汽车喷油控制系统设计.docx

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汽车喷油控制系统设计

摘要

随着国际社会对世界环境问题的关注，人们对汽车排污问题越来越重视，汽车排放法规也更加严厉，国际上兴起了以发动机电子控制为核心的汽车电子燃油喷射技术。

这种技术能使汽油机在动力性、经济性、排放性等方面均获得很大的提升，是唯一能够适应现代社会对汽车各种使用工况需求的技术。

本文主要是在借鉴国内外先进电喷技术的基础上，对汽油机电控单元的硬件与软件开发技术进行分析和设计。

汽油机电子控制的关键技术是汽油机电子控制单元（ECU）的软件、硬件的开发，通过对其硬件电路和软件程序的不断改进，逐步满足汽车电子各方面更加精确控制的要求。

结合我国当前排放法规的要求和燃油品质的现状，分析了汽油机电控技术和发动机的具体情况，主要以INTEL的80C196KB单片机为主芯片，设计了喷油控制系统的软件和硬件，硬件电路图和喷油主程序、脉宽计算程序、A/D转换程序和转速计算程序在内的软件。

该系统经运行调试后，基本可以实现发动机的喷油要求，为后续发动机电控单元的设计、应用提供了一定的参考。

关键词:

汽油机；80C196KB；电控单元；喷油系统

Abstract

Asthevehiclemissionregulationbecomesstrieter，thevehicleelectronicControltechnologyasthekeyofenginecontrolcomestobemoreandmorePopularintheworld.ThiskeytechnologyistheuniquetechnologyfittingortherequireoftheusingofvehicleinthemodelsocietyforithadmadeagreatProgressinthePower，economic，emissionetc.

ThisPaperwillfocusontheanalysisanddevelopmentonthehardwareandSoftwareofECUbasedonthereferenceofforeignadvancedECUtechnology.ThekeyoftheengineelectroniccontrolistodevelopthehardwareandsoftwareofECU.Thegradualdevelopmentofthehardwareandsoftwarewillmeettheneedofmoreaccuratecontrolforthevehicleelectronies.Combinedwiththerequestofcurrentemissionregulationandfuequalify，itanalyzestheECUtechnologyandtherealenvironmentofengine，thendesignsthehardwareandsoftwareofthefuelinjectionoftheECUwiththe80C196KBofINTELasthemainCMOSchip.ItalsodrawsthehardwarewiththeprotelSoftwareanddesignstheASMsoftwareProceedingetc.HardwareandsoftwareTestshowthattheimprovedECUcanmeetthebasicrequiresofthevehiele.Atthesametime，gaveoutthereferenceforthedesignofthebestECUinthefuture.

Keywords:

Petrolmachine;ElectronicControlUnit;FuelInjectionSystem

第1章绪论

1.1课题的研究意义

20世纪是人类进入工业化社会的世纪。

汽车制造业是工业化的龙头，它影响着整个工业化的发展进程。

从历史上看，汽车工业在制造业的发展中处于一种特殊的地位。

这不仅是汽车产业的规模和市场举足轻重，也是指汽车生产的需求刺激了相关技术的发展，更为重要的是汽车产业在生产方式、经营管理方面的变革对世界经济的发展产生了深刻的影响。

汽车工业的发展，带动了世界能源经济的发展。

而日益匾乏的能源，以及人们对生存环境的关注，人们对汽车的耗油、排污提出了质疑。

近二十年来，随着计算机和电子技术发展，采用电子技术己成为解决汽车诸多问题的最佳方案，电子技术在满足发动机排放法规、进一步提高燃油经济性、提离安全驾驶性能等社会要求的背景下，从80年代初开始，先后被各汽车生产厂用来控制喷油。

到目前为止己经历三代变化，其在解决排放方面起到了不可替代的作用。

然而，在我国汽车电子的专业研究人员很少，对引进国外技术的消化理解不够，仅停留在应用水平上，这将大大限制我们民族汽车工业的发展。

汽车工业是国民经济发展的支柱产业，各种国内名牌轿车的成功，体现了引进国外先进技术为汽车工业的发展注入的生机和活力，使我们可以在消化吸收先进科技成果的同时，发展我们自己的科技力量，以尽早赶超世界先进水平，这是汽车工业真正能够腾飞的必由之路。

1.2国内外的研究发展现状

现代社会的发展、汽车工业的发展对汽油机的各项性能指标提出了越来越高的要求，各生产厂家纷纷采用电控汽油机。

电控汽油机主要是对发动机的喷油和点火以及其它装置进行电子控制，通过各种传感器采集发动机工况参数，经过CPU预先编制的程序计算出最佳喷油量和点火时刻等，使发动机工作在各种性能指标限制下的最佳状态。

喷油是发动机的一个重要部分，它的设计和制造的好坏对汽油机的各项性能指标有很大的影响。

在国外，发动机的控制已由早期的模拟装置发展成为微机控制的数字控制系统，并且已经由单一的喷油、点火控制发展到影响发动机性能的方方面面，现代发动机的电控系统不仅控制发动机的点火和喷油而且发展到怠速控制（IS0系统、排气再循环（BGR）电控系统、增压电控系统、故障自诊断系统、故障保险系统及故障备用控制系统、曲轴箱强制通风电控系统、二次空气喷射系统等。

在控制策略和理论方面，己由过去的简单的开环控制发展到闭环反馈控制，由传统的PID调节控制发展为自适应学习控制。

而且电控系统不断向集成化、智能化发展，其控制精度越来越高，控制范围越来越广。

1.3本文工作内容简介

本文主要设计了汽车电子控制燃油喷射系统。

电控喷油系统的开发，可以分为硬件设计和软件设计两部分，主要包括各种传感器的选择，传感器信号的处理电路设计，控制单元对信号的计算和控制等。

电控单元的硬件和软件功能要合理配置，这对提高系统性能有现实的意义。

工作内容主要有:

（1）针对汽油机的排放采用最新研究成果进行分析，找出其关键的影响因素。

（2）对比化油器式，提出了对喷油进行电控的控制思路。

（3）通过对其影响较大的空燃比，经过试验，获取了喷油脉谱图等，为排放达

到国2标准做了准备。

（4）进行了系统设计工作，针对汽车的特殊性，设计选择各种检测仪器，完成

了电路设计工作，并规划了软件流程与软件设计工作。

主要包括各种传感器的选择，传感器信号的处理电路设计，电控单元的设计等，并对电控单元的硬件和软件功能合理配置，完成了电控系统的设计。

（5）通过试验，进行排放测试，对系统性能进行了检测、分析。

（6）进行了工作总结，为后续的进一步提高提出了思路。

工作特点:

在机械的基础上，引入了电子控制思想，提高了系统控制的精度，从而改善汽车发动机的排放特性，使其排放性能提升。

第2章

汽车各参数的计算与测量

2.1汽车运行的工况

（1）冷起动工况

发动机起动时转速极低，大约100r/min左右。

此时，冷起动时进气量很小、空气流速非常低，汽油的雾化效果差，大部分汽油呈较大的油粒状态，从而使气缸内混合气浓度过稀，无论是混合气的紊流程度、气缸壁的温度还是压缩终点混合气的压力和温度都比较低，这些因素都给混合气的着火和火焰持续发展造成了一定困难，甚至于无法燃烧，所以起动时要供给较浓的混合气，以保证气缸内的混合气中有足够的汽油蒸汽，使发动机得以顺利起动。

另外，进气管与进气阀温度都比较低，使燃油的蒸发性较差，汽化的燃油百分比较小，为了能满足燃烧时所需的空燃比，要使汽车的空燃比减小。

所以，冷起动时应采用较浓的混合气。

（2）暖机过程

冷起动后，发动机各气缸开始自动运转，发动机的温度逐渐上升，发动机进入暖机期。

此时，气缸壁与燃烧室的温度还很低，燃油的汽化仍较差，部分燃油凝结在管壁上，因此在暖机期仍需要较浓的混合气，到发动机充分预热后再过渡到稳定工况所需的空燃比。

此时，系统提供的混合气的过量空气系数应随着温度的升高，从起动时的极小值逐渐加大到稳定怠速所要求的数值为。

（3）怠速和小负荷工况

在怠速时，气缸内混合气的绝对密度较低，所含的废气百分比又较大，残余废气引起相当大的稀释作用，导致火焰温度、紊流火焰温度进一步下降。

为了获得平稳的怠速，同时为了随时准备适应突发的加速，在怠速时采用较浓的混合气，随着节气门开度增加，在怠速呈现的特点逐渐减弱，混合气的浓度可以逐渐降低，混合气由较浓变为较稀。

（4）中小等负荷工况

在小负荷和中等负荷采用当量空燃比的混合气，而不是采用经济混合气，因为系统采用了三元催化器，而它的转换效率在当量空燃比时达到最高，为了满足严格的排放法规的要求，应牺牲部分经济性，采用理论混合气。

（5）大负荷和全负荷工况

发动机全负荷运行时，应发出最大的转矩。

相对于部分负荷工况，供给的混合气也有一定的加浓。

加浓的多少按不同发动机混合气调整有所不同。

（6）加速工况

汽车发动机加速时，节气门突然加大，进气管压力随之增加，由于液体燃料流动的惯性以及进气管压力增加后燃油蒸发减少，大量的油滴凝结在进气管、进气道及进气阀表面，形成油膜，即产生湿壁现象。

结果使进入气缸内的有效空燃比被瞬间稀化，严重时会过度稀化，使发动机转速下降，此时踏下加速踏板后，车辆加速，还会因为转速下降产生受阻的感觉，为了防止这种现象发生，在发动机突然加速时，要短暂多喷一些燃油，加浓瞬间空燃比，以获得良好的加速过渡性能。

（7）急减速工况

在汽车行驶急减速时，节气门突然关闭，由于惯性作用，发动机仍保持很高的转速，由于活塞的抽吸作用，使进气管的真空度急剧升高，绝对压力降得很低.促使在进气管、进气道和进气阀表面的油膜加速蒸发汽化并进入气缸。

此时，气缸内的空气量又很少，导致瞬间加浓，为了避免抽吸现象发生，在急减速工况需稀化空燃比。

2.2运行工况分析

2.2.1稳定工况分析

综合汽油机在各工况下，所需空燃比对节气门开度的关系，如图2.1所示。

图2.1汽油机稳定工况所需空燃比

随着节气门开度增加，在怠速呈现的特点逐渐减弱，混合气的浓度可以逐渐降低，如AB段，混合气由较浓变为较稀。

在中等负荷运行时，节气门已经有足够大的开度，此时缸内混合气的绝对密度已经足够大，由于考虑到燃油经济性要好，采用稀混合气，即经济混合气，见BC段。

在发动机负荷增加过程中，当节气门接近全开（开度超过85%左右），要求采用随着节气门开度增加逐渐加浓的功率混合气，如图中CD段。

这样是为了适应负荷加大的要求以及实现到节气门全开的平滑过渡，即D点，从经济空燃比C点到功率空燃比D点的加浓过程应是逐渐的，而不能突跃。

总之，对于发动机而言，其工况变化很大，控制策略须能够根据转速和节气门位置信号及时判断所处工况，并随工况和环境变化提供可变的满足该工况要求的空燃比。

发动机大部分运行时间在部分负荷工况，此时需要将空燃比维持在当量值，然而运行工况一直在变化，而且可能在几分之一秒内发生，策略中要保证进气量变化后喷油量也能改变，以维持一定的空燃比。

2.2.2瞬态工况分析

在汽车运行中，突加速和突减速的瞬态工况会频繁出现，为满足驾驶性能的要求，并保证发动机平稳迅速过渡，必须仔细控制瞬态工况所求空燃比。

汽车发动机加速时，节气门突然加大，进气管压力随之增加，由于液体燃料流动的惯性以及进气管压力增加后燃油蒸发减少，大量的油滴凝结在进气管、进气道及进气阀表面，形成油膜，即产生湿壁现象。

结果使进入气缸内的有效空燃比被瞬间稀化，严重时会过度稀化，使发动机转速下降，此时踏下加速踏板后，车辆不能被加速，还会因为转速下降产生受阻的感觉，为了防止这种现象发生，在发动机突然加速时，要短暂多喷一些燃油，加浓瞬间空燃比，以获得良好的加速过渡性能。

在汽车行驶急减速时，节气门突然关闭，由于惯性作用，发动机仍保持很高的转速，由于活塞的抽吸作用，使进气管的真空度急剧升高，绝对压力降得很低。

促使在进气管、进气道和进气阀表面的油膜加速蒸发汽化，并进入气缸。

此时，气缸内的空气量又很少，导致瞬间加浓。

为了避免抽吸现象发生，在急减速工况需稀化空燃比。

2.3汽车各参数测量与设计

2.3.1空燃比的测量

ECU在控制空燃比时，拟采用了两种方式:

开环控制和闭环控制。

根据发动机的具体工况，一般在冷起动及冷却水温度较低时，负荷较大，节气门开度很大时，需要提供功率混合气，以及氧传感器准备不充分时要采用开环控制;其他工况应采用闭环控制。

此外，当有故障使电控系统进入失效安全模式时，系统也会自动转向开环控制。

对空燃比的控制是通过对燃油喷射量的控制来完成的。

在开环方式中，其特点是预先通过实验测定各个工况点的喷油持续时间值，并存入计算机中形成喷油脉谱。

大多数电控系统中都采用脉谱图的方式来确定脉谱通常是根据试验样机在试验台架上进行的试验确定的，这一工作称为标定。

在电控程序中，几乎每一待控参数都需要有相应的脉谱图。

对应每一种脉谱，又可划分成若干种，即不同工况采用不同的脉谱，由此可见电控程序中含有大量脉谱，每一个脉谱中又含有大量的数据，这些数据在微机中占据了相当部分的EPROM。

发动机在实际运行过程中，把依据工况在脉谱中查得的喷油脉宽值作为该工况点的基本喷油脉宽，然后根据传感器检测的冷却水温度、电池电压、进气温度、节气门开度等参数，对基本喷油脉宽进行修正，确定出最终喷油持续时间。

在这一方式中，ECU根据一定的空燃比计算脉宽，但喷油后实际混合气到底是怎样的空燃比，并没有进行反馈检查。

对空燃比采用开环控制时，必须确定目标空燃比。

开环控制具有方法简单、响应快速的优点，但由于开环控制是一种预定模式控制，其控制精度完全依赖于脉谱值的测量精度，无法对偏差、扰动等外界干扰因素进行补偿修正，所以随着电控技术的深入发展，单纯依赖开环控制己无法满足空燃比控制精度的严格要求，在这种情况下出现了空燃比闭环反馈控制方法。

空燃比的闭环控制是由开环控制环节和闭环反馈回路两部分组成，ECU并不只是计算喷油脉宽，同时通过氧传感器信号反馈这一脉宽实际形成的空燃比，并与目标空燃比比较，从而决定下一次喷油的脉宽。

显然，闭环控制比开环控制更精确，因为闭环控制方式可以补偿喷油系统的各种误差，这些误差可能包括空气流量传感器误差、喷油压力的误差、喷油器的流量误差等等。

也就是说，闭环控制不但可以克服各台发动机之间的差别，还可以克服发动机在整个使用寿命内随使用时间增加而产生的各种变化。

但是并不是在所有工况下都能采用闭环控制，采用闭环控制必须在满足一定的条件之下。

何时采用开环控制，何时采用闭环控制都由控制策略而定。

比如说在起动拖转期、起动期、暖机期、全负荷工况、加浓工况，瞬态补偿工况，断油工况，排气氧传感器EGO、空气质量流量传感器MAF故障及各缸故障或己进入失效安全策略时，系统将自动进入开环控制。

否则在发动机运行了一段时间，且已充分暖机后就会进入闭环控制。

要进行空燃比闭环控制，必须配备反馈空燃比信息的氧传感器EGO。

闭环控制的目的是为了使空燃比维持在当量值附近，以保持三元催化器的最高转化效率:

所以，通常空燃比闭环控制、EGO和三效催化器三者是互相联系的，缺一不可。

本文在对喷油控制要求，影响因素和难点问题进行详细分析和研究后自行设计了ECU的喷油控制策略。

喷油控制方式采用开环、闭环两种，并由气缸每循环充气量精确校正，以实现起动及暖机工况喷油控制、正常运行工况喷油控制。

从理论上实现发动机所有工况条件下对空燃比的精确控制。

2.3.2进气量的计算

进入发动机的空气量与节气门的开度有关，其开度越大，进气量越多。

而空气的质量与大气的压力、温度等参数有关，要准确的测量出进入发动机机体空气量的值，则必须要测量出大气压力与温度等参数。

如图2.2

图2.2空气流量与输出电压关系

（1）进气温度的测量

空气质量大小与进气温度高低有关。

当进气温度低时，空气密度大，相同体积气体的质量增大，反之，当进气温度升高时，相同体积气体的质量将减少。

采用速度一密度法测量空气质量时，需要测量空气温度，对喷油量进行修正。

当大气温度低时，ECU将控制喷油器增加喷油量，反之，当大气温度高时，将减少喷油量。

进气温度的测量一般采用热敏电阻传感器。

其工作原理是:

用一个半导体热敏电阻作为感应元件，为负温度系数，即电阻值随温度升高而降低。

工作时与一个标准电阻串联，并在两端加5V的参考电压，温度变化时，从热敏电阻上测出的电压即代表温度信号.其输出电压（0V~5V）随热敏电阻阻值变化，可直接进行A/D转换，电阻阻值的选择尽量使:

（1）在冷却水温度的变化范围（-20℃~100℃）内，电压的输出范围接近A/D转换器的设定量程;

（2）电压随温度的变化关系近似于线性。

在此选取标准电阻Rl=5K在接口电路中，把进气温度传感器信号接入80C196KB单片机A/D转换器的ACHO/P0.0引脚上。

（2）进气压力的测量

空气质量大小除与进气温度有关外，还与进气压力有关。

进气管真空度发生改变时，进气速度将发生改变，将直接影响到进气质量。

进气歧管压力传感器选用半导体式压力传感器，它可以把压力信号变换成电信号，其工作温度范围为-30~100C。

这种传感器的特点是:

耐振性好，不易受温度变化的影响，即使在严酷的环境中工作，精度也特别高，响应速度快.本传感器是由半导体压力变换元件和滤波器组成的，其工作原理是利用硅片的电阻随压力有很大变化（压阻效应）而产生电信号，再用电子电路把电信号放大、向外输出。

硅片装在保持真空的真空室内，进气管的压力可从一个方面作用到硅片上。

当进气歧管的压力作用到硅片上时，按此压力与真空室压力之差硅片的电阻发生变化，再经真空室内的混合集成电路变换为电压信号并加以放大后作为吸气管的压力信号集成电路变换为电压信号并加以放大后作为吸气管的压力信号输入到计算机中。

其输出信号是模拟信号，处理电路需要由分压电阻、低通滤波和过电压保护三部分组成。

低通滤波时间常数为8.46ms。

信号与巧V电源之间连有一个二极管，使送到微处理器A/D转换端口的信号最大不超过（+5V+二极管压降）。

输出端信号接到80C196KB单片机A/D转换器的ACHZ/P0.2引脚。

（3）温度补偿

当进气温度发生变化时，发热元件的温度就会发生变化，测量进气量的精度就会受到影响。

考虑到控制精度的需求，对于气温的变化暂不作考虑。

2.3.3喷油量的计算

发动机工况不同，对混合气浓度的要求也不相同。

特别是冷启动、怠速、急加减速等特殊工况，对混合气的浓度都有特殊要求。

因此，喷油量的控制可以分为发动机启动时喷油量的控制（开环控制）和发动机运转过程中喷油量的控制。

微处理器根据传感器（转速与曲轴位置传感器、空气流量计或进气压力传感器、氧传感器、水温传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器等）信号以一定的控制

算法计算喷油脉宽和喷油正时，并指令ECU中的喷油驱动芯片驱动喷油器按计算出的喷油脉宽和喷油正时喷油。

发动机工作时，ECU从传感器得到空气流量的信息，通过计算、查表找出喷油量，从而使混合气的空燃比达到预先设定的值。

在整个过程中，ECU输出的控制指令只是一个触发喷油器的控制信号，在这一个喷油信号中，ECU控制了信号的脉宽以及时刻，这个喷油信号的脉宽就决定了喷油量的多少。

如图2.3所示。

图2.3喷油量的计算

第3章

汽车检测电路设计

设计要求选用车载传感器，设计其检测电路，要求其输出满足80c196kb的输入电压要求

3.1需检测的参数测量方式设计

本系统所用到的传感器包括曲轴转速及位置传感器CPS、凸轮轴位置传感器CAS、进气歧管压力传感器MAP、冷却水温传感器ECT、进气温度传感器工AT、节气门位置传感器TP、排气氧传感器EGO，爆震传感器KS和车速传感器VS.传感器直接与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要渠道，所以必须采取合适的干扰措施，以确保电路正常工作。

3.1.1汽车曲轴转速的测量设计

转速传感器选用霍尔式传感器，装在变速器的输出轴上。

霍尔传感器是一种有源磁电转换部件，此电路为集电极开路输出，输出为电平信号，必须在输出端与电源之间接电阻R1。

由于传感器内部设施密特电路，其输出为矩形波，因此无需对其进行整形，但由于在发动机运行过程中，受点火系统干扰，信号中混有幅值较高的尖脉冲干扰信号，为此，经过处理电路中的滤波电路及光电耦合电路，使噪声得到抑制。

3.1.2冷却液温度的测量设计

水温传感器为热敏电阻传感器，测量发动机冷却水温。

其工作原理是:

用一个半导体热敏电阻作为感应元件，它具有负温度系数特性，即电阻值随温度升高而降低。

工作时与一个标准电阻串联，并在两端加5V的参考电压。

当温度变化时，从热敏电阻上测出的电压即代表温度信号。

其输出电压（0V~5V）随热敏电阻阻值变化，可直接进行A/D转换，电阻阻值的选择尽量使:

（1）在冷却水温度的变化范围介（-20℃~100℃）内，电压的输出范围接近A/D转换器的设定量程。

（2）电压随温度的变化关系近于线性。

在此选取标准电阻R1=5K。

在接口电路中，把冷却水温度传感器接入80C196KB单片机A/D转换器的ACH3/P0.3引脚上。

3.1.3进气温度的测量设计

空气质量大小与进气温度高低有关。

当进气温度低时，空气密度大，相同体积气体的质量增大，反之，当进气温度升高时，相同体积气体的质量将减少。

采用速度一密度法测量空气质量时，需要测量空气温度，对喷油量进行修正。

当大气温度低时，ECU将控制喷油器增加喷油量，反之，当大气温度高时，将减少喷油量。

进气温度的测量一般采用热敏电阻传感器。

其工作原理是:

用一个半导体热敏电阻作为感应元件，为负温度系数，即电阻值随温度升高而降低。

工作时与一个标准电阻串联，并在两端加5V的参考电压，温度变化时，从热敏电阻上测出的电压即代表温度信号.其输出电压（0V~5V）随热敏电阻阻值变化，可直接进行A/D转换，电阻阻值的选择尽量使:

（1）在冷却水温度的变化范围（20℃~100℃）内，电压的输出范围接近A/D转换器的设定量程;

（2）电压随温度的变化关系近似于线性。

在此选取标准电阻Rl=5K在接口电路中，把进气温度传感器信号接80C196KB单片机A/D转换器的ACHO/P0.0引脚上。

3.1.4进气压力的测量设计

空气质量大小除与进气温度有关外，还与进气压力有关。

进气管真空度发生改变时，进气速度将发生改变，将直接影响到进气质量。

进气歧管压力传感器选用半导体式压力传感器，它可以把压力信号变换成电信号，其工作温度范围为-30~100℃。

这种传感器的特点是:

耐振性好，不易受温度变化的影响，即使在严酷的环境中工作，精度也特别高，响应速度快.本传感器是由半导体压力变换元件和滤波器组成的，其工作原理是利用硅片的电阻随压力有很大变化（压阻效应）而产生电信号，再用电子电路把电信号放大、向外输出