汽油—甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控轉(zhuǎn)換單元的研究

裴 禹，李大尉，趙孟石，姚鴻賓，姚立明

(黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院機(jī)電研究室，哈爾濱150001)

能源與環(huán)境問題在我國(guó)是比較突出的問題，其中汽車行業(yè)帶來的污染是比較重要的一個(gè)因素。汽柴油的消耗與汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展是成正比的，因此尋找替代能源將成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在。減少環(huán)境污染、使用清潔能源的呼聲日漸強(qiáng)烈，我國(guó)在替代燃料方面做了大量工作，取得了一定成效，如:推廣應(yīng)用天然氣、石油液化氣，甲醇、甲醇汽車等，這也促進(jìn)車用燃料向多元化方向發(fā)展。但是，從我國(guó)缺油、富煤的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，作為替代燃料，甲醇的發(fā)展前景廣闊［1］。

甲醇作為21世紀(jì)綠色能源，在燃燒時(shí)有以下特點(diǎn):

極佳的冷卻作用:可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，不致發(fā)熱。

動(dòng)力性:甲醇作為高辛烷值組分與汽油混溶后，使甲醇汽油辛烷值比高同標(biāo)號(hào)汽油提高3～5個(gè)單位。

高辛烷值可增加機(jī)動(dòng)車動(dòng)力性，高速時(shí)明顯優(yōu)于汽油。

尾氣排放:甲醇的C/H值較汽油小，完全燃燒時(shí)，排放尾氣中的HC、CO、NOx含量低基本不含硫，比燃油更環(huán)保。

安全性:由于甲醇蒸汽點(diǎn)燃爆炸的濃度是汽油的4倍，不易爆炸，比汽油更安全。

汽油—甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控轉(zhuǎn)換單元能夠最大限度的利用甲醇，降低成本，減少環(huán)境污染，并緩解我國(guó)能源短缺危機(jī)，保證我國(guó)能源安全，實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文主要從電控單元的硬件和軟件系統(tǒng)兩方面來介紹汽油—甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控轉(zhuǎn)換單元的原理。

1 汽油—甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控轉(zhuǎn)換單元原理

1.1 釆用單片機(jī)作為電控噴射系統(tǒng)的控制單元

汽油—甲醇雙燃料控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的控制主體，系統(tǒng)主要包括了單片機(jī)微控模塊、采集數(shù)據(jù)以及噴醇控制模塊、開關(guān)切換模塊等，這些模塊的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)顯示和系統(tǒng)調(diào)試，目的在于控制甲醇和汽油以一定的定摻比進(jìn)行輸出，并根據(jù)需求的不同，來選擇是否需要采用摻醇的燃燒模式［2］。供醇管路由4部分組成，分別是:甲醇泵、壓力調(diào)節(jié)閥、甲醇箱、噴醇電磁閥，各個(gè)部分由膠管連接起來，它們的主要作用是產(chǎn)生并且提供高溫、高壓的甲醇，其中壓力調(diào)節(jié)閥的作用是維持固定不變的甲醇?jí)毫χ?，用來保證當(dāng)每次電磁閥的PWM輸出占空比相同時(shí)噴醇量也相同，其中油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)和噴醇器組成了執(zhí)行器。

電控噴射甲醇系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是以甲醇噴射量控制為核心，采用進(jìn)氣管電控噴射的開環(huán)靜態(tài)預(yù)定最優(yōu)控制方式來控制甲醇噴射量。利用甲醇良好的揮發(fā)性及較大汽化潛熱，汽油機(jī)氣缸所需甲醇由進(jìn)氣管噴入，由發(fā)火時(shí)間和配氣相位值確定甲醇的噴射定時(shí)，由脈沖寬度調(diào)制器脈沖控制甲醇噴射量。

1.2 電控系統(tǒng)的硬件

電控噴射甲醇系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)部分:微控制器模塊(單片機(jī))、數(shù)據(jù)采集模塊、噴醇電磁閥控制輸出模塊和調(diào)試模塊。此外還有電源模塊、復(fù)位模塊和開關(guān)切換模塊等。在硬件系統(tǒng)中，核心部件我們采用的是菊陽單片機(jī)控制電路，它主要的功能是處理各條線路輸入的信號(hào)，處理完成后輸出相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)噴射甲醇準(zhǔn)時(shí)以及噴醇量的精準(zhǔn)控制。電源模塊的主要作用是向單片機(jī)控制電路提供穩(wěn)定的5 V電壓。傳感器產(chǎn)生的信號(hào)分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種，這兩種信號(hào)經(jīng)過前期信號(hào)處理后，可以產(chǎn)生單片機(jī)電路能識(shí)別的信號(hào)，最終送入微控制器進(jìn)行處理。供油拉桿位移信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)等經(jīng)調(diào)理后輸入單片機(jī)控制電路中，以提供相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息［3］。單片機(jī)控制電路輸出的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大之后，推動(dòng)執(zhí)行元器件工作。控制電路中還增加了手動(dòng)復(fù)位裝置，用來增強(qiáng)電控單元系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)系統(tǒng)程序因外界干擾而出現(xiàn)“程序跑飛”或“死機(jī)”時(shí)，通過手動(dòng)復(fù)位可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。硬件電路板和電路圖如圖1和圖2所示。

圖1 電控單元電路板Fig.1 The circuit board of electronic control unit

圖2 電控單元電路原理圖Fig.2 The circuit schematics of electronic control unit

1.3 電控單元的軟件設(shè)計(jì)

汽油—甲醇雙燃料電控轉(zhuǎn)換單元系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用菊陽系列JY2X00單片機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)，程序部分主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的采集、凸輪軸脈沖采集，油門位置的A/D轉(zhuǎn)換程序、定時(shí)器中斷程序及數(shù)據(jù)處理等。電控轉(zhuǎn)換單元軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是:每隔一定人工設(shè)定的時(shí)間，由程序?qū)r進(jìn)行采樣，然后將采樣信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得工況對(duì)應(yīng)的PWM值送脈寬調(diào)制輸出口，主程序流程圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)按系統(tǒng)功能將整個(gè)程序分成若干個(gè)模塊，每個(gè)程序模塊完成特定的計(jì)算、處理或控制功能［4］。在主程序設(shè)計(jì)中，必須要初始化設(shè)置電控單元系統(tǒng)內(nèi)部的各種參數(shù)，這些參數(shù)包括:各個(gè)變量在CPU內(nèi)存中存放的地址，如轉(zhuǎn)速測(cè)量值存放地址以及供油拉桿位移變量存放地址等。在程序運(yùn)行過程中有時(shí)會(huì)由于電磁干擾等原因而造成程序錯(cuò)誤，為了防止這種錯(cuò)誤，主程序中添加了“看門狗”子程序用來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在對(duì)CPU內(nèi)存中的地址分配完畢之后，要確保開CPU中斷，這樣在主程序運(yùn)行的過程中，單片機(jī)能按既定的時(shí)間準(zhǔn)時(shí)“喂看門狗”。

2 結(jié)論

汽油—甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控轉(zhuǎn)換單元能更好地調(diào)節(jié)燃料中甲醇的噴射量，以降低燃料中汽油的比例，從而使汽車獲得相同動(dòng)力的情況下消耗更少的燃料。同時(shí)排放的尾氣中的C/H值有效降低并且大幅降低了硫元素的排放，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的安全性和清潔性也都有很大的提升。

［1］ 簡(jiǎn)曉春，杜仕武.現(xiàn)代汽車技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 高國(guó)珍，王玉輝，陳光敏.醇類燃料理化性質(zhì)對(duì)汽油機(jī)性能及排放的影響［J］.江西能源，2004，(03):8—20.

［3］ 于曉陽，曾東健，王永忠，等.電噴汽油機(jī)燃用高比例甲醇汽油的實(shí)驗(yàn)研究［C］∥北京:中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)油品與清潔燃料分會(huì)第三屆學(xué)術(shù)年會(huì).2011.

［4］ 閻文兵，姜紹忠.再用車燃用甲醇/汽油靈活燃料的改造［J］.天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(1):3—5.