汽油机喷油器电路设计毕业设计论文.docx
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汽油机喷油器电路设计毕业设计论文
第一部分设计任务与调研
1.1毕业设计的主要任务
1.确定设计一款模拟发动机控制模块根据各种传感器的信号控制喷油器喷油时刻和喷油脉冲过程的工作电路。
2.通过收集的资料确定所需要制作电路的元件。
3.熟悉工作电路的运行原理。
1.2设计的思路和方法
1．设计思路
在数字式电喷系统中，要求喷油器的驱动控制电路及其保护电路集成在一块芯片上，芯片的输入信号是中央控制器产生的数字脉冲信号，输出信号是驱动喷油器的电流脉冲。
通常输出端直接接至喷油器，在喷油器端不附加任何元件。
考虑到喷油器在工作时，不同工作状态下电磁线圈产生的反冲电压不同，从而在设计输出电流控制电路时可以将输出端的电压作为反馈信号，进而实现驱动电流波形控制。
具体思路是，在喷油器开启时，驱动电流不断上升，此时线圈反冲电压为负值，输出端电压接近0；当输出驱动电流上升至最大值并稳定后，线圈反冲电压等于0，输出端电压为电源电压减去线圈电阻分压，是一个正电压。
电路设计时，利用输出端电压信号控制一个提供驱动电流的可变电流源，使其在喷油器开启时工作在大电流状态，驱动电流上升到最大值后工作在小电流状态，维持喷油器开启。
这样，反馈电路和可变电流源配合便可实现输出电流波形控制功能。
2．方法：
（1）通过在网上学习汽油机喷油器相关原理；
（2）图书馆查询收集资料，收集所需要的文献；
（3）寻找相关专业老师进行学习、指导。
1.3总结
汽油机喷油器是汽油机电控喷射系统中核心部件之一，其性能的好坏直接影响到发动机的经济性、动力性和排放性能。
喷油器的性能是决定电控系统设计的重要因素，直接影响燃油控制单元的精确性。
为了进一步研究喷油器，就需要研究和开发能够评价和测试喷油器特性的装置和设备。
本文对喷油器动态过程进行了分析，从理论上对喷油器工作原理进行了分析和研究，为喷油器驱动电路的电阻、电流特性测试开发提供了一定的理论依据。
同时，完成了该测试系统电子控制单元的设计和开发，可以控制或检测测试系统的状态，并且设计了一套简便易操作的测试软件，为试验提供了方便的操作环境。
汽油机喷油器下线检测系统的设计主要分为硬件电路设计、软件编程、控制面板设计等。
试验结果表明，本测试系统具有良好的稳定性和可靠性，能够准确地测试汽油机喷油器的电阻、电流值。
第二部分设计说明
2.1工作原理
喷油器是电喷系统中的一个执行元件，即接受发动机控制单元，简称ECU或ECM）的喷油信号，定时定量喷出汽油。
其实，喷油器就是一个电磁阀，喷油器内部有个电磁线圈，外面经插座与ECU相连，喷油器头部的针阀与衔铁连为一体。
当电磁线圈通电时，便产生吸力，将衔铁和针阀吸起，打开喷油孔、燃油经针阀头部的轴针和喷孔之间的环形间隙高速喷出，并形成雾状，与空气很好地混合。
使混合气在气缸内的燃烧更充分，也正是喷油器在燃油雾化方面比化油器更好，才保证了电喷发动机的燃烧更完全、废气污染物排放更少。
电磁线圈不通电时，磁力消失，弹簧将衔铁和针阎下压，关闭喷孔停止喷油。
2.2电路设计
1.喷油器的驱动控制电路类型
喷油器有高阻和低阻（线圈电阻）之分，所以，其驱动控制电路也有电流和电压驱动2种形式。
电流驱动型电路只能用于低阻型（0.5～3Ω）的喷油器。
电压驱动型电路既适用于高阻型（12～17Ω）的喷油器，又适用于串有附加电阻的低阻型喷油器。
a．电压驱动型控制电路（图1）喷油器工作时由于自身线圈存在着自感，造成电流上升慢实际喷油时要滞后一段时间。
为了解决此问题，应尽量减少喷油器线圈的匝数，以减小自感。
但是，为了防止过大的电流烧坏喷油器的线圈，因此，必须采用串接附加电阻的方法进行解决。
电压驱动型电路简单，适用于高阻型喷油器，也适用于串有附加电阻的低阻型喷油器。
主要缺点是动态范围小，小流量喷油效果差，喷油器的线圈容易发热，从而影响寿命。
图1喷油器电压驱动型控制电路
b.电流驱动型控制电路（图2）为了改善电压驱动型电路的不足，采用一种低内阻的（0.5～3Ω）喷油器。
工作时，发动机ECU中的电流检测控制电路时刻监视着喷油器线圈中的电流大小。
当流经喷油器线圈中的电流过大时，发动机ECU中的电流检测电阻上的电压降也大，电流检测控制电路自动减小电流值，以免喷油器的线圈烧坏，反之亦反。
电流驱动型电路由于取消了附加电阻，喷油器的线圈直接电源，因此，电流上升率快，无效喷油时间短。
但它的缺点是控制电路复杂，应用电路不如电压驱动型灵活，即只能用于低阻型（0.5～3Ω）的喷油器。
图2喷油器电流驱动型控制电路
本设计汽油机喷油器电路图如下图所示：
：
图3 喷油器控制电路图
2.3主要组成元件及作用
1.电阻
电阻（通常用“R”表示），在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。
电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。
电阻元件的电阻值大小一般与温度、材料、长度、还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。
电阻在电路中通常起分压、分流的作用。
对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。
2.电容
电容器是一种能储存电能的元件，在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。
3.二极管
二极管又称晶体二极管,简称二极管，它是一种具有单向传导电流的电子器件。
整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换成脉动的直流电。
二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。
外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。
4.光耦
耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
5.IRF540引脚功能及常用电路
图4IRF540电路图
IRF540是一种沟渠工艺封装的N通道增强型场效应功率晶体管。
其主要应用于：
DC到DC转换器、开关电源、电视及电脑显示器电源等。
上图电路中，控制信号如果接TTL信号，可以控制电磁阀等负载；控制信号如果接PWM占空比信号，可以调节电机的转速或者灯泡的亮度。
6.7805引脚介绍及常用电路
图37805电路图
7805三端稳压集成电路，最大输出电流为1.5A。
电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管、TO-220的标准封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
7.按键
常用的按键分为自锁按键和不自锁按键。
自锁按键：
在开关按钮第一次按时，开关接通并保持，即自锁，在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出来。
不自锁按键：
开关每按动一次，使电路导通一次，随即断开，常用来产生一个脉冲信号，或者发送一次命令。
8.晶体振荡器
图5石英晶体振荡器结构
石英晶体振荡器简称晶振，它是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
本设计的喷油器电路元器件的清单如表1所示:
表1汽油机喷油器元器件清单
序号
元件编号
元件类型
参数
1
R1、R2、R3、R4
电阻
10K
2
R5、R6
电阻
5W/10Ω
3
R7
电阻
470Ω
4
R8
电阻
1K
5
CT1、CT2
电解电容
22uf
6
CT3
电解电容
10uf
7
C1、C2
瓷片电容
0.1uf
8
D1
二极管
1N4007
9
Q1
场效应晶体管
IRF540
10
Q2
集成稳压电源
7805
11
U1
单片机
STC12C5204AD
12
U2
光耦
TLP521-1
13
S1、S2、S3、S4
不自锁按键
SW-PB
14
Y1
晶振
2M
15
C3、C4
瓷片电容
10pf
第三部分设计成果
3.1实物图展示
图6汽油机喷油器PCB电路板
3.2设计特点
电路模拟汽油机喷油器工作的基本原理。
在电路中使用单片机模拟汽车中的ECU控制单元，在按动按键S2、S3、S4时，ECU产生相关的频率方波信号，信号通过光耦由5V方波信号转为12V的方波信号，12V的方波信号使场效应功率管（IRF540）处于不停的导通（12V）和断开（0V）状态，使汽油机喷油器处于工作状态。
在电路板中，按动开关S2、S3、S4可使汽油机喷油器工作在不同的工作频率状态。
可使汽油机喷油器在不同工作频率下切换，观察工作状态的变化。
电路同时提供端子AD、AC、AC2。
可使用信号发生器调节产生不同脉宽的数字、模拟信号来驱动汽油机喷油器在不同信号下工作
第四部分结束语
本文所述汽车发动机喷油器驱动电路控制精度高，热稳定性能好，而且电路形式简明可靠。
但从整个ECU系统的角度来看，电磁喷油阀驱动电路如果能和中央控制器进一步集成，进而实现ECU单片化是一个富有吸引力的目标（驱动管可在片外），尤其是在内嵌或CPU技术已十分成熟的情况下。
对喷油器驱动电路而言，如果使用双极电路设计，实现ECU单片化就必须采用BICMOS工艺;如果CMOS模拟电路实现驱动功能，则ECU单片化就可以采用正常的CMOS工艺，实现难度小得多。
因而喷油器驱动电路的CMOS设计是一项值得进一步研究的工作。
第五部分致谢
光阴荏苒，岁月如歌，大学生生活即将结束。
经历了找工作的磨练，突然就开始怀念还没有结束的求学生涯。
回首这三年的生活，我觉得自己收获很多。
当然我的进步离不开那些教导过我的老师、帮助我的同学和支持我的家人。
对于你们，我充满了感激之情。
首先我一定要感谢我的老师，从开始选题到最后定稿，老师都给予了我很大的帮助。
在学术研究上，老师治学严谨，是我学习的榜样;在生活上，关心学生，让人感念至深。
能够有幸成为老师的学生，我觉得自己很幸运。
同时我也要感谢那些教导过、关心过我的老师。
还要感谢陪伴我走过大学三年征程的同学们，有了你们，我的大学生涯才变得如此精彩和有意义。
所有帮助和关心过我的人们，尽管与你们为我付出的一切相比，所有的语言都显得苍白无力，我仍要真诚地说声：
谢谢你们!
第六部分参考文献
【1】陈朔鹏.汽车喷射系统的结构与维修[M].北京：
北京理工大学出版社，1996.
【2】张月相.电控汽油喷射系统的原理与检修[M].哈尔滨：
黑龙江科学技术出版社，1996.
【3】庄同曾.集成电路制造工艺基础[M].北京：
电子工业出版社，1990.
【4】贾松良.双极型集成电路分析与设计基础[M].北京：
电子工业出版社，1986.
【5】张西振.汽车发动机电控技术[M].2版.北京：
机械工业出版社，2011.
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