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技术领域

本实用新型具体涉及一种发动机燃气电控管理单元，属于发动机控制领域。

背景技术

目前，在发动机燃气电控单元设计方案中，普遍采用按每个功能电路单独采用一 个集成芯片，甚至几个集成芯片实现，然后由主控制单元协调控制，即电控单元划分 为主控制单元、怠速步进电机驱动单元、电源管理单元、复位处理单元、低边驱动输 出单元、K线通讯单元、CAN通讯单元、爆震信号处理单元、存储单元、点火驱动单元、 喷油驱动单元，各单元采用独立的专用集成芯片，再组合开关量输入单元、频率信号 输入单元、模拟信号输入单元(图1)。这样整个电控单元采用的芯片数量较多，成本相 对较高。另一种通过增加协处理单元，例如中国专利CN101235786公开的发动机电控单 元(图2)，除主控制单元外，增加了两个协处理单元，一个协处理单元用于协助驱动怠 速步进电机，另外一个协处理单元采用软件方法处理点火反馈，协处理单元处理后的 数据传送给主控制单元来执行。此结构的电控单元，更是由于增加了协处理单元，不 仅导致整个系统执行速度和效率的降低，而且增加协助处理单元更造成了成本的提高。

此外，上述电控单元中开关量输入信号处理电路，采用固定的上拉电阻或下拉电 阻方式实现，当电控单元应用于不同的车型时，由于开关信号的有效信号类型不一致， 导致电控单元通用性差，不同车型需要设计不同开关量输入信号处理电路，增加了开 发成本。

检测尾气成分的氧传感器，它起作用需要达到一定的温度，当车辆启动时，温度 较低，氧传感器不能有效工作，只有当车辆启动一段时间，当尾气温度达到氧传感器 工作温度时，氧传感器才能工作。而现有技术为了使氧传感器在发动机启动时就起作 用，通常采用强制加热的方法，使氧传感器提前工作，以达到控制减少启动阶段的排 放物。现有技术氧传感器加热采用集成芯片驱动，集成芯片驱动加热能力相对不足， 易导致氧传感器起作用的时间延迟，实际造成发动机启动阶段排放物减少减量不明显， 仍会出现超标。虽然可以通过并联集成芯片多个驱动通道以增加加热能力，但这样不 仅会过多占用芯片通道，造成集成芯片功能利用的降低，而且多通道用于加热也会导 致芯片发热量的增加，客观散热困难，会加速芯片老化、降低可靠性。

再就是，现有技术汽油发动机电控单元，点火反馈信号采用电阻分压采集点火信 号，输入到主控制单元，通过电压值判断是否有效点火控制喷油。但由于点火信号电 压高到上百伏，并且点火过程中电压信号波动较大。采用此结构电路，分压后电压同 样会产生波动，使得通过模数转换得到电压数值也容易产生波动，从而造成对点火有 效性判断的不准确，因而不能有效控制喷油，也会影响排放达标。其次，电阻分压采 集点火信号还有一个缺点，即对于每一缸点火输出信号都需要有一个点火反馈电路， 分别检测每一缸点火输出，造成发动机缸数越多，重复电路越多，导致成本增加，难 以确保控制优化燃烧达到标准。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型要解决的技术问题是提供一种整体电路结构简单、点 火检测安全，以及加热驱动能力较强的发动机燃气电控管理单元。

本实用新型的发动机燃气电控管理单元，包括主控单元，以及分别与主控单元连 接的点火驱动和点火反馈电路、喷油驱动和故障诊断电路、低边驱动和故障诊断电路、 步进电机驱动和故障诊断电路、氧传感器加热和故障诊断电路、模拟量输入信号处理 单元、开关量输入信号处理单元、数据存储单元、爆震信号处理单元、频率信号处理 电路、电源和复位管理单元和通讯单元；

所述主控单元采用16位微控制器C167CS主控芯片，其外部接有8MHZ晶振电路；

所述点火驱动和点火反馈电路包括点火驱动电路和点火反馈电路；所述点火驱动 电路设置有两路点火驱动，由限流电阻、IGBT管组成；所述点火驱动电路输入点火信 号从主控单元的Ign_1端接出；所述点火反馈电路由分压钳位电路、滞环比较器与典 雅基准电路组成；所述点火驱动电路输出信号从IGBT管接出，并接入后级点火反馈电 路的分压钳位电路的输入端；

所述喷油驱动和故障诊断电路采用驱动芯片TLE6220；所述驱动芯片TLE6220与主 控芯片通过SPI总线通讯连接，其复位信号输入端口连接主控芯片的复位输出，而其 各驱动输出端分别接有抗干扰电容；

所述低边驱动和故障诊断电路采用低边驱动芯片L9825，主继电器和发动机转速输 出的控制信号由B_MainRly和B_EngineSpeed信号接入并行控制，其他驱动信号通过 SPI总线送入L9825控制驱动；所述低边驱动芯片L9825连接的主继电器驱动电路中接 有二极管；

所述步进电机驱动和故障诊断电路采用步进电机驱动芯片L9935，其驱动输出端口 接有并联电阻；

所述氧传感器加热和故障诊断电路由开关驱动电路和电阻分压电路检测电路组 成；所述开关驱动电路采用MOS管IRLR2905，且MOS管门极接有限流电阻；所述阻分 压电路检测电路间接有RC滤波电路；

所述模拟量输入信号处理单元包括进气压力信号处理电路、节气门位置信号处理 电路、蒸发器温度传感器信号处理电路、冷却液温度传感器信号处理电路、进气温度 传感器信号处理电路、前氧传感器信号处理电路和后氧氧传感器信号处理电路、点火 开关后电压信号处理电路和电瓶电压信号处理电路；

所述开关量输入信号处理单元包括大灯开关信号处理电路、空调请求信号处理电 路和空调压缩机开关信号处理电路；

所述数据存储单元采用Flash芯片M29F499BB，与主控芯片直接通过16位数据地 址总线连接；

所述爆震信号处理单元采用爆震信号处理芯片HIP9011通过SPI总线连接主控芯 片端口；

所述频率信号处理电路包括凸轮轴信号处理电路、车速信号处理电路和曲轴信号 处理电路；

所述电源和复位管理单元、通讯单元和曲轴信号处理电路采用集成芯片L9741连 接组成；

进一步地，所述曲轴信号处理电路由分压电路、滤波电路和差分滞回比较器组成。

进一步地，所述电源和复位管理单元输出三路5V电压，其分别接入电控单元、进 气压力传感器和节气门位置传感器。

进一步地，所述电源和复位管理单元输出三路5V电压，每路均接有纹波滤除电容。

进一步地，所述通讯单元通过集成芯片L9741内部集成CAN通讯收发器和K线通 讯收发器连接主控芯片的信号端。

本实用新型有益效果：本实用新型整体电路结构简单，采用将电源和复位管理单 元、通讯单元、频率信号输入单元中的曲轴信号处理电路，由分立独立芯片改为集成 组合由一个L9741集成芯片完成，不仅减少了三个分立的电路单元，显著减少集成芯 片的使用量，从而达到降低成本的目的；而且减少器件使得电路板结构紧凑，减少了 电路板占位面积，同时将由集成芯片控制的氧传感器加热驱动电路，改用分立器件构 建，以提高加热驱动能力，实现对氧传感器的快速加热，使其达到与发动机工作几乎 同步工作，而且点火反馈分压检测电路，采用比较电路实现，不仅提高了点火检测的 可靠性，降低因失火喷油未燃烧而造成排放增加，从而确保能满足高标准排放要求。

附图说明

为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为现有技术一种电控单元的整体结构示意图；

图2为现有技术另一种电控单元的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例电控单元的整体结构示意图；

图4为本实用新型实施例主控芯片的第一部分；

图5为本实用新型实施例主控芯片的第二部分；

图6为本实用新型实施例点火驱动电路的结构图；

图7为本实用新型实施例点火反馈电路的结构图；

图8本实用新型实施喷油驱动和故障诊断电路的结构图；

图9为本实用新型实施例低边驱动和故障诊断电路的结构图；

图10为本实用新型实施例步进电机驱动和故障诊断电路的结构图；

图11为本实用新型实施例氧传感器加热和故障诊断电路的结构图；

图12为本实用新型实施例进气压力信号处理电路的结构图；

图13为本实用新型实施例节气门位置信号处理电路的结构图；

图14为本实用新型实施例蒸发器温度传感器信号处理电路的结构图；

图15为本实用新型实施例冷却液温度传感器信号处理电路的结构图；

图16为本实用新型实施例进气温度传感器信号处理电路的结构图；

图17为本实用新型实施例前氧传感器信号处理电路的结构图；

图18为本实用新型实施例后氧传感器信号处理电路的结构图；

图19为本实用新型实施例点火开关后电压信号处理电路的结构图；

图20为本实用新型实施例电瓶电压信号处理电路的结构图；

图21为本实用新型实施例大灯开关信号处理电路的结构图；

图22为本实用新型实施例空调请求信号处理电路的结构图；

图23为本实用新型实施例空调压缩机开关信号处理电路的结构图；

图24为本实用新型实施例数据存储单元的结构图；

图25为本实用新型实施例爆震信号处理单元的结构图；

图26为本实用新型实施例凸轮轴信号处理电路的结构图；

图27为本实用新型实施例车速信号处理电路的结构图；

图28为本实用新型实施例曲轴信号处理电路的结构图；

图29为本实用新型实施例电源和复位管理单元的结构图；

图30为本实用新型实施例通讯单元的结构图。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型的发动机燃气电控管理单元，包括主控单元1，以及分别 与主控单元1连接的点火驱动和点火反馈电路2、喷油驱动和故障诊断电路3、低边驱 动和故障诊断电路4、步进电机驱动和故障诊断电路5、氧传感器加热和故障诊断电路 6、模拟量输入信号处理单元7、开关量输入信号处理单元8、数据存储单元9、爆震信 号处理单元10、频率信号处理电路11、电源和复位管理单元12和通讯单元13，实现 主控芯片对各单元电路的管理控制；

如图4和图5所示，所述主控单元1采用高性能16位微控制器C167CS主控芯片， 同时其采用外部8MHZ晶振电路为系统时钟；

如图6和图7所示，所述点火驱动和点火反馈电路2包括点火驱动电路和点火反 馈电路；所述点火驱动电路设置有两路点火驱动，由限流电阻R32和IGBT管Q101组 成；所述IGBT管Q101采用STGB10NB40LZ，其点火驱动电路输入点火信号从主控芯片 的Ign_1端接出，经过限流电阻R32连接IGBT管门极，控制IGBT开关，从而控制点 火；所述点火反馈电路由分压钳位电路、滞环比较器与典雅基准电路组成；电阻R42、 电阻R49和二极管D8构成分压钳位电路，R42和R49对点火信号分压(其中R42和R49 分别取68千欧和10千欧)，二极管D8对分压后的电压进行钳位，使分压后的电压保 持在0-5V范围内。IgnOut_1和IgnOut_2是两路点火输出信号，分别经过防止反接的 二极管D6和D7，两个二极管的负端连接后，经过电阻R42接入比较器的反向输入端； 滞环比较电路由电阻R46、R48和比较器LM2903构成，电阻R47为比较器输出端IgnFb 默认状态上拉电阻，以保证未点火时IgnFb端为高电平，比较器输出端连接主控制芯 片端口IgnFb。电压基准电路由电阻R44和R45组成，对5V电源分压，在电阻R44和 R45的连接点产生2.5V的比较基准电压，基准信号接入比较器同向输入端；

如图8所示，所述喷油驱动和故障诊断电路3采用驱动芯片TLE6220，驱动四路喷 油信号，分别是Inj_1至Inj_4，驱动输出端对应为InjOut_1至InjOut_4，连接喷油 器信号端口。TLE6220与主控制芯片通过SPI总线通讯，将驱动线路故障信息反馈给主 控制芯片，SCLK、MOSI、MISO是SPI总线端口，CS_Inj是片选信号端口，ResetIn是 复位信号输入端口，连接主控制芯片的复位输出。同时在驱动输出端接入抗干扰电容， 电容C74、C75、C76、C77，避免干扰；

如图9所示，所述低边驱动和故障诊断电路4采用低边驱动芯片L9825，支持8路 驱动，其中第一路和第二路兼容并行驱动和串行驱动，其它六路只支持串行驱动模式。 L9825的片选信号端口为CS_Drv2，复位控制信号端口为ResetIn。主继电器和发动机 转速输出的控制信号由B_MainRly和B_EngineSpeed并行控制，其它器件的驱动信号 通过SPI总线发送到L9825。主继电器的驱动电路中，为避免因主继电器错接而使主继 电器误导通，驱动电路中接入了二极管D2，因此继电器只能在外部控制端接电瓶电源、 L9825输出为低时导通。各驱动线路上的故障信号通过SPI总线反馈给主控制芯片；

如图10所示，所述步进电机驱动和故障诊断电路5采用步进电机驱动芯片L9935， 其中电容C78、C79、C80为芯片内部电路匹配电容，电阻R109和R110为诊断电阻。 其中一种较好方法是驱动输出端口并联电阻R107和R108，分别与步进电机两相内阻并 联，增加诊断电流，提高诊断效率。EN_MotorDvr是芯片的使能端口，CS_MotorDvr是 芯片的片选端口，SCLK、MOSI、MISO是SPI总线端口；

如图11所示，所述氧传感器加热和故障诊断电路6由开关驱动电路和电阻分压电 路检测电路组成，可在在三元催化器前后端，分别设置有前氧传感器和后氧传感器； 所述开关驱动电路采用MOS管IRLR2905驱动氧传感器加热棒加热，PWM_O2UpHeater端 与MOS管门极间连接限流电阻R73，PWM_O2UpHeater端为主控制芯片的PWM加热驱动 信号端；故障诊断电路采用电阻分压诊断电路，三个分压电阻电阻R75、R76、R77构 成，电压采样点(电阻R75与R76的连接点)与驱动输出端PWM_O2HeaterOut之间串 入一个电阻(电阻R74)，电压采样点上同时连接上拉电阻(电阻R75)和下拉电阻(电 阻R76)。在采样点另一端与主控制芯片端口V_DiagUpOxygen之间接入RC滤波电路(电 阻R77和电容C67组成)，对采样电压信号进行滤波；

如图12至图20所示，所述模拟量输入信号处理单元7包括进气压力信号处理电 路、节气门位置信号处理电路、蒸发器温度传感器信号处理电路、冷却液温度传感器 信号处理电路、进气温度传感器信号处理电路、前氧传感器信号处理电路、后氧氧传 感器信号处理电路、点火开关后电压信号处理电路和电瓶电压信号处理电路；其中：

图12为进气压力信号处理电路，其由下拉电阻R51和RC滤波电路R50、C48组成。 传感器信号从S_IntakePres端输入，经电阻R51与传感器内部电阻分压，经过RC滤 波电路后信号接入主控制芯片的模拟量输入端口V_IntakePres；图13为节气门位置信 号处理电路、图14为蒸发器温度传感器信号处理电路、图15为冷却液温度传感器信 号处理电路、图16为进气温度传感器信号处理电路，上述电路结构基本相同，由对5V 电源VCC的上拉电阻和RC滤波电路组成。节气门位置信号处理电路由上拉电阻R52， 电阻R53和电容C50组成RC滤波，传感器信号从S_ThrottlePos端输入，通过电阻R52 对5V电源上拉后，经RC滤波电路滤波，输入到主控制芯片的模拟量输入端口 V_ThrottlePos；图17和图18分别为前氧传感器信号处理电路和后氧氧传感器信号处 理电路，两个处理电路相同，前氧传感器信号处理电路，由开关电路(电阻R83、R84 和三极管Q12)、分压电路(电阻R85、R86、R88)和RC滤波电路(电阻R87和电容C70) 组成。分压电路的分压电阻由开关电路选择，开关电路关闭状态，实现氧传感器电压 信号检测；开关电路打开状态，实现氧传感器内阻测量。S_OxygenUp是传感器信号输 出端，B_R_OxygenUp是主控制芯片控制端，控制Q12开关。Q12导通，电阻R85、R86 和R88组成分压电路，Q12关闭，R86和R88组成分压电路。R87和C70组成RC滤波电 路。处理后信号接入主控制芯片的模拟量输入端口V_OxygenUp；图19是点火开关后电 压信号处理电路，由分压电路(电阻R69、R70)和滤波电路(电容C63)组成，电阻 R69和R70对点火开关后电压V_IgnitionKey分压，信号接入主控制芯片的模拟量输入 端口V_IgnitionKeyIn；图20是电瓶电压信号处理电路，由分压电路(电阻R71、R72) 和滤波电路(电容C65)组成，电阻R71和R72对电瓶电压VB分压，信号接入主控制 芯片的模拟量输入端口V_VB_In；

如图21至图23所示，所述开关量输入信号处理单元8包括大灯开关信号处理电 路、空调请求信号处理电路和空调压缩机开关信号处理电路；三个处理电路相同，灯 开关信号处理电路由配置电阻(上拉电阻R60、下拉电阻R60′)和滤波电路(电阻R18 和电容C54组成。传感器信号输出端，同时配置有上拉电阻R60和下拉电阻R60′，根 据开关信号的有效类型分别选择一个相连，如果开关信号的有效类型为低电平，则选 择上拉电阻R60，电路中不连接下拉电阻R60′；如果开关信号的有效类型为高电平， 则选择下拉电阻R60′，不选择上拉电阻R60。开关信号从K_HeadLamp端口输入，经 过配置电阻，滤波电路，处理后信号接入主控制芯片的端口B_HeadLamp。电阻R18还 起限流作用，限制流入主控制芯片端口的电流；

如图24所示，所述数据存储单元9用于存储电控单元控制程序和运行数据，采用 ST公司生产的Flash芯片M29F499BB，存储器空间512KB，存储区支持分段管理，灵活 的数据存储分段管理。M29F400BB与主控制芯片直接通过16位数据地址总线方式连接；

如图25所示，所述爆震信号处理单元10用于判断发动机是否爆震，将不规则爆 震信号转换为模拟量信号。实施例中采用INTELSIL公司生产的专用爆震信号处理芯片 HIP9011。HIP9011内部集成滤波、放大、积分等处理电路。传感器信号从S_Knock端 口接入，经过HIP9011处理的电压信号送至主控制芯片的模拟量输入通道V_KonckIn。 HIP9011外接的电阻电容根据芯片使用规定匹配。HIP9011通过SPI总线设定信号处理 参数，SCLK、MOSI、MISO是SPI总线端口，连接主控制芯片端口。CS_Konck为HIP9011 的片选信号端口。KnockHold为主控制芯片芯片输出给HIP9011的保持控制信号。CLKOUT 为主控制芯片的时钟信号输出，提供HIP9011时钟信号；

如图26、图27和图28所示，所述频率信号处理电路11包括凸轮轴信号处理电路、 车速信号处理电路和曲轴信号处理电路，图26为凸轮轴信号处理电路，处理霍尔式凸 轮轴传感器信号。由上拉电阻R65和限流滤波电路(电阻R66和电容C60)组成。传感 器信号从S_Cam接入，经过上拉电阻R65、滤波电路，处理后的信号接入主控制芯片的 端口CamIn，R66还起限流作用，限制流入主控制芯片的电流；图27为车速信号处理 电路，处理霍尔式凸轮轴车速传感器信号。由保护电路(二极管D2)、上拉电阻R67、 限流滤波电路(电阻R68和电容C62)组成。保护二极管D9用于防止较大的电流流入 主控制芯片端口。传感器信号从S_VSpeed接入，经过D9，上拉电阻，滤波电路，及电 阻R68限流后接入主控制芯片的端口VSpeedIn；图28为曲轴信号处理电路，主要用于 将来自磁电式曲轴传感器的类正弦波信号，转换成方波信号输出，供给主控制芯片。 该电路由分压电路、滤波电路、差分滞回输入模式选择电路组成。其中分压电路由电 阻R28与曲轴传感器内阻构成，以降低传感器高电压输入时，芯片IN_P和IN_M端的 电压幅值；传感器正端连接由电阻R26与电容C41构成滤波电路，负端连接有电阻R30 和电容C42构成滤波电路，对输入信号进行滤波，滤波后信号分别连接芯片内部差分 比较器的输入端IN_P和IN_M；模式选择端通过一个上拉电阻R31，选择为低差分滞回 输入模式。处理后信号从30脚输出，经限流电阻R27连接到主控制芯片端口CrankIn；

如图29所示，所述电源和复位电路12主要用于电源管理和系统复位。电源管理 将电瓶14V电压转换为5V电压，供给整个电控单元和部分传感器。电瓶电源有效，点 火钥匙信号或电源使能信号中有一个有效时，L9741处理输出三路5V电压，分别为电 控单元、进气压力传感器和节气门位置传感器供电。汽车电瓶供电电源从VBat端接入， 经过整流(D3)、电容滤波(C22)、防反向冲击(TVS管D2)和纹波滤除处理(电容C23、 C24)输入到L9741的电源输入端VBAT；点火钥匙开关信号从V_IgnitionKey输入，经 过RC滤波(C28、C29和R21)、电阻限流(R21)、下拉电阻(R20)电路输入到KEYIN 端；主控制芯片输出的PowerLatchCtrl使能信号从ENABLE端输入。三路5V电源分别 从VDD、VS1、VS2输出，5V电源VCC提供电控单元供电，接入纹波滤除处理(电容C26 和C27)，5V电源VCC_TMAP提供进气压力传感器供电，接入纹波滤除处理(电容C31、 C32、C33)，5V电源VCC_S_TP提供节气门位置传感器供电，接入纹波滤除处理(电容 C37、C38、C39)。复位电路实现对整个电控单元在上电时刻的复位，保证同步。L9741 内部集成复位处理电路，并联连接的电阻R22和电容C30，为内部复位电路的RC振荡 电路，复位信号从ResetIn端输出，连接电控单元其它电路的复位信号输入端；

如图30所示，所示通讯单元13通过L9741内部集成CAN通讯收发器和K线通讯 收发器。其中CAN通讯用于电控单元与变速箱控制单元通讯，K线通讯用于电控单元与 故障诊断设备通讯。CAN收发器输入端口TXC和RXC分别连接主控制芯片的CanTxOut 和CanRxIn，输出端分别串接两个电阻R23和R24(实施中均采用阻值60.4欧姆，用于 匹配通讯终端阻值)。K线收发器输入端口MTX1和KEY1分别连接主控制芯片的K_TxOut 和K_RxIn，输出端KwpOut连接一个对电源VB的上拉电阻R25，在没有通讯信号输出 时电压保持为VB；

本实用新型整体电路结构简单，采用将电源和复位管理单元、通讯单元、频率信 号输入单元中的曲轴信号处理电路，由分立独立芯片改为集成组合由一个L9741集成 芯片完成，不仅减少了三个分立的电路单元，显著减少集成芯片的使用量，从而达到 降低成本的目的；而且减少器件使得电路板结构紧凑，减少了电路板占位面积，同时 将由集成芯片控制的氧传感器加热驱动电路，改用分立器件构建，以提高加热驱动能 力，实现对氧传感器的快速加热，使其达到与发动机工作几乎同步工作，而且点火反 馈分压检测电路，采用比较电路实现，不仅提高了点火检测的可靠性，降低因失火喷 油未燃烧而造成排放增加，从而确保能满足高标准排放要求。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用 新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人 员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范 围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。