小引擎（單缸）的電子控制方案設(shè)計(jì)

摘要:小引擎制造商開始面臨來(lái)自全球政府立法機(jī)構(gòu)的壓力，這些立法要求他們提高產(chǎn)品效率并降低排放。為了達(dá)到法規(guī)要求，引擎控制系統(tǒng)必須從機(jī)械控制轉(zhuǎn)換成電子控制。汽車引擎在從機(jī)械控制到電子控制的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，其中所得到的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可適用于小引擎。最近電路集成領(lǐng)域所取得的進(jìn)展可以支持小引擎制造商開發(fā)出電子控制，從而使他們的產(chǎn)品變得“更環(huán)?！薄１疚膶⒑?jiǎn)要介紹一些必要的轉(zhuǎn)換，以及飛思卡爾目前做了哪些工作來(lái)幫助這個(gè)轉(zhuǎn)換得以簡(jiǎn)便、輕松和經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)。

引言

　　最近發(fā)生的兩件事致使小引擎制造商考慮使用更新、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電子控制來(lái)替換傳統(tǒng)的機(jī)械引擎。

環(huán)境條件

　　市區(qū)嚴(yán)重的污染，以及摩托車和其他小引擎車輛排放的氣體導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”日益凸顯，因而也迫使很多政府開始制定更嚴(yán)格的排放法規(guī)。這些新法規(guī)專門針對(duì)小型內(nèi)燃機(jī)。如果要達(dá)到這些法規(guī)要求的尾氣排放等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，制造商需要用電子控制來(lái)替換機(jī)械引擎控制。但小引擎控制系統(tǒng)在目標(biāo)成本和尺寸要求上十分苛刻，這需要制造商必須尋求創(chuàng)新的設(shè)計(jì)解決方案來(lái)實(shí)施這些電子控制。

　　燃油效率

　　一加侖汽油的成本從1956年的20美分提高到將近4美元，目前的最高點(diǎn)。全球原油產(chǎn)地的不穩(wěn)定導(dǎo)致這一生活必需品的價(jià)格經(jīng)常發(fā)生變化。以前曾被認(rèn)為是無(wú)限供應(yīng)的原油，石油公司認(rèn)為有一天它也會(huì)用盡。要延長(zhǎng)燃油供應(yīng)時(shí)間和降低引擎操作成本，意味著所有引擎（不管大小）都需要具備更高燃油效率的設(shè)計(jì)。

　　2或4個(gè)沖程引擎

　　某些小引擎和大引擎之間的一個(gè)主要差別就是“沖程”數(shù)量或活塞在汽缸中上下活動(dòng)完成一個(gè)循環(huán)所需的次數(shù)。 如果它不在本文討論的兩種引擎的優(yōu)缺點(diǎn)范圍內(nèi)，就足以說(shuō)明現(xiàn)在采用的是成本低燃油使用方式，2沖程引擎必須徹底重新設(shè)計(jì)才能滿足該新的排放法規(guī)要求。

機(jī)械控制

　　尼古拉奧托于1876年發(fā)明了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)的操作取決于三個(gè)因素：空氣、燃油和燃燒過(guò)程。在引擎的汽缸中，精確的時(shí)控火花點(diǎn)燃?xì)?油混合物，然后通過(guò)燃燒來(lái)推動(dòng)汽缸內(nèi)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而致使引擎曲軸旋轉(zhuǎn)。小型內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械控制系統(tǒng)包括兩個(gè)機(jī)械部件和一個(gè)電子部件。第一個(gè)機(jī)械部件（即化油器）使用的是汽缸中形成的真空。因?yàn)橐孀畛跬ㄟ^(guò)起動(dòng)電機(jī)、拉繩或腳踏啟動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，以吸收并霧化燃油，從而讓油和氣以正確的比例混合。油/氣混合物在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間通過(guò)第二個(gè)機(jī)械部件（即進(jìn)氣閥）吸進(jìn)汽缸。唯一的那個(gè)電子部件即被稱作“磁電機(jī)”的器件，用來(lái)生成精確的時(shí)控火花，由附在旋轉(zhuǎn)曲軸的飛輪上兩個(gè)磁體確定位置。該機(jī)械控制系統(tǒng)基本上是一個(gè)“開環(huán)電路”的擴(kuò)展系統(tǒng)，這意味著引擎中不提供反饋信息來(lái)指示機(jī)械控制系統(tǒng)是否正常操作；如果不正常的話是否要糾正。為了提高效率和降低排放，必須提供“閉環(huán)電路”類型的控制系統(tǒng)。從理論上來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)閉環(huán)機(jī)械反饋系統(tǒng)是可行的，但要根據(jù)目前汽車市場(chǎng)中采用的新微機(jī)控制電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)則是不現(xiàn)實(shí)的。

電子控制

　　從機(jī)械控制系統(tǒng)到電子控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換主要包括兩方面：火花控制和燃油控制。此外，它還引入了閉環(huán)控制概念以及監(jiān)控引擎排氣的氧傳感器反饋信號(hào)。廢氣中如果存在氧氣，那就表明汽缸燃燒反應(yīng)沒達(dá)到空氣和燃油14.7:1的正常比率，或者說(shuō)由于某些原因，燃燒反應(yīng)沒有完成。

　　火花控制

　　在從機(jī)械控制到電子控制的轉(zhuǎn)換中，最大的轉(zhuǎn)變是從簡(jiǎn)單的磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)火花生成系統(tǒng)變成微機(jī)控制火花點(diǎn)火系統(tǒng)。

　　磁電機(jī)基本上是帶主電源開關(guān)的100:1升壓器。當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)且第一個(gè)磁體通過(guò)磁電機(jī)磁芯時(shí)，嵌入引擎飛輪的磁體感應(yīng)到主電源中產(chǎn)生的電流。第二個(gè)磁體讓主電源開關(guān)打開。由此產(chǎn)生的磁塌縮磁場(chǎng)在主電源中生成200V脈沖。100:1升壓比的磁電機(jī)從主用到備用電源時(shí)使200伏脈沖在備用電源中上升到2萬(wàn)伏，這可導(dǎo)致火花塞間隙出現(xiàn)火花。磁電機(jī)簡(jiǎn)單、可靠，但如果不能實(shí)際移動(dòng)磁體位置或磁電機(jī)位置，就不可能及時(shí)控制火花輸出。

　　火花圈與磁電機(jī)相似，它也是一個(gè)升壓器，但它不是使用磁體，而是使用電池/交流發(fā)電機(jī)提供主電源電流，以創(chuàng)建可以生成高壓脈沖的磁場(chǎng)。此外，它也不使用磁觸發(fā)的主開關(guān)來(lái)斷開一次電流和生成磁塌縮，而使用一個(gè)半導(dǎo)體器件，即達(dá)林頓雙極結(jié)式晶體管或最新的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

　　在磁電機(jī)系統(tǒng)中，嵌入飛輪的磁體還提供所需的定時(shí)信號(hào)，以便在引擎壓縮循環(huán)的固定時(shí)間生成火花。在基于感應(yīng)線圈的系統(tǒng)中，附著在曲軸上的多齒輪以及被稱為“可變磁阻傳感器（VRS）”的感應(yīng)線圈，共同為微機(jī)提供參考定時(shí)信號(hào)，該微機(jī)然后在給定的引擎速度、加載和溫度的最佳時(shí)間發(fā)出火花信號(hào)，從而最大程度提高效率并減少污染物。燃油質(zhì)量的變化可以通過(guò)改變火花定時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。存儲(chǔ)在微機(jī)內(nèi)存中的校準(zhǔn)表可以讓微機(jī)根據(jù)各種引擎參數(shù)監(jiān)控傳感器的輸出，查找生成火花的合適時(shí)間。

　　燃油控制

　　化油器已經(jīng)有100多年的演進(jìn)歷史，因此大部分小引擎制造商不愿意替換成相對(duì)較新的開發(fā)產(chǎn)品--噴油器。小型引擎的目前趨勢(shì)是采用被稱作“電子化油器”的混合方式。它省去了傳統(tǒng)化油器的幾個(gè)純機(jī)械部件，這種化油器具有電子控制的電磁線圈或電機(jī)。與從磁電機(jī)轉(zhuǎn)換到火花圈和微機(jī)點(diǎn)火控制不同，從化油器轉(zhuǎn)換到噴油器簡(jiǎn)化了燃油系統(tǒng)很多方面的設(shè)計(jì)。噴油器不是依靠引擎真空為汽缸提供油氣混合物，而是依靠來(lái)自泵的燃油壓力，通過(guò)電磁閥控制的噴油器將燃油霧化。通過(guò)按脈沖分配燃油并且由微機(jī)控制，這樣可以更準(zhǔn)確地控制燃油數(shù)量，優(yōu)化燃油交付時(shí)間，以提高燃燒過(guò)程的效率。此外，它允許微機(jī)根據(jù)氧氣和其他引擎參數(shù)傳感器的反饋信息，調(diào)整燃油/空氣混合比例的多少。

　　電子引擎控制單元

　　電子引擎控制單元（或ECU）是由微機(jī)（MCU）和實(shí)施引擎控制策略所需的全部模數(shù)接口電路組成的模塊。常見的單缸ECU框圖如下所示：

　　圖1 小引擎ECU框圖

　　MCU通常是 CMOS 8或16位器件，它可以輕松處理規(guī)定的算術(shù)和邏輯功能。由于MCU輸出的電壓/電流驅(qū)動(dòng)限制和輸入的敏感度問題，在引擎的各種傳感器、機(jī)電致動(dòng)器和MCU的I/O引腳之間接口上，必須提供模擬電路。此外，MCU電源調(diào)節(jié)和規(guī)定的復(fù)位信號(hào)也需要模擬電路。

　　小引擎ECU設(shè)計(jì)者面臨的難題是如何減小ECU的尺寸，以便它能安裝在小引擎上。對(duì)于大型摩托車或工業(yè)發(fā)生器這當(dāng)然不是問題，但對(duì)于小型手持電動(dòng)工具，如除草機(jī)和葉式鼓風(fēng)機(jī)，ECU的大小和重量是整個(gè)工具的一部分。為了減少尺寸和重量，必須將ECU各種部件的數(shù)量降到最低。由于ECU的數(shù)字部件--MCU在整體尺寸和重量中占很小的部分，因此其它模擬部件必須進(jìn)行類似的集成才能減少尺寸和重量。

單缸引擎ASSP

　　飛思卡爾半導(dǎo)體針對(duì)這一目標(biāo)最近推出一款A(yù)SSP(首個(gè)具體應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品)IC，以便把小引擎的多個(gè)模擬功能集成到一個(gè)芯片上。該IC的零件號(hào)為MCZ33812，主要針對(duì)小型單缸或雙缸引擎。它集成了單個(gè)IC、MCU電源穩(wěn)壓器，復(fù)位和看門狗功能，用于診斷通信的串行IS09141接口，一個(gè)點(diǎn)火預(yù)驅(qū)動(dòng)裝置，一個(gè)噴油器驅(qū)動(dòng)裝置，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器或備用噴油器的兩個(gè)低邊驅(qū)動(dòng)裝置，以及一個(gè)顯示功能異常的指示燈。它是一個(gè)非?；镜墓δ芗?，但正是由于這個(gè)原因，它可以用于大批量生產(chǎn)的單缸小引擎ECU。

　　圖2 MCZ33812框圖