基于51单片机的汽油机废气再循环控制系统设计

闫旭，郑艾欣，陈东方

（1.长安大学汽车学院，陕西 西安 710064；2.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

引言

随着全球经济技术的快速发展，汽车产业逐渐壮大。NOx是汽车主要有害排放物之一，对环境造成巨大危害。NOx生成条件之一是高温，如果将发动机排出的废气引入气缸，废气将原混合气稀释且不参与燃烧，这样缸内温度会下降从而降低NOx。传统机械式EGR控制系统调节能力差，难以在各工况下做出合适的改变。电控式EGR控制系统借助传感器可实现高精度输入，电控单元可根据实际参数实现高精度的控制，适用于各种工况，大大降低NOx的排放。

1 总体设计

EGR控制系统由电源模块、传感器模块、控制模块和执行模块组成。电源模块将车用蓄电池的电压转换为51单片机需要的电压。传感器模块将反映车辆状态的物理量转变为电信号送给电控单元。若采集的数据为模拟信号，需经A/D转化为数字信号才能被电控单元接收。电控单元对信号进行判断，确定是否进行EGR。若需要，则计算出废气再循环量和PWM信号，驱动EGR电磁阀，改变EGR阀开度控制进入气缸废气的量。EGR控制系统结构简图如图1：

图1 EGR控制系统结构简图

1.1 电源模块及传感器模块

车用蓄电池电压多为12V，单片机工作电压为5V，蓄电池提供的电压不能直接用于单片机。电源模块选用 LM7805芯片，输入电压为4V～36V，输出电压为5V，满足系统使用需求。传感器模块获取的信号有点火信号、发动机转速、冷却水温度、EGR阀开度、节气门位置。选用磁感应式转速传感器，通过单位时间内对输出信号计数可求得发动机转速；使用热敏电阻式温度传感器测量冷却水温度，对废气再循环量进行温度修正。EGR阀开度传感器测得EGR阀的开度实现闭环控制。

1.2 控制模块

单片机选用 AT89C51芯片，可满足较大规模系统的使用。部分传感器输出信号为模拟信号，经A/D转化为数字信号才能被单片机识别。A/D转换选用ADC0809芯片，允许8个模拟量输入，分时使用8位A/D转换器进行转化。

1.3 执行模块

执行模块包括EGR电磁阀和EGR阀。EGR电磁阀一端通进气管，一端通进气缓冲室。受单片机的控制，EGR电磁阀频繁开闭，改变EGR阀真空室的真空度，从而改变EGR阀的开度，且阀的开度取决于单片机输出的PWM信号。

2 电路设计

图2 总电路图

电压转换芯片LM7805输入+12V直流电，输出+5V直流电供单片机工作。在输入、输出端加上电容器可滤波并消除振动。冷却水温度、EGR阀开度、节气门位置三个模拟信号从ADC0809的1、2、3通道进入，分时使用A/D转化器进行转换，转换结束后数据经 P0口送入单片机。发动机转速信号从P3.5输入；点火信号从P2.0输入。单片机对数据进行分析，若不执行EGR，P1.1输出高电平驱动蜂鸣器报警；若执行EGR，单片机查询MAP图，计算后从P1.0输出PWM波，驱动执行机构，改变进入气缸废气的量。总电路图如图2。

3 软件设计

3.1 系统控制策略

发动机起动、怠速、负荷较低时，缸内燃烧不稳定，产生的NOx很少，为促进燃烧不进行EGR；中等负荷时发动机工作平稳，NOx排放较高，采用较大的EGR率。大负荷时，汽车需要大功率输出，不使用EGR。冷却水温度过高或过低时，不使用EGR。

3.2 系统总流程图

初始化后，单片机采集传感器信号进行判断。若不进行EGR则重新采集信号。若进行EGR，单片机查询MAP图，确定基本废气再循环量，再进行修正计算最终废气再循环量。然后输出PWM信号，驱动执行机构，实现废气再循环。单片机不断采集信号，实现新一轮的判断。总流程图如图3：

图3 总流程图

3.3 设计仿真

使用C语言编写程序，并使用Keil软件进行仿真。单片机开发使用较多的是Keil μVision 4软件，软件操作页面可视化，使用方便，含有多个库函数及编译工具。使用Keil软件内部仿真器，从P2.0口输入点火信号，其他传感器信号在编写程序时写入。单片机若判断不进行EGR，P1.1输出高电平驱动蜂鸣器。若进行 EGR，单片机查询 MAP图确定PWM信号，从P1.0输出。从仿真结果可以看出，若不进行EGR，P1.1输出高电平如图4，蜂鸣器会报警。若进行EGR，P1.0输出占空比信号如图5，且高低信号持续时间随输入量的变化而变化。

图4 蜂鸣器报警

图5 输出占空比信号

4 结论

电子EGR控制系统可降低NOx排放，使之在不同工况下处于最佳状态。设计了汽油机废气再循环控制系统，通过元器件对发动机工作参数进行采集，实现不同工况的最佳EGR控制，具有良好的稳定性，有效降低NOx排放。编写的程序顺利通过Keil软件的仿真，验证了设计的合理性。对保护人类生存环境，降低汽车排气污染，具有重要的现实意义。