1 燃料供給系統(tǒng)
    對原機的改造主要是燃料供應(yīng)及噴射系統(tǒng)的改造，用一套完整的天然氣供給系統(tǒng)和電控系統(tǒng)來實現(xiàn)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(tǒng)示意圖。該設(shè)計實現(xiàn)了高壓天然氣的可靠存儲和壓力轉(zhuǎn)換，并可對供氣壓力進行實時監(jiān)測。

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(fā)，并且采用了多片式ECU設(shè)計。
    (1)多片式ECL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(dān)不同的工作內(nèi)容。圖2所示為多片式ECU的結(jié)構(gòu)簡圖?？紤]到控制系統(tǒng)的性能和特點，對3個MCU的任務(wù)做出如下分配：一個MCU專門負責(zé)點火，根據(jù)主MCU計算的數(shù)據(jù)和實際發(fā)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(xiàn)發(fā)動機電子點火。另一個MCU專門負責(zé)燃氣噴射，根據(jù)主MCU計算的數(shù)據(jù)和實際發(fā)動機運行情況，精確控制燃氣噴射時刻和噴射量，實現(xiàn)發(fā)動機電控燃氣噴射。主MCU主要接收各種傳感器采集的數(shù)據(jù)并進行計算，同時進行發(fā)動機的怠速控制和與監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)動機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，同時負責(zé)外界與發(fā)動機之間的通信，實時地了解發(fā)動機當(dāng)前的狀態(tài)，為下一步發(fā)動機控制提供良好的信息反饋。另外，分別將點火和噴射數(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)，采用3個At-mel公司AVR系列單片機組成多片式ECU控制系統(tǒng)，它們分別針對不同的對象各自分擔(dān)任務(wù)。如上所述，其中兩個ATmega8單片機，一個用于控制發(fā)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(fā)動機的燃料噴射量。
    考慮到控制系統(tǒng)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(fā)動機電子點火的MCU引腳圖及其附屬電路如圖3所示。

    另一個作為ECU主控單片機，同時進行發(fā)動機的怠速和ECU與監(jiān)控軟件的串口通信控制，引腳圖及其附屬電路如圖4所示。
    另外考慮到燃氣噴射的復(fù)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(fā)動機的燃料噴射。圖5為用于噴氣控制的AT-mega128單片機引腳圖及其附屬電路。

    (2)系統(tǒng)電源
    由于天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)為裝機嵌入式系統(tǒng)，ECU必須直接使用發(fā)動機蓄電池提供的電源，因此，必須將蓄電池的12 V電壓進行轉(zhuǎn)換，為單片機、輸入輸出接口和傳感器提供穩(wěn)定的+5 V、+12 V和+9 V電源。本設(shè)計采用了LM7809和LM7805兩個穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
    圖6為電源電路圖。

3 傳感器及信號處理
    (1)轉(zhuǎn)速傳感器
    轉(zhuǎn)速傳感器是位于分電器的霍爾傳感器，通過傳感器來捕獲分電器中齒輪的下降沿，從而進行轉(zhuǎn)速的計算以及各缸上止點的判斷，以進行精確的點火控制。圖7為轉(zhuǎn)速捕獲信號采集電路。
    (2)溫度傳感器
    水溫傳感器和進氣溫度傳感器原理基本相同，故其信號處理電路也基本一致，只需在參數(shù)上略加調(diào)整，現(xiàn)在以水溫傳感器為例說明。如圖8所示，信號采集轉(zhuǎn)化電路為電橋測量形式，利用單電源供電的運放LM324．實現(xiàn)信號的放大處理。

    進氣溫度傳感器信號的采集方式與水溫傳感器信號處理電路結(jié)構(gòu)相同。

4 執(zhí)行器與驅(qū)動控制
    (1)怠速步進電機
    在硬件設(shè)計過程中，通過主MCU輸出控制脈沖，經(jīng)過74F06芯片及LM293D步進電機驅(qū)動芯片來最終把信號輸出給步進電機的4個輸入端，控制步進電機的運轉(zhuǎn)方向和運轉(zhuǎn)步數(shù)，實現(xiàn)進氣旁通閥開度的大小調(diào)節(jié)從而完成了怠速過程的控制。圖9為ECU怠速步進電機驅(qū)動電路。

    (2)天然氣噴射閥
    噴氣驅(qū)動電路采用開關(guān)式電流反饋功率放大電路，利用脈寬調(diào)制(PWM)原理，輸出信號經(jīng)功率復(fù)合管放大，處于開關(guān)狀態(tài)。由于控制線圈的感抗作用，當(dāng)功率放大管開關(guān)導(dǎo)通時，通過線圈的電流按一階特性上升，其速率取決于電氣時間常數(shù)；當(dāng)功率放大管開關(guān)截止時，由于線圈旁路二極管的作用，工作電流也按一階特性下降。由于功率放大管只在“完全導(dǎo)通”和“完全截止”兩種工作情況下工作，所以功耗很低，效率高，也提高了系統(tǒng)工作的可靠性。燃氣噴射控制由燃料噴射MCU 來實現(xiàn)，通過采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號、進氣壓力信號、節(jié)氣門位置信號和氧傳感器信號等，經(jīng)過ECU的處理，控制噴射閥實現(xiàn)對發(fā)動機燃氣供給量的精確控制，從而有效地控制空燃比，使發(fā)動機處于穩(wěn)定高效的工作狀態(tài)。通過霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)速和曲軸位置信號，確定燃料噴射基準時刻。圖10為ECU噴氣驅(qū)動電路。

    (3)點火線圈
    發(fā)動機的電火花點火是通過一整套電器設(shè)備和機件，在相互配合下，將汽車的低壓電變?yōu)楦邏弘姡醚b在汽缸燃燒室內(nèi)的火花間隙放電，產(chǎn)生電火花，將可燃混合氣點燃做功，并能按發(fā)動機工作要求而自動調(diào)節(jié)點火時間，使點火可靠、準確。點火系統(tǒng)應(yīng)在發(fā)動機各種不同工況和使用條件下，均能保證正確而可靠的點燃混合氣。本系統(tǒng)由點火MCU輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動功率晶體管控制點火線圈初級回路的通斷，從而使次級感應(yīng)出高壓，完成發(fā)動機電子控制點火。圖11為 ECU點火驅(qū)動電路。

5 實驗監(jiān)控系統(tǒng)
    發(fā)動機實驗監(jiān)控系統(tǒng)一般包括直接對發(fā)動機控制的電控單元以及人機交互系統(tǒng)，所以一般分成兩級結(jié)構(gòu)。下位機由傳感器、執(zhí)行結(jié)構(gòu)及電控單元組成，上位機由PC機構(gòu)成。如圖12所示，系統(tǒng)監(jiān)控軟件為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于功能的實現(xiàn)。

    監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用VB軟件編制，利用VB中的MSComm控件可以很方便地提供串行端口通信功能。監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)的功能包括：參數(shù)采集、數(shù)據(jù)實時顯示、控制參數(shù)在線調(diào)整、數(shù)據(jù)圖形化顯示、數(shù)據(jù)離線圖形化顯示、數(shù)據(jù)保存、報警、打印等。
    監(jiān)控系統(tǒng)下位機電控單元采用AVR系列ATmega8單片機，通過串行通信模塊實現(xiàn)與上位機(PC機)的數(shù)據(jù)傳輸。電控單元通過傳感器采集發(fā)動機運行時的各種工況參數(shù)傳給上位機，以及驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)(噴嘴、點火線圈等)按照上位機傳來的控制參數(shù)動作，軟件采用C語言編制。在微機和單片機通信中，采用軟件握手協(xié)議。

6 臺架實驗
    (1)怠速控制系統(tǒng)
    如圖13所示，怠速控制主要由主MCU采用經(jīng)典PID控制策略來完成。PID控制允許工程技術(shù)人員以簡單直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而且在很寬的條件范圍內(nèi)都能保持很好的魯棒性。PID控制器是整個怠速控制系統(tǒng)的核心。在怠速閉環(huán)控制中需要用到的基本控制量是怠速轉(zhuǎn)速偏差，即怠速目標轉(zhuǎn)速與發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速之差，通過PID控制器的計算，得出步進電機的動作步數(shù)以及動作方向，改變旁通空氣進氣量，從而控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

    (2)電控點火系統(tǒng)
    電控點火系統(tǒng)的工作原理：首先對轉(zhuǎn)速信號和負荷信號進行采樣，送人計算單元，根據(jù)存儲在單片機中的點火MAP圖，采用插值和查表方法，確定最佳點火提前角；控制系統(tǒng)同時采集發(fā)動機其他工作參數(shù)信號，根據(jù)這些信號查出點火提前角的修正值，將最佳點火提前角修正后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的點火延遲時間。當(dāng)點火基準信號 (點火基準信號就是延遲基準信號，它一般是一個曲軸位置信號)到來時，控制系統(tǒng)計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)結(jié)束后，ECU通過接口發(fā)送點火信號，點火驅(qū)動電路得到這個信號后初級點火線圈開始閉合。
    此電控系統(tǒng)中點火提前角的控制以發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣壓力為基本輸入信號，通過查詢儲存在點火單片機中的點火MAP圖得出基本點火提前角，再通過發(fā)動機冷卻水溫、天然氣壓力、氧傳感器等信號進行修正。最終確定發(fā)動機當(dāng)前工況下的最佳點火提前角，然后由兩個計數(shù)器相互配合來完成點火提前角的控制。作為點火信號產(chǎn)生基準的是霍爾傳感器輸出的曲軸位置信號，在分電器內(nèi)安裝有產(chǎn)生該信號的信號齒盤?；魻杺鞲衅髅扛?80°CA(CA是發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)角)產(chǎn)生一個信號 (下降沿有效)，位置是壓縮上止點前86°CA。圖14為點火的時序圖。

    (3)燃氣噴射控制系統(tǒng)
    本電控系統(tǒng)中，選取了較為簡單和實用的速度一密度方式，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣歧管壓力得出進氣空氣量。由于燃氣噴射壓力一定，所以發(fā)動機的供氣量取決于噴射閥的噴射時間。噴射時間T由公式(1)得出：
    T=Tb·Fc+Tv (1)
    式中：T為天然氣噴射時間(ms)，Tb為基本噴射時間(ms)，F(xiàn)c為噴射時間修正系數(shù)，Tv為噴射閥延時(ms)。