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计算机工程应用技术
陈向奎，孟庆超
（洛阳师范学院信息技术学院，河南洛阳471000）
机点火启动，需要在点火期间内喷出更多的甲醇汽油才能产生发动机点火所需要的热量，设计了甲醇汽油双燃料控制器，接收并调整汽车ECU 发出的喷油控制信号电平脉宽，根据甲醇和汽油的掺混比例调整燃油喷射量，使点火时间内甲醇汽油燃烧产生的热量达发动机顺利启动需要。该控制器通过遥控器可以显示燃油喷射量、并且可以显示和修改控制信号脉宽信息，该控制器安装后不影响汽车喷油系统原始结
构，通过遥控器调整仍然可以使用纯汽油作为燃料，安装使用方便、成本低、节约能源，实验和测试效果良好。关键词：甲醇汽油；脉宽调制；ECU 中图分类号：TP23
文献标识码：A
文章编号：1009-3044(2020)36-0220-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：
1背景
汽柴油燃料燃烧过程中释放大量废气污染环境是造成雾霾、PM2.5等的原因之一。甲醇热值19.96较汽油热值为43.66要小，甲醇含氧约50%完全燃烧所需要的空气量比汽油少，而甲醇和空气的理论混合热值与汽油相当。甲醇辛烷值较高作为发动机燃料具有价格低、抗暴性能好等优点。研究表明甲醇汽油废气的排放量较纯汽油有明显下降，甲醇合成工艺简单、安全环保、价格低廉，作为替代能源在一定范围内已经得到推广和应用[1-3]。汽车改甲醇
汽车发动机的喷油和点火系统是按照以汽柴油为燃料来设计调试的，要想使发动机识别甲醇气体并顺利点火必须调整发动机的喷油量，喷油控制信号是由汽车ECU （Electronic Con⁃trol Unit ）发出的，为不改变原车结构必须设计安装甲醇燃料控制器。
目前市面多数双燃料控制器能很好地实现了发动机使用甲醇汽油作为燃料顺利点火启动的问题，但只能适应特定配比的甲醇汽油。汽车行驶过程中如添加汽油或甲醇将改变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调整喷油量，如汽油比例高将造成燃料的浪费，如甲醇比例高易造成不能顺利点火。需要重新调整喷油脉宽修正值，过程烦琐对技
术人员的要求高，不利于产品的推广和普及[4-8]
。
2系统设计依据
燃料的热值是单位质量的燃料完全燃烧释放的热量，热值的大小直接影响发动机的动力性能，是考量车辆使用经济性的重要指标之一。不同配比甲醇汽油的热值随着甲醇比例的提高而逐渐降低。
目前汽车发动机喷油系统多是以汽油为燃料燃烧来设计的，即在单位点火时间内汽油燃烧产生的热量达到发动机的启
动热量需求。甲醇汽油的热值低于汽油燃料，在单位点火时间
内只要提高甲醇燃料的喷射量，使甲醇汽油燃烧的热量达到发动机点火的热量需求即可启动发动机。根据甲醇汽油的配比不同修正不同的燃料喷射量即可使用任意配比的甲醇汽油启动发动机。
发动机的喷油嘴是一个电磁开关，喷油嘴两个接线端子一
个接发动机的+12V 电源，另一个是喷油控制信号，接汽车ECU (Electronic Control Unit)。当喷油控制信号为低电平时开启喷油嘴进行燃料喷射，燃料喷射量随着喷油控制信号低电平脉宽时间的调整而改变，当控制信号为高电平时关闭喷油嘴停止燃
料喷射[6]
。因此，为实现不同配比甲醇汽油启动发动机，只需要调整该控制信号低电平的脉宽时间，即可实现任意配比的甲醇汽油启动发动机。
3系统设计方案
汽车喷油控制信号由ECU 根据车辆运行状况发出，直接接在喷油嘴接线端子上。在不改变原车ECU
程序的前提下为修正甲醇汽油的喷油量，需切断汽车原有喷油嘴控制线路，将原ECU 发出的喷油控制信号接入甲醇控制器，根据不同配比的甲醇汽油调整相应的喷油控制信号低电平脉宽，将调整后的控制信号输出给发动机喷油嘴。控制器系统结构如图1所示：
图1控制器结构图
为降低控制器的安装调试难度和可操作性，增加遥控器实
收稿日期：2020-09-08
作者简介：陈向奎（1977—），男，河南洛阳人，实验师，硕士，研究方向为电子线路、嵌入式控制；孟庆超(1980—)，男，湖北襄阳人，实
验师，研究方向为嵌入控制。
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第16卷第36期(2020年12月)
现对喷油量的调整以方便适应不同配比的甲醇汽油。增加显示器直观观察选择的喷油量档位，为降低成本，主处理器采用单片机。
4系统设计
为避免频繁调整喷油量修正值，本设计控制器采用STC12C2052单片机，该单片机有4路PWM 脉宽调制及非易失性EEPROM 存储器，EEPROM 用于存放最近一次调整喷油量的修正值，汽车关闭后该数据不会丢失，启动后自动利用存储的修正值启动发动机。4路PWM 可对4路喷油量控制信号进行脉宽调制。控制器电路如图2
所示。
图2控制器电路图
P3.2～P3.5端口用于监测接收ECU 发出的喷油控制信号，使用遥控器发出的修正值对电喷信号进行PWM 脉宽调制，调制后的喷油信号经过P1.0～P1.3输出给发动机喷油嘴。
遥控器设置12个挡位，对应不同配比的甲醇汽油进行PWM 脉宽调制，其中“0”挡位不进行脉宽调制，而是将ECU 发出的电喷信号直接输出给喷油嘴，保证在使用纯汽油作为燃料的情况下仍能启动发动机而不改变ECU 的喷油控制脉宽。
为提高控制器的驱动能力，输出端使用达林顿三极管，达林顿三极管又称复合三极管，是将两个三极管组合在一起，以组成一个等效的三极管，输入阻抗高输出阻抗低带负载能力强，达林顿三极管的放大倍数是两个三极管放大倍数之积，提供高电流放大增益。
喷油嘴是一个高精度电磁开关，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压，当反向电压高于元件的反向击穿电压时，会对三极管等造成损坏。因此输出端在喷油嘴的两端并联续流二极管，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路消耗掉，从而保证电路中的其他元件能稳定工作。
P3.0、P3.1端口用于和计算机串行口连接实现串行通信和
程序下载，单片机的串口是TTL 电平，而PC 机的串口是RS-232电平，两种电平不兼容。为降低成本减小控制器的体积，对控制器进行编程时需连接RS-232转TTL 模块，控制器电路板仅保留程序烧写接口。
双燃料控制器软件的处理过程为：上电初始化后，CPU 从EEPROM 读取最近一次调整的修正值，对ECU 发出的4路电喷控制信号进行计算，确认脉宽数据，经过PWM 脉宽调整后输出给喷油嘴。如果查询到遥控器输入新的喷油修正值，将新的修正值存入EEPROM ，然后以新的修正值对4路电喷控制信号进行脉宽调制输出给喷油嘴。并通过显示器实时显示当前喷油量修正信息。
5结束语
甲醇作为替代能源热值较低，为使汽车发动机使用不同配比的甲醇汽油能顺利点火启动，设计了双燃料甲醇汽油控制器。在实验室用信号发生器和示波器对该控制器进行信号调整前后波形比对，效果明显、波形清晰稳定。在出租车上进行试运行，任意配比的甲醇汽油均可在遥控器的调整下顺利点火启动，运行平稳。与其他控制器相比，因挡位较多在顺利点火的情况下可以调整到最经济的喷油量，降低燃料消耗。同时该控制器安装后不影响车辆继续使用纯汽油作为燃料。因安装调试方便、成本低、节约能源等特点，该控制器目前已在市面得到应用和推广。
参考文献:
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