基于ARM的汽車用甲醇/汽油雙燃料控制器設計

韓曉霞,張慶順

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

基于ARM的汽車用甲醇/汽油雙燃料控制器設計

韓曉霞,張慶順

(河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071002)

提出了一種基于嵌入式ARM(advanced RISC machines,高級精簡指令集機器)處理器的汽車用甲醇/汽油雙燃料控制器設計方案.此控制器安裝于汽車電控單元(ECU)與發動機之間，與ECU實現互動，通過安裝在汽車發動機不同部位上的各種傳感器采集發動機的各種工作參數，采用燃油噴射控制修正技術，依據甲醇與汽油的熱值差異及替代關系修正噴油脈寬，實現雙燃料控制.

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及其他內燃機的飛速發展而急劇增加，造成了世界范圍內的能源危機，尋找替代能源將成為世界經濟發展的關鍵.而工業的快速發展帶來日益嚴重的環境問題，減少大氣污染、使用清潔能源的呼聲日益強烈,這就決定了代用燃料不僅要燃燒性能良好，其燃燒產物的清潔性亦要滿足日益嚴格的排放規定.

近年來甲醇燃料以其優良的特性引起了各國政府的關注.甲醇燃料無色透明，呈液態，分子結構簡單，辛烷值較高，含氧豐富易于燃燒，而且甲醇燃燒后常規排放污染物一般低于石油類燃料，主要的殘留物是水，符合當下環境保護的理念.甲醇再生性良好，生產原料來源十分廣泛，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的能源危機.

另外由于甲醇價格低廉，只相當于汽油的1/3，故在新燃料汽車上具有很廣闊的應用前景.但甲醇與汽油的能效比為1.5∶1，而目前汽車的噴油系統都是按照汽油的能效值來設計的，故直接應用在目前的汽車上存在動力不足、打火困難、暖機時間長、斷火、熄火等情況，因此甲醇/汽油雙燃料工作模式便應運而生，為此，需要為現有的汽油發動機設計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計

1.1控制理論基礎

表1為甲醇、汽油主要理化性質的數據對比.從表中的分子式可以看出,甲醇氧分子質量比為50%,故燃燒過程清潔、低污染，滿足對于替代能源清潔度的要求.但表中數據顯示，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說，在汽車發動機結構基本不變的條件下，要使汽車仍能正常運行，就必須使甲醇的供應量與當量汽油熱值相同.

表1 甲醇和汽油的燃料特性比較

實現汽車的雙燃料控制，即使汽車在甲醇、汽油任意燃料供能情況下都能正常行駛，這需要對不同燃料供能時的噴油量進行控制，進一步說就是控制不同燃料供能情況下發動機噴油嘴的開啟時間.

發動機噴油嘴是一種精密的電磁開關，其2個接線端子一端連接來自電控單元的控制信號，另一端接發動機的+12 V電壓.當控制信號為低電平(0)時，兩接線端子間的電位差為12 V，有電流通過噴油嘴電磁線圈，使噴油嘴開啟；當控制信號為高電平(+12 V)時，兩接線端子間的電位差為零，沒有電流通過噴油嘴電磁線圈，使噴油嘴關閉[3].因此，實現甲醇/汽油雙燃料控制實際是根據燃料類型對噴油脈寬進行實時修正.

1.2設計方案

為了實現雙燃料供給，需要一種新的燃油噴射控制器來改裝現有車輛，使其也適應甲醇燃料.此控制器安裝于汽車現有電控單元(ECU)與發動機之間，作為原車發動機ECU的輔助系統，應用燃油噴射控制修正技術，依據甲醇與汽油的熱值差異及替代關系確定噴油脈寬，并配置一個輔助油箱和輔助噴油嘴，使汽車可使用甲醇/汽油2種燃料運行.基于此種設想討論該控制器的設計方案.

控制器利用安裝在汽車發動機不同部位上的各種傳感器，測得發動機的各種工作參數，如冷卻液溫度信號、進氣壓力信號、主油路壓力；并與原車發動機ECU進行有效的互動，獲得ECU燃油噴射信號.然后根據工作參數信號判斷車輛運行狀態，重新生成燃油噴射信號，并接入至原車發動機噴油系統，從而使汽車發動機適應甲醇燃料[4].系統原理框圖如圖1所示.

2 硬件電路設計

2.1處理器模塊電路設計

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轉換可以完成各傳感器信號的采集.6路PWM輸出可以通過調節定時器值完成噴油嘴及其他控制信號的輸出.40個通用I/O管腳完成原車ECU噴油信號采集及重新生成的噴油信號輸出.處理器電路如圖2所示.

圖1 系統硬件設計

圖2 處理器電路

2.2外圍電路設計

控制電路使用大功率MOS管IFR3205，通過嵌入式處理器發出的控制脈沖，完成對各噴油嘴(電磁閥)的開關控制.電磁閥為負端控制，即12 V常供，通過控制地線的通斷實現對電磁閥的開關控制.

數據通訊接口利用ARM處理器本身的串口，但是STM32F101串行口不是標準的RS-232接口，故與計算機的RS-232接口不能直接對接，須使用電平轉換器將TTL電平轉換為RS-232電平,這樣才能完成和計算機的通訊.計算機讀取ARM處理器采集的原車各種參數信息、各部位的工作狀態信息，依據甲醇與汽油的能耗比通過軟件對控制器寫入修正數據以修正噴油脈寬，使車輛適應甲醇燃料；設置水溫控制閾值以確定使用主噴油嘴或者輔助噴油嘴；通過全局變量、參數初始化完成控制器的初始設置.

冷卻液溫度、進氣壓力檢測使用原車配置的水箱熱電偶(熱敏電阻)，完成水溫的檢測，熱電偶的輸入經過電阻分壓后，保持高阻狀態，接入單片機的AD接口進行采樣.熱電偶的輸出電壓為0～5 V，需要進行分壓到0～3 V進入AD采樣.進氣壓力檢測使用原車配置的壓力傳感器，輸出為0～5 V的電壓信號，需要進行分壓到0～3 V進入AD采樣.

原車噴油嘴脈寬檢測通過接入原車噴油嘴控制脈沖信號，通過CPU的I/O端口檢測信號的頻率和占空比，作為原始數據，重新生成控制噴油嘴輸出脈寬時以此為依據.

圖3 程序流程Fig.3 Program flow

3 軟件設計

控制器軟件的主要處理內容包括：通過檢測原車供油脈寬,確定基本脈寬數據,加以水溫信號、負荷信號、燃料類型信號等數據的介入,對車輛不同工況的燃料供給進行最佳匹配；實現采用汽油燃料的獨立供油冷啟動模式，通過檢測車輛水溫確定是否啟用冷啟動功能，同時根據水溫情況進行暖機供油調節；當主油路發生故障時啟動應急功能(由冷啟動供油系統實現)，避免拖車救援帶來的損失；支持使用檢測軟件與控制器進行數據通信，實現對數據微調(包括噴油比例、溫度與噴油量非線性關系、進氣壓力與噴油量非線性關系等)，以及對不同車況車輛的匹配兼容.根據讀取到的實時數據，解決本系統及車輛本身出現的問題和故障[5-6].控制程序的流程如圖3所示.

4 結束語

討論了甲醇/汽油雙燃料控制器的設計.現有汽車動力車輛使用該控制器進行雙燃料改裝后，可使用甲醇/汽油2種燃料運行.該控制器有許多優勢，它與行車電腦保持通話，充分利用各種傳感器信號，根據車輛運行的實時狀況進行燃料的精確供給，更經濟，更節約.在設計上充分考慮了單獨使用甲醇時難以冷啟、易熄火等問題，使用起來更安全，更便捷.硬件設計上采用嵌入式處理器和抗干擾的設計，具有較高的可靠性與穩定性.此外，改裝時只需在原車結構基礎上加裝用來輔助原車ECU的雙燃料控制器和輔助噴油嘴，不會增加原車負荷、危害發動機，車輛的改裝難度小.最后，結合軟件編程可以實現各種參數的有效控制和不同行車狀況下的數據微調，確保最佳運行結果.

本控制器可應用于大部分汽車用戶，尤其是營運車輛上.該研究成果能夠有效地節約能源，節約資金，降低排放污染，為汽車用戶降低使用費用，營運車輛提高收益等,從長遠來看，也可為民用車輛提供一個節約資金的選擇.

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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

國家自然科學基金資助項目(61074175)；河北省自然科學基金資助項目(E2013201176)；保定市科學技術研究與發展指導計劃項目(12ZG017)；河北大學青年基金項目(2010Q01)

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

E-mail:hanxiaoxia258@sohu.com

TM571

A

1000-1565(2013)04-0424-05

(責任編輯孟素蘭)