国四排放标准摩托车电控单元开发*

2022-08-11侯圣智刘丰喆

小型内燃机与车辆技术 2022年3期

侯圣智朱棣刘丰喆尹君

（天津内燃机研究所（天津摩托车技术中心）天津 300072）

引言

2019年7月1日，GB 14622-2016《摩托车污染物排放限值及测量方法（中国第四阶段）》（简称摩托车国四排放标准）[1]正式全面实施。与摩托车国三排放标准相比，摩托车国四排放标准在排放限值、测试运行工况和测试设备等方面进行了大幅度的修订，原有的化油器及电控化油器技术路线已无法满足新排放标准要求。电控燃油喷射系统通过各种传感器实时采集曲轴信号、进气压力、节气门位置、混合气浓度等发动机运行状态参数，根据预先设定的程序和策略对喷油与点火进行精确控制，实现对发动机燃烧过程优化和降低排放的目的[2-3]。由于摩托车国四排放标准增加了车载诊断（OBD）系统的技术要求，使得电控燃油喷射+OBD 成为满足摩托车国四排放标准的“标配”技术路线[4]。

本文以某款配置了125 mL 风冷四冲程发动机的踏板式两轮摩托车为研究对象，针对单缸发动机的特点，研究了电控系统的总体方案、硬件结构以及控制策略等关键技术问题，开发了能够满足摩托车国四排放标准要求的电控单元（ECU），通过试验验证了电控系统的控制功能和减排效果。

1 电控系统总体方案

为满足摩托车国四排放标准要求，电控系统采用闭环控制+三元催化+OBD 的技术方案。从整体结构上来看，电控系统主要包括电控单元（ECU）、传感器和执行机构3 部分。其中，电控单元是整个电控系统的核心部分，它的功能有：

1）根据曲轴位置传感器产生的信号计算发动机转速和曲轴位置信息；

2）根据进气压力传感器、节气门位置传感器以及进气温度传感器计算每个工作循环中发动机的进气量；

4）根据发动机转速和节气门开度确定最佳点火提前角；

5）采集氧传感器信号，判断上一工作循环混合气的浓度，以此为依据对下一工作循环的喷油量进行修正，保证发动机闭环工作区域混合气在理论空燃比条件下燃烧；

6）驱动燃油泵、喷油器、点火线圈、碳罐等执行机构，保证发动机工作在最佳状态；

7）实时监控节气门位置传感器、进气压力传感器、氧传感器以及喷油器等器件的状态及参数等信息，当出现故障时，储存故障信息、驱动故障灯闪烁、通过OBD 诊断通信接口（本文采用ISO 9141-2 标准）传递故障信息；

8）通过CAN 总线与标定计算机进行通信，传递状态信息、进行发动机和整车标定等。

电控系统的整体结构如图1 所示。

图1 摩托车电控系统的总体方案

2 电控单元硬件电路设计

电控单元硬件电路由微控制器MCU、电源模块、输入信号处理模块、功率输出模块以及通信模块等组成，如图2 所示。

图2 电控单元硬件电路框图

在电控单元硬件电路的设计中，微控制器MCU是电控单元的核心部件，它是控制算法和控制策略运行的载体，需要实时响应传感器信号、快速处理数据信息、高速输出控制信号，其性能直接关系到整个控制策略的实时性和准确性。本文选用NXP 公司专门用于小型发动机控制的MC9S12P128 系列微控制器，其采用16 位的S12CPU 内核，有多种外部总线接口，具有较高的数据处理能力；片内集成了128 KB程序Flash、4 KB 的EEPROM、6 KB 的RAM 和扩展存储端口；具有10 个12 位的A/D 转换通道，并且具有转换完成时产生中断、外部触发转换等功能。定时器模块包括一个16 位可编程的计数器，主要实现的功能有输入捕捉、输出比较、脉冲累加和模数递减计数。脉冲宽度调制模块（PWM）具有6 个8 位或者3个16 位的PWM 输出通道。通信模块可进行异步串行通信（SCI）、串行设备通信（SPI）、LIN 通信和CAN 通信。

在市区内铺设各类管道,首要任务是挖掘符合标准的沟渠,如果沟渠的参数(直线度、深度的一致性)不能得到保证,管道在实际的应用中就会在短时间内失效破裂或堵塞.因此,挖沟机在高低不平的复杂地形环境中开展挖掘工作,支撑驱动系统是挖沟机最关键的组成部分,其功能、适应性直接关系到挖沟的品质和效率.支撑驱动系统包括单独驱动、转向和定位的车轮以及自适应地形地貌的悬架,既是挖沟机的重要组成部分,又是挖沟机适应地形性能的综合体现.

针对喷油器、继电器、油泵、点火线圈、氧传感器等功率器件的驱动需求，在电控单元硬件电路设计中选用了NXP 公司专门为摩托车或小型内燃机控制而设计的MC33814 智能IC。MC33814 将系统中的微控制器与外围器件连接，起到调理传感器信号和驱动功率器件的作用。MC33814 包含6 路低边驱动电路，用于喷油器、继电器、故障灯等功率器件的驱动；3 路预驱动电路用于电感点火的IGBT 驱动和用于氧传感器加热的MOS_FET（BUK9230）驱动；2 路跟随电压源（5V），1 路可为MCU 供电，另1 路可为外部传感器供电，可将这路跟随电压采集到ADC中，保证传感器输出数据不受5V 电压波动影响；1路基于ISO 9141 协议的K 线接口，用于OBD 故障诊断；1 路SPI 通信接口用于与MCU 通信，接收控制指令，传输芯片状态信息等；可变磁阻传感器接口用于处理曲轴位置传感器信号，将磁电信号转换成MCU 能够识别的脉冲信号。

节气门位置信号、进气温度信号、缸盖温度信号、进气压力信号、电池电压监测信号、氧传感器信号以及倾倒开关信号属于模拟信号，经过调理电路滤波、放大和整形等处理后，传递到A/D 转换模块，得到与其大小成正比的数字量，供MCU 读取和处理。

电控单元选用MC33879 作为步进电机的驱动芯片，微控制器通过串行外设接口（SPI）向MC33879发送指令和获取芯片的状态信息，通过控制步进电机实现对发动机的怠速控制。

电控单元选用JTA1050 作为CAN 通信电路的主控芯片，微控制器通过CAN 总线与上位机进行通信，传递状态信息、进行发动机和整车标定等。

3 电控单元软件设计

3.1 控制策略

控制策略建立在各类数据MAP 及相应算法的基础上，主要包括输入信号故障判断、运行故障判断、运行工况判断、工况控制、补偿控制等功能模块，各模块有机结合与协调工作是控制策略能否执行的关键，决定了发动机电控单元的控制品质。

控制过程主要是依据节气门开度、节气门开度变化率等“控制指令信息”，再根据曲轴转速信号、节气门位置、进气压力、缸盖温度信息来确定发动机瞬时运行状态，然后查找相应的数据MAP 以及修正系数确定点火提前角、喷油量和喷油定时，通过输出正确的信号驱动点火线圈及喷油器，实现点火及喷油的精确控制。控制策略如图3 所示。

图3 摩托车电控系统的控制策略

3.2 发动机工况判断

在实施发动机喷油、点火控制策略之前，必须先确定发动机所处工况，然后才能通过不同的喷油、点火控制方法对其进行有效控制。确定发动机当前状态的方法是根据发动机转速、节气门开度和节气门开度变化率判断发动机当前所处工况，据此进入对应的工况处理子程序，按照工况既定的控制策略，实现当前喷油脉宽、喷油正时、点火正时等参数的控制。

1）停车工况。停车工况下，ECU 自动检查各个传感器、执行器输入信号的情况，如超过最大值或低于最小值时，自动报警（驱动故障灯），并且保存故障信息。

2）起动工况。发动机转速为500～2 000 r/min 时，处于起动工况，ECU 查询存储在ROM 中的基本喷油量、喷油时刻和点火时刻，并根据进气温度、进气压力、缸体温度传感器信号进行修正。起动工况下，ECU 适当增加喷油量和点火充磁角，提高点火能量和补偿燃油因形成油膜而造成的混合气变稀。

3）怠速工况（暖机）。怠速工况是由节气门开度信号和发动机转速信号来判断的。当发动机转速高于1 400 r/min 而节气门开度等于某一数值（需要标定确定）时，ECU 判断为怠速工况。发动机怠速工况的控制目标是通过控制步进电机和喷油、点火参数等将发动机的转速控制在目标值附近。怠速时的基本喷油量MAP 需事先标定并储存在ROM 中。

4）加、减速工况（瞬态工况）。加、减速工况的判断通过检测节气门开度变化率来进行。当节气门开度变化率超过一定数值之后，则进入加、减速控制模式。当节气门开启速率超过一定数值之后，ECU 判定为加速工况，软件进入加速控制模式，此时的喷油量为由MAP 得到的基本喷油量乘以加速修正系数。当节气门关闭速率超过一定数值之后，ECU 判定为减速工况，软件进入减速控制模式，采用减油或断油等相应的控制策略。

5）稳态工况。根据发动机转速、节气门位置、缸盖温度等参数的不同，稳态工况分为开环工况和闭环工况。在开环工况，ECU 根据发动机转速和节气门位置等信息查取ROM 中的点火时刻MAP 图、喷油量MAP 图，进行插值运算后得到基准点火时刻及喷油量，最后进行进气温度、进气压力、缸盖温度等参数的修正，从而得到实际的喷油和点火控制量；在闭环工况，ECU 根据发动机转速和节气门位置等信息查取ROM 中的点火时刻MAP 图、喷油量MAP 图，结合氧传感器采集到的混合气浓度信息，修正实际的喷油和点火控制量，保证混合气在理论空燃比条件下燃烧。

6）超速工况。当发动机转速大于某一转速时（超速），ECU 切断喷油信号，使喷油器断油，并发出超速报警信号；当发动机转速小于超速转速后，ECU 控制喷油器恢复供油。

3.3 排放试验验证

为了验证电控系统软、硬件的功能，对某型号125 mL 踏板式两轮摩托车进行了电喷化改造，电控系统采用本文的电控单元。通过发动机台架和摩托车转鼓试验台进行系统匹配试验研究与标定，确定了基本喷油量MAP、点火时刻MAP 以及控制策略。在标定工作完成后，进行常温下冷起动后排气污染物排放测试（Ⅰ型试验），实际测试结果与摩托车国四排放限值的对比见表1。