基于51單片機的汽油機廢氣再循環控制系統設計

閆旭，鄭艾欣，陳東方

（1.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064；2.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

引言

隨著全球經濟技術的快速發展，汽車產業逐漸壯大。NOx是汽車主要有害排放物之一，對環境造成巨大危害。NOx生成條件之一是高溫，如果將發動機排出的廢氣引入氣缸，廢氣將原混合氣稀釋且不參與燃燒，這樣缸內溫度會下降從而降低NOx。傳統機械式EGR控制系統調節能力差，難以在各工況下做出合適的改變。電控式EGR控制系統借助傳感器可實現高精度輸入，電控單元可根據實際參數實現高精度的控制，適用于各種工況，大大降低NOx的排放。

1 總體設計

EGR控制系統由電源模塊、傳感器模塊、控制模塊和執行模塊組成。電源模塊將車用蓄電池的電壓轉換為51單片機需要的電壓。傳感器模塊將反映車輛狀態的物理量轉變為電信號送給電控單元。若采集的數據為模擬信號，需經A/D轉化為數字信號才能被電控單元接收。電控單元對信號進行判斷，確定是否進行EGR。若需要，則計算出廢氣再循環量和PWM信號，驅動EGR電磁閥，改變EGR閥開度控制進入氣缸廢氣的量。EGR控制系統結構簡圖如圖1：

圖1 EGR控制系統結構簡圖

1.1 電源模塊及傳感器模塊

車用蓄電池電壓多為12V，單片機工作電壓為5V，蓄電池提供的電壓不能直接用于單片機。電源模塊選用 LM7805芯片，輸入電壓為4V～36V，輸出電壓為5V，滿足系統使用需求。傳感器模塊獲取的信號有點火信號、發動機轉速、冷卻水溫度、EGR閥開度、節氣門位置。選用磁感應式轉速傳感器，通過單位時間內對輸出信號計數可求得發動機轉速；使用熱敏電阻式溫度傳感器測量冷卻水溫度，對廢氣再循環量進行溫度修正。EGR閥開度傳感器測得EGR閥的開度實現閉環控制。

1.2 控制模塊

單片機選用 AT89C51芯片，可滿足較大規模系統的使用。部分傳感器輸出信號為模擬信號，經A/D轉化為數字信號才能被單片機識別。A/D轉換選用ADC0809芯片，允許8個模擬量輸入，分時使用8位A/D轉換器進行轉化。

1.3 執行模塊

執行模塊包括EGR電磁閥和EGR閥。EGR電磁閥一端通進氣管，一端通進氣緩沖室。受單片機的控制，EGR電磁閥頻繁開閉，改變EGR閥真空室的真空度，從而改變EGR閥的開度，且閥的開度取決于單片機輸出的PWM信號。

2 電路設計

圖2 總電路圖

電壓轉換芯片LM7805輸入+12V直流電，輸出+5V直流電供單片機工作。在輸入、輸出端加上電容器可濾波并消除振動。冷卻水溫度、EGR閥開度、節氣門位置三個模擬信號從ADC0809的1、2、3通道進入，分時使用A/D轉化器進行轉換，轉換結束后數據經 P0口送入單片機。發動機轉速信號從P3.5輸入；點火信號從P2.0輸入。單片機對數據進行分析，若不執行EGR，P1.1輸出高電平驅動蜂鳴器報警；若執行EGR，單片機查詢MAP圖，計算后從P1.0輸出PWM波，驅動執行機構，改變進入氣缸廢氣的量。總電路圖如圖2。

3 軟件設計

3.1 系統控制策略

發動機起動、怠速、負荷較低時，缸內燃燒不穩定，產生的NOx很少，為促進燃燒不進行EGR；中等負荷時發動機工作平穩，NOx排放較高，采用較大的EGR率。大負荷時，汽車需要大功率輸出，不使用EGR。冷卻水溫度過高或過低時，不使用EGR。

3.2 系統總流程圖

初始化后，單片機采集傳感器信號進行判斷。若不進行EGR則重新采集信號。若進行EGR，單片機查詢MAP圖，確定基本廢氣再循環量，再進行修正計算最終廢氣再循環量。然后輸出PWM信號，驅動執行機構，實現廢氣再循環。單片機不斷采集信號，實現新一輪的判斷。總流程圖如圖3：

圖3 總流程圖

3.3 設計仿真

使用C語言編寫程序，并使用Keil軟件進行仿真。單片機開發使用較多的是Keil μVision 4軟件，軟件操作頁面可視化，使用方便，含有多個庫函數及編譯工具。使用Keil軟件內部仿真器，從P2.0口輸入點火信號，其他傳感器信號在編寫程序時寫入。單片機若判斷不進行EGR，P1.1輸出高電平驅動蜂鳴器。若進行 EGR，單片機查詢 MAP圖確定PWM信號，從P1.0輸出。從仿真結果可以看出，若不進行EGR，P1.1輸出高電平如圖4，蜂鳴器會報警。若進行EGR，P1.0輸出占空比信號如圖5，且高低信號持續時間隨輸入量的變化而變化。

圖4 蜂鳴器報警

圖5 輸出占空比信號

4 結論

電子EGR控制系統可降低NOx排放，使之在不同工況下處于最佳狀態。設計了汽油機廢氣再循環控制系統，通過元器件對發動機工作參數進行采集，實現不同工況的最佳EGR控制，具有良好的穩定性，有效降低NOx排放。編寫的程序順利通過Keil軟件的仿真，驗證了設計的合理性。對保護人類生存環境，降低汽車排氣污染，具有重要的現實意義。