车用甲醇汽油燃烧控制器

李海平

（长安大学 陕西 西安 710064）

能源危机是当今世界亟待解决的重大问题之一，石油作为一种重要的能源在未来的几十年内可能面临枯竭。汽车是我国石油消费的重要用户，车用燃料是我国石油消费增长的最大驱动力，用于汽车的石油消耗占到石油总消耗量的50%以上。因此，发展替代能源是缓解当前能源压力的一种主要途径[2]。甲醇具有来源丰富、生产成本低廉、辛烷值高等优点。它与汽油混合形成的甲醇汽油，可以作为汽车的一种重要替代燃料。但是，高比例甲醇汽油在普通汽油机上无法直接应用，需加装燃料控制器。

现有的车用甲醇汽油燃料控制器大多采用档位调节模式，只适合几种固定比例的甲醇汽油燃料，适用范围小，若更换燃料，需手动调节档位开关，有些甚至要改变电路，操作较为复杂且精度比较低；在低温的环境下，现有的控制器很难顺利控制发动机启动[3]。

为了克服这些不足，更好的实现甲醇对汽油的灵活替代，本文提出了一种汽车燃料控制方法，其特征在于，该方法是在不改变汽车电脑的前提下对发动机燃油喷射量进行有效的控制，并加入了温度采集模块和反馈控制功能，很好的解决了上述问题[4]。

1 总体设计

该控制系统结构图如图1所示，在对原车ECU喷油脉宽调整控制过程中，把ECU喷油脉宽信号送到信号采集系统；信号采集系统对信号经行滤波处理，再将信号送入MCU信号输入端，同时通过温度传感器把进气口温度送入MCU；MCU通过对发动机进气口温度的判断以及原始ECU频率的计算，调整信号处理参数，对信号进行处理，使其适合当前燃料的燃烧特性；信号输出系统模块利用MCU的控制信号，启动发动机喷油嘴，以保证发动机正常工作。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structurediagramofthemethanolgasolinecombustioncontrolsystem

2 控制系统硬件设计

控制系统硬件主要由电源稳压电路、模式切换电路、温度采集电路、滤波整流电路、控制单元、驱动输出电路等组成，系统硬件结构图如图2所示。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.1 电源稳压电路

车用电源电压为 12~14 V（VCC12），控制器工作电压为 5 V（VCC），我们采用三端稳压集成电路 L7809和L7805把12~14 V的车载电源降压到5 V，为控制器提供工作电压。电路图如图3所示。

图3 电源稳压电路图Fig.3 Power voltage stabilizing circuit diagram

2.2 模式切换电路

模式切换电路由一个船型开关构成，开关的两个状态分别对应了高比例甲醇汽油和低比例甲醇汽油的燃烧控制功能。当甲醇汽油为高比例配比时，把模式切换开关拨到高比例档位，然后启动发动机；当甲醇汽油为低比例配比时，把模式切换开关拨到低比例档位，然后启动发动机。这样的设计模式大大缩短了发动机在不同比例甲醇汽油的情况下的启动调整时间，是该控制器具有了更加广泛的适应性和稳定性。

2.3 温度采集电路

温度采集电路由数字温度传感器DS18b20构成。该传感器将地址线、数据线和控制线合为一根双向串行数据的信号线，测量范围在-55～+125℃，测量的精度也小于1℃，完全满足该控制器在发动机各种工况下的温度采集需求。

将此温度传感器置于发动机的进气口附近，采集进气口温度。控制器根据当前的进气温度，调整发动机启动时控制喷油的脉宽宽度。

2.4 滤波整形电路

滤波整形电路由光耦和外围电路组成，主要负责将原始ECU的喷油脉宽信号耦合成0 V到5 V的单极性信号输入到控制单元的MCU中。

2.5 控制单元

控制单元采用飞思卡尔MC9S12系列单片机。该单片机是16位单片机，其增强型捕捉定时器模块（ECT）实在标准定时器模块（TIM）的基础上增加了一些功能而发展起来的定时器模块，ECT特别适合汽车系统的应用，目前，已经有越来越多的ECU解决商选择该系列单片机做为ECU的处理器。此控制器选用飞思卡尔单片机就是为了更好的与汽车原有电子控制单元兼容[5]。

控制单元电路图如图4所示，采用单片机的输入捕获功能和比较输出功能对汽车原始喷油信号进行捕获，并对其进行展宽处理，最终比较输出处理后的脉冲信号。PJ1口作为I/O口，与温度传感器DS18b20的单总线连接，获取进气口温度信号，辅助控制单元进行信号展宽参数的调整。PK0口作为I/O口，获取模式切换开关信号，指示控制器在相应的工况下正常工作。

图4 控制单元电路图Fig.4 Control unit circuit diagra

2.6 驱动输出电路

驱动输出电路采用场效应管IRF530，对控制单元输出的脉宽信号进行放大，使其功率达到喷油嘴电磁阀的功率，保证喷油嘴电磁阀正常驱动。该场效应管内部反接了保护二极管，对喷油嘴电磁阀高频开合时产生的电感电势具有吸收作用，起到了保护主控单元单片机的作用。

3 控制器软件设计

该控制器的软件采用C语言编程。系统软件设计的结构图如图5所示。

图5 系统软件设计结构图Fig.5 Schematic diagram of the software test system

在软件设计中，数据采集模块主要负责在发动机启动时采集进气口温度传感器信号和模式切换开关信号；信号捕捉模块主要用来实现对汽车ECU原始喷油脉宽信号的实时捕捉功能；冷启动模块主要通过发动机启动时进气口温度情况，决策启动方式，保证发动机能够实现低温下的完美启动；反馈调节模块主要通过检测发动机的转速情况，给信号展宽输出模块发送一个调节参数，使发动机实现燃料自适应[6-7]启动；信号展宽输出模块主要负责展宽ECU原始喷油脉宽信号，并将展宽后的脉冲信号输出。

4 实验应用

该控制系统用于某型直喷汽车发动机测试。在进行测试前，首先通过线束接插件将汽车ECU喷油控制信号线连接到控制器接口上，将温度采集模块固定到发动机进气口，固定控制器，然后给汽车添加M85甲醇汽油燃料[8]。

图6 软件设计的流程图Fig.6 Flow chart the software design

测试时，首先把控制器的模式切换开关拨到高比例档位，然后启动汽车。更换燃料比例，再次启动汽车。通过多次不同的环境温度和不同比例的燃料测试发现，该控制系统冷启动效果良好，控制精确，汽车行驶稳定，同时，大大的节约了用户燃料开支。测试结果如表1所示。

表1 车用甲醇汽油燃烧控制器测试结果Tab.1 Test result of Methanol Gasoline Combustion Controller

5 结 论

该控制系统可以很好的使直喷汽车发动机适应多比例甲醇汽油混合燃料，纯甲醇燃料，以及纯汽油燃料等多种燃料的燃烧驱动。解决了这一课题普遍存在的冷启动困难和多比例自适应的难题，真正实现了甲醇清洁燃料对汽油燃料在汽车发动机应用上的替代。控制系统采用高性能的飞思卡尔单片机作为核心处理器，提高了控制精确度和可靠性。控制器接口简单，安装工艺简捷，适合普通用户的自行安装，并且具有很强的扩展性。该控制系统已用于多种型号的汽车上，在多种环境下经行了测试，实际应用表明该控制系统具有冷启动顺利、适应燃料多样、环境适应能力强、控制精确、运行稳定、节约燃料开支、节能减排等特点，达到了设计要求。

[1]王真.不同比例甲醇汽油发动机的燃烧与排放特性试验研究[D].北京：清华大学，2010.

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ZHAO Zhi-wei，CHEN Xue-you，PAN Qiong.Adaptive Control of PSS Based on Eigen Value Analysis and Prony Analysis[J].Shaanxi Electric Power，2011（5）：2012（6）：49-52，62.

[7]王小轶，武少飞.自适应模糊PID在舞台吊杆控制中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2013（2）：42-45.

WANG Xiao-yi，WU Shao-fei.Application of adaptive fuzzy PID in the stage boom machinery[J].Industrial Instrumentation&Automation，2013（2）：42-45.

[8]中华人民共和国国家标准 （GB/T23799-2009）[S].车用甲醇汽油（M85）.