实验用汽油发动机燃油喷射及点火系统开发

2013-09-08马宗正马建辉余永昌

实验技术与管理 2013年8期

马宗正，马建辉，余永昌

（1.河南农业大学机电学院，河南郑州 450002；2.河南工程学院机械工程学院，河南郑州 451191）

为了降低发动机污染排放，我国自2001年由国家环境保护总局、国家经济贸易委员会、公安部、国家工商行政管理总局联合发布《关于限期停止生产销售化油器类轿车及5座客车的通知》，明确提出自2001年9月开始停止化油器类轿车及5座客车的生产与销售，即目前的轿车用汽油发动机都是电控燃油喷射系统［1］。作为车辆工程专业及动力机械及工程专业的学生，了解和掌握汽油机电控燃油喷射系统的组成、结构和工作原理，对于提高学生的实践能力和快速适应工作有着重要的意义。因此，在汽车发动机原理课程中，汽油机燃油供给系统以电控系统为主。

发动机参数调整对于发动机性能有着重要的影响，如果只是采用理论讲解则会使学生印象不深、理解不透；通过实验方法来演示发动机参数对于发动机性能的影响有助于加强学生的理解和掌握。但是，电控燃油喷射系统都是由供应商提供［2－3］，其供油时刻、供油量、点火提前角等参数的调整，不能够像传统的化油器一样可以自由调节，为了实现参数的调整需要有相应的硬件和软件设备才能完成，而相应的设备价格较高，不适用于日常教学。针对此现象，开发了电控发动机燃油喷射及点火系统。

1 控制系统总体结构

对原发动机的改装包括：进气系统、供油系统、点火系统及整体控制系统。进气系统的改装比较简单，只是用节气门体取代原发动机的化油器，并且在节气门体与进气门之间增加一段直管，用于安装喷嘴。

1.1 燃油喷射系统

原发动机为化油器式发动机，需要对其燃油供给系统进行改造。目前电控燃油喷射系统按照喷嘴所在的位置可以分为进气道喷射和缸内喷射，进气道喷射方式对于燃油喷射压力要求较低，且易于实现。为此在改造过程中燃油喷射系统采用进气道喷射方式，燃油供给系统示意图见图1。

改装后的发动机燃油供给系统由油箱、汽油滤清器、电动燃油泵、油压调节器、喷油器等部分组成。其中，油箱用于存储燃油，汽油滤清器对汽油起过滤作用，电动喷油泵用于产生一定压力的燃油（0.4MPa），油压调节器一端与进气管连通，用于保证燃油管路与进气管内部的压力保持恒定，燃油喷嘴用于定时、定量的向进气道内部喷射燃油。

图1 燃油供给系统示意图

1.2 点火系统

改造前的化油器式发动机有自己的点火系统，如图2（a）所示，其输入信号只有磁电机发出的触发信号，控制高压包实现点火控制。此种点火器不能够根据发动机工作状态进行点火提前角的调整。为此将其改造为电控点火系统，如图2（b）所示，在原点火器的位置改为整形电路、微处理器和驱动电路。采用微处理器进行控制的优点是可以根据传感器的相关信号确定最佳的点火时间，从而能够更好地改善发动机的动力性能和排放性能。

1.3 整体控制系统

图2 点火系统示意图

整体控制系统包括传感器系统、微处理器、调理电路及驱动器，如图3所示。其中：传感器系统、微处理器、属于信号采集系统，包括进气管压力、节气门位置、进气温度、缸头温度、蓄电池电压计磁电机产生的触发信号，用于标识发动机工况；模拟信号调理电路、脉冲调理电路、喷油驱动电路、点火驱动电路及油泵驱动电控属于处理系统，用于调理输入信号及控制信号的输出；微处理器是整个控制系统的核心，选用飞思卡尔8位单片机MC9S08DZ60［4］，能够接收输入信号和输出控制信号，同时还包含于上位机的接口，用于程序下载和数据通信。

图3 控制系统示意图

2 控制系统硬件系统设计

2.1 传感器信号处理

传感器信号可分为模拟信号和数字信号2大类［5］。对于本文中设计的控制系统，传感器信号大部分为模拟信号，根据信号的不同，可大致分为类正弦信号和线性信号。

2.1.1 类正弦信号的处理

根据各种传感器的输出特性可知，用于判断上止点位置和发动机转速的磁感应式传感器输出的是类正弦模拟量，其处理电路如图4所示。6N137作为数字开关用，将类正弦信号处理成为高电平或者低电平的数字信号，从而直接利用I／O口输入单片机。

2.1.2 线性信号处理

本控制系统中，节气门位置传感器和进气压力传感器输出的信号为线性信号，如图5所示。输出信号为0～5V之间的电压信号，在单片机处理范围内，可以直接通过A／D接入单片机端口上［6］。

2.2 驱动电路

2.2.1 喷油器驱动

图6为喷油器驱动电路，从单片机输出的PWM信号，经过2个非门的抗干扰处理后进入光隔（一个光隔作用是实现控制电路和执行电路的隔离，另一个作用是避免系统中的干扰信号）；然后通过场效应管IRFP450来实现输出功率的放大，用以驱动气体喷射器。

2.2.2 点火驱动

点火驱动电路（见图7）与喷油器驱动电路基本一致，不同点是点火驱动控制高压包的输入信号。

图4 类正弦信号处理电路

图5 线性信号

图6 喷油驱动电路

图7 点火驱动电路

3 控制界面设计

在完成硬件系统设计后，为了便于操作，设计了上位机操作界面，如图8所示。该操作系统采用VC＋＋作为开发工具，利用其强大的数据库访问、控制能力开发上位机软件。该界面是用户直接与应用程序界面进行交互的途径，通过该界面可以实现喷油量、喷油时刻及点火时刻的调整［7－8］。同时，根据实验的需要和上位机数据的组织形式，上／下位机通信方式采用串行通信，并以此完成底层通信（单片机）和上层通信（PC机），由于两部分的操作平台不同，需要分别编写通信程序。

该操作系统除了燃油喷射、点火时刻调整外，还可以对发动机工作参数进行监测，比如进气压力、缸头温度、节气门开度及发动机转速等，同时监测数据还可以进行存储，便于后续分析。