基于51單片機(jī)的汽油機(jī)廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆旭，鄭艾欣，陳東方

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)逐漸壯大。NOx是汽車主要有害排放物之一，對(duì)環(huán)境造成巨大危害。NOx生成條件之一是高溫，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)溫度會(huì)下降從而降低NOx。傳統(tǒng)機(jī)械式EGR控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)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(tǒng)借助傳感器可實(shí)現(xiàn)高精度輸入，電控單元可根據(jù)實(shí)際參數(shù)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

EGR控制系統(tǒng)由電源模塊、傳感器模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊組成。電源模塊將車用蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換為51單片機(jī)需要的電壓。傳感器模塊將反映車輛狀態(tài)的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)送給電控單元。若采集的數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)才能被電控單元接收。電控單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，確定是否進(jìn)行EGR。若需要，則計(jì)算出廢氣再循環(huán)量和PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)EGR電磁閥，改變EGR閥開度控制進(jìn)入氣缸廢氣的量。EGR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1：

圖1 EGR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)工作電壓為5V，蓄電池提供的電壓不能直接用于單片機(jī)。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(tǒng)使用需求。傳感器模塊獲取的信號(hào)有點(diǎn)火信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、EGR閥開度、節(jié)氣門位置。選用磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器，通過單位時(shí)間內(nèi)對(duì)輸出信號(hào)計(jì)數(shù)可求得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；使用熱敏電阻式溫度傳感器測(cè)量冷卻水溫度，對(duì)廢氣再循環(huán)量進(jìn)行溫度修正。EGR閥開度傳感器測(cè)得EGR閥的開度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.2 控制模塊

單片機(jī)選用 AT89C51芯片，可滿足較大規(guī)模系統(tǒng)的使用。部分傳感器輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)識(shí)別。A/D轉(zhuǎn)換選用ADC0809芯片，允許8個(gè)模擬量輸入，分時(shí)使用8位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊包括EGR電磁閥和EGR閥。EGR電磁閥一端通進(jìn)氣管，一端通進(jìn)氣緩沖室。受單片機(jī)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(jī)輸出的PWM信號(hào)。

2 電路設(shè)計(jì)

圖2 總電路圖

電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805輸入+12V直流電，輸出+5V直流電供單片機(jī)工作。在輸入、輸出端加上電容器可濾波并消除振動(dòng)。冷卻水溫度、EGR閥開度、節(jié)氣門位置三個(gè)模擬信號(hào)從ADC0809的1、2、3通道進(jìn)入，分時(shí)使用A/D轉(zhuǎn)化器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)據(jù)經(jīng) P0口送入單片機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)從P3.5輸入；點(diǎn)火信號(hào)從P2.0輸入。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若不執(zhí)行EGR，P1.1輸出高電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；若執(zhí)行EGR，單片機(jī)查詢MAP圖，計(jì)算后從P1.0輸出PWM波，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)入氣缸廢氣的量?？傠娐穲D如圖2。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、怠速、負(fù)荷較低時(shí)，缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，產(chǎn)生的NOx很少，為促進(jìn)燃燒不進(jìn)行EGR；中等負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，NOx排放較高，采用較大的EGR率。大負(fù)荷時(shí)，汽車需要大功率輸出，不使用EGR。冷卻水溫度過高或過低時(shí)，不使用EGR。

3.2 系統(tǒng)總流程圖

初始化后，單片機(jī)采集傳感器信號(hào)進(jìn)行判斷。若不進(jìn)行EGR則重新采集信號(hào)。若進(jìn)行EGR，單片機(jī)查詢MAP圖，確定基本廢氣再循環(huán)量，再進(jìn)行修正計(jì)算最終廢氣再循環(huán)量。然后輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)。單片機(jī)不斷采集信號(hào)，實(shí)現(xiàn)新一輪的判斷?？偭鞒虉D如圖3：

圖3 總流程圖

3.3 設(shè)計(jì)仿真

使用C語言編寫程序，并使用Keil軟件進(jìn)行仿真。單片機(jī)開發(fā)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(gè)庫函數(shù)及編譯工具。使用Keil軟件內(nèi)部仿真器，從P2.0口輸入點(diǎn)火信號(hào)，其他傳感器信號(hào)在編寫程序時(shí)寫入。單片機(jī)若判斷不進(jìn)行EGR，P1.1輸出高電平驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。若進(jìn)行 EGR，單片機(jī)查詢 MAP圖確定PWM信號(hào)，從P1.0輸出。從仿真結(jié)果可以看出，若不進(jìn)行EGR，P1.1輸出高電平如圖4，蜂鳴器會(huì)報(bào)警。若進(jìn)行EGR，P1.0輸出占空比信號(hào)如圖5，且高低信號(hào)持續(xù)時(shí)間隨輸入量的變化而變化。

圖4 蜂鳴器報(bào)警

圖5 輸出占空比信號(hào)

4 結(jié)論

電子EGR控制系統(tǒng)可降低NOx排放，使之在不同工況下處于最佳狀態(tài)。設(shè)計(jì)了汽油機(jī)廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)，通過元器件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)不同工況的最佳EGR控制，具有良好的穩(wěn)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(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)保護(hù)人類生存環(huán)境，降低汽車排氣污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。