基于AVR的柴油机预加热控制系统的设计

摘 要：介绍了AVR芯片ATmega8在汽车预加热控制系统中的应用。分析了汽车预加热的工作原理，在对系统整体设计作分析的基础上，着重介绍了预加热系统的硬件组成、结构特点和各模块的作用以及预加热器的进风阶段、给油阶段、点火阶段与工作阶段的过程控制，最后介绍了预加热器的优缺点。

关键词：汽车 预加热器 控制系统

中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0092-01

作为一种全新的汽车辅助供暖系统——驻车加热装置，正逐渐走入越来越多人的生活。在冬季的启车过程中一般需要在发动机点火后使其空转一段时间，待水温升至一定温度后再进行驾驶。该方式缺点主要集中在如下几个方面：首先，冷启动是否成功；其次，即使发动机点火成功，但为迅速提高冷却液的水温将不得不使用发动机空转的方式来达到目的，这将对发动机造成巨大的伤害[1]。本文介绍了一种基于avr单片机的汽车预加热控制系统的设计与应用，这种预加热装置在寒冷的冬季它可在乘客没有进入车内之前就向乘客舱及发动机舱提供供暖，在提供温暖、舒适的驾乘环境的同时，彻底解决车辆冬季冷启动的问题。

1 预加热器工作原理

预加热结构包括水泵、风机、油泵、散热器、燃烧室、排气管和点火器等组成。预加热过程主要分为进气阶段、喷油阶段、点火阶段和工作阶段四个工作步骤。进气阶段是外部空气进入预加热装置的燃烧室内，为预加热过程的点火阶段提供充足的氧气。喷油阶段指燃油泵从油箱中将燃油吸出，通过一段油管将燃油输送进燃烧室，燃油气与助燃空气充分混合后由点火器引燃。系统中的油泵为间歇式挤压泵，当需要抽取燃油时油泵以往复挤压的形式向加热器内部供油，该方式既可保证系统燃油的供应也可起到节油的目的。工作阶段指预加热装置利用其内部的水泵将发动机的冷却液吸入其本体内部的水套中，当冷却液流经热交换室的梳状换热片时进行热量交换，发动机冷却液被加热器管路送入空调暖风散热器中，在鼓风机的作用下达到对乘客舱供暖的目的。

2 控制系统设计

汽车预加热装置的控制系统采用模块化结构，主要由主控制器模块、传感单元、风机控制模块、油泵控制模块、水泵控制模块和电源模块6个部分组成。

2.1 核心控制器

考虑到控制系统模块的体积和成本，本控制系统的核心控制器采用AVR系列ATmega8单片机。AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线，可以获得较高的性能以及并行性。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

2.2 传感单元

模拟量采集主要是采集刚体温度、燃烧室温度以及水泵温度。刚体温度传感器用来检测刚体出水口的温度，并实时检测预加热过程的刚体温度变化，其传感单元采用高精度的热敏电阻。水泵温度传感器用来检测水泵入口的水温，并实时检测预加热过程的水温，它们均采用高精度的热敏电阻作为传感元件。燃烧室温度传感器用来检测燃烧室的温度，并实时检测燃烧室的温度，通过判断燃烧室的温度变化来检测系统的点火成功与否，燃烧室的温度传感单元选择要求其耐热温度至少为1500 ℃。

2.3 电源

单片机采用5 V电源供电，但是汽车预加热系统的外部供电电源根据汽车的型号不同而不同，一般有24 V、16 V、12 V等。本文设计的预加热系统主要安装在柴油机上，它的外部供电电源为24 V，因此本文选用LM2576作为电源调整模块。

2.4 电机驱动

控制分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）与脉冲宽度频率调制（PWM—PFM）三种。PWM控制是指脉冲频率固定、脉宽可调的控制方法，脉冲宽度调制控制是利用微处理器的数字输出来对电机进行控制的一种非常有效的技术，它是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。脉冲频率调制控制是指调制信号的占空比不变，频率变化的方法。PWM是利用波脉冲宽度控制输出，PFM是利用脉冲的有无控制输出。PWM优点是噪声低、满负载时效率高且能工作在连续导通模式。PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导通方式。PWM-PFM兼有PWM和PFM的优点。

3 加热器的过程控制

在汽车预加热装置的过程控制中主要分为进气阶段、喷油阶段、点火阶段和工作阶段。这几个阶段主要考虑的是油泵的泵油速度、风机的给风速度，如果油泵的泵油速度超过匹配的给风速度，就会导致泵油量过大，燃油没有充分燃烧就排入空气，从而造成环境污染、浪费能源等问题；若给风速度过大就会增加燃油熄火的可能性，也会导致燃油不能充分燃烧就排入空气的现象。

进气阶段只有风机在工作，转速为6000转/分，持续时间为12 s。然后改变PWM脉宽对风机调速，降低其转速，启动电热塞，电热塞预热，经过40 s后，油泵快速泵油进入喷油阶段，油泵以120 次/分的速度进油，喷油阶段与点火阶段没有明显的界限，根据燃烧室温度与刚体温度判断此时点火成功与否，如果点火成功则关闭电热塞，开启水泵。当水温达到78℃时，根据水温与燃烧室温度反馈降低风机转速与油泵的泵油频率，直到水温达到82℃时调整风机转速与油泵的泵油频率使水温保持不变，打开暖风。

4 结语

综上所述汽车预加热系统作为一种新兴的辅助供暖装置在冬季冷启动及预热驾驶舱方面有其突出的优势和特点，当然也存在着一些不足。

优点：有效提升整车的冷启动性能。在乘客进入驾驶舱前为其提供舒适的环境。对发动机提供有效的保护。可使用多种控制方式，包括远程及手动等多种方式。

缺点：成本高，不利于全面普及。增加燃油消耗。需对较多零部件进行设计更改，如油箱盖、整车线束、冷却循环系统等。

参考文献

[1] 田钧，赵南.汽车预加热系统结构分析及工作原理简介.中国科技信息，2006（24）：74-75.

[2] ATmega8.原理及应用手册[M].清华大学出版社，2003.