第一章 簡介
1.2 內容大綱
本論文內容可分為，第一章為簡介。第二章說明了SAAB 900SE 引擎噴油嘴 的基本操作流程。第三章的主題是在討論SAAB 900SE 中的汽車引擎電腦中的封 包值檢測程序(Checksum Routine)。第四章與第五章分別是說明在程式中找到的 汽車引擎供油控制曲線(Fuel Control Matrices)以及程式資料修改的實驗驗證過 程與結果。第六章則是補充了在這項研究中有找出其他的控制曲線，未來的研究 目標就是確定這些曲線的意義並修改以獲得更優異的引擎效能。最後在第七章對 本研究做結論。
第二章
噴油嘴的基本控制
本章將針對噴油嘴的基本機構及其與引擎電腦中央處理單元的連接與控制 模式作詳細的說明，其中控制模式可分為兩種完全不同的時序操作方式。
2.1 燃油噴射相關機制 2.1.1 噴油嘴(Injector)
圖2-1 噴油嘴外觀示意圖
如上圖2-1所示[1]，每一個噴油嘴有四個如針孔大小般的燃油噴射孔，以確 保噴射出的燃油均勻分布在進氣岐管中。如此才能夠獲得最佳的燃燒效率，同時 降低廢氣污染程度。噴油嘴開啟是由磁化線圈控制，當電流通過時產生電磁感應 而打開噴油嘴；電流消失後，噴油嘴立刻由一種彈簧機構使其回到關閉的狀態。
為了使所有噴油嘴所噴出的燃油注(fuel jets)能夠正確注入對應的進氣閥 中，因此與噴油嘴的安裝位置有重要的關聯。噴油嘴是成對的安裝在兩兩汽缸之 間的位置，第一與第二汽缸之間以及第三與第四汽缸之間的位置都各安裝了兩個 噴油嘴。
所有燃油注的量(供油量)是經過精確設定的，而每個噴油嘴噴出四個燃油注 平均分配在每個進氣閥中，所以每一個進氣閥都獲得四個燃油注。舉例來說，第 一與第二汽缸之間有兩個噴油嘴分別為噴油嘴1與噴油嘴2，噴油嘴1所噴射的四 個燃油注有兩個進入進氣閥1有兩個進入進氣閥2，噴油嘴2也是相同情況。
2.1.2 預先燃油噴射(Pre-injection)
圖2-2 預先燃油噴射流程示意圖
如上圖2-2所示[1]當汽車總開關轉至啟動引擎(engine start)位置時汽車引擎 電腦隨即將點火系統打開，同時在汽車上的主繼電器與燃油幫浦繼電器立即運作 數秒的時間。當燃油幫浦將燃油壓力上升直到足夠在噴油嘴噴出所需的燃油注 時，汽車引擎電腦會依據引擎冷卻劑溫度決定供油量，並透過四個噴油噴出引擎 啟動時所需的油量。
若引擎未能啟動，而預先燃油噴射程序將封鎖十五分鐘。若引擎啟動後隨即 在短時間內又關閉引擎，在關閉汽車總開關後，汽車引擎電腦將等待至少四十五 秒後執行另一種預先點火的程序。
2.1.3 計算燃油噴射時間
下頁圖 2-3 所示為燃油噴射時間的計算流程[1]，其中包含進氣岐管絕對壓 力、進氣溫度與廢氣含氧量等感知器信號，利用這些外界環境參數以獲得正確的 供油量以及提高燃油的燃燒效率。
汽車總開關
汽車引擎電腦
噴油嘴預先燃油噴
圖2-3 計算燃油噴射時間流程示意圖
如上圖2-3所示，汽車引擎電腦必須計算出每一汽缸所吸入空氣的質量，引 此才能決定每一個進氣岐管所需的正確供油量。汽車引擎電腦計算空氣質量的方 法與依據如以下說明：本論文所研究的車款SAAB 900SE所搭配的引擎是排氣量 (displacement)為2.0L四汽缸渦輪引擎，所以平均每一汽缸的容積為0.5L。體積為 0.5L的空氣在特定的密度中有固定的質量，因此利用進氣岐管中的溫度與壓力即 可計算出此時空氣的密度。汽車引擎電腦會依據計算所得的空氣質量決定所需的 供油量同時控制噴油嘴開啟的時間長短，直到正確的油量噴入進氣岐管中再關閉 噴油嘴。對於控制噴油嘴開啟的時間長短，汽車引擎電腦也會依去排氣含氧量作 修正，以降地廢氣污染並提升引擎效率。
當節流閥打開(汽車駕駛者踩下油門)時，汽車引擎電腦提供較濃的混合油氣 以產生更大的動力使汽車達到加速效果；相反的當汽車需要減速時，此時汽車引 擎電腦所提供的混合油氣相對的較稀薄。當外界氣溫較低，汽車引擎在暖機 (warm-up)的過程中，汽車引擎電腦此時依據引擎冷卻劑溫度來決定供油量。
當汽車引擎已完成暖機程序且車用電瓶在擁有正常的電壓狀態下，燃油噴射 時間的變動範圍約在2.5ms(引擎怠速狀態)到18ms(全油門狀態)之間。
2.1.4 斷油(Fuel shut-off)
下頁圖2-4 即為汽車引擎電腦發出斷油程序的流程[1]。
進氣岐管絕對壓力
排氣含氧量
汽車引擎電腦
噴油嘴供油
進氣溫度
圖2-4 斷油程序的流程示意圖
斷油，即所為停止供油，如上圖2-4 所示當引擎轉速超過 1800rpm 時，若變 速箱(在此指手排變速箱)的檔位是在中高檔位(第三，第四，第五檔位) 同時節 流閥完全關閉(節流閥與油門踏板互相連接，當節流閥完全關閉時意指汽車駕駛 人將油門完全放開)，汽車引擎電腦在大約一秒的延遲時間後停止供油。在搭配 自動變速箱的車款中，汽車引擎電腦在所有檔位都能發出斷油程序。當引擎轉速 持續下降低於 1400rpm 時，汽車引擎電腦才會回復供油動作。為了保護汽車引 擎本體，當引擎轉速超過 6200rpm 時汽車引擎電腦會強制停止供油，因此引擎 轉速就會自動下降，利用此方式將轉速控制在 6200rpm 以下，以達到保護汽車 引擎本體的效果。
2.2 噴油嘴控制模式
汽車引擎電腦對於本論文所研究的汽車車款(SAAB 900SE)的引擎噴油嘴控 制程序是透過引擎電腦內部的微控制器(Microcontroller Motorola MC68332)中 的中央處理單元(CPU)與微控制器內建的時序處理單元(Time Processor Unit 簡 稱TPU)模組搭配來執行，主要是以掌控噴油嘴開啟的時間長短的方式來控制噴 油量。
時序處理單元(Time Processor Unit)是專為作時序控制(Timing Control)而設 計且具半自主特性的智慧型控制模組[5][6]，可以與中央處理單元同時運作互不 干涉並且存取共同的參數資料。時序處理單元亦可視為具特殊用途的微運算器，
執行匹配與紀錄的程序。時序處理單元中共有十六個通道(Channel)，是主要的
節流閥完全關閉 噴油嘴停止供油
變速箱檔位 引擎轉速
元的輸出動作並且在需要改變時產生信號通知時序處理單元。在本論文所研究的 汽車引擎噴油嘴(Injector)與 TPU Channel (簡稱 TPUCH)之間的電路如下圖 2-5 所示：
圖2-5 噴油嘴與時序處理單元通道之間電路示意圖
由上圖2-5 電路可知，在 TPUCH 端輸入正脈衝方波時，電晶體會因閘極電 壓升高而打開。此時噴油嘴(Injector)端接收到負脈衝方波訊號而接地，同時產 生電流流經噴油嘴內部的磁化線圈產生電磁感應使噴油嘴打開。正負兩脈衝方波 的持續時間(duration)相同，所以汽車引擎電腦則是控制 TPUCH 輸出的正脈衝 方波的持續時間以掌握噴油嘴開啟的時間長短，也同時控制了噴油量。
汽車引擎電腦的中央處理單元與時序處理單元搭配控制噴油嘴的模式有以 下兩種：
A. Output Compare (OC)……輸出比較控制模式[2]，此模式是控制預先燃 油噴射程序，在本章2.3 節作說明。
B. Position-Synchronized Pulse Generator (PSP)……同部位置脈衝產生器 控制模式[4]，此模式是主要的噴油控制模式。
註：PSP 必須伴隨著另一個 TPU Channel 用以擷取曲軸(crankshaft)訊號 做參考以達到最有效的供油控制。而擷取曲軸位置訊號的時序處理單元 輸 入 模 式 為 ：Period Measurement with Missing Transition Detect (PMM)……消失暫態偵測的週期量測模式[3]。在本章 2.4 節先對 PMM 做說明，接著在2.5 節詳細說明 PSP 控制模式。
OC 與 PSP 的輸出信號都是由 TPUCH 輸出，而此輸出信號相當於圖 2-5 的 電路中的脈衝方波。此兩種噴油嘴控制模式都有其各自的參數，而每個參數都是 控制脈衝方波的重要依據。所以汽車引擎電腦的中央處理單元藉由改變這些參數 的數值，進而改變時序處理單元輸出的脈衝方波控制信號持續時間，以掌控噴油 嘴所噴射出的油量。
2.3 Output Compare (OC)……輸出比較控制模式
2.3.1 概論：
Output compare (OC)……輸出比較控制模式[2]，可在所屬的時序處理單元 通道(TPUCH)產生單一暫態輸出、單一脈衝或與另一個TPUCH連結後產生以 50%功率週期(duty cycle)的連續脈衝方波。前兩項功能需要汽車引擎電腦的中央 處理單元做起始狀態的預設動作，第三項功能產生連續方波是不被控制而獨立執 行的。
2.3.2 運作方式：
輸出比較控制模式有兩種操作方式，在論文所研究的汽車引擎電腦應用在 SAAB 900SE 的引擎噴油嘴控制上只用了其中的一種：Host-initiated pulse mode(主控端起始化脈衝方式)。汽車引擎電腦的中央處理單元先預設一個上升 (rising)、下降(falling)或一個預先狀態的觸發(a toggle of the previous state)暫態 給時序處理單元。
在此運作方式(Host-initiated pulse mode)中，相同的參數的條件下可有以下 兩種輸出波形：
A. 選定即時輸出(Immediate Output Selected)，中央處理單元可強制產生一 個即時的脈衝輸出，脈衝時間長短是依據可由程式改變的延遲時間決 定。
B. 非選定即時輸出(Immediate Output Not Selected)，中央處理單元以一個 參考時間點再延遲一段可由程式改變的時間後產生脈衝輸出。
兩者的輸出波形如下圖2-6 所示。
噴油嘴開啟時間
噴油嘴開啟時間
在前頁圖2-6A中，選定即時輸出(Immediate Output Selected)，中央處理單 元選定在REF_ADDR1時間點強制使時序處理單元產生脈衝輸出，脈衝長度持續 時間即為OFFSET，脈衝輸出後回歸穩定狀態。
在上圖2-6B中，非選定即時輸出(Immediate Output Not Selected)，中央處理 單元以REF_ADDR1為參考時間點，再經過OFFSET大小的延遲時間後使時序處
2.3.3.1 OFFSET
由前頁圖2-6可清楚看出OFFSET為脈衝時間長短(圖2-6A)或參考時間點距 脈衝產生點的延遲時間(圖2-6B)，OFFSET的值可透過程式更改。當輸出比較控 制模式的運作方式為Host-initiated pulse mode(主控端起始化脈衝方式)時，
嘴所噴射出的燃油量。輸出比較控制模式主要是控制引擎尚未啟動前的預先燃油 噴射程序，所以OFFSET的數值是中央處理單元依據引擎冷卻劑溫度而決定。
2.3.3.2 REF_ADDR1
REF_ADDR1 是儲存一個記憶體陣列的指標，其所指的記憶體位置中的數值 就是在圖2-6 中所代表的時間點。舉例來說假設 REF_ADDR1 = $3A(其中$3A 為 十六進位數值)，則 REF_ADDR1 所指的位置是就是 TPUCH3(時序處理單元的 第三通道)的參數中之第六個參數(由表2-1 可知)。
REF_ADDR1 是儲存一個記憶體陣列的指標，其所指的記憶體位置中的數值 就是在圖2-6 中所代表的時間點。舉例來說假設 REF_ADDR1 = $3A(其中$3A 為 十六進位數值)，則 REF_ADDR1 所指的位置是就是 TPUCH3(時序處理單元的 第三通道)的參數中之第六個參數(由表2-1 可知)。