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四冲程摩托车电子燃油喷射系统研究
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Four stroke motorcycle Electronic Fuel Ignition
Research
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■中国人民解放军后勤工程学院 严庆福 郭军华 王维俊 施元春
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随着我国城市污染问题的提出，交通工具的尾气排放污染越来越受到人们的关注。我国是一个摩托车生产和使用的大国，其尾气的排放也日益受到重视。国家针对尾气的排放也制定了相应的法规。到2004年，北京、上海等地将首先执行城市摩托车尾气排放必须达到欧Ⅰ标准，而传统的化油器很难达到这个标准，因此对摩托车的技术改造势在必行。但只对发动机内部结构的改造现已很难达到预期的效果。目前，随着电子技术、自动控制理论和传感器技术的迅速发展，使发动机的机械-电子一体化成为一种必然的发展趋势。而电子燃油喷射系统能够满足发动机的高经济性、低污染的要求，大大提高了发动机的工作效率。与传统的化油器相比，具有如下的优点：能提高发动机的最大功率；耗油量低，燃油经济性好；减少排气的污染；在低速时可以输出较高的扭矩；加速性能得到改善；采用压力喷射，使汽油雾化质量比化油器大为改善，有利于燃油混合气的快速和完全燃烧。
组成框图及工作原理
摩托车电子燃油喷射系统由油箱、燃油泵、油压调节器、电磁喷嘴、节气门传感器、霍尔开关传感器、氧传感器、A/D转换、单片机等所组成(如图1)。从四冲程汽油机的理论知识可知，汽油机的工作过程包括排气、吸气、压缩、作功四个过程。排气冲程是将汽油与空气的混合气燃烧后产生的废气排出去；吸气冲程是将汽油与空气送入发动机的气缸；压缩冲程是将燃油和空气的混合气进行压缩，并通过点火器点燃混合气；作功冲程其实质就是一个燃烧过程，是将汽油的化学能转变为热能的过程。进入气缸的燃料完全燃烧的程度，直接影响到热量产生的多少和排出废气的成份。而燃烧时间或燃烧时间相当于曲轴转角的位置又关系到热量的利用和发动机气缸内压力的变化。所以燃烧过程是影响汽油机经济性、动力性和排放污染的主要过程。为了使发动机工作在最理想的状态，必须使进入发动机气缸内的汽油和空气完全燃烧。根据化学反应的理论计算，1Kg的汽油完全燃烧需要14.7Kg的空气，故汽油机的理想空燃比应为14.7。由于摩托车的发动机多数是小排量的发动机，所受的干扰因数很多，受到的影响也很大，如果用空气流量计来检测进入发动机的空气量，必定使发动机的运行不太稳定，混合气燃烧的效果反而不是太好。所以本设计去掉空气流量计，不仅节约成本，而且使控制更加简单。但必须针对不同型号的发动机作多次具体的实验，得到多种转速下的理想供油量。将得到的这些数据存储到单片机内，供单片机控制时进行查表使用。单片机通过在一定的转速和负荷的情况，从程序存储器里查出此时的基本喷油量，再通过氧传感器反馈回来的信息进行喷油量的修正，得到一个精确的喷油量，控制电磁喷嘴的开启时间，保证发动机工作在理想的空燃比状态。
硬件电路的设计
A/D转换器选用两通道输入的八位ADC0832，单片机采用最常用的AT89C51。用单片机的P1.0输出口控制电磁喷嘴的开启时间，经过放大电路接入到电磁喷嘴上。选用12M的外部晶体振荡器。霍尔开关元件输出标准的方波信号，不需要整形，直接接到单片机的外部中断0上。当磁钢靠近霍尔开关传感器时，单片机产生中断，开始计时。计时的时间用T来表示，计时时间T代表发动机的工作转速。通过发动机此时的工作转速查表得到基本喷油时长t4，再通过氧传感器输出电压修正喷油时长，去控制电磁喷嘴的开启时间。节气门传感器是安装在节气门阀体上，它能检测出节气门的开度状态（工作状态）并送出相应的电信号。节气门传感器采用电位器式，将节气门的位置转换为输出电压送到A/D转换器转变成数字信号，再送入单片机。使单片机能够识别发动机此时所承受的负荷大小(见图2)。
软件算法及控制 喷油控制算法
喷油量的控制
电磁喷油嘴的孔径尺寸是根据车型排量确定的，因此，汽油机作功所需油量由喷油的时间宽度实现控制：
设喷油量为Q，喷油时间为t4，则
Q=F（t4）
喷油时长的准确性，直接决定喷油量的准确性。在喷油控制中可能出现以下几种情况：
A.喷油时长t4过大，导致不节油，有污染排放；
B.喷油时长t4过小，导致热机吸热不够，功率下降，发动机在承受重载时候可能出现停机现象；
C.喷油点控制过早，导致吸氧不充分，功率下降，有污染排放；
D.喷油点控制过迟，导致吸气过多，无法充分喷油，燃质混合不充分，功率下降，有污染排放。
因此，理想的喷油控制应为喷油时长及喷油点的控制。
基本喷油时长t4
根据实验测试，可得到基本的喷油时长经验计算公式为:
t4=K*T*V
其中：
K是与曲轴的当前转速有关的常系数，是一非线性的函数：K=F（T）；
T为曲轴的转动周期；
V为气门当前位置电压信号，是转角的线性函数：V=F（ ）；
喷油点和断油点的确定
喷油点是指开始喷油的起点。断油点是停止喷油的时刻。根据经验确定如下算法：
（1）当节气门电压小于4.3V，发动机的工作转速小于2000r/min时，从单片机计时终止时刻，下一次重新开始计时时刻算起，在0.92
T-t时刻，单片机发出喷油信号，在0.92 T时刻，单片机发出断油信号。
（2）当节气门电压小于4.3V，发动机工作转速处于2000r/min至4000r/min时，从单片机计时时刻，下一次重新开始计时时刻算起。在0.96
T-t时刻单片机发出喷油信号，在0.96 T时刻单片机发出断油信号。
（3）当节气门电压小于4.3V，发动机工作转速大于4000r/min时，从计时终止时刻，下一次开始计时时刻算起。在T-t时刻单片机发出喷油信号，在下一次计时开始时刻，单片机发出断油信号。
（4）当节气门电压大于4.3V时，无论发动机工作在哪个转速。始终都以T-t时刻发出喷油信号，在下一次计时时刻发出断油信号。
其中：
T为单片机的计时周期。即为发动机的工作转速；
t为修正后的喷油量的大小。
氧传感器软件算法
在单片机计时霍尔开关元件发出的信号的同时，单片机还检测节气门传感器和氧传感器经过A/D转换所测量出的电压值信号。由于氧传感器是构成闭环控制系统，为了增加发动机工作的稳定性，单片机每隔1秒左右检测一次氧传感器，根据氧传感器的电压值来修正喷油时长。当氧传感器输出电压小于0.3V时，喷油时长在基本喷油量的基础上加0.1ms，当氧传感器输出电压大于0.5V时，喷油时长在基本喷油量的基础上减去0.1ms；当氧传感器输出电压介于0.3V至0.5V之间时，喷油量就是基本喷油量。
结论
本系统经过实际的制作，通过测试，发动机的最大功率比传统的化油器提高10%左右；最大扭矩提高5%-10%；油耗下降10%-20%左右；废气排放达到欧I标准。性能大大优于传统的化油器形式。
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