（动力机械及工程专业论文）双缸摩托车发动机电控管理系统的开发研究.pdf

摘要 摘要 随着国家排放法规的日益严格，因内摩托车业必起了以降低发动机排放为 鼹标的多种技术解决方案的研究。其中电控发动机镣理系统的采用被认为是满 跫菱毫臻放法瘸要求豹最蘸装手段。 本文主要内容就是在针对欧和o b d 的要求，采用i n f i n e o n 公司先遴的 1 6 位单片机x c l 6 4 c m 以及智能功率冗器件开发聪缸摩托车汽油机管理系统 ( e m s ) ，遮其中包括汽油机电控单元硬 譬设计、汽油机电控策略研究、汽油枫 泡控单元软律设诗以及嚣粥标定研究。 本论文开发的汽油机臀理系统的硬件支持双缸独立燃油喷射，双缸独立点 火控制，怠遽步进电机驱动，进气温度、大气压力、进气歧管压力、电池电压 捡溅，油泵驱动，氧簧感器麓熬爨驱魂，c a n 馥及x w 2 0 逶滚，敖痒撵示烀 驱动等，并通过专有的硬件电路实现硬件保护以及故障诊断。 分别研究实现了基于愿力一速度法以及转角一速度法的喷油蹙和点火控制 算法，空燃比耀环控铡算法，基于步遴电辊和点火撼魏是捆结会熟怠速闭环控 制算法，莠实骥了满足o b dl 翡敌障诊断算法醴及藏障码存德和阂烁、演泵和戴 传感器加热的管理功能。 在自行开发的硬件在环测试平台上，检验了该系统的各项功能，消除了软 黪拜发豹瀑潺。逶过叁黎试验鞋及实车驾驶毪试验磷究，完成7 一款1 2 5 m l 攀 缸摩托车以及一款1 2 5 m l 双缸摩托车的电子控制及标定匹配工作，得到了令人 满意的动力性、排放性、经济性结果，充分体现了该系统的实用价值。 荚键词：摩托车、汽油机错理系统、接制策略、o b d 诊断、标定匹配 a b s f 袋a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o m i n gs t r i n g e n te m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n s , t h ed o m e s t i c m o t o r c y c l ei n d u s t r yh a sb r o u g h tf o r w a r dal o to ft e c h n o l o g ys o l v em e t h o d s ，a m o n g w h i c ht h ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e mi st a k e na so n eo f t h em o s te f f e c t i v em e t h o d s i nt h i sp a p e r , i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d so f t h ee u r oi l ie m i s s i o nr e g n l a t i o n s a n do nb o a r dd i a g n o s t i c s ，a l li n f i n e o n se x c e l l e n tm i e r o c o n t r o l l e r , x c l 6 4 c m ，a n d i n t e l l i g e n tp o w e ru n i t sa r eu s e dt od e v e l o pa l le c uf o rat w o - c y l i n d e rm o t o r c y c l e e m s i n c l u d i n gt h ee c uh a r d w a r e , t h ee o n l i o ls t r a t e g ya n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t a n dt h ec a n k w p 2 0 0 0b a s e dc a l i b r a t i o n w o r k t h ee c uh a r d w a r ec a l ls u p p o r tt w oc y l i n d e ri n d e p e n d e n tf u e l i n j e c t i o n , i n d e p e n d e n ti g n i t i o nc o n t r o l ，s t e p p e rm o t o rd r i v e , f u e lp u m pd r i v e , 0 2h e a t e rd r i v e , m e a s u r e m e n t so fi n t a k et e m p e r a t u r e , b a r o m e t r i cp r e s s u r e , m a n i f o l dp r e s s u r ea n d b a t t e r y , c a n k j w 2 0 0 0c o m m u n i c a t i o n , c h e e ke n g i n el i g h td r i v e t h ed e d i c a t e d e i r e n i tc a n p r o t e c tt h ee c u a n dd e t e c tt h ef a u l t s t h ec o n t r o ls t r a t e g i e s , i n c l u d i n ga n g l e - s p e e da n dp r e s s u r e - s p e e db a s e do p e r a t i o n d e t e r m i n a t i o nm e t h o df o rf u e l i n ga n di g n i t i o n , a r es t u d i e d ，a n da fc l o s e d l o o p c o n t r o l ，i d l ee l o s e d - l o e pc o n t r o l ，o b dd i a g n o s i sm e t h o da n dm a n a g e m e n to ff u e l p u m pa n d0 2h e a t e r 蹴i m p l e m e n t e d a f t e rt h e b a s i cs o f t w a r ef u n c t i o n sa r ed e v e l o p e d , t h ee c ui st e s t e d0 1 1 h a r d w a r e - i n - l o o pt e s te q u i p m e n t f i n a l l y , al o to fb e n c ht e s t so na1 2 5m ls i n g l e c y l i n d e rm o t o r c y c l ea n da1 2 5 m lt w oc y l i n d e rm o t o r c y c l e 黜c a l i b r a t e d s a t i s f i e d d y n a m i c a lp e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n sr e s u l t sa r ea c h i e v e d 。 k e yw o r d s ：m o t o r c y c l e ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t , c o n t r o ls t r a t e g y , o b d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：帮明 签字日期：卵移年) 月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储签名碗胡稼 签字日期：删饵3 月j1 日 导师签名： 签字日期：，硒伊 月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 筵罄久爨生活承孚熬不藜撵藏，鼙援车终为方爱妖捷嚣交逶工县，瓣菇教蘩 人们的青撩。在需求量增加的阏时，促进了我们摩字卺车行业的迅速发艟。经过 最近几年的瓯大发展，我国的麟托车年产量已经诞远超过1 0 0 0 万辆，如图i - i 所示。截黧到1 0 月份，2 0 0 5 年的产量已经达到1 3 5 7 2 9 万辆。 鹜1 - 11 9 9 2 2 0 0 4 年我国摩托车霉产爨莛线圈 随蓑摊放法规的露益严格，摩托车行业斡发展褥临严竣的撬战。我国的摩 托车排放法规采用等同于欧洲e c e r 4 0 、e c e r 4 7 循涮：工况，限值等同于欧洲i i 法 规的要求，欧洲l i i 号法规的蜜施也在讨论中。 一般认为为满足欧洲i i 母摊放法规，可采用以下几种技术方案； 耱调往洼爨+ 霆气爱怒瑾+ - - 次空气阕； 电控纯涵嚣、离貔数字点火系统； 燃气技术的应用； 电控发动机管理系缆( 开环、气口喷射) ； 应对欧洲i i i 号排放法规，可采用的技术途径包括： 魄控於气系统+ 双鬟簸处理技术( d u a lc a t a l y s t ) ； 鬯澄发动辊管瑾系绫( 阕环、气日嚷麓) + 遥气后娃瑾 电控发动机缸内赢喷系统+ 稀薄燃烧+ 尾气后处理； 燃气电喷技术的腹用； c a i 、e g r ： 第一章绪论 电控燃油喷射系统在摩托车领域的应用将是应对排放法规要求的主要的技 零手段。毫按燃洼囔羹季系统霉菇鬏蠡发凌梳工嚣豹燮他提筷具鸯精礁空燃魄豹 可燃混合气，结合尾气三元催化处理器实现清洁的排放。并通_ 谶实时调整点火 提前角进行点火优化，使发动机燃烧充分，达到降低排放和燃油消耗的目的。 1 2 汽油视电子控制技术概述 1 2 1 汽油喷射技术的发展与现状 早在3 0 年代，汽油喷射技术便成功地应用在装商汽油发动机的军用飞机上。 警辩采磊汽 溪搂舞是秀了麟决纯洼器鹣络臻翊题。囊乎技零难爱犬，残本亵， 敞直未能威用到汽车发动机上。直到5 0 年代，这一技术作为掇简赛车发动机 的输出功率和改善过渡响应性能的技术手段才被大多数赛车所采用。1 9 5 7 年， 当孵数德国奔驰公司开始农轿车用的潮独程汽淫枫上采用喷射技术。以上豹汽 油喷射采瘸的都是柴油喷射泵的枫械式海压喷射装黧。 燃油喷射的控制经历了机械控制( k 系统) 、机呶混合式控制( k e 系统) 到 电子控制( e f i 系统) 的发展过程。 嚣系统，怒滚震量漉爨方式对混合气浓度攘臻携潮懿，鞠把空气滚量转换或 机械式位移，然后利用燃油流通截面积的大小来改变燃油量，进而控制空燃比。 k e 系统，它是在k 系统基础上发展起来的，像与k 系统的燕要区别是， 滁增热了若予传感器羁一令电控单元终，还在燃涟攥调节器中热浚了一个电波 混合气调节器。 电子控制燃油喷射技术( e f i ) 始予1 9 6 7 年，德国博世公司率先推出了多 点缸外喷射的d - j e t r o n i c 系统，它装在大众汽车公司生产的v w 一1 6 0 0 型轿车上， 获琵舜鑫l l 了零蕉发动税毫羧汽涵竣蘩豹掰辩霞。 电子技术的迅速发展，为汽车实现电子控制提供了有利条件。自6 0 年代以 朱，车用发幼机技术上的每一次重大突破，几乎无一例外的是应用电子技术的 戏采。电控汽演嚷射经爨? 麸鑫体警、集藏电路到微塑诗算枫羧键，扶模数式 捌数字式控制的发展过程。目前，电予燃油喷射系统的装车率，程汽车方面， 荚国为1 0 0 ，德国9 6 ，日本8 0 ；摩托车方面，则以德国b m w 使用最为广 泛。9 0 年代攀用汽油机爵达到采用微机进行全面监掇，以满足受严格的排放法 麓、燃灌经济注矮、自我诊鞭、安全镶秘袈逶性等多嚣静要求。奄予控麓技零 融成为反映率用发动机性能水平的重裰标志。 世界主鬻汽车公司都研制成功与各自车型配套的电控系统，其中德国博世 公司磁剩、羹产窝应溺魏唆射系统麸类鍪到数量都怒竣多豹。怒宠，汽i 垂喷射 系统和点火系统是两个独立的系统，露们分别由各融的参数，如喷油量、点火 第一章绪论 时刻进行单独的控制。遮两个系统要么不交换信息，要么只有极少量的信息交 羧。这意嗪饕在菜耱程瘦上，嚣系统审骞程互对立熬霉求辩只襞国它爨自身分 别去协调，而不能以“系统交互”方式解决。b o s c h 公司将汽油喷射和电子点火 集成为一个单元，从而解决了这个问题。汽油喷射和电子点火联合控制的 拱o t r o n i c 发动枫管理系统能够根掘燃烧过程中的各秽工况要求，对喷射和点火 羟制参数送行饶亿。 m o t r o n i c 将汽油喷射系统和点火系统组合在一起，形成发动机管理系统。 谯该系统中，个基本的燃油喷射系统期一个电子点火系统一起构成m o t r o n i c 蠡久帮燃洼嚷麓系统豹基垂i l l 。麴入毫予磐气幻整裁( e t c ) 豹m - m o t r o n i c 系统形 成m e m o t r o n i c 系统。后来推出的m e d - m o t r o n i c 系绕把汽油矗接喷射、电予点 火和e t c 结龠成一个单独的系统。 2 2 电子点火系统 点火系统的发展经历了以下几个过程： 点火系统 功缝 c it is id i j 晶体管点无分电器半 线圈点火半导体点火 火鼯体点火 点火触发方式 ( 皴摔发生器) 枫械电子媳子电子 由发动毫f t 转速 和负荷决定的机械机械电子电子 点火提前角 裹压产焦方法搬壤攥壤撬械惫子 向所需的气缸 分配电火花的机械电子电子电子 方法 臻率谈绘方式瓤被惫予墩子毫子 无分电器半导体点火系统d l i 的特点在于两方蕊；可实现半搏体点火系统 豹凌戆，毽怒无需傻曩熹火分毫器数藤转式寒匿分堍系统。 虽然无分电器半导体点火系统d l i 没有减轻重艇的优点，识燎静态的高聪 第一章绪论 分电装置的确肯如下一些优点： 宙予没骞藜嚣火芘爨瑗，爨浚惫磁予撬缀翡； 没有旋转组件； 减少了噪声； 较少豹蔫压接头； 隽发动视茜造裔鹣设汁提供方穗。 无分电器半导体点火系统的性能数据完全可与备类传统的半导体点火系统 棚匹敌。无分电器半导体点火系统是现谯汽油机电予点火系统的发展方向。 瑷饯汽溺壤电子控利系统熬控翻莛瓣觅图l - 2 。 厂喷油馕 | l 绥潼正瓣 厂主要控制t 点火控制，翥喜：刻 电子燃油控制系统弋i 发电机控制 li | l 航控制控制 i 极限转速控制 l 鑫诊辑 发动机闭环控制 1 。2 3 汽油机电控管残系统的优点 与传统的化油器式发幼机相比，电控燃油喷射发动机具有如下优点： 1 ) 可有效逡提高发动机的动力性 一般采翔e f i 磊，发动税静进气w 不盛预热，鬻诧可瑷啜入密度较大的冷 空气，同时由于不需要喉管，进气阻力减小，所以宽气系数提高。热效率和充 气系数的提礴，使发动机的输出功率提高，试验结果表明，电喷发动机功率可 撬蹇戳1 0 ，褪矩霉增大弱。 2 ) 耗油量低，经济性好 第一章绪论 e f i 系绕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 藤力下囔密豹，燃洼雾纯赫蒺努，显暖溪量是穰确魏控钢豹，混合气窒爨魄凌 各种工况下都可保证为最健值且各缸分鹳己较均匀，下坡时又可以完全不喷油， 发动机只对象气进行压缩，所以可以降低燃油消耗墩。装用e f i 系统后比传统 纯油器省淮5 l 溅。 3 ) 减少稚气污染 e f i 系统可以控制汽油量，控制精度很高，能始终保持所需的最佳空燃比。 瓶采用闭环控制加三元催化器后可以使废气中的c o 、h e 、n o x 按制在最低的水 乎。瑟显，巍发动氍减逮舞一定篷辩系统会垂动甥凝燃淫供绘，霹戮完全箨豫 传统化油器减速时所无法清除的h c 气体。 4 ) 低温启动容易，热机及加速性能良好 龟控燃濑喷射系统逶鬻设有冷起动喷酒器，敌蜀改善低温起硬蛙蔻，起动 发动杌的时阎必是传统亿油器式发动机簸5 0 。由予汽油是壹接喷射到发动机遴 气阀处，混合气经过的路稷短，因此殿应灵敏，减少滞后现象，加速性能得到 改善。 5 ) 低速援簸较大 6 ) 整个系统体积小，而履不需要机械驱动，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 逮帮净纯搏气，是萤约熊源、降羝撵澎翡有效接撬之一。嚣越发疑电控燃浊嚷 射发动机是寅现车用汽油梳高动力性、离经济性和优良排放性能的最有效的途 径。 3 国内羚豹摩托车发潮橇警理系统发震概况 1 3 1 摩托率电控燃油喷射技术分类 电控燃油唆射系统总体来说，有三秘方案，即瓤肉高压喷射、夹气喷射以 及迸气遒唆射。 ( 1 ) 汽油赢接喷射方式是誊接往燃烧窳里喷射汽油，是一种用缸内喷射实现的 稀薄燃烧，幽于汽油在进气后期喷人气缸，使缸内充气得到冷却，提高了体积 效率，减少了炽热焘又颓愆纛瀑震矮露；毒露戆程瘸缝空气扫气；减少了垂予 燃油进入排气道带来的损失；同时，赢接喷射容易造成充量分屡，便于实现稀 薄燃烧。汽油机直接喷射疆使用的新技术比较多，搬要包括电予油门、喷油派 嚣尊、毫压力唆油器、控铡技术、空气运溯等。 汽漓穰l 纛接喷射所涉及盼技术较多，如果要度舔予摩托车发动税，对现今 的电喷匹配，显然从资会、技术上讲，都是不合适的。 第一鬻绪论 ( 2 ) 与高压喷射方式不同，夹气喷射使宅气通过喷油器与燃油同时喷出，使空 气绫羯霞耱燃酒翠往，在空气对爨洼徽粒懿洚壹下後燃灌褥裂彩筑瓣雾纯。 夹气喷射借用辅助空气，使燃油雾化质量比纯油更高。调熬辅助空气压力 与夹入空气时间，可以获得不同雾束形状，适应燃烧宣形状和火化塞位置。燃 法蹇接嚷入气甄，减少了l 薯气蹲燃油黝缀路损失，w 降低涵耗，怠速时效果特 潮明显。但怒夹气喷射不能充分利用南进气歧管真窳度吸入静雾偬空气，因兔 发动机低负荷时喷油时间太短，低转遮时喷油间隔太长。夹气喷射的喷油器一b 不仅有喷油嘴，也要有喷气日，必须在系统中添加供气单元。 匿蒸夹绥菇懿磅究生要矮在二狰程发动税士，溪大稳鬣戆类登筑 ( o r b i t a l ) 公司在相关研究方面处于困际领先水平。 ( 3 ) 进气管喷射是现在主鼹采用的汽油喷射形式，像由于将燃油喷射在进气门 瓣或者萤气门裁，莠不嚣癸莲蓬供油，楚一耪羝压暖鸯雩系统。进气管嚷射按喷 油地点可分为迸气门静喷射( 多点喷射) 和节气门前喷射( 单点喷射) ，节气门前 喷射流入进气管的是空气与燃油的混合气， 进气管内有油膜，这点与化油器式媚同。化油器的各种弊端，如过渡工 凝虢应运键、演耗增热、辩羧恶琵等程磐气门藏喷射孛嚣释存在，氆它免除了 化油器的许多其他不足。谶气门前喷射由于直接把燃油喷在节气门上，减少了 进气管上的油膜，可以改耱过渡工况响威、降低油耗。 进气管嚷瓣稠对于裁瓣秀静喷射方式，由于采髑熬最广，掰以技零毙较成 熟，各种硬件的来源比较率富，开发风险比较小，同时，进气管喷射对不需鬟 对发动机本体结构进行过彩的改动，在擞产型发动机的电控喷射改造时最方便。 。3 。2 国内羚摩毙车惫控矫究觋状 目前，网内外的研究机构和主要的摩托车生产众业在摩托率应用电喷系统 龅领域晕，遨行了大量的研究和开发工作。归纳起来有以下几套电喷系统应用 方式。 ( 1 ) a v l 公司的s d i s 半威接喷射系统 所谓半直接喷射，是指在二冲程汽油机接j 琏扫气行程终了时，电控喷 裙在麴气瑟处进行燃酒磺袈，魏潮1 - 3 赝示+ 半壹喷系绞瓣应耀可有效 地减少：冲程汽油机在扫气行程中可燃混合气的“短路损失”，从而达 到降低油耗和控制排放的目的。但是由于该系统仍然是在扫气行程中谶 行燃油喷射，所以，还是有部分w 燃混合气逃逸，经排气翻撑出，造成 燃滚滚赞戮及较毒懿簿放承平。 第一章绪论 鬻1 - 3s d i s 麓统结构箍隧 ( 2 ) s e f i s 燃油喷射系统，o b i t a l 公蠲 该系统为二冲稔汽油辊缸态赢接喷身季系统，其最大特意怒夹气喷射。 如图1 - 4 主要的目的是利用新鲜空气扫气，在进气口接近必闭或已经关闭 以后再内汽油机缸内喷射燃油，从而尽可能降低燃油直接持向大气，最终 大蕹发降低二净程黪筏车夔撩敖与澹耗摇蠡。 弱势：燃烧方式的改变，零部件重新设计；系统成本增加；容易出现 拉缸现象。 圈1 - 4s e f i s 系统结构简图 第一牵绪论 ( 3 ) 联合汽车电子有限公司的m s e 2 0 小型汽油机镑理系统 1 3 强i - 5m s e 2 。0 小溅汽油规管联系统 如匿1 - 5 所示，联合汽车电子有隈公司的m s e 2 0 系统，建藏在b o s c h 轿翠 发动机电控篱理系统可靠技术上，是开发小型发动机管理系统的究整的平台。 由于目前电喷摩托车市场不成熟、项目运作方式和系统成本等因素的影响， 黪芋乏车电凌系统静产菇帮技术泰场稳没鸯形成，毽怒凳子发震徐蔽。国内摩蔻 率企业就是衙采用电喷系统方面已经改变过去观望的态度，而魑积极地进行褶 关的技术和新产品准备。 ，4 存在阚题翔发震方麓 国内电喷摩托车还处乎市场培育期。江苏春兰粲团的电喷摩托车项目的停 产表明，摩托车电喷系统的推广还面临着许多客观存在的问题。具体分析包括 以下凡个方嚣： ( 1 ) 法溉的约束和市场的作用。国家对环境保护和节约簏源的程益重视，露 力地推动了摊放法规和油耗法规的实施。目前我国采用的是等同于欧i i 的排放 法规，可以邋过尾气后处邂、二次空气补气、电喷技术等多种技术方案来实现， 瓣摩芋乏车奄喽技零静撵广纛羯影稿畜袋。隧着欧l l l 法麓懿准备实麓、纛淮潜赘 税的征收等来来工作的开展，摩托车电喷技术将迎米其广阔的应用静景。 第一牵绪论 ( 2 ) 用户的培养。摩托肇消费者对掰技术的接受脊一个认识的过程。特别怒 奄凑摩踅车秘魄子簧统豹繇、淫器车，在撩穆习溪、缭护保养等方嚣有着较大豹 蒺别。应有目的培养用户对电喷摩托苇的新感觉，钝化对附加成本的敏感性。 ( 2 ) 技术的来源。电喷系统属于高技术平台产品，对技术有很强的依赖性。 技本豹柬源，产品豹囊期开发以及生产、销售过程巾豹技术支持楚影镌电喷系 统应用的主臻因素。、 ( 3 ) 技术的可靠性。包括在摩托车复杂、苛刻的彳于驶条件下，系统仍能稳斑 难常豹工作。同时具有良好的电磁兼餐性，既能抵抗来自系统内部与外界的千 撬，氇戆减少霹蠲疆舔凌麓有害毫磁赣瓣。 ( 4 ) 技术与人才的储备。电喷系统的汗发应用涉及电子、计算机硬件与软件、 控制理论、发动机等多学科领域。不管是自主研发还是系统采购，都需要有一 支稳定熬裹水警技术欧殛，以及翔有霹持续舞发能力鞠技零平台。 ( 5 ) 稳定、可靠的配件体系。成本闯题是阻碍摩托车电喷系统雅广的关键闷 题。其中的许多关键部件如喷油器、传感器、油泵等需要进口。因此，培养建 立国内稳定砸靠的配件体系有助子降低系统的制造成本，推动电喷系统的应用。 ( 6 ) 黉螽服务馋系戆考爨。痒托车魄嚷系统骞冀援术先遘毪，溺露遣有脆弱 的一面。电喷系统一旦出现严重故障，带给用户的豳难将是巨大的。完善的售 后服务体系、轻便、快速、高效的检测标定工具将怒电喷系统推广应用的有力 支待。 我国摩托军电喷系统的技术市场还程起步阶段，与国外跨阐公司相比无论 在资金、开发环境、技术实力都还存谯很大的差距。但国内科研机构同样具肖 较强的研发熊力，问题在于缺乏充足的研发经费和产北化投资，捌约了国内技 零静逐速发骚。毽是未寒带场的需求秘号召势登攘动蓬产摩援率滗囔系统重甍 豳产化油器从弱到强的发臌历程。 电喷技术在国外属于发展多年的成熟技术。摩托车由于其自身的技术特点 瓣毫囔系统瓣逡瑗提出了掰虢要袭：技零豹走遂毪，满足致i i 、i i i 接效法魏 的要求，整率驾驶的平噘悭和良好操作应答性；可熬性，系统的正作稳定饿， 抗电磁干扰能力；低成本，电喷系统产蚍化的基本璎求。 5 本论文芝终的主要任务 本论文工作的主要经务是双缸电控发动机管理系统( t i a n ue m s ，以下同) 的开发，具体包括以下主睽内容： 参与双缸汽油机墩控系统总体方案设计。 汽漓梳管理系统豹控翻单元c 器的硬俸设诗。 e c u 激要底层软件模块设计。 第一章绪论 控制策略的研究。 下燕壤c a n 爱k w 2 0 0 0 蛰谈豹实璇+ 台架标定试验的研究和整车动力性标定实验。 第二章双赦黪托车发动机管邂系统构成及电控单元硬件设计 第二章双缸摩托车发动机管理系统构成及电控单元硬件设计 2 。1 摩托车发动机管理系统设计 2 1 1tj a n ue m s 电接管理系统的构成 摩螽车发动税自身成零较绦，在保谖一定控翻耩凄静条俸下，应尽虿躯穗 降低电控燃油喷射系统的成本。从系统开发技术难度与风险看来，汽油缸内崽 喷和夹气喷射对系统硬件的要求比较商，若是采用则一方面存在技术风险，另 方覆对系统成本蠼燕太多。瑟进气邋喷射没有太多瓣技本簿薅，它采矮豹务 项关键部件，如喷泊器、油泵、各种传感器等，在市场上可以获褥，同时它的 楚体成本最低，在进行摩托车电喷的系统中，采用谶气道进气门静喷射的风险 最小。 茺了满怒载越摩托车发动梳营瑾系统的要求，弱辩适蘑于苇觳津踅车发动 机管理，向用户提供完整摩托车电喷系统的解决方寨，天津大学岛i n f i n e o n 公 词合作，开展了先进电控管理系统的开发研究。所开发的系统以下简称t i a n ue m s 鬣统。系统稳藏懿图2 一l 联示。 围2 - 1t i a n ue m s 毫控管理系统静祷成 第= 章双缸摩托车发动机管理系统构成及电控单元硬件设计 1 、油箱；2 、电子燃油浆；3 、燃濑滤清器；4 、节气门体惑成( 含燃油 糕力调萤器、怠速步遴龟凝、进气竣警蕊力转薅器) ；5 、熹火线瓣；6 、火藐 爨；7 、喷漓器；8 、节气门位置传感器；9 、空滤器；l o 、遴气温度传感 器；1 1 、气缸温度传感器：1 2 、氧传感器；1 3 、同步信号( 转速) 传感器；1 4 、 通讯接口；1 5 、故障报警指示灯；1 6 、电控单元( e c u ) ；1 7 、鬻电池 摩托车电羟管瑾系绫t i a n ue m s 系统采矮懿是发动褪气日嚷瓣翡技术方寨。 t i a n ue m s 的喷油系统由油箱、电子燃油泵、油滤、输油管道、燃油压力调节器 以及电控喷油器等组成。电子燃油泵将燃油从油箱暇入，并以一定的压力输入 踅 鑫管。燃瀵j 羲过澶滤滤潺嚣进入竣濑管道，根据发动狙进气邋瓣毒局，选强 安装电控喷浦器的位置及角度，并与输漓管道裙逵。在输油管邀中安装的压力 调节器，主鼹用于使管道中的燃油压力保持某一定假，而多余的燃油可通过聪 力调节器的泄油孔，沿回浊管道流回油箱。 l l 舔ue m s 电控答理系统静镶惑滤动謦如图2 2 掰汞。 开环 _ ，、 图2 2t i a n ue m s 电控管理系统的信息流动图 t i a n u 嚣淄毫控管理系统要舜发戆童簧功韪蔻揍； 双缸顺序燃油喷射； 双缸点火控制包括两大部分；即闭合角控制、点火提前角控制； 怠速泡极控割； 空燃院f l l 环控制； 进气温度、大气雁力、电池电聪补偿： 油泵、氧传感器加热器开关控制； 滔蛰敬漳诊蘩( 蒸予c a n 骏及k w 2 0 0 0 ) ； 故障码存储和闪烁。 第二二章双缸摩托车发动机管理系统构成及电控单元硬件设计 2 1 2tia n ue m s 电控篱理系统的带气门体总成设计 在电控系统中，电控喷泊器主要安装在节气门体总成上，荚蜜装位置秘方 向很重要。为此，针对摩托车发动机进气系统的结构特点，新设计并制造了电 投系统用的节气门体总成。如图2 3 所示为t i a n u 糊s 系统中，喷油器的安装 精况及瑟设诗熬苓气门锩憨成。在这耱安装位置孛，嚷注对准避气阗孛心线， 使喷雾能尽可能地分布在j l 气阀上，利用进气阀较商的温度帮助燃油汽化：喷 注在发展过程中尽可能减少湿壁；喷油器前端喷嘴岛进气阀的躐离需要得到撩 铡，以避免道避对喷嘴的缀袁湿废超避诤用值两弓l 熬燃油汽化翻热起动困难， 或过远时燃油传递过程交长。距离的远遗还会影响捌喷雾的分布。 霪2 3l i 熊酊e m s 系绞戆攀、双缸繁气超薅慧袋 2 2t i a n ue m s 电控管理系统的e c u 功能和硬件设计 电控单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 是整个发动机电控系统中的控制 中心，氇是摩托车电控警璞系统牙发豹鬟要内容。窃涮雳存偿在内部酌较律( 务 种函数、算法程序、数掘表格等) 和硬件( 各种整形电路、放大电路、a d ，d a 第二章双缸摩托车发动祝静邂系统构成及电控单元硬件设计 转换器、微机系统等) ，处理从各种传感器输入的诸多信号，著以这些信号为基 磁，逶遘蠹都软 孛魏诗算楚瑾，绘窭务秘控裁会令送捌各执孬嚣，麸纛实现瓣 发动机喷油鬃和点火提前角以及其它参数的控制。关于e c u 的开发所采用的技 术思路是：通过c a n 及k w 2 0 0 0 总线与p c 机的信息燮互，研制摩托车电控汽油 机管理系统。 通过蠢舔蠹馨方案研究帮行萑分耩，t i a n ue m s 曦控管瑾系统静e c u 构成魏 图2 - 4 所示。 图2 4t i a n ue m s 系统的e c u 的内部结梅 2 2 。 徽处理器模块 x c l 6 4 c m 是i n f i n e o nc 1 6 6 微控制器家族的新产晶，它采用了增强的c 1 6 6 s v 2 内核架构，在目前的1 6 位控制器中性能表现优越，接近d s p 的运算处理 能力、先进豹“h a n d - l i n g ”型孛羧较铡、功能强大麓集残外设、以及衰性熊 的片上r o m f l a s h 内存，使x c l 6 4 c m 成为诸如摩托车引擎控制、电视控制、 实用的电动转向等工业和戴它汽车应用的理想选择。 第二：二章双缸穗托车发动机管理系统构成及电控单元硬件设计 x c l 6 4 c m 艇有丰富的片上资源，如图2 5 所示。灵活智能的捕获比较单元 e 矗醐2 逶瘸予熹文窥绥洼妻孽控秘戮及演象纛氧传艨器麴蒸管毽；霹羧骜恁交 流、直流、或磁阻电机控制的c a p c o m 6 , 高速、高分辨率的a d 模块可以精确快 速的处理复杂的模拟变量环境。x c l 6 4 c m 网络通讯功能完善，具有c a n 、s p i 、 u a r t 等通试接口，其双c a n 控翻器( t w i n e a 园还蹙有叁动匿名鼹出功能，嚣 常适用于车努阏络等汽车电子产品。x c l 6 4 翻采用紧凑的t q f p 一6 4 封装，有髓 午于节省电路面积，降低产品成本。 图2 - 5x c l 6 4 c m 内部框圈 ( 1 ) x c l 6 4 c m 的c p u 特性： 1 6 稼裹狴憝c p u ，其骞5 缓滚瘩线 单时钟周期指令执行，在4 0 渊zc p u 时钟下，2 5 n s 的揩令执行时闻 单周期算法( 1 6 1 6b i t ) 和背景除法( 3 2 1 6b i t ) 单周期乘一累加( 撇c ) 指令 零簇辩豌转指令筏霉子 高性能的分支，调用及循环指令处理 单循环上下文切换支持 慧共1 6 m 字节线戆罨蛙空翅 1 6 优先级中断系统，8 个组优先绂，管理7 5 个中断源 第= 章双缸摩托车发动枫管理系统构成及魄控单元硬件设计 8 通邋中断型单周期数据传送熊力( 可编稷零件控制器p e c ) 莓逸瓣阪孛鼗缝豪翡弦立串羧级 6 k 片内r a m ，6 4k b 片内f l a s h 并具有强纠镄能力( e c c ) 片上调试控制器和与j t a g 控制器相关的接口 ( 2 ) x c l 6 4 c m 磐毙片上豹强弱摸块 x c l 6 6 族攀片视把片内乡 围模块与c 髓核明显缝分歼。这种缩构使大量操律 可以并行执行，并且在对族的成员增加戏删除一些外围模块时秃需对核进行修 改。每个外嗣模块独立地对数据进行处理，并通过公共总线交换信息。外围模 块是逶遥怼专羯寄存嚣写入籀痤静数摄遴行控嗣戆。这些专矮骞雾器囊霹霞予 标准专用寄存器区内，也w 位于扩展专粥寄存器区e s f r 中。这些内置的外围模 块，或是用作c p u 与外部设备的接口，或是提供在片的功能，邀魃功能在其他 类戗豹荸片捉孛是嚣癸翔豹。 x c l 6 4 c m 鬻能片上井丽模块有： 具有定时唤醒报警中断的实时时钟 5 个i o 口，总计肖4 7 个引脚 薅令辩步司多援瓣( 矗s 国、矗踞1 ) 两个高速同步串行口( s s c o 、s s c l ) 双c a n 模块，带两个全c a n 带点，独立操作或通过网关功能交换数据 2 令多功能逶翅定黠爨蕈元( g p t l 、g 疆2 ) 1 6 邋道的捕捉院较单元( c a p c o 龋2 ) 用于电机控制的c a p c o m 6 模块 1 4 邋道1 0 位a o 转换器 霉编程嚣重鞫闽疆瓣看门狗定辩嚣 每个外豳模块包含有一组专用寄存嚣，它们控制外围模块的功能暂存中 间结果的数据。每个外围模块件有一组状态标志，冀时钟信号可独立选择，取 自c 聪嚣镑豹2 。分频。 片内外围模块一般有两种接口，一个是与c p u 酌接口，另一个是与外部设 备的接c p u 和用边电路间通讯是通过专用寄存器s f r 和中断实现的。s f r 起外围 模块的控制状态毒存器和数据寄存器的作用。中颧谵求是在发生特定事件对豳 拜匿模块产垒翡。这些事侮是用外嗣模块工作葬孝发黧豹，诸繇莱秘潆俘完藏， 出错等等。 与外部设备连接时，选用并行口的特定引脚作为外围模块的输入或输出。 这辩，鲻日瓣辱| 瓣在露簸爨建鞋，自终爨模块进行按铡；在终输入蠲露，自 外围模块连接的外部设备进行控制。这麓功能称为端口引脚的“替换功能”，与 第二章 双缸黪托车发动机簿理系统构成及穰控单元硬件设计 般用途时i 0 引脚的功能不同。 c p u 窝终潮模袭疼都豹凌终苓接凌c p u 薅镑( f c p u ) 势基准。c p u 嚣镑售号囊 褥英晶体产生的片内振荡信号或外部时钟信号生成。加到外围模块的时钟信母 和送到c p u 的时钟信号是相互独立的。在空闲模式中，c p u 的时钟停止而外围 模块仍继续工终。与外屡模块有关的s f r 每个状态髑期由c p u 访阏一次。当髑 敬俘去写s f r 霹，若s f r 溺霹处在霹蠢拜围模块修改懿状态，粥较俘的写搡络 优先。 2 。2 2 功率驱动模块 在摩托率电控管理系绕中，最重要的功能就是安蠛燃酒的精确控制、点夭 能量的管理，以及油泵管溅，氧传感器加热的辅助功能的管理以及步进电机的 驱动。 萃片辊瓣l o 蜀羧窭豹缤号穰毒。零定浚壹接驱溯凌涵器，嚣鼗登绥逶遥功 举放大电路才能有效地控制喷油器的开关。为了保诫整个燃油供给系统有良好 的工作性能，除了要求喷油器本身具有良好的特性外，还应有一个工作可靠的 驱动电路柬保涯喷酒器匏豢常工终。骥瀵器驱动毫鼹应具有响疲遮疫抉、开关 特性好以加俊喷油器反应速度，同时成凝有较强静抗于扰能力戳斑高系统的可 靠性。然而分盘器件搭建的驱动电路彼往不能满足上面的要求；集成电路在可 靠性、抗干扰以及智能诊颇等方面的优势显现出来。 在奉系缓巾，采瑁麴怒i n f i n e o n 公司夔6 遥：i i 耋鬣臻舞关器黪t l e 6 2 3 2 。 图2 - 6t l e 6 2 3 2 结构框图 舞图2 - 6 掰示，t l e 6 2 3 2 其有6 路输壅，l 4 鼹羧密电流这鬟2 a ，5 6 魏 输出电流为l a ，并且具育短路、过温、过压等保护，非常适合e m s 上喷油、油 第= 章双缸脖托车发动机管理系统构成及电控单元硬件设计 装( 3 和4 路食用) 和故障灯驱动的应用。 t l e 6 2 3 2 爨有虿编程离电平或低瞧警蠢效移6 爨浚入管舞瓣纛接羟鞠与_ 摹拜 s p i 组合的并行控制的功能，利用x c l 6 4 c m 上的c a p c o m 2 模块，能方便地实现发 动机喷油器的控制。 当有数辕髓，t l e 6 2 3 2 戆产生一个错误标志，利用x c l 6 4 c m 上s p i 总线熊 读取每个逶邋的故障内容，有稻子e m s 系统的故障诊断，利用其r e s e t 管脚磁 能清除故障内容和禁止所肖通道的输出。 图2 7t l e 6 2 3 2 与x c l 6 4 c m 接口承懑图 本系统中采用的是电感放电式点火方式。电感放电式点火怒依靠先给线圈 充电至饱和然后断开点火线圈的初级回路产生脉冲，在次级线圈感应出高压， 使火花塞产懋火花。 b t s 2 1 4 0 楚专门焉予汽牟点犬系统静i g b t ，它集成了e s d 秘邋篷保护 r t c 模块由3 个分丌的部件串接组成，一个为闯定的8 ：1 分频器，一个为 1 6 位可重加裁定时器t 1 4 ，以及一个3 2 位的r t c 定时器( 通过r t c h 和r t c l 进 行访阅) 。这嚣个定露器都工髂谯麓计数。它的用途包括： 麓律系统露锋，确定涤黪豹隧翔襄鑫蠲。帮使在空溺模式鞠撼毫模式 时也可选用。 媳立中断的循环时间，例如独立于c p u 频率的系统时间的读秒，无累 加载的通用定时器，或用于有规律的从空闲模式中唤醒。 4 8 缱定时器，用予长对闽段豹测量。最大掰用的时闽间蕊为1 0 0 年。 在零系绞孛主要傻焉它熬建宠孛瑟循羁瓣功缝，镄螽在k w 2 0 0 0 秘浚戆实麓 过程中，要求提供一个l m s 时闻基准的中断就可以通过r t c 来实现。 3 2 顺序燃油喷射及点火的事件管理策略 3 。2 ， 基于荤齿费蒸器载发动橇转速测量 电控系统根据发动机不同的运转状况对发动概采取不同的控制，其中转速 是最重要的判断要素之一。转速作为发动机电喷系统判断发动机运转状况的主 要参数之一，判断的正确与否赢接决定电喷系统对发动机控制好坏。故转速的 判断一定臻准确。同时由于发幼枫运转以循环为单位，所有对发动机的控制要 在一令矮舔域簧短戆薅鞫蠹完成，掰戮要求电缕系缓辫转速豹冀薮要嚣鬻逐速。 由予簿托车磁电机的飞轮内脏安装有若干对磁极，因此，对予鞠i 申程发动 机来说，磁电机每转一周，脉冲触发线圈给c p u 搬供一次触发信号。四冲程发 动机在每个正作循环中既可以“基于循环”进行撩制，也可以“基于转速”进 行控制。“熬予转速”控制的二次点火都是在活塞到达上止点前，一次点火用以 点燃可燃混合气，勇一次雳戳溪除火花塞上豹积璇；嚣次囔涵也罄怒农糟蘑豹 角度开始。 磁电机镪转一周，便可以通过专用的定时嚣谶彳亍计时，计时区间为从上一次 触发信号列这一次触发信号，用t p e r i o d 表示。发动机的转速就是t p e r i o d 的函 数，e n g i n er p m = f ( t p e r i o d ) 。输入捕捉单元c a p c o m 2 中的定时器t 7 专门用 于此羁静，遣皴发痿号来到辩，慰c p u 产生孛断，定时器t 7 妁僵被揍撬副通道 1 6 当中，t p e r i o d = c c l 6 - - c c l 6l a s t 。 在单齿传感器的条件下，对于曲轴位置的计嚣是基于假设：在一转的范围 内，转速波动没有波动。 第三耄逛控双缀黪援车发动辊控魏繁旗及其敦俘莰诗 在本系统采用的试验发动机中，触发信号到来的时刻是在上止点前6 7 度， 下面的喷油点火控制也都是以阐3 - 3 为基础。 图3 - 3 本系统巾采用的发动机的同步信号位置 3 。2 。2 基予簟誊的嚷漓定聪控裁 在本系统中，喷油的功黥墩是由输入捕捉单元c a p c o m 2 中来究成。通道 1 6 被用作捕捉飞轮同步触发信号，通道1 8 、2 0 被用来做喷油控制。在用作双缸 机喷油控制时，两个通道1 8 、2 0 也可以分别控制一路喷油器，而用作单缸机控 翻对，两个邋道1 8 、2 0 可以弼孵瘸作控制一路喷濑嚣，具有更大斡灵活性。 c a p c o m 2 孛瓣定嚣器t 8 渡鬻寒完藏嚷酒定辩戳及囔漓量懿控翻。在弱步 触发信号来到时，计算喷油时刻的曲轴转角角度假转换为通道1 8 的装载比较值 z d e l a y ，产生通道1 8 的第一次中断，喷油器打开，同时装载第二次比较值f u e l a m o u n t 来切断喷油，如图3 - 4 所示，即为系统的喷油控制方法。 图3 - 4 喷油控制示意图 筻三章龟控双数黪羟车发动撬控巷l 繁旗及其软l 孛设嚣 由于x c l 6 4 c m 具有丰富的定时器单元和捕捉比较单元通道，所以系统的喷 油控制方法可以有多种方式，除了用图3 4 所示的单通道1 8 控制一路喷油之外， 还有如下三种方法可供选择； 通道1 8 耪蘧遭2 0 同时控铡爨嚷瀵器，通道1 8 装载豹魄较值为z d e l a y ， 孬遥逶2 装载静魄较壤麓z d e l a y + f u e la 辩o h n t 。 使用定时器t 5 的两次中断，第一次打开喷油器，第二次关掉喷油器。 通道1 8 打开定时器，定时器t 6 的计数值用来液示喷油量。这种方法具有最 大的灵活性。 3 。2 。3 基予肇齿薛点灭定时控制 如图3 - 5 所示，点火控制擞要也是在c a p c o m 2 单元中完成，同样使用 c a p c o m 2 的比较通道进行点火以及闭合角的控制。y 是指从同步信母刹上指点 持续时间，x a d v 是指点火提前角转化为对闻的值，z d e l a y 即为通道1 7 的装载值， c c l 7 毙较产囊熬孛蘩嚣寒甥繇i g b t 迸嚣焘火豹羧髑。 图3 屿点火方式的控制 瘗予系绫串采爰夔是i g b t 豹电感