基于ARM的汽车用甲醇/汽油双燃料控制器设计

韩晓霞,张庆顺

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

基于ARM的汽车用甲醇/汽油双燃料控制器设计

韩晓霞,张庆顺

(河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002)

提出了一种基于嵌入式ARM(advanced RISC machines,高级精简指令集机器)处理器的汽车用甲醇/汽油双燃料控制器设计方案.此控制器安装于汽车电控单元(ECU)与发动机之间，与ECU实现互动，通过安装在汽车发动机不同部位上的各种传感器采集发动机的各种工作参数，采用燃油喷射控制修正技术，依据甲醇与汽油的热值差异及替代关系修正喷油脉宽，实现双燃料控制.

甲醇燃料；燃油喷射修正；ARM控制器；双燃料控制

汽柴油的消耗随着汽车及其他内燃机的飞速发展而急剧增加，造成了世界范围内的能源危机，寻找替代能源将成为世界经济发展的关键.而工业的快速发展带来日益严重的环境问题，减少大气污染、使用清洁能源的呼声日益强烈,这就决定了代用燃料不仅要燃烧性能良好，其燃烧产物的清洁性亦要满足日益严格的排放规定.

近年来甲醇燃料以其优良的特性引起了各国政府的关注.甲醇燃料无色透明，呈液态，分子结构简单，辛烷值较高，含氧丰富易于燃烧，而且甲醇燃烧后常规排放污染物一般低于石油类燃料，主要的残留物是水，符合当下环境保护的理念.甲醇再生性良好，生产原料来源十分广泛，可以从煤、石油伴生气、天然气、植物秸秆，甚至可燃垃圾等资源中提炼，有助于缓解世界范围内的能源危机.

另外由于甲醇价格低廉，只相当于汽油的1/3，故在新燃料汽车上具有很广阔的应用前景.但甲醇与汽油的能效比为1.5∶1，而目前汽车的喷油系统都是按照汽油的能效值来设计的，故直接应用在目前的汽车上存在动力不足、打火困难、暖机时间长、断火、熄火等情况，因此甲醇/汽油双燃料工作模式便应运而生，为此，需要为现有的汽油发动机设计适合双燃料供给的控制器.

1 甲醇/汽油双燃料控制器总体设计

1.1控制理论基础

表1为甲醇、汽油主要理化性质的数据对比.从表中的分子式可以看出,甲醇氧分子质量比为50%,故燃烧过程清洁、低污染，满足对于替代能源清洁度的要求.但表中数据显示，汽油热值为43.50 MJ/kg,甲醇的热值为19.6 MJ/kg[1-2].从能量守恒的角度来说，在汽车发动机结构基本不变的条件下，要使汽车仍能正常运行，就必须使甲醇的供应量与当量汽油热值相同.

表1 甲醇和汽油的燃料特性比较

实现汽车的双燃料控制，即使汽车在甲醇、汽油任意燃料供能情况下都能正常行驶，这需要对不同燃料供能时的喷油量进行控制，进一步说就是控制不同燃料供能情况下发动机喷油嘴的开启时间.

发动机喷油嘴是一种精密的电磁开关，其2个接线端子一端连接来自电控单元的控制信号，另一端接发动机的+12 V电压.当控制信号为低电平(0)时，两接线端子间的电位差为12 V，有电流通过喷油嘴电磁线圈，使喷油嘴开启；当控制信号为高电平(+12 V)时，两接线端子间的电位差为零，没有电流通过喷油嘴电磁线圈，使喷油嘴关闭[3].因此，实现甲醇/汽油双燃料控制实际是根据燃料类型对喷油脉宽进行实时修正.

1.2设计方案

为了实现双燃料供给，需要一种新的燃油喷射控制器来改装现有车辆，使其也适应甲醇燃料.此控制器安装于汽车现有电控单元(ECU)与发动机之间，作为原车发动机ECU的辅助系统，应用燃油喷射控制修正技术，依据甲醇与汽油的热值差异及替代关系确定喷油脉宽，并配置一个辅助油箱和辅助喷油嘴，使汽车可使用甲醇/汽油2种燃料运行.基于此种设想讨论该控制器的设计方案.

控制器利用安装在汽车发动机不同部位上的各种传感器，测得发动机的各种工作参数，如冷却液温度信号、进气压力信号、主油路压力；并与原车发动机ECU进行有效的互动，获得ECU燃油喷射信号.然后根据工作参数信号判断车辆运行状态，重新生成燃油喷射信号，并接入至原车发动机喷油系统，从而使汽车发动机适应甲醇燃料[4].系统原理框图如图1所示.

2 硬件电路设计

2.1处理器模块电路设计

双燃料控制器的CPU采用ST公司的48脚ARM处理器STM32F101，本身具备2KRAM，32KFLAH，8路AD转换可以完成各传感器信号的采集.6路PWM输出可以通过调节定时器值完成喷油嘴及其他控制信号的输出.40个通用I/O管脚完成原车ECU喷油信号采集及重新生成的喷油信号输出.处理器电路如图2所示.

图1 系统硬件设计

图2 处理器电路

2.2外围电路设计

控制电路使用大功率MOS管IFR3205，通过嵌入式处理器发出的控制脉冲，完成对各喷油嘴(电磁阀)的开关控制.电磁阀为负端控制，即12 V常供，通过控制地线的通断实现对电磁阀的开关控制.

数据通讯接口利用ARM处理器本身的串口，但是STM32F101串行口不是标准的RS-232接口，故与计算机的RS-232接口不能直接对接，须使用电平转换器将TTL电平转换为RS-232电平,这样才能完成和计算机的通讯.计算机读取ARM处理器采集的原车各种参数信息、各部位的工作状态信息，依据甲醇与汽油的能耗比通过软件对控制器写入修正数据以修正喷油脉宽，使车辆适应甲醇燃料；设置水温控制阈值以确定使用主喷油嘴或者辅助喷油嘴；通过全局变量、参数初始化完成控制器的初始设置.

冷却液温度、进气压力检测使用原车配置的水箱热电偶(热敏电阻)，完成水温的检测，热电偶的输入经过电阻分压后，保持高阻状态，接入单片机的AD接口进行采样.热电偶的输出电压为0～5 V，需要进行分压到0～3 V进入AD采样.进气压力检测使用原车配置的压力传感器，输出为0～5 V的电压信号，需要进行分压到0～3 V进入AD采样.

原车喷油嘴脉宽检测通过接入原车喷油嘴控制脉冲信号，通过CPU的I/O端口检测信号的频率和占空比，作为原始数据，重新生成控制喷油嘴输出脉宽时以此为依据.

图3 程序流程Fig.3 Program flow

3 软件设计

控制器软件的主要处理内容包括：通过检测原车供油脉宽,确定基本脉宽数据,加以水温信号、负荷信号、燃料类型信号等数据的介入,对车辆不同工况的燃料供给进行最佳匹配；实现采用汽油燃料的独立供油冷启动模式，通过检测车辆水温确定是否启用冷启动功能，同时根据水温情况进行暖机供油调节；当主油路发生故障时启动应急功能(由冷启动供油系统实现)，避免拖车救援带来的损失；支持使用检测软件与控制器进行数据通信，实现对数据微调(包括喷油比例、温度与喷油量非线性关系、进气压力与喷油量非线性关系等)，以及对不同车况车辆的匹配兼容.根据读取到的实时数据，解决本系统及车辆本身出现的问题和故障[5-6].控制程序的流程如图3所示.

4 结束语

讨论了甲醇/汽油双燃料控制器的设计.现有汽车动力车辆使用该控制器进行双燃料改装后，可使用甲醇/汽油2种燃料运行.该控制器有许多优势，它与行车电脑保持通话，充分利用各种传感器信号，根据车辆运行的实时状况进行燃料的精确供给，更经济，更节约.在设计上充分考虑了单独使用甲醇时难以冷启、易熄火等问题，使用起来更安全，更便捷.硬件设计上采用嵌入式处理器和抗干扰的设计，具有较高的可靠性与稳定性.此外，改装时只需在原车结构基础上加装用来辅助原车ECU的双燃料控制器和辅助喷油嘴，不会增加原车负荷、危害发动机，车辆的改装难度小.最后，结合软件编程可以实现各种参数的有效控制和不同行车状况下的数据微调，确保最佳运行结果.

本控制器可应用于大部分汽车用户，尤其是营运车辆上.该研究成果能够有效地节约能源，节约资金，降低排放污染，为汽车用户降低使用费用，营运车辆提高收益等,从长远来看，也可为民用车辆提供一个节约资金的选择.

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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

国家自然科学基金资助项目(61074175)；河北省自然科学基金资助项目(E2013201176)；保定市科学技术研究与发展指导计划项目(12ZG017)；河北大学青年基金项目(2010Q01)

韩晓霞(1977-)，女，河北保定人，河北大学讲师，主要从事电路与系统方向研究.

E-mail:hanxiaoxia258@sohu.com

TM571

A

1000-1565(2013)04-0424-05

(责任编辑孟素兰)