汽油—甲醇双燃料发动机电控转换单元的研究

2014-03-06李大尉赵孟石姚鸿宾姚立明

黑龙江科学 2014年10期

裴禹，李大尉，赵孟石，姚鸿宾，姚立明

(黑龙江省科学院高技术研究院机电研究室，哈尔滨150001)

能源与环境问题在我国是比较突出的问题，其中汽车行业带来的污染是比较重要的一个因素。汽柴油的消耗与汽车产业的飞速发展是成正比的，因此寻找替代能源将成为世界经济发展的关键所在。减少环境污染、使用清洁能源的呼声日渐强烈，我国在替代燃料方面做了大量工作，取得了一定成效，如:推广应用天然气、石油液化气，甲醇、甲醇汽车等，这也促进车用燃料向多元化方向发展。但是，从我国缺油、富煤的能源结构特点看，作为替代燃料，甲醇的发展前景广阔［1］。

甲醇作为21世纪绿色能源，在燃烧时有以下特点:

极佳的冷却作用:可以降低发动机温度，不致发热。

动力性:甲醇作为高辛烷值组分与汽油混溶后，使甲醇汽油辛烷值比高同标号汽油提高3～5个单位。

高辛烷值可增加机动车动力性，高速时明显优于汽油。

尾气排放:甲醇的C/H值较汽油小，完全燃烧时，排放尾气中的HC、CO、NOx含量低基本不含硫，比燃油更环保。

安全性:由于甲醇蒸汽点燃爆炸的浓度是汽油的4倍，不易爆炸，比汽油更安全。

汽油—甲醇双燃料发动机电控转换单元能够最大限度的利用甲醇，降低成本，减少环境污染，并缓解我国能源短缺危机，保证我国能源安全，实现汽车工业的可持续发展。本文主要从电控单元的硬件和软件系统两方面来介绍汽油—甲醇双燃料发动机电控转换单元的原理。

1 汽油—甲醇双燃料发动机电控转换单元原理

1.1 釆用单片机作为电控喷射系统的控制单元

汽油—甲醇双燃料控制单元是整个系统的控制主体，系统主要包括了单片机微控模块、采集数据以及喷醇控制模块、开关切换模块等，这些模块的主要作用是进行数据采集、数据分析计算、数据输出、数据显示和系统调试，目的在于控制甲醇和汽油以一定的定掺比进行输出，并根据需求的不同，来选择是否需要采用掺醇的燃烧模式［2］。供醇管路由4部分组成，分别是:甲醇泵、压力调节阀、甲醇箱、喷醇电磁阀，各个部分由胶管连接起来，它们的主要作用是产生并且提供高温、高压的甲醇，其中压力调节阀的作用是维持固定不变的甲醇压力值，用来保证当每次电磁阀的PWM输出占空比相同时喷醇量也相同，其中油门执行机构和喷醇器组成了执行器。

电控喷射甲醇系统的总体设计是以甲醇喷射量控制为核心，采用进气管电控喷射的开环静态预定最优控制方式来控制甲醇喷射量。利用甲醇良好的挥发性及较大汽化潜热，汽油机气缸所需甲醇由进气管喷入，由发火时间和配气相位值确定甲醇的喷射定时，由脉冲宽度调制器脉冲控制甲醇喷射量。

1.2 电控系统的硬件

电控喷射甲醇系统硬件主要包括以下几个部分:微控制器模块(单片机)、数据采集模块、喷醇电磁阀控制输出模块和调试模块。此外还有电源模块、复位模块和开关切换模块等。在硬件系统中，核心部件我们采用的是菊阳单片机控制电路，它主要的功能是处理各条线路输入的信号，处理完成后输出相对应的控制信号，以实现喷射甲醇准时以及喷醇量的精准控制。电源模块的主要作用是向单片机控制电路提供稳定的5 V电压。传感器产生的信号分为数字信号和模拟信号两种，这两种信号经过前期信号处理后，可以产生单片机电路能识别的信号，最终送入微控制器进行处理。供油拉杆位移信号、转速信号、转矩信号等经调理后输入单片机控制电路中，以提供相应的发动机运行状态信息［3］。单片机控制电路输出的信号经过驱动电路放大之后，推动执行元器件工作。控制电路中还增加了手动复位装置，用来增强电控单元系统的可靠性。当系统程序因外界干扰而出现“程序跑飞”或“死机”时，通过手动复位可实现系统的正常运行。硬件电路板和电路图如图1和图2所示。

图1 电控单元电路板Fig.1 The circuit board of electronic control unit

图2 电控单元电路原理图Fig.2 The circuit schematics of electronic control unit

1.3 电控单元的软件设计

汽油—甲醇双燃料电控转换单元系统的软件设计采用菊阳系列JY2X00单片机仿真开发系统，程序部分主要包括发动机的转速和转矩的采集、凸轮轴脉冲采集，油门位置的A/D转换程序、定时器中断程序及数据处理等。电控转换单元软件系统的总体设计思路是:每隔一定人工设定的时间，由程序对工况进行采样，然后将采样信息进行数据处理，获得工况对应的PWM值送脉宽调制输出口，主程序流程图如图3所示。控制系统的软件设计按系统功能将整个程序分成若干个模块，每个程序模块完成特定的计算、处理或控制功能［4］。在主程序设计中，必须要初始化设置电控单元系统内部的各种参数，这些参数包括:各个变量在CPU内存中存放的地址，如转速测量值存放地址以及供油拉杆位移变量存放地址等。在程序运行过程中有时会由于电磁干扰等原因而造成程序错误，为了防止这种错误，主程序中添加了“看门狗”子程序用来保证系统的正常运行。在对CPU内存中的地址分配完毕之后，要确保开CPU中断，这样在主程序运行的过程中，单片机能按既定的时间准时“喂看门狗”。