不仅能节约能源，更能从很大程 ， 、～～，、 ，●．．．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。＿＿。～ 度上减轻了摩托车对环境的污染。 —’’’ 一 ， 参考文献： ８００ １３００ ２１００ ２８００ ３２００ ３７００ ４１００ ……化油器——电控喷射 ｒ／＝ｉｎ ［１］潘旭峰等编著．现代汽车电子技术．北京理工大学出版 社，１９９８年８月． 图１０ ＣＯ含量 ［２］王幸之，王雷，翟成，王闪编著．单片机应用系统抗干扰 ６结束语 技术．北京航空航天大学出版社．２Ｏ０２年２月 ［３］［美］Ｄｉｃｌ【Ｈ．１（ｉＩｌｇ著．ＣＯｂＩＨＴＩＥＲＩＺＥＤ ＥＮＧＩＮＥ ＣＯＮ． 本系统经实际应用测试，发动机的功率较原 ＴＲＯＬＳ．Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ０ｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＩｒＫ 时．１９９９年１ 来提高２０％，ＣＯ、ＨＣ降低了３５％。因此对于目前 月
