車用甲醇汽油燃燒控制器

李海平

（長安大學 陜西 西安 710064）

能源危機是當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可能面臨枯竭。汽車是我國石油消費的重要用戶，車用燃料是我國石油消費增長的最大驅動力，用于汽車的石油消耗占到石油總消耗量的50%以上。因此，發展替代能源是緩解當前能源壓力的一種主要途徑[2]。甲醇具有來源豐富、生產成本低廉、辛烷值高等優點。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上無法直接應用，需加裝燃料控制器。

現有的車用甲醇汽油燃料控制器大多采用檔位調節模式，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，需手動調節檔位開關，有些甚至要改變電路，操作較為復雜且精度比較低；在低溫的環境下，現有的控制器很難順利控制發動機啟動[3]。

為了克服這些不足，更好的實現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動機燃油噴射量進行有效的控制，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 總體設計

該控制系統結構圖如圖1所示，在對原車ECU噴油脈寬調整控制過程中，把ECU噴油脈寬信號送到信號采集系統；信號采集系統對信號經行濾波處理，再將信號送入MCU信號輸入端，同時通過溫度傳感器把進氣口溫度送入MCU；MCU通過對發動機進氣口溫度的判斷以及原始ECU頻率的計算，調整信號處理參數，對信號進行處理，使其適合當前燃料的燃燒特性；信號輸出系統模塊利用MCU的控制信號，啟動發動機噴油嘴，以保證發動機正常工作。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structurediagramofthemethanolgasolinecombustioncontrolsystem

2 控制系統硬件設計

控制系統硬件主要由電源穩壓電路、模式切換電路、溫度采集電路、濾波整流電路、控制單元、驅動輸出電路等組成，系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.1 電源穩壓電路

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船型開關構成，開關的兩個狀態分別對應了高比例甲醇汽油和低比例甲醇汽油的燃燒控制功能。當甲醇汽油為高比例配比時，把模式切換開關撥到高比例檔位，然后啟動發動機；當甲醇汽油為低比例配比時，把模式切換開關撥到低比例檔位，然后啟動發動機。這樣的設計模式大大縮短了發動機在不同比例甲醇汽油的情況下的啟動調整時間，是該控制器具有了更加廣泛的適應性和穩定性。

2.3 溫度采集電路

溫度采集電路由數字溫度傳感器DS18b20構成。該傳感器將地址線、數據線和控制線合為一根雙向串行數據的信號線，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動機各種工況下的溫度采集需求。

將此溫度傳感器置于發動機的進氣口附近，采集進氣口溫度。控制器根據當前的進氣溫度，調整發動機啟動時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，主要負責將原始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。該單片機是16位單片機，其增強型捕捉定時器模塊（ECT）實在標準定時器模塊（TIM）的基礎上增加了一些功能而發展起來的定時器模塊，ECT特別適合汽車系統的應用，目前，已經有越來越多的ECU解決商選擇該系列單片機做為ECU的處理器。此控制器選用飛思卡爾單片機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，采用單片機的輸入捕獲功能和比較輸出功能對汽車原始噴油信號進行捕獲，并對其進行展寬處理，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，獲取進氣口溫度信號，輔助控制單元進行信號展寬參數的調整。PK0口作為I/O口，獲取模式切換開關信號，指示控制器在相應的工況下正常工作。

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

2.6 驅動輸出電路

驅動輸出電路采用場效應管IRF530，對控制單元輸出的脈寬信號進行放大，使其功率達到噴油嘴電磁閥的功率，保證噴油嘴電磁閥正常驅動。該場效應管內部反接了保護二極管，對噴油嘴電磁閥高頻開合時產生的電感電勢具有吸收作用，起到了保護主控單元單片機的作用。

3 控制器軟件設計

該控制器的軟件采用C語言編程。系統軟件設計的結構圖如圖5所示。

圖5 系統軟件設計結構圖Fig.5 Schematic diagram of the software test system

在軟件設計中，數據采集模塊主要負責在發動機啟動時采集進氣口溫度傳感器信號和模式切換開關信號；信號捕捉模塊主要用來實現對汽車ECU原始噴油脈寬信號的實時捕捉功能；冷啟動模塊主要通過發動機啟動時進氣口溫度情況，決策啟動方式，保證發動機能夠實現低溫下的完美啟動；反饋調節模塊主要通過檢測發動機的轉速情況，給信號展寬輸出模塊發送一個調節參數，使發動機實現燃料自適應[6-7]啟動；信號展寬輸出模塊主要負責展寬ECU原始噴油脈寬信號，并將展寬后的脈沖信號輸出。

4 實驗應用

該控制系統用于某型直噴汽車發動機測試。在進行測試前，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動機進氣口，固定控制器，然后給汽車添加M85甲醇汽油燃料[8]。

圖6 軟件設計的流程圖Fig.6 Flow chart the software design

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

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

5 結 論

該控制系統可以很好的使直噴汽車發動機適應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的難題，真正實現了甲醇清潔燃料對汽油燃料在汽車發動機應用上的替代。控制系統采用高性能的飛思卡爾單片機作為核心處理器，提高了控制精確度和可靠性?？刂破鹘涌诤唵?，安裝工藝簡捷，適合普通用戶的自行安裝，并且具有很強的擴展性。該控制系統已用于多種型號的汽車上，在多種環境下經行了測試，實際應用表明該控制系統具有冷啟動順利、適應燃料多樣、環境適應能力強、控制精確、運行穩定、節約燃料開支、節能減排等特點，達到了設計要求。

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[8]中華人民共和國國家標準 （GB/T23799-2009）[S].車用甲醇汽油（M85）.