CN105156211B - 一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统，以MC9S12P128芯片作为电子控制单元的主芯片，以MC33812芯片作为喷油器、点火器和继电器三项主要执行器的驱动芯片，选取的传感器部件包括机体温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、霍尔式曲轴位置传感器，以CAN通讯的方式实现液晶型触摸屏的监控与标定功能。本套电子控制系统可以精确控制各个工况下的喷油量和点火提前角，并附带有自诊断功能，从而提高发动机的动力性、经济性和排放性，满足更高阶段的排放法规要求。

Description

一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统

技术领域

本发明涉及发动机电子控制领域，特别是一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统。

技术背景

小型汽油机由于具有体积小、结构紧凑、转速高等特点，被广泛应用于农林植保机械、园林机械、小型农机具、发电机组、建筑机械、舷外机械等。鉴于我国小型汽油机的产销量巨大，其能源消耗、排放污染等问题越来越受到重视，同时为了满足更高阶段的排放法规要求，开发配备具有更高控制精度的电子控制系统是行业的重要任务。采用电子控制技术，能使各个工况的点火提前角、喷油量控制、空燃比等达到最佳值，进而使发动机在不同工况下工作在最佳状态，使发动机的燃油消耗率和排放性能的提升。国内已申请的相关专利方面，有山东理工大学的小型汽油机电子燃油喷射控制系统(申请公布号：CN201110184060.X)、无锡伟世达电子科技有限公司的一种通用型汽油机转速控制方法及系统(申请公布号：CN201010260973.0)。这些专利虽然也是针对小型汽油机的控制系统，但是存在结构复杂、成本较高的问题。

发明内容

根据现有化油器式小型汽油机的不足，本发明要解决的问题是：根据发动机工作原理，用电子控制单元取代化油器。

本发明的技术方案为：以飞思卡尔MC9S12P128为主控制芯片，结合控制单缸机喷油点火专用芯片MC33812，设计发动机控制单元硬件电路；以时间为主线编写控制策略，包括用户管理、发动机管理、数据管理等。提供一整套小型汽油机电子控制系统，传感器包括霍尔式转速传感器(曲轴位置传感器)、机体温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器，执行器包括电感式点火器、电磁式喷油器、小型燃油泵、指示灯等，提供液晶触摸型显示屏作为监测、标定工具。

发动机电控系统是以控制单元(ECU)为核心，采用安装在不同部位的传感器获得与发动机运行状况和环境相关的信息，经过ECU内部程序的处理、计算和修正，获得执行器的控制参数，进而控制执行器做出相应的动作。利用曲轴位置及进气歧管压力判断发动机压缩上止点，利用机体温度传感器、进气温度传感器对喷油量进行修正，进行喷油量和点火提前角的精确控制，从而提高小型汽油机的动力性、经济性和排放性，满足更高阶段的排放法规要求，并附带有自诊断功能。

本发明的小型汽油机电子控制系统所具有的有益效果是：

(1)提供一整套小型汽油机电子控制系统，传感器包括机体温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器和霍尔式曲轴位置传感器，执行器包括电感式点火器、电磁式喷油器、小型燃油泵、指示灯等，提供液晶触摸型显示屏作为监测、标定工具，并附带有自诊断功能，能够精确控制各个工况下的喷油量和点火提前角，从而提高发动机的动力性、经济性和排放性，满足更高阶段的排放法规要求。

(2)采用霍尔式曲轴位置传感器，配合11齿的信号盘，获取信号盘的齿边沿信号，并通过该边沿信号的时间差与旋转角度相结合，计算发动机转速；采用进气压力传感器与曲轴位置传感器相配合的方式，判断发动机的冲程，当曲轴到达上止点位置后，且连续3个进气压力信号处于递减状态，则可以判断发动机处于进气冲程。

(3)采用液晶触摸型显示屏作为发动机监测、标定工具，并且可以监测故障信息，具有携带方便、操作简便的优势。

通过传感器获取发动机运行所需的相关信息，并通过控制单元内部程序的计算，获取各个工况下最合适的喷油脉宽和点火提前角，提高发动机运行的稳定性，降低燃油消耗、减小排放污染。

本发明不仅可以提高小型单缸汽油机的整机性能，而且可以推广应用于多缸汽油机上。

附图说明

图1为本套小型汽油机电子控制系统的结构示意图；

图2为系统结构框图；

图3为电控单元的硬件结构框图；

图4为MC33812与主芯片的连接电路简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，系统以168F型小型化油器式汽油机为对象，开发一套完整的电子控制系统。以小型汽油机为硬件基础，电子控制单元连接所有的传感器与执行器，油箱、油泵、滤清器、进油管、燃油压力调节器、回油管、喷油器共同组成了发动机的燃油回路。油箱内的汽油通过燃油泵经输油管并经过滤清器过滤后输送至喷油器位置，燃油压力调节器可以控制油管内压力为0.25MPa，当压力过高时则通过回油管泄压，多余汽油回到油箱。

如图1和图2所示，机体温度传感器和进气温度传感器获取机体温度和进气温度信号，用于对喷油脉宽进行修正；节气门位置信号和转速信号构成二维脉谱(MAP)图，用于计算喷油脉宽和点火提前角；进气压力传感器与曲轴位置信号相配合，用于判断发动机冲程；转速传感器获取11齿的齿盘信号，用于计算转速。系统中的齿轮盘上共有11个齿，每隔30°为一齿，其中有1个齿为空缺，该缺齿被用作判断发动机的上止点位置，安装的齿盘在缺齿判断后的第7个齿为发动机上止点的位置。

所述霍尔式转速传感器安装于发动机信号齿盘处，节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器安装于节气门体上，机体温度传感器安装于发动机机体上，以上传感器采集与发动机相关的所有物理量，通过线束将信号传递给控制单元ECU，经过内部程序计算后，控制喷油器与点火器的工作，实现控制发动机的运行。当系统存在故障时，会点亮故障指示灯以提示故障的存在。

所述机体温度传感器与进气温度传感器为负温度系数热敏电阻式传感器，用于获取温度信号，在冷启动和正常运行状态下对喷油进行修正。

所述进气压力传感器用于检测进气歧管中的气体压力。系统采用中等测量精度的压阻式压力传感器，原因是进气压力只是作为判断具体冲程和供油量修正的参数，中等精度的压力传感器其误差范围为±1％，能够满足使用要求。由于本套系统没有设置凸轮轴位置传感器，因此需要进气压力传感器配合霍尔式曲轴位置传感器，共同判断进气冲程。

所述节气门位置内部为滑动变阻器，安装于节气门上，用于获取当前节气门的开启角度，反映当前发动机负荷状况和操作者的控制意图，电子控制单元将依据当前转速和节气门开度查脉谱图获取当前与喷油和点火系统相关的数据。

所述霍尔式曲轴位置(转速)传感器安装于信号齿盘边沿，采集信号盘的齿信号，由于传感器的输出信号频率与发动机转速成正比，因此可以计算发动机的转速。

系统采用电磁式喷油器，即通过控制电磁阀开启与关闭调节供油管路的通断。喷油过程主要依靠主轴的移动完成燃油的喷射和截止，在喷油器的量孔截面积和供油压力一定的情况下，喷油量的多少只与喷油器的通电时间长短有关，即在管路中，流量、流速均保持不变，通电时间越长，供油量越多，喷入汽缸中的燃油量越多，此系统将喷油量的多少转化为喷油脉宽的大小。当进入喷油器的油压和喷孔截面积一定时，喷油量的大小只和喷油器的通电时间有关系，因此系统只要通过控制喷油脉宽就能控制喷油量的大小。

小型汽油机点火系统主要由点火器、点火线圈和火花塞完成发动机的点火工作，点火过程是ECU(Electronic Control Unit)根据各个传感器反应的发动机状况，确定点火时刻和点火持续角，进而输出点火信号。点火器接收点火信号的同时进行充放电过程，点火器充放电过程中，使点火线圈初级和次级线圈感应出高于2万伏以上的电压，该电压作用于火花塞使其完成点火过程。

系统ECU的输出电压为TTL电平，其输出电流和电压都较低，无法驱动高电流、高电压的元件，因此需要采用电磁继电器来控制高电压、高电流。该继电器采用低端驱动方式工作，系统中需要使用继电器RERAY控制的执行器包括喷油器、燃油泵、报警灯、加热器等。

燃油泵的作用是从燃油箱中把燃油吸出，经过加压后输送到供油管，在一般的控制系统中燃油泵和燃油压力调节器配合建立稳定的燃油压力，燃油泵的供电电压为12V。

滤清器的作用是过滤汽油中的杂质，确保进入与喷油器连接的油管内的汽油的纯净度。

燃油压力调节器的作用是控制小型汽油机的燃油喷射压力维持在0.25MPa左右，当压力过高时通过回油管泄压。

故障指示灯的作用是指示当前系统是否存在故障，当存在故障时故障指示灯点亮，否则故障指示灯熄灭。

如图2所示，该系统的传感器采集发动机的参数信息送入控制单元的处理电路，处理电路连接主芯片的输入引脚，主芯片的输出引脚与MC33812芯片相连接，MC33812的输出引脚与执行器连接，以控制执行器的工作、控制发动机的运行；主芯片的通讯接口还与通讯系统实时互联。

作为控制系统获取信号的基础元件，传感器获取与发动机相关的所有电量、物理量，通过信号处理电路，将物理信号转换为控制单元可以读取的电压信号，通过控制单元内的主程序的计算，得到不同工况下的最佳点火提前角，通过MC33812主芯片驱动执行器工作，电控单元主芯片与外部触摸屏之间通过CAN总线进行通讯，实现监测、标定功能。

如图2和图3所示，控制单元的主芯片为MC9S12P128，控制单元内的电路主要为处理电路、输出控制和通讯接口，其中，处理电路为传感器信号滤波电路、电源的复位、转换、监控电路以及执行器的故障反馈电路；输出控制电路为功率驱动电路和低端驱动电路；通讯接口电路则用于与外部触摸型液晶显示器进行通讯。其中传感器部分包括：机体温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、霍尔式曲轴位置传感器。执行器驱动芯片MC33812内置自诊断功能，当执行器出现故障，则以逻辑高电平的形式反馈给主芯片。

本套系统通过液晶触摸型显示屏开发标定软件，触摸屏与电子控制单元之间以CAN总线的方式实现通讯，并且作为监测界面，显示发动机运行参数和故障信息。系统运行中，当出现故障时，报警灯就会点亮以显示故障状况。

本套电控系统的主要工作过程如下所述：

1.ECU电控单元的主芯片为MC9S12P128，通过复位电路、电源转换电路和电源监控电路，将12V电压的电源供给电控单元工作，并确保供电电源的安全稳定，防止电压不稳定对ECU电控单元的硬件造成损伤；

2.在ECU电控单元上电工作之后，各个传感器包括霍尔式转速传感器(曲轴位置传感器)、机体温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器开始采集各项物理信号，这些传感器以固定的采集频率将控制程序所需要的物理量通过滤波电路的处理，传输给主芯片MC9S12P128，其中：(1)霍尔式转速传感器(曲轴位置传感器)用来采集11齿盘的齿边沿信号，该信号可以用于判断缺齿位置并计算转速；(2)机体温度传感器用于采集机体温度，用于对喷油量进行修正；(3)进气温度传感器用于采集进气口的气体温度，用于对喷油量进行修正；(4)进气压力传感器用于采集进气歧管内的进气压力，由于本套系统中省去了用于判断发动机相位的凸轮轴位置传感器，因此可以利用该信号与霍尔式转速传感器信号协同判断发动机的进气相位，当判断缺齿成功后，可以计算出发动机的上止点位置，程序进入同步状态，当连续采集到的三次进气压力信号为递减状态，则可以判断该冲程为发动机进气冲程；(5)节气门位置传感器安装于节气门体上，用于判断发动机操作人员的操作意图和发动机负荷状况。

3.在控制主程序获得传感器的信号后，通过内部的程序计算和查表，可以驱动执行器以控制发动机的运行。执行器主要包括点火系统、电磁式喷油器、小型燃油泵、故障指示灯，其中：(1)点火系统包括点火器、点火线圈和火花塞，电感式点火器用于对发动机火花塞进行放电点火，通过MC33812的功率驱动电路进行驱动；(2)电磁式喷油器用于控制喷油时刻和喷油量，通过MC33812的低端驱动电路驱动；(3)小型燃油泵用于从油箱吸取汽油并使得汽油产生一定的压力，通过继电器的吸合于断开进行工作；(4)故障指示灯用于指示故障的存在，当系统出现故障时，故障指示灯会被点亮，通过MC33812的低端驱动电路驱动；(5)继电器用于控制外部大电压、大电流的零部件工作，通过MC33812的低端驱动电路驱动；(6)当执行器出现故障时，则可以通过MC33812的反馈回路将故障信号反馈给主芯片。

4.在控制系统的工作的同时，本系统提供的通讯系统为液晶触摸型显示屏，该触摸屏可以通过通讯接口电路，实现对发动机状态的监测、喷油、点火参数的标定，触摸屏与电子控制单元之间以CAN总线的方式实现通讯，并且作为监测界面，显示发动机运行参数和故障信息。

5.在发动机工作的同时，通讯系统需要时时监控发动机的运行状态，通讯系统包含上位机和下位机两大部分：上位机模块集成于液晶型触摸屏中，包含标定界面、数据管理和通讯控制功能，通过数据管理模块读取配置文件，进行初始化设定，实现发动机监控、参数标定、数据管理、通信控制、显示故障诊断结果的功能；下位机模块嵌入在控制单元ECU的主程序内，包含应用程序、CAN驱动和CCP协议控制，程序将代码和数据分别从PFlash和DFlash拷贝到RAM中运行，并实时采集经过硬件和软件调节后的传感器信号；上位机向下位机发送控制命令，而下位机向上位机发送反馈信息，两者之间通过CAN总线进行通讯。

如图4所示，MC33812芯片被用于驱动控制系统的执行器，RIN、IGNIN、INJIN为继电器、点火器、喷油器的主芯片信号输入引脚，ROUT、IGNOUTH、IGNOUTL、IJNOUT为MC33812芯片的驱动信号输出引脚，RELFLT、IGNFLT、INJFLT为故障反馈引脚。主芯片MCU与MC33812芯片相连接，MC33812用于对执行器进行驱动并向主芯片返回故障自诊断信号。其中，与主芯片相连接的RIN为继电器驱动信号输入引脚，主芯片向RIN引脚输入控制信号，与之对应的是ROUT引脚，该引脚为执行器低端驱动引脚，当主芯片向RIN引脚输出高电平信号，则ROUT被置为低电平，从而继电器控制回路被接通，继电器吸合工作；与主芯片相连接的INJIN为喷油器驱动信号输入引脚，主芯片向INJIN引脚输出控制信号，与之对应的是INJOUT引脚，该引脚为喷油器低端驱动引脚，当主芯片向INJIN引脚输出高电平信号，则INJOUT被置为低电平，从而喷油器控制回路被接通，喷油器工作；与主芯片相连接的IGNIN为为点火信号输入引脚，IGNOUTH、IGNOUTL为点火器功率输出引脚，由于系统采用低端驱动的方式控制外部晶体管，所以使用IGNOUTL端控制功率管的开启和关闭，IGNFB端用于检测点火时功率管的集电极反馈电压，设计中分别选择47kΩ和5.1kΩ的两个电阻进行分压，实现电压的实时监测；RELFLT、IGNFLT、INJFLT为故障反馈引脚，当继电器、喷油器、点火器发生故障时，该引脚会被置为高电平，直到故障被排除；LAMPIN为故障指示灯驱动信号输入引脚，与之对应的LAMOUT为故障指示灯低端驱动引脚，当LAMPIN引脚为高电位则LAMOUT被置为低电平，则故障指示灯回路接通，故障指示灯被点亮；IGNSUP为点火设备供电引脚；VBAT为供电电源。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明所提供的一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统，其特征在于：包括控制单元、传感器、通讯系统和执行器；所述控制单元分别和传感器、通讯系统和执行器相连；

所述控制单元包括主芯片、滤波电路、通讯接口电路、功率驱动电路、低端驱动电路、反馈电路、电源监控电路、电源转换电路和复位电路；

所述主芯片分别和滤波电路、通讯接口电路、功率驱动电路、低端驱动电路、反馈电路、电源监控电路、电源转换电路和复位电路相连接；所述滤波电路与传感器相连，所述通讯接口电路与通讯系统相连，所述功率驱动电路、低端驱动电路、反馈电路分别与执行器相连；

所述传感器包括霍尔式转速传感器、机体温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器和进气压力传感器；所述霍尔式转速传感器一方面和所述进气压力传感器结合用于判断发动机压缩上止点，另一方面采用霍尔式转速传感器，配合11齿的信号盘，获取信号盘的齿边沿信号，并通过该边沿信号的时间差与旋转角度相结合，计算发动机转速；所述机体温度传感器和所述进气温度传感器用于获取温度信号；所述节气门位置传感器用于获取当前节气门的开启角度；所述进气压力传感器用于检测进气歧管中的气体压力，并配合所述霍尔式转速传感器，共同判断进气冲程；

所述执行器包括点火系统、电磁式喷油器、燃油泵、故障指示灯；所述点火系统包括点火器、点火线圈和火花塞，用于完成发动机的点火工作；所述电磁式喷油器通过控制电磁阀开启与关闭调节供油管路的通断；所述燃油泵和燃油压力调节器配合，建立稳定的燃油压力；所述故障指示灯的作用是指示当前系统是否存在故障；

所述通讯系统包括上位机和下位机两大部分，上位机模块集成于触摸屏中，该触摸屏通过通讯接口电路，实现对发动机状态的监测、喷油、点火参数的标定，触摸屏与电子控制单元之间以CAN总线的方式实现通讯，并且作为监测界面，显示发动机运行参数和故障信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统，其特征在于：所述主芯片为飞思卡尔MC9S12P128。

3.根据权利要求1所述的一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统，其特征在于：所述执行器的驱动芯片为MC33812芯片，MC33812驱动芯片自带功率驱动电路、低端驱动电路、反馈电路。

4.根据权利要求1所述的一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统，其特征在于：所述进气压力传感器为中等测量精度的压阻式压力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种用于小型单缸四冲程汽油发动机的电子控制系统，其特征在于：所述节气门位置传感器内部为滑动变阻器。