基于AVR的柴油機預加熱控制系統的設計

摘 要：介紹了AVR芯片ATmega8在汽車預加熱控制系統中的應用。分析了汽車預加熱的工作原理，在對系統整體設計作分析的基礎上，著重介紹了預加熱系統的硬件組成、結構特點和各模塊的作用以及預加熱器的進風階段、給油階段、點火階段與工作階段的過程控制，最后介紹了預加熱器的優缺點。

關鍵詞：汽車 預加熱器 控制系統

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（a）-0092-01

作為一種全新的汽車輔助供暖系統——駐車加熱裝置，正逐漸走入越來越多人的生活。在冬季的啟車過程中一般需要在發動機點火后使其空轉一段時間，待水溫升至一定溫度后再進行駕駛。該方式缺點主要集中在如下幾個方面：首先，冷啟動是否成功；其次，即使發動機點火成功，但為迅速提高冷卻液的水溫將不得不使用發動機空轉的方式來達到目的，這將對發動機造成巨大的傷害[1]。本文介紹了一種基于AVR單片機的汽車預加熱控制系統的設計與應用，這種預加熱裝置在寒冷的冬季它可在乘客沒有進入車內之前就向乘客艙及發動機艙提供供暖，在提供溫暖、舒適的駕乘環境的同時，徹底解決車輛冬季冷啟動的問題。

1 預加熱器工作原理

預加熱結構包括水泵、風機、油泵、散熱器、燃燒室、排氣管和點火器等組成。預加熱過程主要分為進氣階段、噴油階段、點火階段和工作階段四個工作步驟。進氣階段是外部空氣進入預加熱裝置的燃燒室內，為預加熱過程的點火階段提供充足的氧氣。噴油階段指燃油泵從油箱中將燃油吸出，通過一段油管將燃油輸送進燃燒室，燃油氣與助燃空氣充分混合后由點火器引燃。系統中的油泵為間歇式擠壓泵，當需要抽取燃油時油泵以往復擠壓的形式向加熱器內部供油，該方式既可保證系統燃油的供應也可起到節油的目的。工作階段指預加熱裝置利用其內部的水泵將發動機的冷卻液吸入其本體內部的水套中，當冷卻液流經熱交換室的梳狀換熱片時進行熱量交換，發動機冷卻液被加熱器管路送入空調暖風散熱器中，在鼓風機的作用下達到對乘客艙供暖的目的。

2 控制系統設計

汽車預加熱裝置的控制系統采用模塊化結構，主要由主控制器模塊、傳感單元、風機控制模塊、油泵控制模塊、水泵控制模塊和電源模塊6個部分組成。

2.1 核心控制器

考慮到控制系統模塊的體積和成本，本控制系統的核心控制器采用AVR系列ATmega8單片機。AVR采用了Harvard結構，具有獨立的數據和程序總線，可以獲得較高的性能以及并行性。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。CPU在執行一條指令的同時讀取下一條指令。ATmega8是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega8的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.2 傳感單元

模擬量采集主要是采集剛體溫度、燃燒室溫度以及水泵溫度。剛體溫度傳感器用來檢測剛體出水口的溫度，并實時檢測預加熱過程的剛體溫度變化，其傳感單元采用高精度的熱敏電阻。水泵溫度傳感器用來檢測水泵入口的水溫，并實時檢測預加熱過程的水溫，它們均采用高精度的熱敏電阻作為傳感元件。燃燒室溫度傳感器用來檢測燃燒室的溫度，并實時檢測燃燒室的溫度，通過判斷燃燒室的溫度變化來檢測系統的點火成功與否，燃燒室的溫度傳感單元選擇要求其耐熱溫度至少為1500 ℃。

2.3 電源

單片機采用5 V電源供電，但是汽車預加熱系統的外部供電電源根據汽車的型號不同而不同，一般有24 V、16 V、12 V等。本文設計的預加熱系統主要安裝在柴油機上，它的外部供電電源為24 V，因此本文選用LM2576作為電源調整模塊。

2.4 電機驅動

控制分為脈沖寬度調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）與脈沖寬度頻率調制（PWM—PFM）三種。PWM控制是指脈沖頻率固定、脈寬可調的控制方法，脈沖寬度調制控制是利用微處理器的數字輸出來對電機進行控制的一種非常有效的技術，它是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。脈沖頻率調制控制是指調制信號的占空比不變，頻率變化的方法。PWM是利用波脈沖寬度控制輸出，PFM是利用脈沖的有無控制輸出。PWM優點是噪聲低、滿負載時效率高且能工作在連續導通模式。PFM具有靜態功耗小的優點，但它沒有限流的功能也不能工作于連續導通方式。PWM-PFM兼有PWM和PFM的優點。

3 加熱器的過程控制

在汽車預加熱裝置的過程控制中主要分為進氣階段、噴油階段、點火階段和工作階段。這幾個階段主要考慮的是油泵的泵油速度、風機的給風速度，如果油泵的泵油速度超過匹配的給風速度，就會導致泵油量過大，燃油沒有充分燃燒就排入空氣，從而造成環境污染、浪費能源等問題；若給風速度過大就會增加燃油熄火的可能性，也會導致燃油不能充分燃燒就排入空氣的現象。

進氣階段只有風機在工作，轉速為6000轉/分，持續時間為12 s。然后改變PWM脈寬對風機調速，降低其轉速，啟動電熱塞，電熱塞預熱，經過40 s后，油泵快速泵油進入噴油階段，油泵以120 次/分的速度進油，噴油階段與點火階段沒有明顯的界限，根據燃燒室溫度與剛體溫度判斷此時點火成功與否，如果點火成功則關閉電熱塞，開啟水泵。當水溫達到78℃時，根據水溫與燃燒室溫度反饋降低風機轉速與油泵的泵油頻率，直到水溫達到82℃時調整風機轉速與油泵的泵油頻率使水溫保持不變，打開暖風。

4 結語

綜上所述汽車預加熱系統作為一種新興的輔助供暖裝置在冬季冷啟動及預熱駕駛艙方面有其突出的優勢和特點，當然也存在著一些不足。

優點：有效提升整車的冷啟動性能。在乘客進入駕駛艙前為其提供舒適的環境。對發動機提供有效的保護。可使用多種控制方式，包括遠程及手動等多種方式。

缺點：成本高，不利于全面普及。增加燃油消耗。需對較多零部件進行設計更改，如油箱蓋、整車線束、冷卻循環系統等。

參考文獻

[1] 田鈞，趙南.汽車預加熱系統結構分析及工作原理簡介.中國科技信息，2006（24）：74-75.

[2] ATmega8.原理及應用手冊[M].清華大學出版社，2003.