【摘 要】本文论述了一种用于两缸两冲程小型发动机的紧凑的电控系统及其设计方法，该控制系统由传感器、执行器和ECU三个部分组成。系统分为七个计算模块和两个中断任务，设计简单模块清晰，且易于维护和升级，达到了较好的设计效果。

【关键词】两缸两冲程小型发动机；电控单元；ECU；控制策略

0 引言

两缸两冲程小型发动机结构简单、体积小重量轻、并且升功率显著高于四冲程发动机，由于有着以上优点，被广泛应用于小型摩托车、航模甚至是小型的发电设备上。[1]本文对两缸两冲程小型发动机的控制原理、系统构成及系统设计要求进行了研究，在此之上提出了一种适用于该类发动机的控制策略，以及相应的控制单元ECU的设计方法。[2]

1 控制系统的基本结构和设计

控制系统由传感器、控制器ECU和执行器三个部分组成。空气经过节气门进入进气道，燃油经喷油嘴喷射进入进气道，跟新鲜空气混合后进入气缸。在气缸内经火花塞点火燃烧，废气由排气管排出发动机。[3-5]

1.1 传感器

本文设计的电控系统所用的传感器主要有：发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度压力传感器和排气氧传感器。

1）发动机曲轴位置传感器

该传感器主要有磁电式和霍尔式两种，本文采用磁电式。曲轴前端安装有特定齿数的齿轮盘，齿轮盘的边缘安装传感器。当齿轮盘旋转时候，传感器端即可产生相应位置的脉冲信号，使用整形电路对该脉冲电路进行整形成为矩形波，当发动机转速高时，矩形波的波幅较窄，当发动机转速低时候，矩形波的波幅较宽。ECU依次来计算发动机的转速。

2）节气门位置传感器

节气门位置传感器向ECU提供进气道节气门的角度位置，该数据是计算发动机的进气量、负荷和驾驶意图的重要参数。

节气门通常分为电子式和拉线式两种，本文采用的是自行研究开发的主动驱动式电子节气门，图1是该节气门的结构示意图。[6]ECU通过CAN总线连接该节气门部件，控制电路获取信号后驱动直流电机转动，电机的扭矩通过齿轮组带动蝶阀转动。蝶阀轴顶端安装有霍尔传感器，当蝶阀转动时，该传感器会感应到该变化，转换成跟角度相应的模拟信号，并将该信号传递给控制单元ECU。

3）进气温度压力传感器

本文采用的是温度压力一体是传感器，具有体积小重量轻的优点，尤其适合小型发动机使用。该传感器安装在进气系统的过渡管路上。

4）氧传感器

氧传感器安装在发动机的排气管中，用于测量发动机尾气中的氧含量。使用该传感器进行喷油的闭环控制，可以精确控制喷油量达到理论空燃比。

1.2 电控单元ECU

发动机电子控制单元ECU是整个电控系统的核心部分，它在发动机运转过程中接收传感器信号，并进行处理计算后向执行器发出控制信号，执行器按照ECU的控制意图进行工作。

图2是本文使用的控制器的构成图，图中左侧是上文描述的传感器，其中曲轴位置传感器是整形后的矩形波，连接至ECU的Timer管脚，ECU通过边沿触发中断来进行信号分析和计算。其他三个传感器的信号均为AD信号。控制器的右侧是点火、喷油和氧传感器加热器这三个执行器。

1.3 执行器

本文的执行器主要有喷油器、点火线路和氧传感器加热器三个部分。

1）喷油器

喷油器是一种电磁开关装置，由发动机控制单元ECU发出PWM波形，经过放大后驱动电路来控制喷油器的开启和关闭，通过喷油脉宽即PWM波形的幅度来控制电磁阀的打开和关闭之间的时间，进而控制喷油量。通过喷油正时来控制电磁阀打开的时机，进而控制喷油提前角。

2）点火线路

点火线路由点火线圈和火花塞两个部分组成，控制单元ECU通过Timer管脚发出PWM波形，进而控制初级线圈导通，最终达到控制点火的提前角和和点火能量效果。

3）氧传感器加热器

本文选用的氧传感器LSU4.9的工作温度在750℃附近，偏离这一工作点，会直接导致测量偏差，进而引起喷油量计算的不正确，导致发动机工作异常。因此有必要对氧传感器进行温度控制。

图3是氧传感器的温度控制图，把传感器上的温度和要求温度一起导入ECU，经过PID计算计算后，输出PWM信号，该信号经放大电路放大后引入加热丝，进而引起氧传感器的稳定变化，达到闭环控制的效果。

2 控制策略研究

图4是本文所采用的系统控策略，整个控制系统分为7个计算模块，分别是转速计算、点火提前角计算、点火脉宽计算、喷油提前角计算、喷油脉宽计算、点火控制计算和喷油控制计算。以下分别加以叙述：

1）转速计算

该计算任务是中断任务，当ECU捕捉到脉冲边沿，发生中断任务，计算相邻的脉冲波形的间隔，加以滤波，即可获得当前发动机的转速。

2）点火提前角计算

该任务是定时任务，每隔10ms计算一次。点火提前角以发动机转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的点火提前角，当高转速时输出较大的点火提前角。

3）点火脉宽计算

点火脉宽以进气温度和进气压力作为计算参数。当进气温度低进气压力高时，适当提高点火时间，当进气温度高进气压力低时，适当降低点火时间。

4）喷油提前角计算

喷油提前角以转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的喷油提前角，当搞转速时，输出较大的喷油提前角。

5）喷油脉宽计算

喷油脉宽以废气氧含量、进气压力、发动机转速和节气门位置为计算参数。其中进气压力和发动机转速设计为一张三维表，进气压力越高转速越高，说明发动机负荷越高，此时应加大喷油脉宽，进气压力越低转速越低，说明发动机负荷越低，此时应减小喷油脉宽。废气氧含量对以上计算结果进行修正，让空燃比保持在理论空燃比附近，达到节能减排的效果。节气门位置对以上计算结果进行二次修正，以达到较好的操纵性能。

6）点火控制任务

该任务是实时中断任务，发生在上止点时刻。当ECU通过曲轴相位传感器的信号判断出发动机处于上止点时，发生该任务。在该任务中，ECU把点火提前角的计算结果进行转化设置在Timer寄存器中开始计时，以达到在点火提前角达到的达到的时刻计时完成，发生点火中断，继而发出指定点火脉宽的PWM波形。该波形经放大后驱动点火线路打火。

7）喷油控制任务

该任务跟点火控制任务基本类似。

3 结论

本文主要介绍了两缸两冲程活塞小型发动机电控系统的控制器ECU和控制策略的设计方法。依次方法设计出了一款满足该领域使用要求的高度集成化的控制器，该控制器层次简洁、清晰，模块之间相互独立，提高了系统的可靠性。经试验验证，完全达到了对该类型小型发动机的实时性和精度的控制要求。

【参考文献】

[1]黄建，曹占国.小型二冲程航空汽油机电控系统研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，2.

[2]马二林.FAI二冲程缸内直接喷射航空用打洞机的研究[D].天津大学，2013.

[3]姜学敏.某型发动机电控燃油喷射技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[4]杨时威.基于XCP协议车用标定系统的研发[C]//中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集，2006.

[5]张翠平.电控汽油机燃油喷射及点火控制系统的设计与实验研究[D].太原理工大学，2007.

[6]卢静，翁建生.主动式电子节气门控制系统研究[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2014，12.

[责任编辑：汤静]