一種采用AVR單片機的天然氣發動機系統設計

1 燃料供給系統

　　對原機的改造主要是燃料供應及噴射系統的改造，用一套完整的天然氣供給系統和電控系統來實現改造目的。所使用的天然氣是由高壓氣瓶（CNG）提供的壓縮天然氣， 出口壓力達到20 MPa。圖1所示為供氣系統示意圖。該設計實現了高壓天然氣的可靠存儲和壓力轉換，并可對供氣壓力進行實時監測[1]。

圖1 CNG供氣系統示意圖

　　2 電控單元

　　電控單元選用Atmel公司的AVR單片機，利用單片機C語言進行程序開發，并且采用了多片式ECU設計。

　　（1） 多片式ECU

圖2 多片式ECU結構簡圖

　　多片式ECU是指在一個電控單元ECU中使用多個單片機（MCU）。各個MCU分別承擔不同的工作內容。

　　圖2所示為多片式ECU的結構簡圖。考慮到控制系統的性能和特點，對3個MCU的任務做出如下分配：一個MCU專門負責點火，根據主MCU計算的數據和實際發動機運行情況，精確控制點火時刻和點火線圈的閉合時間，實現發動機電子點火。另一個MCU專門負責燃氣噴射，根據主MCU計算的數據和實際發動機運行情況，精確控制燃氣噴射時刻和噴射量，實現發動機電控燃氣噴射。主MCU主要接收各種傳感器采集的數據并進行計算，同時進行發動機的怠速控制和與監控系統進行實時通信，在怠速過程中完成對進空氣量的準確控制，從而保證發動機轉速的穩定，同時負責外界與發動機之間的通信，實時地了解發動機當前的狀態，為下一步發動機控制提供良好的信息反饋。另外，分別將點火和噴射數據傳輸給點火和燃氣噴射的MCU，同時提供額外的控制功能。

　　作為發動機ECU的核心部分，3個MCU必須采用功能強和運算速度高的單片機。針對本系統，采用3個Atmel公司AVR系列單片機組成多片式ECU控制系統，它們分別針對不同的對象各自分擔任務。如上所述，其中兩個ATmega8單片機，一個用于控制發動機的電子點火，一個作為ECU主控單片機；另外一個ATmega128單片機控制發動機的燃料噴射量[24]。

　　考慮到控制系統需要以及單片機的性能特點，在 多片式ECU中采用了兩個ATmega8單片機，其中用于控制發動機電子點火的MCU引腳圖及其附屬電路如圖3所示。

圖3 用于點火控制的ATmega8單片機引腳圖

　　另一個作為ECU主控單片機，同時進行發動機的怠速和ECU與監控軟件的串口通信控制，引腳圖及其附屬電路如圖4所示。

圖4 主控ATmega8單片機引腳圖

　　另外考慮到燃氣噴射的復雜性，選用了AVR家族另一款存儲空間大、引腳多、性價比高的ATmega128單片機來控制發動機的燃料噴射。圖5為用于噴氣控制的ATmega128單片機引腳圖及其附屬電路。