CN101793210A - 由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器 - Google Patents

由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其单片机设有四个测控端和一个电源输入端，电源输入端通过电源电压转换装置与燃油发动机的发电机端口或启动发动机的电瓶端口连接，或直接与专用电源连接，四个测控端分别与高压放电富氧产生装置的功率放大器的输出频率控制端、电磁气泵输出控制装置的控制端、故障监控装置的信号输入端和发动机工作状态监测控制装置的输入端连接。本发明能实时监测发动机的负载变化情况，通过改变放电单元的电源频率、电压和电磁气泵的工作频率及时调整富氧单元的富氧产生量，使发动机一直处于最佳工作状态，达到节约燃油的目的；能监测装置本身的工作状态，发生故障时能自动进行保护。

Description

由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器
所属领域
本发明涉及一种通过电化方式产生富氧(O3)帮助燃油发动机燃烧的节油的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器。
背景技术
燃油发动机又称内燃机，它是将热能转换成机械能来做功的一种机械装置，燃油发动机的工作过程可分为：进气行程，压缩行程，做功行程，排气行程等四个部分。
在压缩行程中，活塞将汽缸中的混合气(雾化油和空气)全部压缩到汽缸顶部的燃烧室，这时，燃烧室的压力(点火前)达最大值。与此同时，火花塞点火，点燃混合气。燃烧后的气体猛烈膨胀，推动相关机械装置把热能转化为机械能(做功行程)，这时的气体膨胀压力决定于混合气的燃烧程度，而燃烧程度来源于燃油与空气中的氧气比。所以，燃油发动机的燃烧效率与进气中氧气比有直接关系。提高燃油发动机的燃烧效率是一切燃油节油装置的最终目的。
目前燃油发动机节油方式大致有两种：化学方法，如在燃油中加入催化剂，加大燃油的分子间距使燃油分子能更充分地与氧分子充分混合，提高燃油的燃烧率。另一种是机械方法，通过改进发动机汽缸结构进气装置，如涡压节油，就是通过增大空气密度从而增加进入发动机汽缸的氧气含量，达到提高燃烧效率的目的。但上述两种助燃的方式都有很大的缺陷：化学的方法使用不方便，同时效果不明显；涡压增氧成本高需对发动机缸体进行专门改造，不易推广。
发明内容
富氧是氧气的同素异形体，氧化能力仅次于氟远高于氧气，是已知最强的氧化剂之一。富氧分子很不稳定容易分解成为氧气与氧原子，同时放出大量的热量，这种新生态的氧原子能诱发燃油进行链式反应，促进烃类燃料燃烧的链式反应。所以富氧参与燃油燃烧达到了催化助燃的作用。
本发明就是根据富氧助燃的原理，结合化学、物理、电子技术、计算机技术设计而成的富氧助燃节油装置。在发动进气道中，通过高压放电产生氧化能力远远高于氧气的富氧，吸入气缸参加燃油发动机的燃烧，缩短着火滞后期，从而达到改善燃油发动机燃烧性能和降低排放的目的。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：它包括一台单片机，高压放电富氧产生装置，电磁气泵输出控制装置、故障监测装置和发动机工作状态监测控制装置，单片机设有四个测控端和一个电源输入端，电源输入端通过电源电压转换装置与燃油发动机的发电机端口或启动发动机的电瓶端口连接，或直接与专用(5伏)电源连接，四个测控端分别与高压放电富氧产生装置的功率放大器的输出频率控制端、电磁气泵输出控制装置的控制端、故障监控装置的信号输入端和发动机工作状态监测控制装置的输入端连接。
本发明的有益效果是通过运行编制的程序，能实时监测发动机的负载变化情况，通过改变放电单元的电源频率、电压和电磁气泵的工作频率及时调整富氧单元的富氧产生量，使发动机一直处于最佳工作状态，达到节约燃油的目的；能监测装置本身的工作状态，发生故障时能自动进行保护。
附图说明
图1、本发明实施例1的结构方框示意图。
图2、本发明实施例1的单片机程序控制结构方框图。
图3、本发明实施例1的故障监控控制程序方框图。
图4、本发明实施例1的工作状态监测部分控制电路方框图。
图5、本发明实施例1的高压富氧产生部分控制电路示意图。
图6、本发明实施例1的电磁气泵控制电路示意图。
图7、本发明实施例1的故障监控部分控制电路示意图。
图8、本发明实施例1的故障报警部分控制电路示意图。
图9、本发明实施例1的总电路示意图。
图10、本发明实施例1的电源电压转换部分控制电路方框图。
图11、本发明实施例1的工作状态示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例它包括一台单片机，高压放电富氧产生装置，电磁气泵输出控制装置、故障监测装置和发动机工作状态监测控制装置，单片机设有四个测控端和一个电源输入端，电源输入端通过电源电压转换装置与燃油发动机的发电机端口或启动发动机的电瓶端口连接，或与专用的5伏电源连接，四个测控端分别与高压放电富氧产生装置的功率放大器的输出频率控制端、电磁气泵输出控制装置的控制端、故障监控装置的信号输入端和发动机工作状态监测控制装置的输入端连接。
当单片机与高压放电富氧产生装置连接的控制端的频率发生改变时高压放电富氧产生装置的功率放大器的频率和放电管的放电频率也发生改变；这样单片机通过发动机工作状态监测控制装置采集与发动机相连接的发电机端口电压，确定发动机当时的工作状况，因为发动机转速越高，发电机端口电压也就越高，发电机的端口电压间接映了发动机当时的工作状况，单片机根据发动机的工作状态发出相关指令控制高压放电富氧产生装置的高压放电单元的工作频率和工作电压，从而改变富氧的产生量；同时，单片机通过控制电磁气泵输出控制装置的方波驱动电路的频率从而改变电磁气泵的工作频率，控制富氧的输出量；故障监测由单片机通过故障监测装置监测取样电阻上的电压情况，利用单片机的中断控制功能控制放电单元的电源开关。
所述单片机型号为LPC760、LPC761、LPC762或LPC764；内部设有控制模块为：发动机工作状态监控模块，高压富氧产生控制模块，电磁气泵控制模块，和故障监控模块。
高压放电富氧产生装置包括放电管、升压变压器和功率放大电路组成，其电路为：功率放大器由开关三极管Q3、电阻R11、R14和二极管D2组成，功率放大器的控制端与单片机的一个控制端口(P12/T0)连接，功率放大器的工作频率是由单片机内部程序来控制的，另一端接在升压变压器的初级端，升压变压器次级端与放电管两端相连接。
发动机工作状态监测控制装置的外围电路是由一串联电阻组成的分压电路(R2、R9)，分压电路的一端与发动机相连的发电机输出端连接，另一端接在单片机上的一个控制端口，即单片机内部比较器的正向输入端P0.4/CIN1A，单片机内部比较器的参考输入设置成外部输入，比较器的参考输入电路由电阻R5、R10、电容C4组成，电阻R5的一端与单片机比较器参考输入端口(P0.5/CMPREF)连接，单片机通过采集与发动机相连接的发电机端口电压，确定发动当时的工作状况，单片机根据发动机的工作状态发出相关指令控制高压放电富氧产生装置的高压放电单元的工作频率、工作电压和电磁泵的工作频率从而改变富氧的产生量和输出量。
故障监测装置由一个串接在升压变压器初级端的电源回路上的小阻值取样电阻(R4)组成，取样电阻的一端接地，另一端接在由三极管(Q2)构成的反相电路上，反相电路的一端与单片机的中断(P1.3/INT0)控制端相连接，放电单元工作时，取样电阻会产生一个电压，这个电压能被单片机监测到，当高压放电单元电路发生短路、过流等故障时，取样电阻上的电压就会升得很高，当这个异常电压被监测到时，单片机就会发生中断响应，经过单片机内部程序判断后发出相关指令，切断放电单元的电源达到保护目的。
电磁气泵输出控制装置由方波驱动电路和电磁气泵组成，方波电路由触发电路(R6、D5、Q4)和开关电路(R13、Q1)构成，电磁气泵的电源端与一个方波驱动电路的一端连接，方波驱动电路的另一端与单片机一个端口(P1.1)或没有使用的单片机其它任一端口连接，方波驱动电路的工作频率由单片机的这个端口控制，改变了端口的高低电压出现的频率也就改变了电磁气泵的工作频率，富氧的输出量也就同时发生改变。
电源电压转换装置一部分通过升压变压器(J8)把蓄电池电压变压为高频高压，另一部分通过二级三端稳压器(U3型号LM7812系列、U2型号LM7805系列)把与发动机相连的发电机端口电压或蓄电池电压变压为单片机的电源电压。
高压放电富氧产生装置是应用电化方式从空气中产生富氧，由高压放电管、功率放大驱动电路和升压变压器组成，功率放大驱动电路的频率由单片机控制。当单片机控制端的频率发生改变时功率放大器的频率也发生改变，从而放电管的放电频率也会发生改变；分压电路是为了把发电机的端口电压限制在一个安全的范围，单片机通过采集与发动机相连接的发电机端口电压，确定发动当时的工作状况，发出相关指令控制高压放电单元的工作频率、工作电压，从而改变富氧的产生量；故障监测装置主要监测高压放电部分的工作状况，通过由一个串接在升压变压器初级端的电源回路上的小阻值取样电阻来完成，取样电阻的一端接地，另一端接在由三极管构成的反相电路上，反相电路的一端与单片机的一个中断控制端相连接，放电单元工作时，取样电阻会产生一个电压，这个电压能被单片机监测，当整个系统正常工作时，取样电阻上电压在一个正常范围之内，如果系统发生故障，例如高压放电单元电路发生短路、过流等故障时，取样电阻上的电压就会升得很高，当这个异常电压被监测到时，触发单片机的中断响应，单片机就会发出相关指令，切断放电单元的电源达到保护目的；经过高压放电富氧产生装置产生的富氧气体，是由一电磁气泵输出来的，电磁气泵的气体输出量是与电源的工作频率有关，电磁气泵的电源端接在一个方波驱动电路的一端，方波驱动电路的工作频率由单片机控制，当单片机输出频率发生改变方波驱动电路的工作频率也会发生改变，也就改变了电磁气泵的工作频率，富氧的输出量也就同时发生改变；电源电压转换装置的电源电压转换部分，一是通过升压变压器把蓄电池电压变成高频高压，另一是把蓄电池电压通过二级三端稳压器变成适用单片机的电源电压。
本实施例的单片机程序控制结构，如图2、9所示，由二十个逻辑部分组成，构成单片机的一个自检模块和四个控制模块：发动机工作状态监控模块；高压富氧产生控制模块；电磁气泵控制模块；故障监控模块。
根据电路原理图设计出好PCB电路板，并按照电路原理图中对元件的参数要求选取元件，按照电子产品的生产工艺、相关生产标准进行加工生产，检验合格后按要求接好线路，合上电源，单片机进入图11序号1程序开始工作，在完成上电初始化后进入图11序号2系统自检程序块。当单片机开始工作，在完成上电初始化后立即进入单片机内部硬件自我检查部分。这一部分主要是对单片微机内部重要的工作部件进行检查，确保系统在以后的工作中安全可靠。检查的部件是：CPU、内部的RAM、内部ROM、定时器、中断等重要部件。如果哪一个部件没有通过自检，就不会设立自检通过标志。单片机通过判断是否有自检通过标志，来判断单片机被检查的部件完好情况。缺失一个或多个自检通过标志，就关闭系统，进入图2所示序号4程序块，并用声音进行报警提示，不同的部件发不同的提示音，加以区别。只所有的部件检查通过后设置通过标志，才会启动系统，进入图11序号4工作状态监测模块，开始对发动机工作状态进行监测，以确定当时发动机的工作状态，是已经起动了还是没有起动。
发动机工作状态的监测是通过对与发动机相串连的发电机的端口电压的监测来达到的。因为与发动机相连的发电机的端口电压与发动机工作状态有关，发动机在工作的时候电源的端电压会升高，不工作的时候电源电压有一个较低的稳定值(发电机通过相关电路对电瓶充电，不充电时电源的端电压就是电瓶的端电压)，同时发动机转速越高，这个电压也就越高，因此监测电源电压的变化可以间接地监测发动机的工作状态。发动机工作状态的监测装置如图4示意，由单片机内部的比较器、电容充放电路组成的，这个电路的特点就是把比较器的参考电压接成RC放电电路，使比较器参考电压动态变化，结合单片机的特性，通过测量电容充放电时间来间接测得从比较器正向输入电压的数值，完成对与发动机相连的发电机的端口电压测量，间接达到对发动机工作状态的监测目的。
每次测定端口电压后，把得到的数值都与前次的电压数值进行比较，确定电压的变化方向。如果前次电压比现在测量的电压值低，而且这个电压变化值小于参考电压1伏，说明发动机没有工作，进入图2序号7程序块，存当前的电压值，并作为下次测量的参考值。然后返回图2序号5程序块，继续监测电源端口的电压情况。如果比较后电压的变化量大于1伏，说明发动机在使用电瓶电源进行启动，进入图2序号8，设置电压下降(启动)标志并开始图2序号9程序块的运行。设置参考电压值是为了避免电源由于不可确定的因素产生的电压下降、上升(如电瓶的内阻会导致端电压缓慢下降)，而引起的单片机的误判。
完成电压下降标志的设置后，再进入图11开始电源端口电压方向的判断。使用蓄电池启动发动机时，电池大电流放电会引起电池端电压的下降。当发动机自主工作时会带动与之相连的发电机工作产生电压，所以在发动机从起动到正常工作时，电源端口的电压变化是这样的一过程，先是电压下降再电压上升。单片机通过监测这一过程可以判断发动机是否完成了起动的过程。如有变化则则说明发动开始了正常工作。发动机正常工作后，进入图11进入故障监控模块(6)，启动节油器故障检测，如果没有异常情况，清电压下降标志，设置工作标志，进入图11序号5、7高压放电富氧产生和电磁气泵驱动程序块，把产生的富氧送入发动机气缸参与燃烧。电源端口电压方向的判别技术要点是把当前电压值与前次电压值进行比较，判断电压的变化方向。如果当前电压值大于前次值，并且大于参考电压值1伏电压，则说明发动机已正常启动，进入图2序号12程序块。如果没有变化或变化值小于1伏，说明本次启动失败，进入图2序号11程序块，清下降标志，返回图2序号5程序块，继续监测电源端口的电压变化情况。设置参考电压值是为了避免电源由于不可确定的因素产生的电压下降、上升，而引起的单片机的误判。
系统正常工作后，为了跟踪发动机工作的状态，继续通过监测电源端口的电压变化，间接地监控发动机的工作情况。得到测量值后，进入图2序号15程序块，判断端口电压的变化方向。如电压没的下降，进入图2序号16程序块，存当前电压值作为下次测量比较的参考量，同时返回图2序号14程序块，继续端口电压的监测。如果发生电压下降，进入图2序号17程序块，判别有无正常工作标志，没工作标志说明这次启动是由于干扰产生的误动，进入图2程序号20的程序块，关闭系统工作，返回图2序号2的程序块，继续监视电源端口的电压情况，确定发动机的工作状态。有工作标志，进入图2序号18的程序块，存当前的电源端口电压，作为下次测量比较的参考值。
有工作标志电源端口电压变化的方向又是减小的，说明发动机从工作到停止工作，进入图2序号19的程序块，进行延时，延时一定时间后，在延时的过程中如果没有发生电压增大的情况则进入图2序号20的程序块，清工作标志，关闭高压发生装置，停止电磁气泵的驱动，返回图2序号为2的程序块，开始下一轮的监控工作。
本实施例的故障监控控制程序结构，如图3所示，由四个逻辑部分组成：
该故障监控是利用了单片机的一个重要特性来达到的，单片机的中断响应。本实例实施的中断响应设定为最高级。在图3序号31的程序块中，设定单片机的中断响应为最高级响应，以便能使单片机对于故障的处理作出最快的反映。然后进入图3序号32的程序块，监测系统运行情况，没有异常返回图3序号为32的程序块，继续监测系统状态，发生异常情况，进入图3序号为33的程序块，关闭高压发生器、停止电磁气泵工作后进入图3序号为34的程序块，启动报警装置报警。

Claims (8)

1.一种由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，它包括一台单片机，高压放电富氧产生装置，电磁气泵输出控制装置、故障监测装置和发动机工作状态监测控制装置，单片机设有四个测控端和一个电源输入端，电源输入端通过电源电压转换装置与燃油发动机的发电机端口或启动发动机的电瓶端口连接，或直接与专用电源连接，四个测控端分别与高压放电富氧产生装置的功率放大器的输出频率控制端、电磁气泵输出控制装置的控制端、故障监控装置的信号输入端和发动机工作状态监测控制装置的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：当单片机与高压放电富氧产生装置连接的控制端的频率发生改变时高压放电富氧产生装置的功率放大器的频率和放电管的放电频率也发生改变；这样单片机通过发动机工作状态监测控制装置采集与发动机相连接的发电机端口电压，确定发动机当时的工作状况，单片机根据发动机的工作状态发出相关指令控制高压放电富氧产生装置的高压放电单元的工作频率和工作电压，从而改变富氧的产生量；同时，单片机通过控制电磁气泵输出控制装置的方波驱动电路的频率从而改变电磁气泵的工作频率，控制富氧的输出量；故障监测由单片机通过故障监测装置监测取样电阻上的电压情况，利用单片机的中断控制功能控制放电单元的电源开关。
3.根据权利要求1或2所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：所述单片机型号为LPC760、LPC761、LPC762或LPC764；内部设有控制模块为：发动机工作状态监控模块，高压富氧产生控制模块，电磁气泵控制模块和故障监控模块。
4.根据权利要求1或2所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：高压放电富氧产生装置包括放电管、升压变压器和功率放大电路组成，其电路为：功率放大器由开关三极管(Q3)、电阻(R11、R14)和二极管(D2)组成，功率放大器的控制端与单片机的一个控制端口(P12/T0)连接，另一端接在升压变压器的初级端，升压变压器次级端与放电管两端相连接。
5.根据权利要求1或2所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：发动机工作状态监测控制装置的外围电路是由一串联电阻组成的分压电路(R2、R9)，分压电路的一端与发动机相连的发电机输出端连接，另一端接在单片机上的一个控制端口，即单片机内部比较器的正向输入端(P0.4/CIN1A)，单片机内部比较器的参考输入设置成外部输入，比较器的参考输入电路由电阻(R5、R10)、电容(C4)组成，电阻(R5)的一端与单片机比较器参考输入端口(P0.5/CMPREF)连接，单片机通过采集与发动机相连接的发电机端口电压，确定发动当时的工作状况，单片机根据发动机的工作状态发出相关指令控制高压放电富氧产生装置的高压放电单元的工作频率、工作电压和电磁泵的工作频率从而改变富氧的产生量和输出量。
6.根据权利要求1或2所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：故障监测装置由一个串接在升压变压器初级端的电源回路上的小阻值取样电阻(R4)组成，取样电阻的一端接地，另一端接在由三极管(Q2)构成的反相电路上，反相电路的一端与单片机的中断(P1.3/INTO)控制端相连接，放电单元工作时，取样电阻会产生一个电压，这个电压能被单片机监测到，当高压放电单元电路发生短路、过流等故障时，取样电阻上的电压就会升得很高，当这个异常电压被监测到时，单片机就会发生中断响应，经过单片机内部程序判断后发出相关指令，切断放电单元的电源。
7.根据权利要求1或2所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：电磁气泵输出控制装置由方波驱动电路和电磁气泵组成，方波电路由触发电路(R6、D5、Q4)和开关电路(R13、Q1)构成，电磁气泵的电源端与一个方波驱动电路的一端连接，方波驱动电路的另一端与单片机一个端口(P1.1)或没有使用的单片机其它任一端口连接，方波驱动电路的工作频率由单片机的这个端口控制，改变了端口的高低电压出现的频率也就改变了电磁气泵的工作频率，富氧的输出量也就同时发生改变。
8.根据权利要求1或2所述的由单片机控制的富氧型燃油发动机节油器，其特征是：电源电压转换装置一部分通过升压变压器(J8)把蓄电池电压变压为高频高压，另一部分通过二级三端稳压器(U3型号LM7812系列、U2型号LM7805系列)把与发动机相连的发电机端口电压或蓄电池电压变压为单片机的电源电压。
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