汽油—甲醇雙燃料發動機電控轉換單元的研究

裴 禹，李大尉，趙孟石，姚鴻賓，姚立明

(黑龍江省科學院高技術研究院機電研究室，哈爾濱150001)

能源與環境問題在我國是比較突出的問題，其中汽車行業帶來的污染是比較重要的一個因素。汽柴油的消耗與汽車產業的飛速發展是成正比的，因此尋找替代能源將成為世界經濟發展的關鍵所在。減少環境污染、使用清潔能源的呼聲日漸強烈，我國在替代燃料方面做了大量工作，取得了一定成效，如:推廣應用天然氣、石油液化氣，甲醇、甲醇汽車等，這也促進車用燃料向多元化方向發展。但是，從我國缺油、富煤的能源結構特點看，作為替代燃料，甲醇的發展前景廣闊［1］。

甲醇作為21世紀綠色能源，在燃燒時有以下特點:

極佳的冷卻作用:可以降低發動機溫度，不致發熱。

動力性:甲醇作為高辛烷值組分與汽油混溶后，使甲醇汽油辛烷值比高同標號汽油提高3～5個單位。

高辛烷值可增加機動車動力性，高速時明顯優于汽油。

尾氣排放:甲醇的C/H值較汽油小，完全燃燒時，排放尾氣中的HC、CO、NOx含量低基本不含硫，比燃油更環保。

安全性:由于甲醇蒸汽點燃爆炸的濃度是汽油的4倍，不易爆炸，比汽油更安全。

汽油—甲醇雙燃料發動機電控轉換單元能夠最大限度的利用甲醇，降低成本，減少環境污染，并緩解我國能源短缺危機，保證我國能源安全，實現汽車工業的可持續發展。本文主要從電控單元的硬件和軟件系統兩方面來介紹汽油—甲醇雙燃料發動機電控轉換單元的原理。

1 汽油—甲醇雙燃料發動機電控轉換單元原理

1.1 釆用單片機作為電控噴射系統的控制單元

汽油—甲醇雙燃料控制單元是整個系統的控制主體，系統主要包括了單片機微控模塊、采集數據以及噴醇控制模塊、開關切換模塊等，這些模塊的主要作用是進行數據采集、數據分析計算、數據輸出、數據顯示和系統調試，目的在于控制甲醇和汽油以一定的定摻比進行輸出，并根據需求的不同，來選擇是否需要采用摻醇的燃燒模式［2］。供醇管路由4部分組成，分別是:甲醇泵、壓力調節閥、甲醇箱、噴醇電磁閥，各個部分由膠管連接起來，它們的主要作用是產生并且提供高溫、高壓的甲醇，其中壓力調節閥的作用是維持固定不變的甲醇壓力值，用來保證當每次電磁閥的PWM輸出占空比相同時噴醇量也相同，其中油門執行機構和噴醇器組成了執行器。

電控噴射甲醇系統的總體設計是以甲醇噴射量控制為核心，采用進氣管電控噴射的開環靜態預定最優控制方式來控制甲醇噴射量。利用甲醇良好的揮發性及較大汽化潛熱，汽油機氣缸所需甲醇由進氣管噴入，由發火時間和配氣相位值確定甲醇的噴射定時，由脈沖寬度調制器脈沖控制甲醇噴射量。

1.2 電控系統的硬件

電控噴射甲醇系統硬件主要包括以下幾個部分:微控制器模塊(單片機)、數據采集模塊、噴醇電磁閥控制輸出模塊和調試模塊。此外還有電源模塊、復位模塊和開關切換模塊等。在硬件系統中，核心部件我們采用的是菊陽單片機控制電路，它主要的功能是處理各條線路輸入的信號，處理完成后輸出相對應的控制信號，以實現噴射甲醇準時以及噴醇量的精準控制。電源模塊的主要作用是向單片機控制電路提供穩定的5 V電壓。傳感器產生的信號分為數字信號和模擬信號兩種，這兩種信號經過前期信號處理后，可以產生單片機電路能識別的信號，最終送入微控制器進行處理。供油拉桿位移信號、轉速信號、轉矩信號等經調理后輸入單片機控制電路中，以提供相應的發動機運行狀態信息［3］。單片機控制電路輸出的信號經過驅動電路放大之后，推動執行元器件工作。控制電路中還增加了手動復位裝置，用來增強電控單元系統的可靠性。當系統程序因外界干擾而出現“程序跑飛”或“死機”時，通過手動復位可實現系統的正常運行。硬件電路板和電路圖如圖1和圖2所示。

圖1 電控單元電路板Fig.1 The circuit board of electronic control unit

圖2 電控單元電路原理圖Fig.2 The circuit schematics of electronic control unit

1.3 電控單元的軟件設計

汽油—甲醇雙燃料電控轉換單元系統的軟件設計采用菊陽系列JY2X00單片機仿真開發系統，程序部分主要包括發動機的轉速和轉矩的采集、凸輪軸脈沖采集，油門位置的A/D轉換程序、定時器中斷程序及數據處理等。電控轉換單元軟件系統的總體設計思路是:每隔一定人工設定的時間，由程序對工況進行采樣，然后將采樣信息進行數據處理，獲得工況對應的PWM值送脈寬調制輸出口，主程序流程圖如圖3所示。控制系統的軟件設計按系統功能將整個程序分成若干個模塊，每個程序模塊完成特定的計算、處理或控制功能［4］。在主程序設計中，必須要初始化設置電控單元系統內部的各種參數，這些參數包括:各個變量在CPU內存中存放的地址，如轉速測量值存放地址以及供油拉桿位移變量存放地址等。在程序運行過程中有時會由于電磁干擾等原因而造成程序錯誤，為了防止這種錯誤，主程序中添加了“看門狗”子程序用來保證系統的正常運行。在對CPU內存中的地址分配完畢之后，要確保開CPU中斷，這樣在主程序運行的過程中，單片機能按既定的時間準時“喂看門狗”。

2 結論

汽油—甲醇雙燃料發動機電控轉換單元能更好地調節燃料中甲醇的噴射量，以降低燃料中汽油的比例，從而使汽車獲得相同動力的情況下消耗更少的燃料。同時排放的尾氣中的C/H值有效降低并且大幅降低了硫元素的排放，對汽車發動機內部的安全性和清潔性也都有很大的提升。

［1］ 簡曉春，杜仕武.現代汽車技術及應用［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 高國珍，王玉輝，陳光敏.醇類燃料理化性質對汽油機性能及排放的影響［J］.江西能源，2004，(03):8—20.

［3］ 于曉陽，曾東健，王永忠，等.電噴汽油機燃用高比例甲醇汽油的實驗研究［C］∥北京:中國內燃機學會油品與清潔燃料分會第三屆學術年會.2011.

［4］ 閻文兵，姜紹忠.再用車燃用甲醇/汽油靈活燃料的改造［J］.天津工程師范學院學報，2010，20(1):3—5.