汽车燃油多点电喷系统

1、汽车燃油多点电喷系统一、课题背景在我国,与汽车工业相关的能源与环境问题比较突出。汽车每年约消耗我国汽油总产量的85%,柴油总产量的20%。而我国2000年原油进口达7000万吨,及海湾战争对油价的影响,说明国内油品对国际市场具有较大的依赖性。所以发展代用燃料汽车,关系到国家能源结构调整和能源战略安全。汽车尾气排放是大气主要的污染源之一,世界各国为此加强了对汽车尾气污染的治理。 随着世界各国汽车排放法规的不断严格,液化石油气汽车对排放的控制技术也越来越成熟,经过几十年的发展,总体来说,大体经过了三个阶段:第一阶段20世纪70年代时,LPG技术常见于在原汽油车或柴油车基础上加装一套LGP供气系统而

2、成为双燃料汽车,主要是为了解决加气站不足的矛盾。LGP供气系统一般由一个LpG蒸发调压器、混合器、LGP电磁截止阀、LPG气瓶、过滤器和燃气转换开关等元件组成,技术要求低,是改装成LPG车的最简单的形式。与汽油车相比,有一定的排放改善效果,但动力损失大,且同样存在混合气各缸分配不均匀,空燃比调节精度差的缺点,其排放水平尚达不到欧洲l号法规的限值。 第二阶段随着世界各国对汽车排放的限制越来越严格,普通PLG汽化系统已很难满足排放上的要求。为此,出现了LGP闭环电控供气技术,即在混合器前安装由步进电机控制的节流阀,在排气系统中安装氧传感器,根据反馈信号进行闭环入控制,可以比较准确地完成对LGP进气

3、量的计量,其控制精度高于第一代产品。这一代产品常匹配三元催化器,排放水平可达到欧洲1号和欧洲2号法规的限值,动力性也比第一代略有提高。目前第二代技术多采用双燃料形式。第三阶段LGP汽车的第三代技术是将汽油喷射技术与LGP供气系统相结合,形成由电控单元(ECU)控制的LGP喷射系统,ECU根据发动机转速、负荷和排气中氧的含量等参数的变化,自动调整供气量,使得对发动机空燃比的控制更加精确。安装三元催化器后,较同等水平的汽油机有害污染物排放下降10%20%。这一代技术有多种形式(单点喷射、多点喷射、气态喷射和液态喷射等),且以单燃料汽车为主,排放性能可达到欧洲3号、欧洲4号法规的限值,甚至达到美国加

4、州超低排放标准,其动力性与汽油车和柴油车接近。二、燃油喷射系统方案多点喷射(MPI)系统：在每个气缸内装有1个喷油器，电控单元(ECU)控制并按顺序对各缸进行单独喷射或分组喷射，将汽油直接喷射到各缸进气门上方。多点喷射系统的燃油分配均匀性好，进气管可按最大气量来设计。由于它直接控制空燃比，因此，无论发动机处于冷态或热态，其过渡的响应及燃油经济性都是最佳的。但其缺点是，控制系统较复杂、成本较高。主要用于对一些豪华轿车上。多点喷射系统在发动机每一个气缸进气门前方的进气歧管上均安装一只喷油器的燃油喷射系统,如图所示。发动机工作时,燃油适时喷入进气门附近的进气歧管,空气与燃油在进气门附近形成燃油混合气

5、,能够保证各缸得到混合均匀的混合气。该系统的显著特点是燃油喷射与点火控制采用同一个电控单元(ECU)控制。它的燃油供给系统主要由汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、油压调节器、燃油分配管及燃油器组成。气体喷射的燃料供应系统比较简单,系统如图所示,主要由调压蒸发器、气体喷射器(喷嘴)、各种传感器和电控单元(CEU)组成,闭环系统加氧传感器和三元催化转换器.它直接采集原车汽油喷嘴的信号,直接控制喷嘴开启时间进行进气量的调节,保证混合气的浓度在理论空燃比附近,使发动机具有良好的综合性能。另外,电控单元也采集氧传感器信号、节气门传感器信号等,以实现对排放、冷启动的控制。汽油箱三、燃油系统主要部件简介1.

6、汽油箱2滤清器：由于汽油中含有多种杂质,故在储气瓶和电磁阀之间设有滤清器以滤掉杂质,保证电磁阀的功能和调节器的减压、调压功能不下降。滤清器的滤芯可以拆卸,便于清除滤出的杂质,而且结构坚固,耐压性强。滤芯中央装有永久磁头,可以吸附滤掉通过了滤芯的微小悬浮铁粉,免除铁粉对电磁阀动作灵敏度的影响。3. 高压管路高压管路一般用钢或经退火的铜制成,适合在最大压力为4.4MPa工况下工作。4. 喷油嘴LPG燃气多点顺序喷射系统,它由顺序气体喷射器,燃气共轨管组成。气体燃料发动机的喷气系统中,最关键的系统是气体喷射器,它的性能的优劣直接影响燃料的喷射质量,从而影响发动机的性能。气体喷射器与汽油和柴油的最大差

7、别是需要较大的流通截面,以保证大的气体流量通过，另外阀体的润滑和密封要求更高,它不同于燃油液体燃料阀体。它应具有以下的作用:1)合适的气体供给压力。2)满足发动机动力性、经济性和排放要求的气体流量及相应的流量特性、3)合适的电磁阀的线圈电压、功率。4)阀体的开关响应时间短,良好的动态相应特性。5).良好的安全性、可靠性和耐久性。6).具有高压逆止作用,防止缸内高压气体倒流。7).具有良好的耐高温特性,温度适用范围宽。5. 电控系统系统选用储气瓶、电磁截止阀、减压调节器、燃气多点顺序喷射系统、模拟器、电子控制单元等。该系统的结构简单,构成的零部件少,系统安装容易布置,工作量小,便于大批量的改装。

8、四、系统硬件电路设计控制系统实时控制过程中所进行的信号采集与处理、控制决策和控制信号的生成与输出等工作是由软硬件共同完成的。,本章主要介绍硬件系统,研究中的电控系统采用了电源抗干扰与滤波,使得整个系统的抗干扰能力得提高。并开发了一套在线修改与存储系统与整个系统相结合使用,实现了系统调试、实验过程控制分析等功能,达到系统通用性和优化控制的目的。控制系统的硬件系统设计主要包括电控单元E(CU)、前置通道接口电路和后置通道接口电路等设计。1. 电子控制系统的设计电子控制系统在实时控制过程中,用以完成信号的采集与处理、作出控制决策及生成控制信号等任务。我们的电子控制系统是以MCS96系列80C196单

9、片机为核心实现的,电子系统的组成如图所示。2控制单元的设计2.1控制单元程序存储器扩展控制单元的功用是:对信号采集系统送入的信号进行运算处理,判断发动机的控制效果,进而作出控制决策,并发出控制指令驱动执行机构工作。电子控制单元由8OC196单片机扩展程序存储器27256及一些辅助电路组成。由于选用的8OC196单片机无片内程序存储器,数据存储器空间仅为512字节,无法满足实际控制的需要,因而,本文对8OC196单片机进行了存储器的外部扩展设计。2.2系统辅助电路本系统采用外接振荡电路,用12MHZ的石英晶体以及电容C1,CZ构成并联谐振电路,与内部振荡电路配合使用,组成一个稳定的振荡器,产生所

10、需的时钟。其时钟电路如图3.3所示。时钟信号经过3分频电路产生3个不同相位的内部时钟。80C196的内部操作大部分都与三者之一同步。80C196KB的复位电路接在RESET引脚,在输入端内部有史密特触发器,以抑制噪声的干扰。工MPSOg芯片在电源上电、掉电和跌落期间产生不低干14OmS的复位脉冲,与采用分立元件构成的电路相比、大大减小了系统电路的复杂性,提高了系统可靠性和精确度。为了实现正确复位,电平不应受外部器件的影响。在定时监视器T3有效时,复位线也可由内部晶体管拉成高电平,由T3输出脉冲,宽度为3个机器周期,这样窄的脉冲使处理机或系统尽决地从故障中恢复正常。本系统采用的上电复位电路如图3

11、.4所示。系统电源电路如图35所示,系统电源电路由三端稳压集成块7805和电容C3,C4,cs等器件构成,电容为滤波电容用来稳定电源电压。3信号处理电路设计传感器的作用是采集信息。由于输入到单片机的信号不能满足单片机输入要求,故在信号输入单片机之前,需采用信号调节与变换电路,使之成为电子控制单元能够接受和识别的电子控制信号。为了防止现场的千扰信号的进入,所以必须采取合适的抗干扰措施,以确保电路的正常工作。3.1汽油喷射信号变换汽车的输出电路为微机与各执行器之间建立联系的一部分装置。它的任务是将微机做出的决策指令,转换为控制信号以驱动执行器工作。输出电路通常起着控制信号的生成和放大等功能。微机输

12、出的指令是数字信号,其功率小、电压低(+5v),微机的信号只是触发了输出电路,而电控系统中执行器的电源为汽车蓄电池。所以微机输出的信号一般不能直接驱动执行器工作,需要设立输出电路将其转换成可以驱动执行器工作的控制信号,图3.6为喷油器驱动信号示意图。图中微机输出的信号只是触发了输出级,输出级通过控制脉冲出现时间和宽度,以实现喷油定时和定量。由微机控制功率管的关闭来实现输出电路的接通与断开,由图可以知道:功率管的集电极的电压在功率管断开时为汽车蓄电池的电压;在功率管接通时为功率管上的电压降(大约为0.7伏)。但是,两用燃料汽车在使用燃气时,原输出电路中接入了模拟器,因为当原车喷油器停止喷油时,电

13、喷车的汽油ECU就会诊断出故障并产生出故障码的功能,从而影响系统的正常工作。同时,如果使用汽油电磁截止阀切断汽油管路,当从燃气切换到使用汽油时,管路内的汽油压力不能立刻建立起来,从而影响汽油喷射的正常工作。因此在电喷车上,需要具有在使用LPG时,能够切断喷油动作,同时又能够使汽油ECU正常工作的功能。为此,燃油电喷车改装为两用燃料车,基本思想就是在输出电路中串入R多5R0(R0喷头电阻)的电阻。串入的电阻使得通过喷头的电流。此时流经喷头的电流太小,不足以吸动喷油头针阀,喷头不工作,但输入到原车电控单元的电压信号仍是12V。实现对喷油器工作正常的电压信号模拟。即使在输出电路中加入了模拟器,这也没

14、有改变功率管上的基本的电压信号(高低电平为12伏和.07伏的一个方波)。当功率管上的电压为低时,这就是原车喷油的时候。原车的喷油信号就是从这儿采集到的一个方波。电路的前部分为一个迟滞比较器,它的传输特性如图3.8所示。由于从电路的输出端到其同相输入端之间引入了一个正反馈,这就出现了该电路与简单单限比较器不同的两个特点:首先是由于正反馈大大提高了器件工作在线性区的电压放大倍数,从而提高了比较器的响应速度:其次,根据电路分析该比较器输出状态的转换不再发生在同一个门限电平上,由计算可知,其输出从高电平VOH跳变到低电平VOL时的输入信号门限电平是：而输出从低电平跳变到高电平的输入信号门限电平是:由计

15、算得出从低电平VoL跳变到高电平V洲时的输入信号门限电平是4.8伏。可见,比较器的输入信号V。有小到大和由大到小变化时,使输出状态发生变化的输入信号电压值是不同的。通常把它们的差值称为迟滞电压,用VI表示,即从图3.8描述的传输特性可见,输出状态由高电平跳变到低电平的输入电压大小为VL,也称为上门限电平。而输出状态由低电平跳变到高电平时的输入电压大小为V(L-H),称为下门限电平。它们的差值就是迟滞电压。由于其特性类似于磁滞回线,故取名迟滞比较器。鉴于传输特性上存在有一个迟滞电压,故电路具有很强的抗干扰性能。只要叠加在输入信号上的干扰电平幅度不超过迟滞电压V的大小,这时比较器的输出状态不会出现

16、简单的单限比较器电路那样的不确定状态,从而保证了输入信号上叠加有幅度小于v,.的干扰时输出逻辑电平的唯一性。因此这种结构的比较器特别适用于鉴别灵敏度低响应速度快和抗干扰能力强的电子系统中。同时,比较器还将输入电路与输出电路分隔开,使得输入与输出不受干扰。3.2 555定时器接成的多谐振荡器由于在系统中要频繁的用到定时器,SOC196KB中有两个定时器:定时器1和定时器2。定时器1作实时时钟用,它的时钟信号来自内部时钟发生电路;定时器2是个外部事件计数器,它的触发信号有外部提供。555定时器是一种多用途的数字一模拟混合集成电路,利用它能极方便地构成多谐振荡器。所以给定时器2的外部触发信号由555

17、定时器集成电路提供。它由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管DT三部分组成。将555定时器的两个输入端连在一起作为信号输入端,即可得到施密特触发器,只要把施密特触发器的反相输出端经CR积分电路接回到它的输入端,就构成了多谐振荡器。电路图如图3.9所示。输出接80C196KB的TZCLK引脚。得电路的振荡周期为20.7us。定时器2对引脚上跳变(上升和下降)时, 计数加1。所以定时器2每一个计数时间为10.35us。3.3氧传感器在使用三元催化转换器以减少排气污染的发动机上,氧传感器是必不可少的。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比,三元催化剂对C0、HC和NO、的净化能力将

18、急剧下降,故在排气管中安装氧传感器,检测排气中的氧浓度并向Euc发出反馈信号,以控制空燃比在理论值附近。目前实际应用的氧传感器有氧化错式氧传感器和氧化钦式氧传感器,本文介绍的是氧化错式氧传感器。氧化错式氧传感器如图3.n所示。主要由错管、电极、护套组成。加热式的氧传感器还包括置于错管中间的加热棒。错管是由陶瓷体即氧化错(ZrO:)制成的试管式管体,固定在带有安装螺纹的固定套中,插入排气管内,其内表面与空气相通,外表面与废气相通。错管内、外表面都覆盖着一层多孔性铂膜作为电极,为防止废气腐蚀铂膜,在铂管外表面的铂膜层上覆盖一层多孔陶瓷层,并加装一个防护套管,套管上开有槽口或孔。氧传感器的接线端有一个金属护套,其上开有孔,使错管内表面与空气相通,电线将错管内表面铂极经绝缘套从传感器引出。在发动机混合气闭环控制的过程中,氧传感器相当于一个浓度开关,根据混合气空燃比的变化向ECU输送宽度变化的电脉冲信号,EUC根据氧传感器反馈的信号控制喷油器的喷油量,使排气中有害成分的含量最少。3.4 冷却水温传感器冷却水温传感器是一个负温度系数的热敏电阻,随冷却水温度的提高,其电阻值减少。在接口电路中,把冷却水温传感器阻值的变化转化为电压变化,接到8OC196单片机AD/转换器的ACH.7引脚上。3.5喷气嘴驱动电路L298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器,其设计是为接受标