摘要:小引擎制造商開始面臨來自全球政府立法機構的壓力，這些立法要求他們提高產品效率并降低排放。為了達到法規要求，引擎控制系統必須從機械控制轉換成電子控制。汽車引擎在從機械控制到電子控制的轉換過程中，其中所得到的一些經驗教訓可適用于小引擎。最近電路集成領域所取得的進展可以支持小引擎制造商開發出電子控制，從而使他們的產品變得“更環保”。本文將簡要介紹一些必要的轉換，以及飛思卡爾目前做了哪些工作來幫助這個轉換得以簡便、輕松和經濟高效地實現。

引言

　　最近發生的兩件事致使小引擎制造商考慮使用更新、更經濟實惠的電子控制來替換傳統的機械引擎。

環境條件

　　市區嚴重的污染，以及摩托車和其他小引擎車輛排放的氣體導致“溫室效應”日益凸顯，因而也迫使很多政府開始制定更嚴格的排放法規。這些新法規專門針對小型內燃機。如果要達到這些法規要求的尾氣排放等級標準，制造商需要用電子控制來替換機械引擎控制。但小引擎控制系統在目標成本和尺寸要求上十分苛刻，這需要制造商必須尋求創新的設計解決方案來實施這些電子控制。

　　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。全球原油產地的不穩定導致這一生活必需品的價格經常發生變化。以前曾被認為是無限供應的原油，石油公司認為有一天它也會用盡。要延長燃油供應時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計。

　　2或4個沖程引擎

　　某些小引擎和大引擎之間的一個主要差別就是“沖程”數量或活塞在汽缸中上下活動完成一個循環所需的次數。 如果它不在本文討論的兩種引擎的優缺點范圍內，就足以說明現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計才能滿足該新的排放法規要求。

機械控制

　　尼古拉奧托于1876年發明了傳統的內燃機，該內燃機的操作取決于三個因素：空氣、燃油和燃燒過程。在引擎的汽缸中，精確的時控火花點燃氣/油混合物，然后通過燃燒來推動汽缸內活塞向下運動，進而致使引擎曲軸旋轉。小型內燃機的機械控制系統包括兩個機械部件和一個電子部件。第一個機械部件（即化油器）使用的是汽缸中形成的真空。因為引擎最初通過起動電機、拉繩或腳踏啟動器轉動曲軸，以吸收并霧化燃油，從而讓油和氣以正確的比例混合。油/氣混合物在適當的時間通過第二個機械部件（即進氣閥）吸進汽缸。唯一的那個電子部件即被稱作“磁電機”的器件，用來生成精確的時控火花，由附在旋轉曲軸的飛輪上兩個磁體確定位置。該機械控制系統基本上是一個“開環電路”的擴展系統，這意味著引擎中不提供反饋信息來指示機械控制系統是否正常操作；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“閉環電路”類型的控制系統。從理論上來說設計閉環機械反饋系統是可行的，但要根據目前汽車市場中采用的新微機控制電子系統來說則是不現實的。

電子控制

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

　　火花控制

　　在從機械控制到電子控制的轉換中，最大的轉變是從簡單的磁電機驅動火花生成系統變成微機控制火花點火系統。

　　磁電機基本上是帶主電源開關的100:1升壓器。當飛輪旋轉且第一個磁體通過磁電機磁芯時，嵌入引擎飛輪的磁體感應到主電源中產生的電流。第二個磁體讓主電源開關打開。由此產生的磁塌縮磁場在主電源中生成200V脈沖。100:1升壓比的磁電機從主用到備用電源時使200伏脈沖在備用電源中上升到2萬伏，這可導致火花塞間隙出現火花。磁電機簡單、可靠，但如果不能實際移動磁體位置或磁電機位置，就不可能及時控制火花輸出。

　　火花圈與磁電機相似，它也是一個升壓器，但它不是使用磁體，而是使用電池/交流發電機提供主電源電流，以創建可以生成高壓脈沖的磁場。此外，它也不使用磁觸發的主開關來斷開一次電流和生成磁塌縮，而使用一個半導體器件，即達林頓雙極結式晶體管或最新的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

　　在磁電機系統中，嵌入飛輪的磁體還提供所需的定時信號，以便在引擎壓縮循環的固定時間生成火花。在基于感應線圈的系統中，附著在曲軸上的多齒輪以及被稱為“可變磁阻傳感器（VRS）”的感應線圈，共同為微機提供參考定時信號，該微機然后在給定的引擎速度、加載和溫度的最佳時間發出火花信號，從而最大程度提高效率并減少污染物。燃油質量的變化可以通過改變火花定時進行調節。存儲在微機內存中的校準表可以讓微機根據各種引擎參數監控傳感器的輸出，查找生成火花的合適時間。

　　燃油控制

　　化油器已經有100多年的演進歷史，因此大部分小引擎制造商不愿意替換成相對較新的開發產品--噴油器。小型引擎的目前趨勢是采用被稱作“電子化油器”的混合方式。它省去了傳統化油器的幾個純機械部件，這種化油器具有電子控制的電磁線圈或電機。與從磁電機轉換到火花圈和微機點火控制不同，從化油器轉換到噴油器簡化了燃油系統很多方面的設計。噴油器不是依靠引擎真空為汽缸提供油氣混合物，而是依靠來自泵的燃油壓力，通過電磁閥控制的噴油器將燃油霧化。通過按脈沖分配燃油并且由微機控制，這樣可以更準確地控制燃油數量，優化燃油交付時間，以提高燃燒過程的效率。此外，它允許微機根據氧氣和其他引擎參數傳感器的反饋信息，調整燃油/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（MCU）和實施引擎控制策略所需的全部模數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，它可以輕松處理規定的算術和邏輯功能。由于MCU輸出的電壓/電流驅動限制和輸入的敏感度問題，在引擎的各種傳感器、機電致動器和MCU的I/O引腳之間接口上，必須提供模擬電路。此外，MCU電源調節和規定的復位信號也需要模擬電路。

　　小引擎ECU設計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。對于大型摩托車或工業發生器這當然不是問題，但對于小型手持電動工具，如除草機和葉式鼓風機，ECU的大小和重量是整個工具的一部分。為了減少尺寸和重量，必須將ECU各種部件的數量降到最低。由于ECU的數字部件--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

　　飛思卡爾半導體針對這一目標最近推出一款ASSP(首個具體應用標準產品)IC，以便把小引擎的多個模擬功能集成到一個芯片上。該IC的零件號為MCZ33812，主要針對小型單缸或雙缸引擎。它集成了單個IC、MCU電源穩壓器，復位和看門狗功能，用于診斷通信的串行IS09141接口，一個點火預驅動裝置，一個噴油器驅動裝置，可用來驅動繼電器或備用噴油器的兩個低邊驅動裝置，以及一個顯示功能異常的指示燈。它是一個非常基本的功能集，但正是由于這個原因，它可以用于大批量生產的單缸小引擎ECU。

　　圖2 MCZ33812框圖