缸内直喷发动机传感器处理电路模块的设计

【摘要】针对电控缸内直喷发动机（GDI）的特点开发，分析了GDI发动机电控系统的工作原理，设计了直喷发动机电控单元的硬件系统，研究中采用模块化设计思想。

【关键词】缸内直喷；电控系统；硬件模块

一、引言

随着电子控制技术的发展和广泛应用以及排放法规的日益严格，汽油缸内直喷技术得到了快速的发展。GDI研究开发中还面临许多问题：因为空燃比不在当量比附近，而且GDI的供油系统比PFI复杂得多，且采用高压共轨汽油喷射和涡流雾化喷嘴，成本大大高于PFI系统；在要求的范围控制混合气分层燃烧较困难。在开发国产GDI发动机的同时，其电控系统的研究开发也要同步跟进，也是其发展的必由之路。

电控系统中所用到的传感器主要有：曲轴转速传感器、节气门位置传感器、油轨压力传感器、凸轮相位传感器、冷却水温传感器、氧传感器和进气翻板位置传感器等。其中，转速传感器和凸轮相位传感器输出信号经处理后得到的是数字量。

二、转速传感器信号处理电路

转速传感器内含一永久磁体和一感应线圈。装于曲轴上的靶轮齿圈均匀分布有60-62个齿，当曲轴靶轮转过曲轴位置传感器时，随着齿顶和齿底距离传感器位置的变化，使得磁场发生变化，在线圈中感应出一交流电压，其频率和幅值随发动机转速变化而变化。如图1所示的转速信号处理电路。该电路采用了低通滤波、比较、去耦等措施。用电压比较器LM339将正弦波整形至矩形脉冲；用光电耦合器TLP521-2将模拟端和数字端隔开，起抗干扰作用；光电耦合器TLP521-2输出的信号经4049集成反向器进一步整形和平稳后输入到单片机IOC0通道（PT0引脚）。

该转速信号处理电路能够较好地处理转速信号，单片机采集转速信号时能保证没有丢齿现象的发生。转速信号处理完后的波形如图2所示。

图1 转速传感器信号处理电路

图2 处理后的转速信号

三、凸轮相位信号处理电路

凸轮相位传感器装在凸轮轴上，为霍尔效应式传感器，转轮上感应片转过相位传感器时，会输出一个方波信号，信号电压大小与传感器和脉冲轮间相对速度大小无关。霍尔传感器是一种有源磁电转换部件，传感器内部电路的输出端为OC门（集电极开路输出），输出为电平信号，必须在输出端与电源之间接上拉电阻才有正常信号输出。尽管传感器内部设施密特电路，其输出为矩形波，无需对其进行整形，但由于在发动机运行过程中，受点火系统干扰，信号中可能会混有幅值较高的尖脉冲干扰信号，为此，处理电路（如图3所示）中加入滤波电路和钳位电路，用来抑制噪声和保护单片机系统。

图3 凸轮相位传感器处理电路

如图4所示为发动机转速传感器信号和凸轮相位传感器信号经示波器实测出的正时关系图。转速传感器信号中的缺齿位置与1缸上止点的相位差是固定的，在上止点前84°。当转速信号为缺齿信号时，如果此时凸轮相位信号电平为低电平时，则此缺齿为一缸压缩上止点前的缺齿，如果凸轮相位信号电平为高电平时，则此缺齿为一缸排气上止点前的缺齿，这样结合转速传感器信号和凸轮相位传感器信号就可以确定曲轴当前的相位。

图4 转速信号与凸轮信号的正时关系

四、模拟信号接口电路

冷却水温信号（WAT）、进气温度（MAT）、油轨压力信号（RPS）、节气门开度（TPS）、进气流量（MAF）、进气翻板位置（SBP）等信号都是0-5V的模拟信号，对它们的处理原理上相同，以油轨压力和节气门开度为例，电路图如图5和图6所示。先经过信号电压钳位，然后经过电压跟随器射随处理后送到单片机的ATD口。水温传感器（WAT）信号也是0-5V，但在给其供电的+5V电源电压线路上需串联一个分压电阻后将电压加到水温传感器内的热敏电阻上。水温传感器输出信号同样经过电压跟随器处理后可直接送到单片机ATD口。

图5 轨压传感器信号处理电路

图6 节气门开度信号处理电路

五、结论

发动机电控系统的开发是一项庞大而复杂的工作，需要依靠先进的软硬件开发系统、经过大量的硬件测试试验、软件调试和大量的发动机标定试验才能完成，GDI发动机电控系统的开发更是如此。本章介绍了信号处理电路模块（曲轴转速信号的处理、凸轮相位信号的处理，以及各模拟信号的处理）的电路设计，对电控系统的开发具有一定的参考价值。

参考文献

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[2]蒋坚.直喷式汽油机电控燃油喷射系统及闭环控制算法的研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[3]周骥等.直喷汽油机电控系统设计及稀薄燃烧实验研究[D].吉林：吉林大学，2009.

[4]苏新.基于LabVIEW的直喷汽油机电控点火系统的开发[D].大连：大连理工大学，2007.

作者简介：赵得娟（1989—），女，山东日照人，研究方向：汽车运用工程。

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