基于STC12C2052的雙燃料控制器的設(shè)計(jì)

陳向奎 孟慶超

摘要：汽車點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)由汽油燃燒產(chǎn)生一定的熱量實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，由于甲醇熱值比汽油低，欲使甲醇汽油能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，需要在點(diǎn)火期間內(nèi)噴出更多的甲醇汽油才能產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火所需要的熱量，設(shè)計(jì)了甲醇汽油雙燃料控制器，接收并調(diào)整汽車ECU發(fā)出的噴油控制信號(hào)電平脈寬，根據(jù)甲醇和汽油的摻混比例調(diào)整燃油噴射量，使點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)甲醇汽油燃燒產(chǎn)生的熱量達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)需要。該控制器通過遙控器可以顯示燃油噴射量、并且可以顯示和修改控制信號(hào)脈寬信息，該控制器安裝后不影響汽車噴油系統(tǒng)原始結(jié)構(gòu)，通過遙控器調(diào)整仍然可以使用純汽油作為燃料，安裝使用方便、成本低、節(jié)約能源，實(shí)驗(yàn)和測(cè)試效果良好。

關(guān)鍵詞：甲醇汽油;脈寬調(diào)制;ECU

中圖分類號(hào)：TP23? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）36-0220-02

1 背景

汽柴油燃料燃燒過程中釋放大量廢氣污染環(huán)境是造成霧霾、PM2.5等的原因之一。甲醇熱值19.96較汽油熱值為43.66要小，甲醇含氧約50%完全燃燒所需要的空氣量比汽油少，而甲醇和空氣的理論混合熱值與汽油相當(dāng)。甲醇辛烷值較高作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料具有價(jià)格低、抗暴性能好等優(yōu)點(diǎn)。研究表明甲醇汽油廢氣的排放量較純汽油有明顯下降，甲醇合成工藝簡(jiǎn)單、安全環(huán)保、價(jià)格低廉，作為替代能源在一定范圍內(nèi)已經(jīng)得到推廣和應(yīng)用[1-3]。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油和點(diǎn)火系統(tǒng)是按照以汽柴油為燃料來設(shè)計(jì)調(diào)試的，要想使發(fā)動(dòng)機(jī)識(shí)別甲醇?xì)怏w并順利點(diǎn)火必須調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，噴油控制信號(hào)是由汽車ECU（Electronic Control Unit）發(fā)出的，為不改變?cè)嚱Y(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)安裝甲醇燃料控制器。

目前市面多數(shù)雙燃料控制器能很好地實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)使用甲醇汽油作為燃料順利點(diǎn)火啟動(dòng)的問題，但只能適應(yīng)特定配比的甲醇汽油。汽車行駛過程中如添加汽油或甲醇將改變油箱中甲醇和汽油的混合比例，此控制器仍以特定的修正值調(diào)整噴油量，如汽油比例高將造成燃料的浪費(fèi)，如甲醇比例高易造成不能順利點(diǎn)火。需要重新調(diào)整噴油脈寬修正值，過程煩瑣對(duì)技術(shù)人員的要求高，不利于產(chǎn)品的推廣和普及[4-8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

燃料的熱值是單位質(zhì)量的燃料完全燃燒釋放的熱量，熱值的大小直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，是考量車輛使用經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一。不同配比甲醇汽油的熱值隨著甲醇比例的提高而逐漸降低。

目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)多是以汽油為燃料燃燒來設(shè)計(jì)的，即在單位點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)汽油燃燒產(chǎn)生的熱量達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)熱量需求。甲醇汽油的熱值低于汽油燃料，在單位點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)只要提高甲醇燃料的噴射量，使甲醇汽油燃燒的熱量達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的熱量需求即可啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)甲醇汽油的配比不同修正不同的燃料噴射量即可使用任意配比的甲醇汽油啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油嘴是一個(gè)電磁開關(guān)，噴油嘴兩個(gè)接線端子一個(gè)接發(fā)動(dòng)機(jī)的+12V電源，另一個(gè)是噴油控制信號(hào)，接汽車ECU（Electronic Control Unit）。當(dāng)噴油控制信號(hào)為低電平時(shí)開啟噴油嘴進(jìn)行燃料噴射，燃料噴射量隨著噴油控制信號(hào)低電平脈寬時(shí)間的調(diào)整而改變，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)關(guān)閉噴油嘴停止燃料噴射[6]。因此，為實(shí)現(xiàn)不同配比甲醇汽油啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，只需要調(diào)整該控制信號(hào)低電平的脈寬時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)任意配比的甲醇汽油啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

汽車噴油控制信號(hào)由ECU根據(jù)車輛運(yùn)行狀況發(fā)出，直接接在噴油嘴接線端子上。在不改變?cè)嘐CU程序的前提下為修正甲醇汽油的噴油量，需切斷汽車原有噴油嘴控制線路，將原ECU發(fā)出的噴油控制信號(hào)接入甲醇控制器，根據(jù)不同配比的甲醇汽油調(diào)整相應(yīng)的噴油控制信號(hào)低電平脈寬，將調(diào)整后的控制信號(hào)輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴?？刂破飨到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

為降低控制器的安裝調(diào)試難度和可操作性，增加遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量的調(diào)整以方便適應(yīng)不同配比的甲醇汽油。增加顯示器直觀觀察選擇的噴油量檔位，為降低成本，主處理器采用單片機(jī)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為避免頻繁調(diào)整噴油量修正值，本設(shè)計(jì)控制器采用STC12C2052單片機(jī)，該單片機(jī)有4路PWM脈寬調(diào)制及非易失性EEPROM存儲(chǔ)器，EEPROM用于存放最近一次調(diào)整噴油量的修正值，汽車關(guān)閉后該數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，啟動(dòng)后自動(dòng)利用存儲(chǔ)的修正值啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。4路PWM可對(duì)4路噴油量控制信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制?？刂破麟娐啡鐖D2所示。

P3.2～P3.5端口用于監(jiān)測(cè)接收ECU發(fā)出的噴油控制信號(hào)，使用遙控器發(fā)出的修正值對(duì)電噴信號(hào)進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制，調(diào)制后的噴油信號(hào)經(jīng)過P1.0～P1.3輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴。

遙控器設(shè)置12個(gè)擋位，對(duì)應(yīng)不同配比的甲醇汽油進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制，其中“0”擋位不進(jìn)行脈寬調(diào)制，而是將ECU發(fā)出的電噴信號(hào)直接輸出給噴油嘴，保證在使用純汽油作為燃料的情況下仍能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)而不改變ECU的噴油控制脈寬。

為提高控制器的驅(qū)動(dòng)能力，輸出端使用達(dá)林頓三極管，達(dá)林頓三極管又稱復(fù)合三極管，是將兩個(gè)三極管組合在一起，以組成一個(gè)等效的三極管，輸入阻抗高輸出阻抗低帶負(fù)載能力強(qiáng)，達(dá)林頓三極管的放大倍數(shù)是兩個(gè)三極管放大倍數(shù)之積，提供高電流放大增益。

噴油嘴是一個(gè)高精度電磁開關(guān)，線圈在通過電流時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的元件產(chǎn)生反向電壓，當(dāng)反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)對(duì)三極管等造成損壞。因此輸出端在噴油嘴的兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，當(dāng)流過線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過二極管和線圈構(gòu)成的回路消耗掉，從而保證電路中的其他元件能穩(wěn)定工作。

P3.0、P3.1端口用于和計(jì)算機(jī)串行口連接實(shí)現(xiàn)串行通信和程序下載，單片機(jī)的串口是TTL電平，而PC機(jī)的串口是RS-232電平，兩種電平不兼容。為降低成本減小控制器的體積，對(duì)控制器進(jìn)行編程時(shí)需連接RS-232轉(zhuǎn)TTL模塊，控制器電路板僅保留程序燒寫接口。

雙燃料控制器軟件的處理過程為：上電初始化后，CPU從EEPROM讀取最近一次調(diào)整的修正值，對(duì)ECU發(fā)出的4路電噴控制信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)脈寬數(shù)據(jù)，經(jīng)過PWM脈寬調(diào)整后輸出給噴油嘴。如果查詢到遙控器輸入新的噴油修正值，將新的修正值存入EEPROM，然后以新的修正值對(duì)4路電噴控制信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制輸出給噴油嘴。并通過顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前噴油量修正信息。

5 結(jié)束語

甲醇作為替代能源熱值較低，為使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同配比的甲醇汽油能順利點(diǎn)火啟動(dòng)，設(shè)計(jì)了雙燃料甲醇汽油控制器。在實(shí)驗(yàn)室用信號(hào)發(fā)生器和示波器對(duì)該控制器進(jìn)行信號(hào)調(diào)整前后波形比對(duì)，效果明顯、波形清晰穩(wěn)定。在出租車上進(jìn)行試運(yùn)行，任意配比的甲醇汽油均可在遙控器的調(diào)整下順利點(diǎn)火啟動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。與其他控制器相比，因擋位較多在順利點(diǎn)火的情況下可以調(diào)整到最經(jīng)濟(jì)的噴油量，降低燃料消耗。同時(shí)該控制器安裝后不影響車輛繼續(xù)使用純汽油作為燃料。因安裝調(diào)試方便、成本低、節(jié)約能源等特點(diǎn)，該控制器目前已在市面得到應(yīng)用和推廣。

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