1、发动机燃油喷射系统发动机燃油喷射系统电控燃油喷射系统的设计摘 要随着排放法规的日益加严和市场对汽车性能、节能等要求的不断提高，发动机电控技术得到越来越广泛和深入地发展。作为汽车电子核心技术之一，发动机电控系统软硬件技术及其自主创新研究和开发，对于我国汽车工业的发展具有非常重要的现实意义。本文以四缸汽油机电控燃油喷射系统为研究对象，结合对燃油喷射系统组成与控制策略的全面分析，基于89S51 8位单片机的捕捉比较单元、AD转换器ADC0809 单元及定时器等丰富的硬件资源，结合相应的控制策略，采用了嵌入式 C 语言，完成了多点燃油顺序喷射系统 ECU 的软件设计与调试，并对系统进行了初步的实验研究
2、。系统经调试运行，能基本实现发动机的喷油控制功能，并为今后对发动机 ECU 的深入与扩展研究建立一个良好的软硬件平台。 关键词：发动机电控，汽油机，电控单元 ECU，多点燃油顺序喷射 ABSTRACT With the increasingly rigorous emission regulation and more requirements in automotive performance and energy-saving, engine electronic control technologies have been developed more and more extensiv
3、ely and intensively. As a core technology of automotive electronics, hardware and software of engine electronic control system and its independent innovation has a profound and realistic significance to the development of automotive industry in our country. In the thesis, gasoline engine EFI system
4、with 4 cylinders is the research subject. There is a rounded analysis to the composition and control strategy of EFI system. The software design and debugging of multi-point sequential EFI system is accomplished on the base of AT89S51 8bit MCU , relevant control strategies and embedded C language. S
5、ome functions of AT89S51MCU are used,and ADC0809 which include its ADC unit. Finally, the system is validated through some primary experiment. They prove that the injecting control function can be carried out right. The system will be a helpful hardware and software basement to more extensive and in
6、tensive study of engine ECU. KEYWORDS: engine electronic control, gasoline, electronic control unit (ECU), multi-point sequential fuel injection博世公司开始生产集电子点火和电控汽油喷射于一体的Motronic数字式发动机综合控制系统，它能对空燃比、点火时刻、怠速转速和废气再循环等方面进行综合控1。 为了降低汽油喷射系统的价格，从而进一步推广电控汽油喷射系统，1980年，美国通用(GM)公司首先研制成功一种结构简单价格低廉的节流阀体喷射(TBI)系统，它
7、开创了数字式计算机发动机控制的新时代。TBI系统是一种低压燃油喷射系统，它控制精确，结构简单，是一种成本效益较好的供油装置。 随着排放法规的不断完善，使这种物美价廉的系统大有完全取代传统式化油器的趋势。1983年，德国博世公司也推出了自己的单点汽油喷射系统,即Mono-Jetronic系统。1.2电控燃油喷射系统的优点 电控燃油喷射系统与传统的化油器装置相比具有以下优点。 （1）易于起动发动机且起动时间短。通常设有冷起动喷油器，故可改善低温起动性能，起动发动机的时间只是传统化油器的50%。 （2）动力性强。采用EFI后，发动机的进气可不必预热，可以吸入密度较大的冷空气，同时进气歧管阻力减小，所
8、以充气系数提高。热效率和充气系数的提高，使发动机的输出功率提高，其功率可增大5%10%，扭力可增大7%。 （3）加速性能好。由于汽油是直接喷射到发动机进气阀处，混合气经过的路程短，因此反应灵敏，减少滞后现象,加速性能得到改善。进行油门全开的加速试验，车速由0100/的时间比传统化油器缩短7%。 （4）耗油量低,经济性好。EFI系统最突出的优势是能实现空燃比的高精度控制。因为汽油是在一定的压力下喷出的，燃油雾化品质好，且喷油量是精确地控制的，混合气的空燃比为最佳值且各缸分配较均匀，下坡时又可以完全不喷油，发动机只对空气进行压缩，所以可以降低燃油消耗量。装用EFI系统后比传统化油器省油5%15%。
9、 （5）减少排气污染。EFI系统可以分别控制汽油量与空气量，控制精度很高，能始终保持所需的最佳空燃比。该系统与三元催化剂配合使用时可以使废气中的CO、HC、NOX控制在最低范围。而且，当发动机减速到一定值(约120r/min)时，会自动切断燃油供给，可以完全排除传统化油器减速时所无法清除的HC气体。 （6）整个系统体积小，而且不需要机械驱动，安装灵活方便。电控燃油喷射系统的最大特点是，既可获得最大功率，又可最大限度地节油和净化排气，是节约能源、降低排污的有效措施之一。1.3电控燃油喷射系统的研究内容电控燃油喷射系统主要由空气供给系统，燃油供给系统，电控单元和各种传感器组成2。空气供给系统的作用
10、:根据发动机各个工况提供适量的空气，并根据ECU指令完成进气量的调节。燃油供给系统的作用：根据发动机各个工况提供适量的燃油，并根据ECU的指令完成燃油量的调节3。电控单元的作用：它是整个电子燃油喷射系统的核心，发动机状态信息通过各种传感器收集后进入电控单元，经电控单元处理里后发出相应的指令来控制执行元件4，设计者预先将发动机所有可能的工作状况进行优化，并以数据形式全部储存在电控单元。这样EFI系统就可以控制发动机总是在最佳的工况下工作。还可以按照汽车的使用目的，将确定的优化了的实验数据预先存储。如以节能、减排为目的的或以动力性为目的的发动机实验数据，将这些控制数据优化下来，发动机的工作性能也就
11、不随发动机的使用而改变了5。 2 电控燃油喷射系统的组成 燃油喷射电子控制系统由各种传感器与控制开关、电子控制单元ECU和执行器3部分组成，如图2.1所示。图2.1 系统原理图汽车发动机燃油喷射电子控制系统，采用的传感器主要有空气流量传感器或歧管压力传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器和车速传感器等；电子控制单元ECU采集的控制开关信号主要有点火开关信号、起动开关信号、电源电压信号、空调开关信号和空挡开关信号等；执行器主要有电动燃油泵、电磁喷油器和油压调节器8。在燃油喷射电子控制系统的控制部件中，空气流量传感器、曲轴位置传感器、
12、凸轮轴位置传感器和节气门位置传感器最关键，其信号是计算确定和控制燃油喷射量必不可少的传感器。冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、车速传感器的信号以及各种开关信号主要用于判断发动机运行状态、修正燃油喷射量，增强控制效果9。发动机工作时，安装在发动机上不同位置的传感器将检测到表示发动机运行状态的参数输送至单片机，单片机根据其内存程序进行分析、运算，然后向各执行器发出指令，使其按要求工作10。发动机电子控制单元（ECU）主要由输入回路、单片机以及输出回路组成。其结构如图2.2所示。图2.2 系统框图3 电控燃油喷射系统原理3.1 起动时喷油控制当启动机驱动发动机启动时，发动机转速很低，且波动
13、较大，导致空气流量传感器误差较大。因此，当ECU根据曲轴位置传感器、点火开关和节气门位置传感器信号判断发动机处于启动工况时，将运行启动程序。ECU根据冷却液温度传感器的信号确定基本喷油量，进气温度和蓄电池电压确定修正量，对喷油量进行开环控制。控制原理如图3.1所示.图3.1 启动时总喷油量计算示意图3.2 起动后喷油量控制在起动后正常运转工况下，单片机主要根据空气流量传感器（AFS）信号和曲轴位置传感器（CPS）信号得到的发动机转速计算出基本喷油量，并经过进气温度、大气压力、蓄电池电压、发动机水温、怠速工况、加速工况以及全负荷工况等参数修正后，得出喷油脉宽，向喷油器发送喷油指令控制喷油。喷油器
14、的实际喷油量由基本喷油量、喷油修正量和喷油增量3部分组成。基本喷油量由空气流量传感器（AFS）信号、曲轴位置传感器（CPS）信号、以及目标空燃比（AF）计算确定。喷油修正量由氧传感器（EGO）信号和蓄电池电压UBAT信号计算确定。喷油增量由节气门位置传感器（TPS）信号、冷却液温度传感器（CTS）信号和点火开关（IGN）信号计算确定。启动后喷油量控制原理如图3.2所示。图3.2 启动后总喷油量计算示意图3.3 断油控制发动机断油控制系统根据断油条件的不同，可分为超速断油控制、减速断油控制和清除溢流控制等。 超速断油是指当发动机超过允许的极限转速时，ECU立即控制喷油器中断燃油喷射。 减速断油是
15、指发动机在高速运转中突然减速时，ECU自动控制喷油器中断燃油喷射。 清除溢流是指当加速踏板踩到底，同时又接通点火开关起动发动机时，ECU自动控制喷油器中断燃油喷射，以便排除汽缸内的燃油蒸汽，使火花塞干燥以便能够跳火11。3.4 空燃比反馈控制为降低发动机有害气体的排放量，许多汽车上装备了三元催化转换装置。但三元催化转换装置只有在混合气浓度处于理想空燃比附近时才能使CO、HC的氧化反应和NO的还原反应同时进行，才能最大限度地降低有害气体地排放量。为将混合气体浓度控制在理想空燃比14.7：1附近，在发动机的排气管中安装了氧传感器，单片机通过氧传感器的反馈信号对喷油量进行控制，从而控制混合气的浓度1
16、2。3.5 喷油正时的控制喷油正时控制就是控制喷油器何时开始喷油。发动机燃油喷射系统按喷油器安装部位分为单点喷射系统和多点燃油喷射系统两类。单点喷射系统只有一或两只喷油器，安装在节气门体上，发动机一旦工作就连续喷油。多点燃油喷射系统每个汽缸配有一只喷油器，安装在燃油分配管上。喷油器的控制电路决定着喷油正时，即喷油时刻与喷油顺序。喷油器的控制电路可分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射3种方式。本设计采用顺序喷油的控制方式13。顺序喷油控制系统，采用磁电式曲轴位置、凸轮轴位置一体式传感器，此传感器用来提供曲轴转交信号及气缸位置判断信号。ECU根据这两个信号，可以准确的判断气缸位置，并及时驱动相应的喷油
17、电磁线圈，开启喷油。3.6 喷油量的控制 喷油量的控制即为喷射持续时间的控制，其目的是根据发动机燃烧时做设定的目标空燃比来精确配制燃油量，使其达到最佳空燃比。3.6.1 目标空燃比目标空燃比是指发动机在不同工况下，按照动力性、经济性、排放性和平顺性要求，吸入的空气量与喷入的燃油量之比，即A/F=/目标空燃比是通过发动机台架试验确定的，形成脉谱，储存在ROM中供ECU调用。如果已知每一进气行程中吸入气缸内的空气质量与目标空燃比，就可以确定每循环燃烧所需的燃油质量，即3.6.2 喷油持续时间对于一定型号的发动机来说，当喷油器的喷油压力为定值时，喷油器的每一近期行程的喷油量仅与喷油器的喷油持续时间成
18、正比。所以，在实时控制过程中，每循环燃烧所需的燃油量，是通过控制喷油器的喷油持续时间来实现的。如果不考虑发动机启动这个特殊工况，按照目标空燃比决定的喷油持续时间可按下式计算，即T=式中： T喷油持续时间（ms）； 基本喷射时间（ms）； 喷油器无效喷油时间（ms）； 基本喷射时间的修正系数，是考虑发动机各种工况及特殊要求后的喷油修正系数。4 电控燃油喷射系统的硬件电路设计硬件电路采用AT89S51作为核心处理芯片，AD转换器采用ADC0809，串口通信电路使用MAX232芯片控制。89C51接受经过AD转换器转换的发动机的各种实时信号，经过事先设计好的程序，对喷油器驱动电路发出方波信号控制喷油
19、器喷油。4.1 主控芯片本设计控制芯片采用89S51单片机，通过89S51分别进行喷油量计算，转速计算，和喷油时刻的计算。产生背景AT89C51 的性能相对于8051 已经算是非常优越的了。 不过在市场化方面，89C51 受到了PIC 单片机阵营的挑战，89C51 最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP 功能等新功能才能更好延续MCS-51 的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51 的，89S51 已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel 公司已经停产AT89C51，将用AT89S51 代替。4.1.1 新功能- 相对于89C51,8
20、9S51新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51 更低！- ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。- 最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51 的极限工作频率是24M，就是说S51 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。- 具有双工UART 串行通道。- 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51 那样外接看门狗计时器单元电路。- 双数据指示器。 - 电源关闭标识。- 全新的加密算法，这使得对于89S51 的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯
21、。- 兼容性方面：向下完全兼容51 全部字系列产品。比如8051、89C51 等等早期MCS-51 兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051 还是89C51 还是MCS-51 等等），在89S51 上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。4.1.2 特性89S51 在工艺上进行了改进，89S51 采用 0.35nm 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX 可以像下兼容89CXX 等51 系列芯片。市场上见到的89C51 实际都是Atmel 前期生产的巨量库存而以。如果市场需要，Atmel当然也可以再恢复生产AT89C51。 AT8
22、9S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。AT89S51/LS51具有如下特性：-指令架构：CISC（复杂指令）-最大吞吐量：3MIPS-片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，檫写周期可达1000次；-片内数据存储器内含128字节的RAM；-I/O口具有32根可编程I/O线；-具有两个16位I/O线；-中断系统具有
23、6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；-串行口是一个全双工的串行通信口；-具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；-低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；-包含3级程序锁定位；-AT89S51的电源电压为4.0-5.5V，AT89LS51的电源电压为2.7-4.0V；-振荡器频率0-33MHz（AT89S51），0-16MHz(A-T89LS51);-具有片内看门狗定时器（WatchDog）；-灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；-具有断电标志模式POF.-具有6个中断源-具有2个计数/定时器-具有1个串口4.1.3引脚功能 -P0口8位、开漏极、双向I/O口。 P0口可作
24、为通用I/O口，但必须外接上拉电阻；作为输出口，每个引脚可吸收8个TTL的灌电流。作为输入时，首先应将引脚置1。 P0口也可用作外部程序存储器和数据存储器是的低八位地址/数据总线的复用线。在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。 在Flash编程时，P0口接受代码数据；在编程校验时，P0口输出代码字节数据（需要外接上拉电阻）。 -P1口8位、双向I/O口、内部含有行拉电阻。 P1可作为普通I/O口。输出缓冲器可驱动4个TTL负载；用作输入时，先交引脚置1，有片内上拉电阻将其抬到高电平。P1口的引脚可由外部负载拉倒低电平，通过上拉电阻提供拉电流。 在Flash并行编程和校验时，P1口可输入低字节地址
25、。在串行编程和校验时，P1.0/MOSI,P1.6/OSI和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。I/O具有内部拉电阻的8位双向I/O。 -P2口用作输出口时，可驱动四个TTL负载；用作输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。 CPU访问外部16位地址的存储器时，P2口提供高8位的地址。当CPU用8位地址寻址外部存储器时，P2口为P2特殊功能寄存器内容。 在FLASH并行编程和校检时，P2口可输入高字节地址和某些控制信号。 -P3口局有内部上拉电阻8位双向口。 P3口左忽出口时，输出缓冲器可吸收4个TTL的灌电流
26、；用作输入口时，手先将引脚置1，有内部上拉电阻抬为高电平。若外部负载是低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。 在与FLASH并行编程和校检时，P3口可输入某些控制信号16-17。4.2 A/D转换器 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片18 。 A/D转换器引脚如图4.1： 图4.1 ADC0809引脚图ADC0809主要特性： （1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 （2）
27、具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） （4）单个+5V电源供电 （5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-40+85摄氏度 （7）低功耗，约15mW。内部结构：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。外部特性（引脚功能）：ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如上图所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8
28、：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vc
29、c：电源，单一+5V。 GND：地。4.3 串口通信电路串口通信电路以MAX232芯片为主控芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电18。MAX220MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供12V电源的应用。这些器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5uW以内。MAX225、MAXX233、MAX235以及MA
30、X245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。4.3.1对于低电压、集成ESD应用MAX3222E/MAX3232E/MAX3237E/MAX3241E/MAX3246E：+3.0V至+5.5V、低功耗、最高1Mbps、真正的RS-232收发器，使用4个0.1µF外部电容(MAX3246E提供UCSP封装)2.对于低成本应用MAX221E：15kV ESD保护、+5V、1µA、单路RS-232收发器，带AutoShutdown引脚图表MAX220MAX249系列引脚图表图4.2 MAX管脚图引脚介绍第一部分是电荷泵电路。由1、2、
31、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准2、只需要单一 +5V电源供电3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-4、功耗低，典型供电电流5mA5、内部集成2个RS-232C驱动器6、高集成度
