李海平

（長安大學(xué) 陜西 西安 710064）

能源危機(jī)是當(dāng)今世界亟待解決的重大問題之一，石油作為一種重要的能源在未來的幾十年內(nèi)可能面臨枯竭。汽車是我國石油消費(fèi)的重要用戶，車用燃料是我國石油消費(fèi)增長的最大驅(qū)動力，用于汽車的石油消耗占到石油總消耗量的50%以上。因此，發(fā)展替代能源是緩解當(dāng)前能源壓力的一種主要途徑[2]。甲醇具有來源豐富、生產(chǎn)成本低廉、辛烷值高等優(yōu)點(diǎn)。它與汽油混合形成的甲醇汽油，可以作為汽車的一種重要替代燃料。但是，高比例甲醇汽油在普通汽油機(jī)上無法直接應(yīng)用，需加裝燃料控制器。

現(xiàn)有的車用甲醇汽油燃料控制器大多采用檔位調(diào)節(jié)模式，只適合幾種固定比例的甲醇汽油燃料，適用范圍小，若更換燃料，需手動調(diào)節(jié)檔位開關(guān)，有些甚至要改變電路，操作較為復(fù)雜且精度比較低；在低溫的環(huán)境下，現(xiàn)有的控制器很難順利控制發(fā)動機(jī)啟動[3]。

為了克服這些不足，更好的實(shí)現(xiàn)甲醇對汽油的靈活替代，本文提出了一種汽車燃料控制方法，其特征在于，該方法是在不改變汽車電腦的前提下對發(fā)動機(jī)燃油噴射量進(jìn)行有效的控制，并加入了溫度采集模塊和反饋控制功能，很好的解決了上述問題[4]。

1 總體設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在對原車ECU噴油脈寬調(diào)整控制過程中，把ECU噴油脈寬信號送到信號采集系統(tǒng)；信號采集系統(tǒng)對信號經(jīng)行濾波處理，再將信號送入MCU信號輸入端，同時(shí)通過溫度傳感器把進(jìn)氣口溫度送入MCU；MCU通過對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口溫度的判斷以及原始ECU頻率的計(jì)算，調(diào)整信號處理參數(shù)，對信號進(jìn)行處理，使其適合當(dāng)前燃料的燃燒特性；信號輸出系統(tǒng)模塊利用MCU的控制信號，啟動發(fā)動機(jī)噴油嘴，以保證發(fā)動機(jī)正常工作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structurediagramofthemethanolgasolinecombustioncontrolsystem

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要由電源穩(wěn)壓電路、模式切換電路、溫度采集電路、濾波整流電路、控制單元、驅(qū)動輸出電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.1 電源穩(wěn)壓電路

車用電源電壓為 12~14 V（VCC12），控制器工作電壓為 5 V（VCC），我們采用三端穩(wěn)壓集成電路 L7809和L7805把12~14 V的車載電源降壓到5 V，為控制器提供工作電壓。電路圖如圖3所示。

圖3 電源穩(wěn)壓電路圖Fig.3 Power voltage stabilizing circuit diagram

2.2 模式切換電路

模式切換電路由一個(gè)船型開關(guān)構(gòu)成，開關(guān)的兩個(gè)狀態(tài)分別對應(yīng)了高比例甲醇汽油和低比例甲醇汽油的燃燒控制功能。當(dāng)甲醇汽油為高比例配比時(shí)，把模式切換開關(guān)撥到高比例檔位，然后啟動發(fā)動機(jī)；當(dāng)甲醇汽油為低比例配比時(shí)，把模式切換開關(guān)撥到低比例檔位，然后啟動發(fā)動機(jī)。這樣的設(shè)計(jì)模式大大縮短了發(fā)動機(jī)在不同比例甲醇汽油的情況下的啟動調(diào)整時(shí)間，是該控制器具有了更加廣泛的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

2.3 溫度采集電路

溫度采集電路由數(shù)字溫度傳感器DS18b20構(gòu)成。該傳感器將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向串行數(shù)據(jù)的信號線，測量范圍在-55～+125℃，測量的精度也小于1℃，完全滿足該控制器在發(fā)動機(jī)各種工況下的溫度采集需求。

將此溫度傳感器置于發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口附近，采集進(jìn)氣口溫度?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前的進(jìn)氣溫度，調(diào)整發(fā)動機(jī)啟動時(shí)控制噴油的脈寬寬度。

2.4 濾波整形電路

濾波整形電路由光耦和外圍電路組成，主要負(fù)責(zé)將原始ECU的噴油脈寬信號耦合成0 V到5 V的單極性信號輸入到控制單元的MCU中。

2.5 控制單元

控制單元采用飛思卡爾MC9S12系列單片機(jī)。該單片機(jī)是16位單片機(jī)，其增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊（ECT）實(shí)在標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器模塊（TIM）的基礎(chǔ)上增加了一些功能而發(fā)展起來的定時(shí)器模塊，ECT特別適合汽車系統(tǒng)的應(yīng)用，目前，已經(jīng)有越來越多的ECU解決商選擇該系列單片機(jī)做為ECU的處理器。此控制器選用飛思卡爾單片機(jī)就是為了更好的與汽車原有電子控制單元兼容[5]。

控制單元電路圖如圖4所示，采用單片機(jī)的輸入捕獲功能和比較輸出功能對汽車原始噴油信號進(jìn)行捕獲，并對其進(jìn)行展寬處理，最終比較輸出處理后的脈沖信號。PJ1口作為I/O口，與溫度傳感器DS18b20的單總線連接，獲取進(jìn)氣口溫度信號，輔助控制單元進(jìn)行信號展寬參數(shù)的調(diào)整。PK0口作為I/O口，獲取模式切換開關(guān)信號，指示控制器在相應(yīng)的工況下正常工作。

圖4 控制單元電路圖Fig.4 Control unit circuit diagra

2.6 驅(qū)動輸出電路

驅(qū)動輸出電路采用場效應(yīng)管IRF530，對控制單元輸出的脈寬信號進(jìn)行放大，使其功率達(dá)到噴油嘴電磁閥的功率，保證噴油嘴電磁閥正常驅(qū)動。該場效應(yīng)管內(nèi)部反接了保護(hù)二極管，對噴油嘴電磁閥高頻開合時(shí)產(chǎn)生的電感電勢具有吸收作用，起到了保護(hù)主控單元單片機(jī)的作用。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

該控制器的軟件采用C語言編程。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic diagram of the software test system

在軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)在發(fā)動機(jī)啟動時(shí)采集進(jìn)氣口溫度傳感器信號和模式切換開關(guān)信號；信號捕捉模塊主要用來實(shí)現(xiàn)對汽車ECU原始噴油脈寬信號的實(shí)時(shí)捕捉功能；冷啟動模塊主要通過發(fā)動機(jī)啟動時(shí)進(jìn)氣口溫度情況，決策啟動方式，保證發(fā)動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下的完美啟動；反饋調(diào)節(jié)模塊主要通過檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速情況，給信號展寬輸出模塊發(fā)送一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，使發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)燃料自適應(yīng)[6-7]啟動；信號展寬輸出模塊主要負(fù)責(zé)展寬ECU原始噴油脈寬信號，并將展寬后的脈沖信號輸出。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

該控制系統(tǒng)用于某型直噴汽車發(fā)動機(jī)測試。在進(jìn)行測試前，首先通過線束接插件將汽車ECU噴油控制信號線連接到控制器接口上，將溫度采集模塊固定到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口，固定控制器，然后給汽車添加M85甲醇汽油燃料[8]。

圖6 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.6 Flow chart the software design

測試時(shí)，首先把控制器的模式切換開關(guān)撥到高比例檔位，然后啟動汽車。更換燃料比例，再次啟動汽車。通過多次不同的環(huán)境溫度和不同比例的燃料測試發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)冷啟動效果良好，控制精確，汽車行駛穩(wěn)定，同時(shí)，大大的節(jié)約了用戶燃料開支。測試結(jié)果如表1所示。

表1 車用甲醇汽油燃燒控制器測試結(jié)果Tab.1 Test result of Methanol Gasoline Combustion Controller

5 結(jié) 論

該控制系統(tǒng)可以很好的使直噴汽車發(fā)動機(jī)適應(yīng)多比例甲醇汽油混合燃料，純甲醇燃料，以及純汽油燃料等多種燃料的燃燒驅(qū)動。解決了這一課題普遍存在的冷啟動困難和多比例自適應(yīng)的難題，真正實(shí)現(xiàn)了甲醇清潔燃料對汽油燃料在汽車發(fā)動機(jī)應(yīng)用上的替代?？刂葡到y(tǒng)采用高性能的飛思卡爾單片機(jī)作為核心處理器，提高了控制精確度和可靠性?？刂破鹘涌诤唵危惭b工藝簡捷，適合普通用戶的自行安裝，并且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。該控制系統(tǒng)已用于多種型號的汽車上，在多種環(huán)境下經(jīng)行了測試，實(shí)際應(yīng)用表明該控制系統(tǒng)具有冷啟動順利、適應(yīng)燃料多樣、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、控制精確、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)約燃料開支、節(jié)能減排等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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