基于單片機的雙燃料汽化器微機控制系統設計

羅 超，樊 偉

(云南省電子信息高級技工學校，昆明 650225)

基于單片機的雙燃料汽化器微機控制系統設計

羅 超，樊 偉

(云南省電子信息高級技工學校，昆明 650225)

汽油發動機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，設計了以AT89S52單片機為核心的雙燃料汽化器的微機控制系統，該控制系統實現了雙燃料汽化器的按鍵顯示、缺液檢測及報警、發動機轉速測量及計算、乙醇泵堵轉檢測及保護、乙醇量噴射控制、液壓缸液壓桿限位檢測及保護等功能，同時，能實時采集汽車發動機的轉速信號，通過預置的軟件對發動機轉速進行分析，精確計算出乙醇單次噴射時間和噴射頻率，從而準確控制乙醇與空氣、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，減少了有害物質的排放，達到了節能減排的目的;實際應用中，該控制系統運行穩定，抗干擾性能良好，控制準確，具有一定的實際應用價值。

單片機;雙燃料汽化器;控制系統;乙醇燃料;發動機;高壓脈沖點火信號

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，在汽油機上摻燒少量乙醇燃料，發動機結構不需要變動[1-2]。使用乙醇混合燃料的發動機，在其經濟性、熱效率、排放及催化轉化等方面具有優勢的研究，多篇論文均有提及[3]。國內大量研究結果表明，乙醇具有親水特性，當乙醇汽油吸水量過大或溫度降低時，會導致分層，即發生相分離，造成發動機啟動困難、降低輸出功率，甚至造成發動機損壞等問題[4-5]。云南維康環保科技有限公司開發、設計的醇醚類“雙燃料汽化器”采用乙醇與汽油分開放置的燃料儲存方式，避免了當乙醇汽油含水量超標后，容易發生相分離，產生諸如冷車難以啟動、燃料分層造成動力不足等弊端。在此，設計并實現了該“雙燃料汽化器”的微機控制系統，通過該微機控制系統的精確控制，實現了將一定配比的乙醇燃料經過汽化后供入汽車發動機進氣氣管，與空氣混合后，進入氣缸，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，減少有害物質的排放，實際應用中，節能減排效果良好。

1 雙燃料汽化器的組成和原理

雙燃料汽化器的組成結構如圖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，實現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，實現乙醇燃料的供應；乙醇過濾器用于過濾液態乙醇燃料中的各種雜質和微粒，純凈乙醇燃料；液壓缸用于向噴醇器供應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；噴醇器用于在微機控制系統的控制下，在液壓缸恒定壓力的作用下，根據汽車發動機轉速等工況，將經過過濾的乙醇燃料按一定配比噴入蒸發器；蒸發器用于將噴醇器噴入的配比乙醇燃料汽化為乙醇氣體；電磁閥門用于控制向汽油發動機進氣氣管供應乙醇氣體。

圖1 雙燃料汽化器的組成結構示意圖

雙燃料汽化器根據汽車發動機轉速等工況，通過微機控制系統的精確控制，將一定配比的液體乙醇燃料汽化為乙醇氣體并進入發動機進氣氣管，在進氣氣管中與空氣混合，經節氣門后進入汽車發動機氣缸，在氣缸中(缸內直噴發動機)，兩種混合氣體與霧化后的汽油再次混合，形成汽油、空氣、醇氣的混合氣體，在高壓火花塞的點火下，乙醇氣體與空氣、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，減少了有害物質的排放，達到了節能減排的目的。

2 微機控制系統的原理及構成

雙燃料汽化器的微機控制系統是整個雙燃料汽化器的控制中心，與汽車ECU協調配合工作，該系統采用AT89S52單片機為核心，開環實時控制，實時跟蹤汽油發動機高壓點火信號，通過對高壓點火信號的監測，完成發動機轉速的實時測量，之后根據發動機轉速等工況，實時計算乙醇燃料的噴射頻率和單次噴射時間等參數，控制噴醇器精確噴醇，以達到乙醇燃料的配比摻燒，實現節能減排目的。

實際應用中，由于乙醇氣體在發動機熄火后在噴醇器之后的燃料管道中存在醇氣滯留和累積，當發動機再次啟動(冷啟動、熱啟動)時，會造成打火困難等情況出現，為此，雙燃料汽化器微機控制系統設計了休眠功能，即汽車發動機啟動或低轉速運行時，雙燃料汽化器處于休眠狀態，只有當發動機轉速達到一定轉速后，雙燃料汽化器才啟動并配合汽車ECU工作，向發動機供應醇氣。

雙燃料汽化器的微機控制系統主要由單片機模塊、顯示模塊、按鍵模塊、信息儲存模塊、電源模塊、發動機轉速檢測模塊、噴醇控制模塊、乙醇燃料缺液報警模塊、乙醇燃料供應模塊、乙醇泵的堵轉檢測和保護模塊、液壓缸液壓桿限位檢測及控制模塊等組成，其結構組成如圖2所示。單片機模塊是整個控制系統的控制中心，采用AT89S52單片機實現，完成發動機轉速測量計算、噴醇頻率和單次噴醇時間計算、參數設置顯示、缺液報警、噴醇控制等功能；顯示模塊主要完成汽車發動機轉速、噴醇頻率、噴醇時間及參數設置等相關參數的顯示；按鍵模塊是人機交互模塊，主要完成系統各種參數的設置，如根據汽車發動機排量的不同，設置不同基準的噴醇頻率和單次噴醇時間；測量發動機轉速時，設置發動機缸數和行程數等；電源模塊從汽車蓄電池取電后，經濾波、穩壓處理后供給微機控制系統和傳感器工作；發動機轉速檢測模塊通過探測汽車發動機高壓點火信號，經濾波、整形后送到單片機模塊，完成汽車發動機轉速的實時測量；噴醇控制模塊根據微機控制系統精確計算的單次噴醇時間和噴醇頻率，完成單片機噴醇控制信號的放大及噴醇器噴嘴的控制；乙醇燃料缺液報警模塊用于乙醇儲存箱乙醇燃料缺液的檢測，當乙醇燃料液位降低到一定限度時，向單片機模塊發出缺液信號，單片機模塊控制系統停止工作并發出聲音報警；乙醇燃料供應模塊根據液壓缸內乙醇燃料的儲存情況，向液壓缸供應乙醇燃料，保證液壓缸內乙醇燃料的壓力恒定；乙醇泵堵轉和保護模塊用于檢測乙醇泵是否堵轉，當檢測到乙醇泵堵轉時，向單片機模塊發出乙醇泵堵轉信號，控制系統停止系統工作并發出聲音報警；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，當液壓桿超越行程限位工作時，向單片機模塊發出超程限位信號，控制系統停止系統工作并聲音報警。

圖2 微機控制系統組成

3 主要硬軟件模塊設計和實現

3.1 發動機轉速測量電路及實現原理

對于汽油發動機的轉速測量，多篇論文提及采用感應式轉速傳感器感應高壓點火線的電磁脈沖信號來測量發動機的轉速[6-9]。由汽油機原理知，發動機的高壓點火脈沖與其轉速有一定的關系[8]，如六缸四沖程汽油機的高壓點火脈沖與其轉速之比為3：1，即6個缸依次點火1次，發動機曲軸旋轉2圈。當汽油發動機工作時，高壓線(點火線)產生的脈沖信號磁場將輻射到周圍空間[6]，為此，使用專制的感應式高壓點火脈沖信號探頭，將發動機工作時高壓線的點火脈沖磁場感應并轉換為電信號，經濾波、比較整形后送入單片機的P3.5/T1引腳中斷計數處理，以實現發動機的轉速測量。發動機轉速測量電路由發動機高壓點火信號探頭、濾波電路、比較整形電路等組成，轉速測量電路見圖3。圖3中，高壓點火探頭用于探測發動機高壓點火信號向四周空間釋放的電磁脈沖信號并轉換為電信號，1N5819用于將感應得到的電信號中的反向干擾信號濾除，之后經LM339四高精度電壓比較器構成的施密特觸發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LM339構成的電壓比較器檢測，得到幅值約為5 V的方波信號，送入到單片機的P3.5/T1進行計數，以實現轉速測量。

圖3 發動機高壓點火信號檢測、濾波及整形電路

數字轉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動機的高壓線點火脈沖信號以實現發動機轉速的測量，即在一定時間間隔t內，計數被測信號的重復變化次數N[11]，則被測信號的頻率fx=N/t。具體實現為：利用單片機的定時/計數器0和定時/計數器1實現轉速測量，時間間隔為1 s。定時/計數器T1工作于16位計數狀態，用于計數經整形的發動機某一缸高壓點火脈沖信號。定時/計數器T0工作于16位定時狀態，每1 ms中斷一次，當中斷1 000次，定時時間t=1 000*1 ms=1 s時，讀取一次定時/計數器T1的計數值 ，即TH1和TL1的當前值，則發動機的轉速為n=(TH1*256+TL1)*60*2(以四缸四沖程發動機為例)。

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I/O口輸出的噴醇控制信號控制三極管Q6的飽和導通和截止關斷，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，從而實現噴醇器噴嘴的打開或關閉，實現噴醇控制。

圖4 噴醇控制電路

3.2.2 噴醇頻率和噴醇時間控制

乙醇燃料的供應量取決于發動機的轉速，發動機轉速越高，乙醇供應量越大,噴醇器的噴射頻率越高。乙醇供應量主要由噴醇頻率和單次噴醇量控制。本系統中，噴醇頻率隨發動機轉速增減而隨動，隨動機理由于涉及公司內部密秘，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，本系統中，由于乙醇燃料供應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，一旦設定單次噴醇時間，則系統工作時始終保持不變。

噴醇脈寬信號具體實現為：使用AT89S52單片機的定時/計數器T2，使其工作于自動重裝載的定時狀態，每間隔1ms中斷一次，根據控制系統軟件實時計算得到的噴醇頻率及噴醇信號脈寬時間，計算中斷的次數，從而實時輸出不同頻率、不同脈寬的PWM信號，以實現單次噴醇時間控制。噴醇PWM信號產生中斷程序如下，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，噴醇器關閉，不噴射乙醇

xhmkjs=0;

}

}

圖5 乙醇噴射控制軟件流程圖

4 系統軟件設計

軟件是嵌入式系統的核心，雙燃料汽化器微機控制系統的系統軟件設計采用循環輪詢[12]，具有兩級中斷優先級的前、后臺運行程序架構，結合有限狀態機和模塊化編程實現。中斷程序為前臺程序，具有高低兩級優先級，主程序為后臺程序，兩者的調度原則為：在后臺程序運行期間，有中斷則進入中斷程序，運行前臺程序，前臺程序運行完后返回后臺程序繼續執行，依次類推。當有兩個不同中斷優先級的中斷源同時發出中斷請求時，按中斷優先級嵌套原則響應中斷，執行前臺程序；當有兩個及以上中斷優先級相同的中斷源同時發出中斷請求時，按MCS-51單片機的中斷源掃描先后順序響應中斷，執行前臺程序。

前臺程序主要涉及單片機外部中斷INT0、定時/計數器T0、定時/計數器T1、定時/計數器T2。外部中斷INT0工作于低優先級，用于掃描按鍵，當有按鍵按下時，經過按鍵識別并作相應鍵值處理，進行參數設置等；定時/計數器T0中斷工作于低優先級，用于每間隔1 ms實現4位一體數碼管的動態掃描顯示、發動機高壓點火脈沖信號測頻法時間間隔1 s定時等；定時/計數器T1中斷工作于高優先級，用于高速計數發動機的高壓點火脈沖信號，以實現發動機的轉速測量；定時/計數器T2中斷工作于高優先級，用于產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位、各種顯示參數的BCD碼變換、噴醇頻率計算、缺液檢測報警、乙醇泵堵轉保護、液壓缸液壓桿限位檢驗及保護、參數設置和存儲、乙醇燃料供應控制等功能。

5 結束語

汽油發動機“雙燃料汽化器” 微機控制系統能根據汽油發動機轉速變化等情況，精確計算乙醇燃料的噴射頻率和噴射時間，實現了乙醇、空氣和汽油三種混合氣體在發動機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，減少了有害物質的排放，達到了節能減排的目的。當前，該控制系統試運行在云南維康環保科技有限公司節能環保產品——“醇醚類”雙燃料汽化器(專利號：200920111781.6)上。經多輛不同品牌、不同排量轎車試驗運行，該控制系統運行穩定，抗干擾性能良好，控制準確，具有一定的實用價值。

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Design of Control System for Dual Fuel Carburetor Based on MCU

Luo Chao，Fan 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

A