摩托车电控化油器系统设计李上元

摩托车电控化油器系统设计李上元

李上元

（湛江德利车辆部件有限公司）

摘要：讲述了满足我国目前是世界上摩托车生产和消费的第一大国，大量尾气的排放造成了严重的环境污染，同时我国的石油资源相对比较贫乏，为了保护环境和缓解能源危机，摩托车化油器的电控化是大势所趋。并从中选择电控化油器作为研究对象。并对电控化油器系统进行了介绍，确定了系统的设计方案。

关键词：摩托车；化油器；设计

一、电控化油器补气方式的确定

电控化油器系统对空燃比的控制是以调节进气空气质量的方式实现的，有别于电子燃油喷射系统调节喷油质量来改变空燃比的控制方式。旁通进气的方式有两种，一种是补气管绕过喉管进行旁通，另一种是补气管直接绕过化油器进行旁通。

（1）补气管绕过喉管进行旁通。

补气管绕过喉管进行旁通以调节喉管处的真空度从而影响供油量大小，最终达到改变空燃比的目的。这种方法对空燃比的调节范围不够宽，不能满足各工况的需要。

（2）补气管直接绕过化油器进行旁通方式

补气管直接绕过化油器进入进气道。在不同工况下通过电磁阀的开闭补气与工况相适应的空气量以调节空燃比的大小。这种方法对化油器的改动非常方便。

二、工况点的表征方法

电控化油器系统的正常工作首先取决于MAP制取的准确程度。MAP上每一个工况点都要要进行相应的开环标定，以获得合适的补气脉宽。工况的确定是通过发动机的转速与发动机的工作负荷来描述。其中，工作负荷的大小是由进气量的大小来表征的，进气量一般可以通过以下几种方式获得。

根据进气量的测量方式，可分为直接式和间接式两种，直接测量方式称为质量流量型（MassFlow），间接测量方式又可分为速度—密度（SpeedDensity）方式和节气门—速度（ThrottleSpeed）方式。

（1）质量—流量型

质量流量法通过专用的传感器可以直接测出进入发动机的空气质量。这种方法目前广泛应用于汽车电子燃油喷射系统中。直接测量出空气质量直接传送给ECU以供决策。所以这种方法最精确，响应快，稳定性好。常用的传感器有热线式，叶片式，热膜式等，但是其中价格过于昂贵，暂时还不能被摩托接受。

（2）速度—密度型

该系统使用的是压力传感器测量进气道内的气体压力。由气体压力间接得到进气量的信息。然而这种测进气压力的方法对摩托车狭小的进气道而言，容易产生压力大幅振荡的情况，此时不能准确有效的反应发动机的负荷。

（3）节流—速度型

这种方法利用某一固定转速下节气门开度与进气量之间的关系，用节气门开度间接的表征负荷的大小。所使用的节气门位置传感器实际上一个电位计，成本低廉，安装方便，非常适合中小排量低档摩托车使用，可以有效地反应发动机稳态的工作负荷大小。

综合上述几种负荷的测量方法，本系统采用节气门开度TP表征发动机工作负荷，再加上发动机转速N便可以确定某一个工况点（TP，N）。

节气门开度传感器，实质上是一种电位计，随节气门随动而产生电阻阻值的变化，这样节门开度便与电压值一一对应起来。所示为节气门开度与电压值实测的对应关系。

转速可以直接使用每转产生一次的点火线初级线圈中的触发信号，这样可以省去一个转速传感器和配套的信号触发齿盘。另外，如果使用转速传感器和信号触发齿盘还必须对发动机本身进行较大的改动。

2.2补气脉宽的控制方式

（1）开环控制

用事前匹配标定的MAP来记录某个工况点（TP，N）的补气脉宽值。制取MAP时，为了获得全工况下三元催化转化有较高的效率，应该在发动机平均温度下进行匹配标定，此时可使过量空气系数控制在1.0附近。是在发动机发动机工作时ECU不断接收来转速信号及节气门开度信号，并以此作为确定工况的依据，并查寻二维MAP表并进行三维插值计算，找到对应坐标下的补气脉宽值。该脉宽值决定电磁补气阀开启的时间，最终确定补气的量以达到调节空燃比的目的。

（2）闭环控制

在国Ⅲ工况法测试中，发动机温度从室温到高温变化很大，机油温度可以从20摄氏度到90氏度，导到混合气空燃比与标定值相比产生偏差，开环控制很难自动识别和补偿这种变化。此外，开环系统对空燃比的控制准确精度取决于MAP匹配标定的精确程度。为了能得到精细的MAP，往往进行各种修正，比如进气温度的修正，这种修正也需要大量的标定工作。最终需要往往多个MAP，工作量较大。

因此应该采用闭环控制方法。闭环控制系统可以对控制的结果进行检测，并反馈给

ECU。ECU根据反馈的结果修正补气脉宽，使λ值保持在1.0左右，即控制在三元催化器的高效区域，达到理想的控制效果为止。

引入反馈环节可以有效地消除各种对空燃比的干扰因素，实现更准确的空燃比控制。闭环控制相对开环而言，增加的只是氧传感器。成本增加在能接受的范围内，而效果却能大提升。

2.3电控化油的系统组成

为实现电控化油器的功能，必须在原常规化油器的基础上进行一些必要的改装工作。为由原化油器经过改装后的电控化油器系统。电控化油器系统包括：电子控制单元、传感器，执行器。

（1）电子控制单元

电子控制单元ECU是控制系统的核心中枢。由输入电路（前向处理）、输出电路（后向驱动电路）以及电源、复位等外围电路组成。输入电路用来接受与处理传感器产生的反映发动机工作状态的模拟、数字或开关信号。并将处理后的信号传送给ECU进行分析决策。电子控制单元ECU产生决策指令后将指指送往驱动电路，驱动执行器动作。

控制。闭环控制相对开环而言，增加的只是氧传感器。成本增加在能接受的范围内，而效果却能大提升。

（2）传感器

本系统需要获得的工况信息为发动机转速、节气门开度，和混合气浓稀状况。这些信息需要用传感器来获得。

在不过度牺牲系统性能的前提下，为了节约成本，简化对原机的改装，转速传感器信号可以用点火线初级线圈信号经滤波等处理后的脉冲波代替。使用节气门开度传感器TPS用来反映发动机的工作负荷，执行器本系统所使用的执行器为占空比控制型电磁阀，高电平时为开启，低电平时关闭。在一定周期内，驱动信号占空比决定了电磁阀开启的时间，即对化油器补气的脉宽。执行器有最小脉宽与最大脉宽的限制。过小的脉宽不足以启动针阀，即使启动针阀，其工作也不可靠。而过大的脉宽而会与下一次脉冲动作产生干涉。因此，设计时应考虑到电磁阀的工作特性。

三、电控化油器系统软硬件设计

电子控制单元（ECU）是电控化油器系统的核心，它采集发动机的节气门开度传感器，速度传感器和氧传感器的信号，经相应的控制策略计算处理后向电控补气电磁阀发出控制脉冲，使电磁阀工作，从而控制不同工况下的补气量以使过量空气系数保持在1.0左右。

3.1控制策略与电控单元软件设计

控制策略直接决定硬件电路及软件设计的思路。ECU对空燃比的控制是通过对补气量的控制来实现的。发动机工作时，ECU从传感器得到发动机工况信息，通过计算后决定补气量。ECU输出控制补气电磁阀的驱动脉宽，脉宽的大小决定了补气量多少。在控制补气脉宽时可以采用两种方式：开环控制与闭环控。

3.1.1传感器信号采集和转速计算

节气门开度传感器和氧传感器输出的是模拟电压信号，需经AD转换为数字信号。对这两个信号的计算，采用滑动滤波方式，计算最近N次采用的平均值作为采样结果。为了提高程序的运行效率，采用流程如图3-1示。转速的计算流程与AD采集流程相似。

3.1.2开环控制模型

在采用开环控制时，计算并确定补气脉宽的过程。在此过程中，首先计算出发动机的转速和节气门开度大小，然后根据插值算法确定最终的补气量大小。经过标定试验后，发动机转速和节气门开度对应的基本补气量以三维MAP的形式存放在2维数组中。发动机运行全工况范围内的转速以250rpm等分，开度对应的节气门传感器输出电压以每0.5V等分，构造一个30x10的二维数组存放MAP数据。当发动机的运行工况参数转速n和开度确定后，便可以使用查表插值法通过MAP获得对应的基本补气脉宽。在开环控制中，由于没有反馈信号，对于由于温度等原因引起的空燃比变化不能进行相应的调整。

3.1.3闭环控制模型

在电控化油器闭环控制系统中，排气管中加装一个氧传感器，及时检测排气中的氧含量并将该信号反馈给ECU。排气氧传感器产生的EGO信号在λ=1处产生阶跃，利用氧传感器信号作为反馈信号实现对空燃比的闭环控制，并逐渐将空燃比调整到理论空燃比。设置一个参考电平，当EGO输出电压大于参考电平时认为是高电平，当输出电压低于参考电平时认为是低电平，该参考电平随速度变化而变化，需要事先根据实验结果进行标定和调整。理想的标准浓/稀参考阈值接近450mv。由于氧传感器的温度是根据发动机工况而变，影响到氧传感器的输出特性。参考电平与速度的关系是非线性的，速度越高，参考电平越大。在高速高负荷时，设定较高的参考电平；在低速低负荷时，设定较低的参考电平。闭环逻辑根据转速变化周期性持续优化参考电压。

当空燃比较小，混合气较浓，λ<1时，EGO输出高电平（连续采样到高电平后，将补气脉宽的校正系数先加上一个较大数值，再逐渐以小步长递增。直到由于补气量增大，混合气变稀。当空燃比较大，混合气较稀，λ>1时，EGO电平变为低电平。ECU连续采样到EGO的低电平信号后，就将补气脉宽的校正系数减小一个较大数值，再逐渐以小步长递减。直到由于补气量减少，混合可燃气变浓。在闭环控制作用下，补气脉宽的大小根据EGO信号的变化不断地重复加减过程，这样氧传感器的输出信号类似正弦波，使得空燃比一直围绕理论空燃比波动。

闭环调节的频率即电磁阀的动作频率不同于AD采样频率，一个电磁阀动作周期内可进行多次AD采样取平均值，然后按照控制算法得出输出补气量，调节电磁阀的开闭以削弱空燃比波动。经国内外研究实验表明，由于射流作用的影响，化油器的油粒被补气电磁阀的产生的射流粉碎，电磁阀的补气频率在10HZ时效果最佳。注意到启动工况下，氧传感器未加热到稳定工作温度，信号含有大量杂波，发动机补气量不能根据氧传感器的反馈信号进行闭环计算，此时只能进行开环工作。因此需要根据事先标定的时间设定一个延迟，等待氧传感器信号稳定才开始进入闭环。

结束语

而且，随着我国汽车保有量的增加，城市内汽车尾气造成的环境污染已十分严重，国家将制定愈来愈严格的排放法规限制汽车废气污染，以保证人们有良好的生存环境，而实现上述目标的一个最有效的途径是在我国国产发动机上尽快采用电控喷射系统。不仅能够满足日益严格的电控化油器系统软硬件设计有动力性，使整机水平有较大幅度地提高，从而能够满足未来市场对高性能、低污染发动机的需要。

参考文献：

[1]刘镐才．改善摩托车低温起动性能的试验研究2017.

[2]李光．摩托车发动机冷起动控制设计技术2016.