侯圣智 朱 棣 劉豐喆 尹 君

（天津內(nèi)燃機研究所（天津摩托車技術(shù)中心） 天津 300072）

引言

2019年7月1日，GB 14622-2016《摩托車污染物排放限值及測量方法（中國第四階段）》（簡稱摩托車國四排放標準）[1]正式全面實施。與摩托車國三排放標準相比，摩托車國四排放標準在排放限值、測試運行工況和測試設(shè)備等方面進行了大幅度的修訂，原有的化油器及電控化油器技術(shù)路線已無法滿足新排放標準要求。電控燃油噴射系統(tǒng)通過各種傳感器實時采集曲軸信號、進氣壓力、節(jié)氣門位置、混合氣濃度等發(fā)動機運行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和策略對噴油與點火進行精確控制，實現(xiàn)對發(fā)動機燃燒過程優(yōu)化和降低排放的目的[2-3]。由于摩托車國四排放標準增加了車載診斷（OBD）系統(tǒng)的技術(shù)要求，使得電控燃油噴射+OBD 成為滿足摩托車國四排放標準的“標配”技術(shù)路線[4]。

本文以某款配置了125 mL 風冷四沖程發(fā)動機的踏板式兩輪摩托車為研究對象，針對單缸發(fā)動機的特點，研究了電控系統(tǒng)的總體方案、硬件結(jié)構(gòu)以及控制策略等關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)了能夠滿足摩托車國四排放標準要求的電控單元（ECU），通過試驗驗證了電控系統(tǒng)的控制功能和減排效果。

1 電控系統(tǒng)總體方案

為滿足摩托車國四排放標準要求，電控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制+三元催化+OBD 的技術(shù)方案。從整體結(jié)構(gòu)上來看，電控系統(tǒng)主要包括電控單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)3 部分。其中，電控單元是整個電控系統(tǒng)的核心部分，它的功能有：

1）根據(jù)曲軸位置傳感器產(chǎn)生的信號計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速和曲軸位置信息；

2）根據(jù)進氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器以及進氣溫度傳感器計算每個工作循環(huán)中發(fā)動機的進氣量；

4）根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度確定最佳點火提前角；

5）采集氧傳感器信號，判斷上一工作循環(huán)混合氣的濃度，以此為依據(jù)對下一工作循環(huán)的噴油量進行修正，保證發(fā)動機閉環(huán)工作區(qū)域混合氣在理論空燃比條件下燃燒；

6）驅(qū)動燃油泵、噴油器、點火線圈、碳罐等執(zhí)行機構(gòu)，保證發(fā)動機工作在最佳狀態(tài)；

7）實時監(jiān)控節(jié)氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、氧傳感器以及噴油器等器件的狀態(tài)及參數(shù)等信息，當出現(xiàn)故障時，儲存故障信息、驅(qū)動故障燈閃爍、通過OBD 診斷通信接口（本文采用ISO 9141-2 標準）傳遞故障信息；

8）通過CAN 總線與標定計算機進行通信，傳遞狀態(tài)信息、進行發(fā)動機和整車標定等。

電控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 摩托車電控系統(tǒng)的總體方案

2 電控單元硬件電路設(shè)計

電控單元硬件電路由微控制器MCU、電源模塊、輸入信號處理模塊、功率輸出模塊以及通信模塊等組成，如圖2 所示。

圖2 電控單元硬件電路框圖

在電控單元硬件電路的設(shè)計中，微控制器MCU是電控單元的核心部件，它是控制算法和控制策略運行的載體，需要實時響應(yīng)傳感器信號、快速處理數(shù)據(jù)信息、高速輸出控制信號，其性能直接關(guān)系到整個控制策略的實時性和準確性。本文選用NXP 公司專門用于小型發(fā)動機控制的MC9S12P128 系列微控制器，其采用16 位的S12CPU 內(nèi)核，有多種外部總線接口，具有較高的數(shù)據(jù)處理能力；片內(nèi)集成了128 KB程序Flash、4 KB 的EEPROM、6 KB 的RAM 和擴展存儲端口；具有10 個12 位的A/D 轉(zhuǎn)換通道，并且具有轉(zhuǎn)換完成時產(chǎn)生中斷、外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換等功能。定時器模塊包括一個16 位可編程的計數(shù)器，主要實現(xiàn)的功能有輸入捕捉、輸出比較、脈沖累加和模數(shù)遞減計數(shù)。脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM）具有6 個8 位或者3個16 位的PWM 輸出通道。通信模塊可進行異步串行通信（SCI）、串行設(shè)備通信（SPI）、LIN 通信和CAN 通信。

在市區(qū)內(nèi)鋪設(shè)各類管道,首要任務(wù)是挖掘符合標準的溝渠,如果溝渠的參數(shù)(直線度、深度的一致性)不能得到保證,管道在實際的應(yīng)用中就會在短時間內(nèi)失效破裂或堵塞.因此,挖溝機在高低不平的復(fù)雜地形環(huán)境中開展挖掘工作,支撐驅(qū)動系統(tǒng)是挖溝機最關(guān)鍵的組成部分,其功能、適應(yīng)性直接關(guān)系到挖溝的品質(zhì)和效率.支撐驅(qū)動系統(tǒng)包括單獨驅(qū)動、轉(zhuǎn)向和定位的車輪以及自適應(yīng)地形地貌的懸架,既是挖溝機的重要組成部分,又是挖溝機適應(yīng)地形性能的綜合體現(xiàn).

針對噴油器、繼電器、油泵、點火線圈、氧傳感器等功率器件的驅(qū)動需求，在電控單元硬件電路設(shè)計中選用了NXP 公司專門為摩托車或小型內(nèi)燃機控制而設(shè)計的MC33814 智能IC。MC33814 將系統(tǒng)中的微控制器與外圍器件連接，起到調(diào)理傳感器信號和驅(qū)動功率器件的作用。MC33814 包含6 路低邊驅(qū)動電路，用于噴油器、繼電器、故障燈等功率器件的驅(qū)動；3 路預(yù)驅(qū)動電路用于電感點火的IGBT 驅(qū)動和用于氧傳感器加熱的MOS_FET（BUK9230）驅(qū)動；2 路跟隨電壓源（5V），1 路可為MCU 供電，另1 路可為外部傳感器供電，可將這路跟隨電壓采集到ADC中，保證傳感器輸出數(shù)據(jù)不受5V 電壓波動影響；1路基于ISO 9141 協(xié)議的K 線接口，用于OBD 故障診斷；1 路SPI 通信接口用于與MCU 通信，接收控制指令，傳輸芯片狀態(tài)信息等；可變磁阻傳感器接口用于處理曲軸位置傳感器信號，將磁電信號轉(zhuǎn)換成MCU 能夠識別的脈沖信號。

節(jié)氣門位置信號、進氣溫度信號、缸蓋溫度信號、進氣壓力信號、電池電壓監(jiān)測信號、氧傳感器信號以及傾倒開關(guān)信號屬于模擬信號，經(jīng)過調(diào)理電路濾波、放大和整形等處理后，傳遞到A/D 轉(zhuǎn)換模塊，得到與其大小成正比的數(shù)字量，供MCU 讀取和處理。

電控單元選用MC33879 作為步進電機的驅(qū)動芯片，微控制器通過串行外設(shè)接口（SPI）向MC33879發(fā)送指令和獲取芯片的狀態(tài)信息，通過控制步進電機實現(xiàn)對發(fā)動機的怠速控制。

電控單元選用JTA1050 作為CAN 通信電路的主控芯片，微控制器通過CAN 總線與上位機進行通信，傳遞狀態(tài)信息、進行發(fā)動機和整車標定等。

3 電控單元軟件設(shè)計

3.1 控制策略

控制策略建立在各類數(shù)據(jù)MAP 及相應(yīng)算法的基礎(chǔ)上，主要包括輸入信號故障判斷、運行故障判斷、運行工況判斷、工況控制、補償控制等功能模塊，各模塊有機結(jié)合與協(xié)調(diào)工作是控制策略能否執(zhí)行的關(guān)鍵，決定了發(fā)動機電控單元的控制品質(zhì)。

控制過程主要是依據(jù)節(jié)氣門開度、節(jié)氣門開度變化率等“控制指令信息”，再根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)速信號、節(jié)氣門位置、進氣壓力、缸蓋溫度信息來確定發(fā)動機瞬時運行狀態(tài)，然后查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)MAP 以及修正系數(shù)確定點火提前角、噴油量和噴油定時，通過輸出正確的信號驅(qū)動點火線圈及噴油器，實現(xiàn)點火及噴油的精確控制?？刂撇呗匀鐖D3 所示。

圖3 摩托車電控系統(tǒng)的控制策略

3.2 發(fā)動機工況判斷

在實施發(fā)動機噴油、點火控制策略之前，必須先確定發(fā)動機所處工況，然后才能通過不同的噴油、點火控制方法對其進行有效控制。確定發(fā)動機當前狀態(tài)的方法是根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和節(jié)氣門開度變化率判斷發(fā)動機當前所處工況，據(jù)此進入對應(yīng)的工況處理子程序，按照工況既定的控制策略，實現(xiàn)當前噴油脈寬、噴油正時、點火正時等參數(shù)的控制。

1）停車工況。停車工況下，ECU 自動檢查各個傳感器、執(zhí)行器輸入信號的情況，如超過最大值或低于最小值時，自動報警（驅(qū)動故障燈），并且保存故障信息。

2）起動工況。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為500～2 000 r/min 時，處于起動工況，ECU 查詢存儲在ROM 中的基本噴油量、噴油時刻和點火時刻，并根據(jù)進氣溫度、進氣壓力、缸體溫度傳感器信號進行修正。起動工況下，ECU 適當增加噴油量和點火充磁角，提高點火能量和補償燃油因形成油膜而造成的混合氣變稀。

3）怠速工況（暖機）。怠速工況是由節(jié)氣門開度信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號來判斷的。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于1 400 r/min 而節(jié)氣門開度等于某一數(shù)值（需要標定確定）時，ECU 判斷為怠速工況。發(fā)動機怠速工況的控制目標是通過控制步進電機和噴油、點火參數(shù)等將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制在目標值附近。怠速時的基本噴油量MAP 需事先標定并儲存在ROM 中。

4）加、減速工況（瞬態(tài)工況）。加、減速工況的判斷通過檢測節(jié)氣門開度變化率來進行。當節(jié)氣門開度變化率超過一定數(shù)值之后，則進入加、減速控制模式。當節(jié)氣門開啟速率超過一定數(shù)值之后，ECU 判定為加速工況，軟件進入加速控制模式，此時的噴油量為由MAP 得到的基本噴油量乘以加速修正系數(shù)。當節(jié)氣門關(guān)閉速率超過一定數(shù)值之后，ECU 判定為減速工況，軟件進入減速控制模式，采用減油或斷油等相應(yīng)的控制策略。

5）穩(wěn)態(tài)工況。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、缸蓋溫度等參數(shù)的不同，穩(wěn)態(tài)工況分為開環(huán)工況和閉環(huán)工況。在開環(huán)工況，ECU 根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置等信息查取ROM 中的點火時刻MAP 圖、噴油量MAP 圖，進行插值運算后得到基準點火時刻及噴油量，最后進行進氣溫度、進氣壓力、缸蓋溫度等參數(shù)的修正，從而得到實際的噴油和點火控制量；在閉環(huán)工況，ECU 根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門位置等信息查取ROM 中的點火時刻MAP 圖、噴油量MAP 圖，結(jié)合氧傳感器采集到的混合氣濃度信息，修正實際的噴油和點火控制量，保證混合氣在理論空燃比條件下燃燒。

6）超速工況。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于某一轉(zhuǎn)速時（超速），ECU 切斷噴油信號，使噴油器斷油，并發(fā)出超速報警信號；當發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于超速轉(zhuǎn)速后，ECU 控制噴油器恢復(fù)供油。

3.3 排放試驗驗證

為了驗證電控系統(tǒng)軟、硬件的功能，對某型號125 mL 踏板式兩輪摩托車進行了電噴化改造，電控系統(tǒng)采用本文的電控單元。通過發(fā)動機臺架和摩托車轉(zhuǎn)鼓試驗臺進行系統(tǒng)匹配試驗研究與標定，確定了基本噴油量MAP、點火時刻MAP 以及控制策略。在標定工作完成后，進行常溫下冷起動后排氣污染物排放測試（Ⅰ型試驗），實際測試結(jié)果與摩托車國四排放限值的對比見表1。

表1 摩托車工況法排放測試結(jié)果與國四排放限值對比

從表1 可以看出，實際測試結(jié)果滿足摩托車國四排放標準的限值要求，驗證了電控系統(tǒng)的控制功能和減排效果。

4 結(jié)論

1）由于摩托車國四排放標準增加了OBD 的技術(shù)要求，電控燃油噴射+OBD 成為滿足摩托車國四排放標準的“標配”技術(shù)路線。

2）基于MC9S12P128 系列16 位微控制器和MC33814 智能芯片開發(fā)的電控單元以及控制策略，能夠滿足摩托車國四排放標準的要求。