基于STC12C2052的雙燃料控制器的設計

陳向奎 孟慶超

摘要：汽車點火時間內由汽油燃燒產生一定的熱量實現發動機啟動，由于甲醇熱值比汽油低，欲使甲醇汽油能夠實現發動機點火啟動，需要在點火期間內噴出更多的甲醇汽油才能產生發動機點火所需要的熱量，設計了甲醇汽油雙燃料控制器，接收并調整汽車ECU發出的噴油控制信號電平脈寬，根據甲醇和汽油的摻混比例調整燃油噴射量，使點火時間內甲醇汽油燃燒產生的熱量達發動機順利啟動需要。該控制器通過遙控器可以顯示燃油噴射量、并且可以顯示和修改控制信號脈寬信息，該控制器安裝后不影響汽車噴油系統原始結構，通過遙控器調整仍然可以使用純汽油作為燃料，安裝使用方便、成本低、節約能源，實驗和測試效果良好。

關鍵詞：甲醇汽油;脈寬調制;ECU

中圖分類號：TP23? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0220-02

1 背景

汽柴油燃料燃燒過程中釋放大量廢氣污染環境是造成霧霾、PM2.5等的原因之一。甲醇熱值19.96較汽油熱值為43.66要小，甲醇含氧約50%完全燃燒所需要的空氣量比汽油少，而甲醇和空氣的理論混合熱值與汽油相當。甲醇辛烷值較高作為發動機燃料具有價格低、抗暴性能好等優點。研究表明甲醇汽油廢氣的排放量較純汽油有明顯下降，甲醇合成工藝簡單、安全環保、價格低廉，作為替代能源在一定范圍內已經得到推廣和應用[1-3]。

汽車發動機的噴油和點火系統是按照以汽柴油為燃料來設計調試的，要想使發動機識別甲醇氣體并順利點火必須調整發動機的噴油量，噴油控制信號是由汽車ECU（Electronic Control Unit）發出的，為不改變原車結構必須設計安裝甲醇燃料控制器。

目前市面多數雙燃料控制器能很好地實現了發動機使用甲醇汽油作為燃料順利點火啟動的問題，但只能適應特定配比的甲醇汽油。汽車行駛過程中如添加汽油或甲醇將改變油箱中甲醇和汽油的混合比例，此控制器仍以特定的修正值調整噴油量，如汽油比例高將造成燃料的浪費，如甲醇比例高易造成不能順利點火。需要重新調整噴油脈寬修正值，過程煩瑣對技術人員的要求高，不利于產品的推廣和普及[4-8]。

2 系統設計依據

燃料的熱值是單位質量的燃料完全燃燒釋放的熱量，熱值的大小直接影響發動機的動力性能，是考量車輛使用經濟性的重要指標之一。不同配比甲醇汽油的熱值隨著甲醇比例的提高而逐漸降低。

目前汽車發動機噴油系統多是以汽油為燃料燃燒來設計的，即在單位點火時間內汽油燃燒產生的熱量達到發動機的啟動熱量需求。甲醇汽油的熱值低于汽油燃料，在單位點火時間內只要提高甲醇燃料的噴射量，使甲醇汽油燃燒的熱量達到發動機點火的熱量需求即可啟動發動機。根據甲醇汽油的配比不同修正不同的燃料噴射量即可使用任意配比的甲醇汽油啟動發動機。

發動機的噴油嘴是一個電磁開關，噴油嘴兩個接線端子一個接發動機的+12V電源，另一個是噴油控制信號，接汽車ECU（Electronic Control Unit）。當噴油控制信號為低電平時開啟噴油嘴進行燃料噴射，燃料噴射量隨著噴油控制信號低電平脈寬時間的調整而改變，當控制信號為高電平時關閉噴油嘴停止燃料噴射[6]。因此，為實現不同配比甲醇汽油啟動發動機，只需要調整該控制信號低電平的脈寬時間，即可實現任意配比的甲醇汽油啟動發動機。

3 系統設計方案

汽車噴油控制信號由ECU根據車輛運行狀況發出，直接接在噴油嘴接線端子上。在不改變原車ECU程序的前提下為修正甲醇汽油的噴油量，需切斷汽車原有噴油嘴控制線路，將原ECU發出的噴油控制信號接入甲醇控制器，根據不同配比的甲醇汽油調整相應的噴油控制信號低電平脈寬，將調整后的控制信號輸出給發動機噴油嘴。控制器系統結構如圖1所示：

為降低控制器的安裝調試難度和可操作性，增加遙控器實現對噴油量的調整以方便適應不同配比的甲醇汽油。增加顯示器直觀觀察選擇的噴油量檔位，為降低成本，主處理器采用單片機。

4 系統設計

為避免頻繁調整噴油量修正值，本設計控制器采用STC12C2052單片機，該單片機有4路PWM脈寬調制及非易失性EEPROM存儲器，EEPROM用于存放最近一次調整噴油量的修正值，汽車關閉后該數據不會丟失，啟動后自動利用存儲的修正值啟動發動機。4路PWM可對4路噴油量控制信號進行脈寬調制。控制器電路如圖2所示。

P3.2～P3.5端口用于監測接收ECU發出的噴油控制信號，使用遙控器發出的修正值對電噴信號進行PWM脈寬調制，調制后的噴油信號經過P1.0～P1.3輸出給發動機噴油嘴。

遙控器設置12個擋位，對應不同配比的甲醇汽油進行PWM脈寬調制，其中“0”擋位不進行脈寬調制，而是將ECU發出的電噴信號直接輸出給噴油嘴，保證在使用純汽油作為燃料的情況下仍能啟動發動機而不改變ECU的噴油控制脈寬。

為提高控制器的驅動能力，輸出端使用達林頓三極管，達林頓三極管又稱復合三極管，是將兩個三極管組合在一起，以組成一個等效的三極管，輸入阻抗高輸出阻抗低帶負載能力強，達林頓三極管的放大倍數是兩個三極管放大倍數之積，提供高電流放大增益。

噴油嘴是一個高精度電磁開關，線圈在通過電流時，會在其兩端產生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對電路中的元件產生反向電壓，當反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時，會對三極管等造成損壞。因此輸出端在噴油嘴的兩端并聯續流二極管，當流過線圈中的電流消失時，線圈產生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路消耗掉，從而保證電路中的其他元件能穩定工作。

P3.0、P3.1端口用于和計算機串行口連接實現串行通信和程序下載，單片機的串口是TTL電平，而PC機的串口是RS-232電平，兩種電平不兼容。為降低成本減小控制器的體積，對控制器進行編程時需連接RS-232轉TTL模塊，控制器電路板僅保留程序燒寫接口。

雙燃料控制器軟件的處理過程為：上電初始化后，CPU從EEPROM讀取最近一次調整的修正值，對ECU發出的4路電噴控制信號進行計算，確認脈寬數據，經過PWM脈寬調整后輸出給噴油嘴。如果查詢到遙控器輸入新的噴油修正值，將新的修正值存入EEPROM，然后以新的修正值對4路電噴控制信號進行脈寬調制輸出給噴油嘴。并通過顯示器實時顯示當前噴油量修正信息。

5 結束語

甲醇作為替代能源熱值較低，為使汽車發動機使用不同配比的甲醇汽油能順利點火啟動，設計了雙燃料甲醇汽油控制器。在實驗室用信號發生器和示波器對該控制器進行信號調整前后波形比對，效果明顯、波形清晰穩定。在出租車上進行試運行，任意配比的甲醇汽油均可在遙控器的調整下順利點火啟動，運行平穩。與其他控制器相比，因擋位較多在順利點火的情況下可以調整到最經濟的噴油量，降低燃料消耗。同時該控制器安裝后不影響車輛繼續使用純汽油作為燃料。因安裝調試方便、成本低、節約能源等特點，該控制器目前已在市面得到應用和推廣。

參考文獻：

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【通聯編輯：謝媛媛】