羅 超，樊 偉

(云南省電子信息高級技工學(xué)校，昆明 650225)

基于單片機(jī)的雙燃料汽化器微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 超，樊 偉

(云南省電子信息高級技工學(xué)校，昆明 650225)

汽油發(fā)動機(jī)雙燃料汽化器采用乙醇和汽油分開放置的燃料儲存方式，避免了乙醇汽油存在的諸多弊端，在此，設(shè)計(jì)了以AT89S52單片機(jī)為核心的雙燃料汽化器的微機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙燃料汽化器的按鍵顯示、缺液檢測及報(bào)警、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量及計(jì)算、乙醇泵堵轉(zhuǎn)檢測及保護(hù)、乙醇量噴射控制、液壓缸液壓桿限位檢測及保護(hù)等功能，同時，能實(shí)時采集汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，通過預(yù)置的軟件對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，精確計(jì)算出乙醇單次噴射時間和噴射頻率，從而準(zhǔn)確控制乙醇與空氣、汽油的按配比混合摻燒，提高了汽油的燃燒效率，降低了油耗，減少了有害物質(zhì)的排放，達(dá)到了節(jié)能減排的目的;實(shí)際應(yīng)用中，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性能良好，控制準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

單片機(jī);雙燃料汽化器;控制系統(tǒng);乙醇燃料;發(fā)動機(jī);高壓脈沖點(diǎn)火信號

0 引言

乙醇是一種極具潛力的可再生替代能源，乙醇的辛烷值高，沒有毒性，在汽油機(jī)上摻燒少量乙醇燃料，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)不需要變動[1-2]。使用乙醇混合燃料的發(fā)動機(jī)，在其經(jīng)濟(jì)性、熱效率、排放及催化轉(zhuǎn)化等方面具有優(yōu)勢的研究，多篇論文均有提及[3]。國內(nèi)大量研究結(jié)果表明，乙醇具有親水特性，當(dāng)乙醇汽油吸水量過大或溫度降低時，會導(dǎo)致分層，即發(fā)生相分離，造成發(fā)動機(jī)啟動困難、降低輸出功率，甚至造成發(fā)動機(jī)損壞等問題[4-5]。云南維康環(huán)?？萍加邢薰鹃_發(fā)、設(shè)計(jì)的醇醚類“雙燃料汽化器”采用乙醇與汽油分開放置的燃料儲存方式，避免了當(dāng)乙醇汽油含水量超標(biāo)后，容易發(fā)生相分離，產(chǎn)生諸如冷車難以啟動、燃料分層造成動力不足等弊端。在此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該“雙燃料汽化器”的微機(jī)控制系統(tǒng)，通過該微機(jī)控制系統(tǒng)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了將一定配比的乙醇燃料經(jīng)過汽化后供入汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣氣管，與空氣混合后，進(jìn)入氣缸，與霧化后的汽油混合摻燒，提高了汽油的燃燒效率，降低了油耗，減少有害物質(zhì)的排放，實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)能減排效果良好。

1 雙燃料汽化器的組成和原理

雙燃料汽化器的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，各部件之間采用耐乙醇腐蝕的膠管連接。乙醇儲存箱用于儲存乙醇燃料，實(shí)現(xiàn)乙醇與汽油的分置儲存，避免了乙醇汽油易相分離的問題；乙醇泵用于將乙醇儲存箱中的乙醇燃料泵入液壓缸，實(shí)現(xiàn)乙醇燃料的供應(yīng)；乙醇過濾器用于過濾液態(tài)乙醇燃料中的各種雜質(zhì)和微粒，純凈乙醇燃料；液壓缸用于向噴醇器供應(yīng)乙醇燃料并保持乙醇燃料管道壓力的恒定，以保證噴醇器噴嘴打開噴醇時，乙醇燃料的單次噴射量只取決于噴射時間；噴醇器用于在微機(jī)控制系統(tǒng)的控制下，在液壓缸恒定壓力的作用下，根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等工況，將經(jīng)過過濾的乙醇燃料按一定配比噴入蒸發(fā)器；蒸發(fā)器用于將噴醇器噴入的配比乙醇燃料汽化為乙醇?xì)怏w；電磁閥門用于控制向汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣氣管供應(yīng)乙醇?xì)怏w。

圖1 雙燃料汽化器的組成結(jié)構(gòu)示意圖

雙燃料汽化器根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等工況，通過微機(jī)控制系統(tǒng)的精確控制，將一定配比的液體乙醇燃料汽化為乙醇?xì)怏w并進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣氣管，在進(jìn)氣氣管中與空氣混合，經(jīng)節(jié)氣門后進(jìn)入汽車發(fā)動機(jī)氣缸，在氣缸中(缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī))，兩種混合氣體與霧化后的汽油再次混合，形成汽油、空氣、醇?xì)獾幕旌蠚怏w，在高壓火花塞的點(diǎn)火下，乙醇?xì)怏w與空氣、汽油按一定配比混合摻燒，提高了汽油燃燒效率，降低了油耗，減少了有害物質(zhì)的排放，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

2 微機(jī)控制系統(tǒng)的原理及構(gòu)成

雙燃料汽化器的微機(jī)控制系統(tǒng)是整個雙燃料汽化器的控制中心，與汽車ECU協(xié)調(diào)配合工作，該系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為核心，開環(huán)實(shí)時控制，實(shí)時跟蹤汽油發(fā)動機(jī)高壓點(diǎn)火信號，通過對高壓點(diǎn)火信號的監(jiān)測，完成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時測量，之后根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等工況，實(shí)時計(jì)算乙醇燃料的噴射頻率和單次噴射時間等參數(shù)，控制噴醇器精確噴醇，以達(dá)到乙醇燃料的配比摻燒，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

實(shí)際應(yīng)用中，由于乙醇?xì)怏w在發(fā)動機(jī)熄火后在噴醇器之后的燃料管道中存在醇?xì)鉁艉屠鄯e，當(dāng)發(fā)動機(jī)再次啟動(冷啟動、熱啟動)時，會造成打火困難等情況出現(xiàn)，為此，雙燃料汽化器微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了休眠功能，即汽車發(fā)動機(jī)啟動或低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，雙燃料汽化器處于休眠狀態(tài)，只有當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，雙燃料汽化器才啟動并配合汽車ECU工作，向發(fā)動機(jī)供應(yīng)醇?xì)狻?/p>

雙燃料汽化器的微機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、信息儲存模塊、電源模塊、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊、噴醇控制模塊、乙醇燃料缺液報(bào)警模塊、乙醇燃料供應(yīng)模塊、乙醇泵的堵轉(zhuǎn)檢測和保護(hù)模塊、液壓缸液壓桿限位檢測及控制模塊等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。單片機(jī)模塊是整個控制系統(tǒng)的控制中心，采用AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，完成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量計(jì)算、噴醇頻率和單次噴醇時間計(jì)算、參數(shù)設(shè)置顯示、缺液報(bào)警、噴醇控制等功能；顯示模塊主要完成汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、噴醇頻率、噴醇時間及參數(shù)設(shè)置等相關(guān)參數(shù)的顯示；按鍵模塊是人機(jī)交互模塊，主要完成系統(tǒng)各種參數(shù)的設(shè)置，如根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)排量的不同，設(shè)置不同基準(zhǔn)的噴醇頻率和單次噴醇時間；測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時，設(shè)置發(fā)動機(jī)缸數(shù)和行程數(shù)等；電源模塊從汽車蓄電池取電后，經(jīng)濾波、穩(wěn)壓處理后供給微機(jī)控制系統(tǒng)和傳感器工作；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速檢測模塊通過探測汽車發(fā)動機(jī)高壓點(diǎn)火信號，經(jīng)濾波、整形后送到單片機(jī)模塊，完成汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時測量；噴醇控制模塊根據(jù)微機(jī)控制系統(tǒng)精確計(jì)算的單次噴醇時間和噴醇頻率，完成單片機(jī)噴醇控制信號的放大及噴醇器噴嘴的控制；乙醇燃料缺液報(bào)警模塊用于乙醇儲存箱乙醇燃料缺液的檢測，當(dāng)乙醇燃料液位降低到一定限度時，向單片機(jī)模塊發(fā)出缺液信號，單片機(jī)模塊控制系統(tǒng)停止工作并發(fā)出聲音報(bào)警；乙醇燃料供應(yīng)模塊根據(jù)液壓缸內(nèi)乙醇燃料的儲存情況，向液壓缸供應(yīng)乙醇燃料，保證液壓缸內(nèi)乙醇燃料的壓力恒定；乙醇泵堵轉(zhuǎn)和保護(hù)模塊用于檢測乙醇泵是否堵轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測到乙醇泵堵轉(zhuǎn)時，向單片機(jī)模塊發(fā)出乙醇泵堵轉(zhuǎn)信號，控制系統(tǒng)停止系統(tǒng)工作并發(fā)出聲音報(bào)警；液壓缸液壓桿限位控制模塊，主要用于檢測液壓缸液壓桿動作行程，當(dāng)液壓桿超越行程限位工作時，向單片機(jī)模塊發(fā)出超程限位信號，控制系統(tǒng)停止系統(tǒng)工作并聲音報(bào)警。

圖2 微機(jī)控制系統(tǒng)組成

3 主要硬軟件模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路及實(shí)現(xiàn)原理

對于汽油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速測量，多篇論文提及采用感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)高壓點(diǎn)火線的電磁脈沖信號來測量發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速[6-9]。由汽油機(jī)原理知，發(fā)動機(jī)的高壓點(diǎn)火脈沖與其轉(zhuǎn)速有一定的關(guān)系[8]，如六缸四沖程汽油機(jī)的高壓點(diǎn)火脈沖與其轉(zhuǎn)速之比為3：1，即6個缸依次點(diǎn)火1次，發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)2圈。當(dāng)汽油發(fā)動機(jī)工作時，高壓線(點(diǎn)火線)產(chǎn)生的脈沖信號磁場將輻射到周圍空間[6]，為此，使用專制的感應(yīng)式高壓點(diǎn)火脈沖信號探頭，將發(fā)動機(jī)工作時高壓線的點(diǎn)火脈沖磁場感應(yīng)并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)濾波、比較整形后送入單片機(jī)的P3.5/T1引腳中斷計(jì)數(shù)處理，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速測量。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路由發(fā)動機(jī)高壓點(diǎn)火信號探頭、濾波電路、比較整形電路等組成，轉(zhuǎn)速測量電路見圖3。圖3中，高壓點(diǎn)火探頭用于探測發(fā)動機(jī)高壓點(diǎn)火信號向四周空間釋放的電磁脈沖信號并轉(zhuǎn)換為電信號，1N5819用于將感應(yīng)得到的電信號中的反向干擾信號濾除，之后經(jīng)LM339四高精度電壓比較器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器濾除干擾信號并整形后得到方波信號，該方波信號再次經(jīng)LM339構(gòu)成的電壓比較器檢測，得到幅值約為5 V的方波信號，送入到單片機(jī)的P3.5/T1進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。

圖3 發(fā)動機(jī)高壓點(diǎn)火信號檢測、濾波及整形電路

數(shù)字轉(zhuǎn)速測量法主要有兩種：測頻法和測周法[10]。本文主要采用測頻法測量發(fā)動機(jī)的高壓線點(diǎn)火脈沖信號以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，即在一定時間間隔t內(nèi)，計(jì)數(shù)被測信號的重復(fù)變化次數(shù)N[11]，則被測信號的頻率fx=N/t。具體實(shí)現(xiàn)為：利用單片機(jī)的定時/計(jì)數(shù)器0和定時/計(jì)數(shù)器1實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量，時間間隔為1 s。定時/計(jì)數(shù)器T1工作于16位計(jì)數(shù)狀態(tài)，用于計(jì)數(shù)經(jīng)整形的發(fā)動機(jī)某一缸高壓點(diǎn)火脈沖信號。定時/計(jì)數(shù)器T0工作于16位定時狀態(tài)，每1 ms中斷一次，當(dāng)中斷1 000次，定時時間t=1 000*1 ms=1 s時，讀取一次定時/計(jì)數(shù)器T1的計(jì)數(shù)值 ，即TH1和TL1的當(dāng)前值，則發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=(TH1*256+TL1)*60*2(以四缸四沖程發(fā)動機(jī)為例)。

3.2 噴醇控制電路及噴醇控制

3.2.1 噴醇控制電路

噴醇控制電路如圖4所示，單片機(jī)I/O口輸出的噴醇控制信號控制三極管Q6的飽和導(dǎo)通和截止關(guān)斷，通過三極管的集電極控制繼電器J1的線圈通電或斷電，最終通過繼電器的常開觸頭控制噴醇器線圈的通電或斷電，從而實(shí)現(xiàn)噴醇器噴嘴的打開或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)噴醇控制。

圖4 噴醇控制電路

3.2.2 噴醇頻率和噴醇時間控制

乙醇燃料的供應(yīng)量取決于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，乙醇供應(yīng)量越大,噴醇器的噴射頻率越高。乙醇供應(yīng)量主要由噴醇頻率和單次噴醇量控制。本系統(tǒng)中，噴醇頻率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增減而隨動，隨動機(jī)理由于涉及公司內(nèi)部密秘，在此不作詳述。對于單次噴醇量，主要取決于乙醇燃料供應(yīng)管道壓力、噴醇器噴嘴孔大小和單次噴醇時間等三個因素，本系統(tǒng)中，由于乙醇燃料供應(yīng)管道壓力基本恒定不變，同一批次噴醇器噴嘴孔大小也恒定不變，噴醇量只取決于單次噴醇時間。不同排量車型，單次噴醇時間不同，即噴醇脈寬信號不同。不同排量車型，一旦設(shè)定單次噴醇時間，則系統(tǒng)工作時始終保持不變。

噴醇脈寬信號具體實(shí)現(xiàn)為：使用AT89S52單片機(jī)的定時/計(jì)數(shù)器T2，使其工作于自動重裝載的定時狀態(tài)，每間隔1ms中斷一次，根據(jù)控制系統(tǒng)軟件實(shí)時計(jì)算得到的噴醇頻率及噴醇信號脈寬時間，計(jì)算中斷的次數(shù)，從而實(shí)時輸出不同頻率、不同脈寬的PWM信號，以實(shí)現(xiàn)單次噴醇時間控制。噴醇PWM信號產(chǎn)生中斷程序如下，軟件流程如圖5所示。

void T2_PWM() interrupt 5

{

TF2=0;

if(++xhmkjs xhmk) //噴醇脈寬控制，xhmk為噴醇時間

outXH=0; //噴醇控制繼電器線圈得電，噴醇器打開，噴射乙醇

else if(xhmkjs xhzq) //xhzq為噴醇信號的周期

{

outXH=1; //噴醇控制繼電器線圈得電，噴醇器關(guān)閉，不噴射乙醇

xhmkjs=0;

}

}

圖5 乙醇噴射控制軟件流程圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是嵌入式系統(tǒng)的核心，雙燃料汽化器微機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用循環(huán)輪詢[12]，具有兩級中斷優(yōu)先級的前、后臺運(yùn)行程序架構(gòu)，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)和模塊化編程實(shí)現(xiàn)。中斷程序?yàn)榍芭_程序，具有高低兩級優(yōu)先級，主程序?yàn)楹笈_程序，兩者的調(diào)度原則為：在后臺程序運(yùn)行期間，有中斷則進(jìn)入中斷程序，運(yùn)行前臺程序，前臺程序運(yùn)行完后返回后臺程序繼續(xù)執(zhí)行，依次類推。當(dāng)有兩個不同中斷優(yōu)先級的中斷源同時發(fā)出中斷請求時，按中斷優(yōu)先級嵌套原則響應(yīng)中斷，執(zhí)行前臺程序；當(dāng)有兩個及以上中斷優(yōu)先級相同的中斷源同時發(fā)出中斷請求時，按MCS-51單片機(jī)的中斷源掃描先后順序響應(yīng)中斷，執(zhí)行前臺程序。

前臺程序主要涉及單片機(jī)外部中斷INT0、定時/計(jì)數(shù)器T0、定時/計(jì)數(shù)器T1、定時/計(jì)數(shù)器T2。外部中斷INT0工作于低優(yōu)先級，用于掃描按鍵，當(dāng)有按鍵按下時，經(jīng)過按鍵識別并作相應(yīng)鍵值處理，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等；定時/計(jì)數(shù)器T0中斷工作于低優(yōu)先級，用于每間隔1 ms實(shí)現(xiàn)4位一體數(shù)碼管的動態(tài)掃描顯示、發(fā)動機(jī)高壓點(diǎn)火脈沖信號測頻法時間間隔1 s定時等；定時/計(jì)數(shù)器T1中斷工作于高優(yōu)先級，用于高速計(jì)數(shù)發(fā)動機(jī)的高壓點(diǎn)火脈沖信號，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速測量；定時/計(jì)數(shù)器T2中斷工作于高優(yōu)先級，用于產(chǎn)生噴醇脈寬控制信號。

主程序，即后臺程序主要完成看門狗復(fù)位、各種顯示參數(shù)的BCD碼變換、噴醇頻率計(jì)算、缺液檢測報(bào)警、乙醇泵堵轉(zhuǎn)保護(hù)、液壓缸液壓桿限位檢驗(yàn)及保護(hù)、參數(shù)設(shè)置和存儲、乙醇燃料供應(yīng)控制等功能。

5 結(jié)束語

汽油發(fā)動機(jī)“雙燃料汽化器” 微機(jī)控制系統(tǒng)能根據(jù)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化等情況，精確計(jì)算乙醇燃料的噴射頻率和噴射時間，實(shí)現(xiàn)了乙醇、空氣和汽油三種混合氣體在發(fā)動機(jī)氣缸中的按一定配比摻燒，在汽車獲得相同動力的情況下，提高了汽油燃燒效率，降低了汽油消耗，減少了有害物質(zhì)的排放，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。當(dāng)前，該控制系統(tǒng)試運(yùn)行在云南維康環(huán)保科技有限公司節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品——“醇醚類”雙燃料汽化器(專利號：200920111781.6)上。經(jīng)多輛不同品牌、不同排量轎車試驗(yàn)運(yùn)行，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性能良好，控制準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Design of Control System for Dual Fuel Carburetor Based on MCU

Luo Chao，F(xiàn)an Wei

(Yunnan College of High Skilled worker of Electronic Information, Kunming 650225,China)

Dual fuel carburetor gasoline engine using ethanol and gasoline separated fuel storage, avoid many drawbacks, existing in ethanol gasoline, dual fuel carburetor design computer using AT89S52 microcontroller as the core of the control system, the control system of dual fuel carburetor key display, detection and alarm, lack of liquid, the engine speed measurement and calculation, ethanol pump stall detection and protection, the amount of ethanol injection control, hydraulic cylinder hydraulic rod limit detection and protection functions, at the same time, can real-time acquisition of automobile engine speed signal, through the preset software to analyze the engine speed, accurately calculate the single ethanol injection time and injection frequency. In order to accurately control the air, ethanol and gasoline according to the ratio of mixed burning, improving the combustion efficiency of gasoline, reducing fuel consumption, reduce The emission of harmful substances to achieve the purpose of energy saving and emission reduction. In practical application, the control system runs stably and has good anti-jamming performance and accurate control.

microcomputer; dual fuel carburetor; control system; ethanol fuel; engine; high voltage pulse ignition signal

2017-05-11；

2017-05-23。

羅 超(1979-)，男，云南宣威人，研究生，高級講師，主要從事電氣自動化、嵌入式控制方向的研究。

1671-4598(2017)12-0076-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.020

TP23

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