基于80C196KB单片机的柴油机微粒过滤器控制-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:介绍红外再生微粒过滤器的组成、工作原理以及过滤器控制系统的设计要求和软硬件设计。采用80C196KB控制柴油机微粒过滤器再生时机和再生调节阀开度。结果表明,过滤器能及时清除累积的微粒,保持良好的工作性能,能满足车用环境的要求。
关键词:柴油机;微粒过滤器;控制系统;再生时机;再生调节阀开度
中图分类号:TK421.5　文献标识码:A文章编号:1671-2471(2005)05-0013-03
1　前言
柴油机由于热效率高、适应性好、输出功率大等优点,正逐渐成为汽车的主要动力。但柴油机的排放微粒较多,污染大气环境对人体造成危害,因此,引起各国政府的普遍重视,制定了相应的限制柴油机排放的法规,并且要求越来越严格[1]。
为了满足排放法规的要求,采用微粒过滤技术净化柴油机微粒。再生方法的选择是过滤技术中首要解决的问题,再生技术种类繁多。设计中采用的红外辐射加热再生方式与其它方式相比较具有很多优点。红外辐射加热再生方式控制系统在国内外仍处于研究阶段。因此,对红外再生柴油机微粒过滤器控制系统的研究有实际意义。
2　微粒过滤器组成及工作原理
从控制系统的角度出发,总结过滤器的工作过程。图1为柴油机微粒过滤器系统简图。
如图1所示,当处于过滤状态时,三通阀处于中间位置,废气同时流过过滤器A和B。每隔20分钟三通阀轮流关闭其中的一个过滤器,确定再生时机[2]。再生时机由转速传感器、温度传感器、压力传感器确定。排气背压随发动机工况的变化而变化,首先根据测得的转速和排温,计算达到再生时应有的排气背压,然后将压力传感器实测的背压和计算的背压相比较,若实测值小于计算值,则未达到再生时机,继续过滤,若实测值大于计算值,则达到再生时机,开始再生。当一个再生时,另一个处于过滤状态。再生分为两个阶段,加热阶段和燃烧阶段。加热阶段,三通阀完全关闭流经陶瓷的气流,以利快速升温。当陶瓷前端温度达到微粒起燃温度600℃时,三通阀动作使一定量的废气流经再生陶瓷,前端开始燃烧,燃烧火焰向后传播,很快将整个过滤器内沉积的微粒燃烧殆尽,从而实现过滤器的再生。随发动机工况的变化,由步进电机精确调整再生调节阀开度,以保证再生用废气量处于最佳数量。采用供油拉杆位置传感器、温度传感器和压力传感器确定再生调节阀开度。首先根据测得的排气温度和背压,从基准负荷再生调节阀开度MAP中查得基准负荷再生调节阀开度,然后,根据负荷对基准开度进行修正。将基准值修正后输出给再生调节阀步进电机。

通过柴油机微粒过滤器控制系统方案可总结出与控制系统有关的输入输出信号如图2。

3　设计要求
柴油机微粒过滤器控制系统包括过滤和过滤体再生两大部分。再生时机的确定是过滤的关键。当达到再生时机时,再生废气量的多少,决定着再生能否顺利进行。因此,设计柴油机微粒过滤器控制系统的关键就是控制再生时机和再生调节阀开度[3]。
4　控制系统的硬件设计
控制系统采用80C196KB单片机作为控制器的核心,包括CPU、模拟量输入电路、光电隔离电路、放大驱动电路、外围电路、电源电路。
4.1　微控单元的选择
过滤器控制系统微处理器选用INTEL公司16位MCS80C196KB单片机[4],它是CHMOS高性能16位单片机中的一个新分支。CHMOS芯片耗电少,除正常工作节电方式,进一步减少了芯片的功耗。80C196KB采用高速输入/输出(HSIO)结构进行事件控制。HSIO有4个输入、6个输出,用两个16位定时器/计数器作为系统时间基准。
4.2　电源电路设计
在实车环境中,由于发电机和蓄电池组成的电源系统供电质量不高以及用电设备中存在很多感性负载,因此,为了保证控制器工作的可靠性和稳定性,合理设计控制器的电源是极为重要的。为此,控制器电源采用了两片DC-DC隔离电源模块V2和V3,以及精密电源LM336,LM336给CPU片内的A/D转换电路提供精确的参考电压。电路图如图3所示。
图中V2给印刷线路板上的CPU和存储器等数字电路供电。V3给传感器以及信号调理电路供电,数字量和开关量经光电隔离输入CPU的数字量输入通道,同样地,数字量输出通道也经光电隔离后输出。模拟量直接输入CPU的A/D转换通道,由于A/D转换电路集成在CPU芯片内部,要求数字地和模拟地最终要连接在一起,为了减少干扰,接地点应尽量靠近CPU芯片地线引脚。
接地问题实质上就是降低乃至消除公共地线阻抗产生的噪声电压,避免磁场和地电位差的影响,在控制器设计中,合理的接地是抑制干扰的主要方法之一。通过DC-DC电源的隔离,控制器的电源与车辆的电源隔离开来,数字地和模拟地与车辆的功率地隔离开来,有效地提高了控制器工作的可靠性和稳定性,极大地提高了抗干扰能力。

5　控制系统软件设计
软件设计采用汇编语言,采用模块化、结构化的设计方法[5],软件程序包括主程序以及中断程序。主程序重复固定的控制周期,控制周期的定时由软件定时器0完成。当软件定时器0到时后,控制过程重复下一个控制周期。主程序主要完成过滤器的过滤和再生。中断程序包括EX-TINT中断服务子程序和软件定时器1中断服务子程序等。EXTINT中断服务子程序判断过滤器是否达到再生时机,软件定时器1中断服务子程序判断微粒过滤器过滤过程或再生过程是否结束。图4为主程序框图。

6　结论
柴油机微粒过滤器采用红外加热再生方式,使得过滤器结构简单,使用寿命长。过滤器控制系统精确确定再生时机并控制再生调节阀开度,保证了过滤器再生过程的正常运行,提高了过滤器的再生效率。经过一年多的使用,表明该控制器具有较强的抗干扰能力和工作可靠性,因此,控制器设计是成功的。

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