韓曉霞,張慶順

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

基于ARM的汽車(chē)用甲醇/汽油雙燃料控制器設(shè)計(jì)

韓曉霞,張慶順

(河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002)

提出了一種基于嵌入式ARM(advanced RISC machines,高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器)處理器的汽車(chē)用甲醇/汽油雙燃料控制器設(shè)計(jì)方案.此控制器安裝于汽車(chē)電控單元(ECU)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，與ECU實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，通過(guò)安裝在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位上的各種傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工作參數(shù)，采用燃油噴射控制修正技術(shù)，依據(jù)甲醇與汽油的熱值差異及替代關(guān)系修正噴油脈寬，實(shí)現(xiàn)雙燃料控制.

甲醇燃料；燃油噴射修正；ARM控制器；雙燃料控制

汽柴油的消耗隨著汽車(chē)及其他內(nèi)燃機(jī)的飛速發(fā)展而急劇增加，造成了世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)，尋找替代能源將成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵.而工業(yè)的快速發(fā)展帶來(lái)日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，減少大氣污染、使用清潔能源的呼聲日益強(qiáng)烈,這就決定了代用燃料不僅要燃燒性能良好，其燃燒產(chǎn)物的清潔性亦要滿足日益嚴(yán)格的排放規(guī)定.

近年來(lái)甲醇燃料以其優(yōu)良的特性引起了各國(guó)政府的關(guān)注.甲醇燃料無(wú)色透明，呈液態(tài)，分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，辛烷值較高，含氧豐富易于燃燒，而且甲醇燃燒后常規(guī)排放污染物一般低于石油類燃料，主要的殘留物是水，符合當(dāng)下環(huán)境保護(hù)的理念.甲醇再生性良好，生產(chǎn)原料來(lái)源十分廣泛，可以從煤、石油伴生氣、天然氣、植物秸稈，甚至可燃垃圾等資源中提煉，有助于緩解世界范圍內(nèi)的能源危機(jī).

另外由于甲醇價(jià)格低廉，只相當(dāng)于汽油的1/3，故在新燃料汽車(chē)上具有很廣闊的應(yīng)用前景.但甲醇與汽油的能效比為1.5∶1，而目前汽車(chē)的噴油系統(tǒng)都是按照汽油的能效值來(lái)設(shè)計(jì)的，故直接應(yīng)用在目前的汽車(chē)上存在動(dòng)力不足、打火困難、暖機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、斷火、熄火等情況，因此甲醇/汽油雙燃料工作模式便應(yīng)運(yùn)而生，為此，需要為現(xiàn)有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)適合雙燃料供給的控制器.

1 甲醇/汽油雙燃料控制器總體設(shè)計(jì)

1.1控制理論基礎(chǔ)

表1為甲醇、汽油主要理化性質(zhì)的數(shù)據(jù)對(duì)比.從表中的分子式可以看出,甲醇氧分子質(zhì)量比為50%,故燃燒過(guò)程清潔、低污染，滿足對(duì)于替代能源清潔度的要求.但表中數(shù)據(jù)顯示，汽油熱值為43.50 MJ/kg,甲醇的熱值為19.6 MJ/kg[1-2].從能量守恒的角度來(lái)說(shuō)，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)基本不變的條件下，要使汽車(chē)仍能正常運(yùn)行，就必須使甲醇的供應(yīng)量與當(dāng)量汽油熱值相同.

表1 甲醇和汽油的燃料特性比較

實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的雙燃料控制，即使汽車(chē)在甲醇、汽油任意燃料供能情況下都能正常行駛，這需要對(duì)不同燃料供能時(shí)的噴油量進(jìn)行控制，進(jìn)一步說(shuō)就是控制不同燃料供能情況下發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的開(kāi)啟時(shí)間.

發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴是一種精密的電磁開(kāi)關(guān)，其2個(gè)接線端子一端連接來(lái)自電控單元的控制信號(hào)，另一端接發(fā)動(dòng)機(jī)的+12 V電壓.當(dāng)控制信號(hào)為低電平(0)時(shí)，兩接線端子間的電位差為12 V，有電流通過(guò)噴油嘴電磁線圈，使噴油嘴開(kāi)啟；當(dāng)控制信號(hào)為高電平(+12 V)時(shí)，兩接線端子間的電位差為零，沒(méi)有電流通過(guò)噴油嘴電磁線圈，使噴油嘴關(guān)閉[3].因此，實(shí)現(xiàn)甲醇/汽油雙燃料控制實(shí)際是根據(jù)燃料類型對(duì)噴油脈寬進(jìn)行實(shí)時(shí)修正.

1.2設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)雙燃料供給，需要一種新的燃油噴射控制器來(lái)改裝現(xiàn)有車(chē)輛，使其也適應(yīng)甲醇燃料.此控制器安裝于汽車(chē)現(xiàn)有電控單元(ECU)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，作為原車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輔助系統(tǒng)，應(yīng)用燃油噴射控制修正技術(shù)，依據(jù)甲醇與汽油的熱值差異及替代關(guān)系確定噴油脈寬，并配置一個(gè)輔助油箱和輔助噴油嘴，使汽車(chē)可使用甲醇/汽油2種燃料運(yùn)行.基于此種設(shè)想討論該控制器的設(shè)計(jì)方案.

控制器利用安裝在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位上的各種傳感器，測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工作參數(shù)，如冷卻液溫度信號(hào)、進(jìn)氣壓力信號(hào)、主油路壓力；并與原車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行有效的互動(dòng)，獲得ECU燃油噴射信號(hào).然后根據(jù)工作參數(shù)信號(hào)判斷車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)，重新生成燃油噴射信號(hào)，并接入至原車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)，從而使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)甲醇燃料[4].系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1處理器模塊電路設(shè)計(jì)

雙燃料控制器的CPU采用ST公司的48腳ARM處理器STM32F101，本身具備2KRAM，32KFLAH，8路AD轉(zhuǎn)換可以完成各傳感器信號(hào)的采集.6路PWM輸出可以通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)器值完成噴油嘴及其他控制信號(hào)的輸出.40個(gè)通用I/O管腳完成原車(chē)ECU噴油信號(hào)采集及重新生成的噴油信號(hào)輸出.處理器電路如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 處理器電路

2.2外圍電路設(shè)計(jì)

控制電路使用大功率MOS管IFR3205，通過(guò)嵌入式處理器發(fā)出的控制脈沖，完成對(duì)各噴油嘴(電磁閥)的開(kāi)關(guān)控制.電磁閥為負(fù)端控制，即12 V常供，通過(guò)控制地線的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的開(kāi)關(guān)控制.

數(shù)據(jù)通訊接口利用ARM處理器本身的串口，但是STM32F101串行口不是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，故與計(jì)算機(jī)的RS-232接口不能直接對(duì)接，須使用電平轉(zhuǎn)換器將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平,這樣才能完成和計(jì)算機(jī)的通訊.計(jì)算機(jī)讀取ARM處理器采集的原車(chē)各種參數(shù)信息、各部位的工作狀態(tài)信息，依據(jù)甲醇與汽油的能耗比通過(guò)軟件對(duì)控制器寫(xiě)入修正數(shù)據(jù)以修正噴油脈寬，使車(chē)輛適應(yīng)甲醇燃料；設(shè)置水溫控制閾值以確定使用主噴油嘴或者輔助噴油嘴；通過(guò)全局變量、參數(shù)初始化完成控制器的初始設(shè)置.

冷卻液溫度、進(jìn)氣壓力檢測(cè)使用原車(chē)配置的水箱熱電偶(熱敏電阻)，完成水溫的檢測(cè)，熱電偶的輸入經(jīng)過(guò)電阻分壓后，保持高阻狀態(tài)，接入單片機(jī)的AD接口進(jìn)行采樣.熱電偶的輸出電壓為0～5 V，需要進(jìn)行分壓到0～3 V進(jìn)入AD采樣.進(jìn)氣壓力檢測(cè)使用原車(chē)配置的壓力傳感器，輸出為0～5 V的電壓信號(hào)，需要進(jìn)行分壓到0～3 V進(jìn)入AD采樣.

原車(chē)噴油嘴脈寬檢測(cè)通過(guò)接入原車(chē)噴油嘴控制脈沖信號(hào)，通過(guò)CPU的I/O端口檢測(cè)信號(hào)的頻率和占空比，作為原始數(shù)據(jù)，重新生成控制噴油嘴輸出脈寬時(shí)以此為依據(jù).

圖3 程序流程Fig.3 Program flow

3 軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件的主要處理內(nèi)容包括：通過(guò)檢測(cè)原車(chē)供油脈寬,確定基本脈寬數(shù)據(jù),加以水溫信號(hào)、負(fù)荷信號(hào)、燃料類型信號(hào)等數(shù)據(jù)的介入,對(duì)車(chē)輛不同工況的燃料供給進(jìn)行最佳匹配；實(shí)現(xiàn)采用汽油燃料的獨(dú)立供油冷啟動(dòng)模式，通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛水溫確定是否啟用冷啟動(dòng)功能，同時(shí)根據(jù)水溫情況進(jìn)行暖機(jī)供油調(diào)節(jié)；當(dāng)主油路發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急功能(由冷啟動(dòng)供油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn))，避免拖車(chē)救援帶來(lái)的損失；支持使用檢測(cè)軟件與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)微調(diào)(包括噴油比例、溫度與噴油量非線性關(guān)系、進(jìn)氣壓力與噴油量非線性關(guān)系等)，以及對(duì)不同車(chē)況車(chē)輛的匹配兼容.根據(jù)讀取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，解決本系統(tǒng)及車(chē)輛本身出現(xiàn)的問(wèn)題和故障[5-6].控制程序的流程如圖3所示.

4 結(jié)束語(yǔ)

討論了甲醇/汽油雙燃料控制器的設(shè)計(jì).現(xiàn)有汽車(chē)動(dòng)力車(chē)輛使用該控制器進(jìn)行雙燃料改裝后，可使用甲醇/汽油2種燃料運(yùn)行.該控制器有許多優(yōu)勢(shì)，它與行車(chē)電腦保持通話，充分利用各種傳感器信號(hào)，根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行燃料的精確供給，更經(jīng)濟(jì)，更節(jié)約.在設(shè)計(jì)上充分考慮了單獨(dú)使用甲醇時(shí)難以冷啟、易熄火等問(wèn)題，使用起來(lái)更安全，更便捷.硬件設(shè)計(jì)上采用嵌入式處理器和抗干擾的設(shè)計(jì)，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性.此外，改裝時(shí)只需在原車(chē)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加裝用來(lái)輔助原車(chē)ECU的雙燃料控制器和輔助噴油嘴，不會(huì)增加原車(chē)負(fù)荷、危害發(fā)動(dòng)機(jī)，車(chē)輛的改裝難度小.最后，結(jié)合軟件編程可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的有效控制和不同行車(chē)狀況下的數(shù)據(jù)微調(diào)，確保最佳運(yùn)行結(jié)果.

本控制器可應(yīng)用于大部分汽車(chē)用戶，尤其是營(yíng)運(yùn)車(chē)輛上.該研究成果能夠有效地節(jié)約能源，節(jié)約資金，降低排放污染，為汽車(chē)用戶降低使用費(fèi)用，營(yíng)運(yùn)車(chē)輛提高收益等,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，也可為民用車(chē)輛提供一個(gè)節(jié)約資金的選擇.

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DesignofARM-basedmethanol/gasolinedual-fuelcontroller

HANXiaoxia,ZHANGQingshun

(College of Electronic and Informational Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China)

The software and hardware design of an ARM-based methanol/gasoline dual-fuel controller was proposed. The controller was installed between the electronic control unit (ECU) and the engine of automobile, interacting with the ECU and collecting operating parameters by various transducers installed on the engine. Dual-fuel controlling was realized by fuel-injection-correction according to calorific value difference between methanol and petrol.

methanol; fuel injection correction; ARM controller; dual-fuel controlling

10.3969/j.issn.1000-1565.2013.04.016

2012-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61074175)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2013201176)；保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(12ZG017)；河北大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2010Q01)

韓曉霞(1977-)，女，河北保定人，河北大學(xué)講師，主要從事電路與系統(tǒng)方向研究.

E-mail:hanxiaoxia258@sohu.com

TM571

A

1000-1565(2013)04-0424-05

(責(zé)任編輯孟素蘭)