0．引言

在许多场合需要取暖或者加热，除了使用电以外还可以采用燃油的方式。家庭使用的燃油取暖器就是其中一个应用，它是使用专用煤油燃烧产生热量的，如果油料不能充分燃烧，会产生有害气体污染室内空气，影响人的健康，浪费能源。在使用过程中，需要根据温度的设定，喷适量的油，使充分燃烧。油在燃烧过程中需要不断补充油量提供氧气，需要提供燃烧的环境和进行热量的交换。为了完成燃烧的过程，需要相应的部件组成一个燃烧器并对它进行控制。由于油的燃烧和控制是复杂的过程，一般都采用单片机进行控制。

1．燃烧过程需要的主要部件

1．1油泵

油泵的结构如图1所示，它由电磁线圈和泵阀二部分组成。油泵中的阀体为软铁，电磁线圈不通电的时候，在弹簧力的作用下，处于A的位置，泵内充满油，当电磁线圈通电的时候，在磁场力的作用下，阀体向B方向运动，逆止阀关闭，泵体内的油在阀体的作用下，通过喷嘴喷出。

根据实验，试制的油泵电气参数如下：

电磁线圈为直流电磁线圈，以直流脉冲信号为动力

线圈：直径为0.23mm的铜漆包线

电感量：80mH

电源电压：24V直流电

脉冲宽度：7mS

    脉冲频率：1-99Hz

在燃烧过程中，油泵的油是以脉冲的方式加入的，单位时间内的喷油量与脉冲的频率有关。固定控制电压的脉冲宽度，通过改变脉冲的频率来控制喷油量。控制电压的脉冲宽度为7mS，最大喷油量为0.0733ml/s,频率为20Hz, 最小喷油量为0.0267ml/s,频率为6Hz。表1记录了频率分别为6Hz、10Hz、15Hz、20Hz，每次连续工作30S时喷油量与频率的关系。由表1可知，在同一频率时，油泵的喷油量是稳定的。

                     表1  喷油量与喷油频率的关系

1．2燃油液位检测器

在燃烧过程中，燃油被消耗到一定程度，油泵不能提供充足的油量，会影响燃烧的效果。在使用前和使用过程中，需要进行检测，当液位低时，单片机将自动熄火关机。液位检测器为干璜管，提供一个开关量信号。

1．3 燃烧风机

    燃烧风机是交流供电的，它承担了提供充分燃烧的氧气和热交换的作用。它吸入室内空气使通过燃烧器，提供燃烧过程需要的氧气，并同时使空气加热后进入室内。控制可控硅导通角来实现风机的无级调速。

1．4 燃烧状态检测器

    燃油得到充分燃烧，火焰产生的温度就高，检测器产生的电压也高，通过检测它的电压可以判别燃烧是否充分。检测器由耐高温不锈钢材料加工而成。

1．5 燃烧器

    燃烧器是一钢质盆状容器，内置220V电加热器，是燃油进行燃烧产生热量的部件。控制可控硅导通角实现电加热的无级调压控制。

1．6 点火器

    为一直流高压脉冲发生器。空气在高压电的作用下发生电离，产生火花，实现点火功能。

2．燃烧器的工作原理

燃油取暖器的燃烧器控制原理框图如图2所示。    

                            图2    燃烧器控制原理框图   

   在使用燃油取暖器时，通过键盘输入室内需要的温度，单片机首先测量燃油液位H的值，如果H的值在正常范围，然后测量室内温度T1、燃烧器温度T2，如果T1<T0，T2<230℃，燃烧器进行加热，并不断检测T2的值，当T2>=230℃时，启动点火，并同时喷油，并对燃烧状态V进行判别。

如果V值达到要求，说明点火成功，启动燃烧风机，向燃烧器提供氧气并把热量输送出去，实现加热室内温度的目的。

3．燃烧器的控制

   使用取暖器的目的是使燃油充分燃烧并使温度达到设置的值，在燃烧控制中需要解决以下几个问题。

3．1 燃油液位的控制

在液位的设计中，当出现液位低的信号，油量还可以提供5分钟的燃烧时间。所以刚开始使用时检测到液位低，单片机立即显示需要加油的信号，不启动燃烧程序。在燃烧过程中检测到液位低信号，单片机一方面发出需要加油的信号，一方面准备自动熄火。如果在5分钟内，液位低的信号消除，表示已经加好油继续进行工作。如果在5分钟后，液位低的信号依然存在，单片机进入熄火程序，自动关机。

3．2 燃烧器加热控制

家用燃油取暖器燃油的燃烧点在230℃±5℃左右。如果燃烧器的温度过低，不能使燃油充分、快速汽化燃烧，会产生烟雾并污染室内空气。如果燃烧器的温度过高，会损坏机器。燃烧器的温度与风机输送空气的流量和温度有关，与喷油量和油的温度有关，单片机控制程序中，必须根据风机的转速和喷油来调节加热器的温度。

3．3 燃烧风机的控制

燃烧器的温度达到230℃并点火喷油2秒钟后，开始启动风机小风量送风。因为燃油点燃并燃烧需要一个过程。而且开始时燃烧器内的油量不多，产生的火焰少，容易被吹灭。根据实验数据的分析，在5秒钟内风机的转速逐步达到要求的值，效果比较好。

3．4燃烧状态的控制

燃烧状态标志燃油是否充分燃烧。燃烧是否充分主要处决于风机速度、喷油量和燃烧器温度三者之间的配合，从火焰温度的检测电压可以知道燃烧的情况。在点火燃烧前不对燃烧电压进行判别，在点火成功后检测燃烧电压的值，综合各种条件，调节风机速度、喷油量和燃烧器温度三个量，使

燃烧电压保持稳定。

3．5点火器的控制

在燃烧器的温度达到230℃±5℃左右时，开始点火。单片机发送连续的开关量信号，以连续脉冲的方式点火。如果在5秒钟内燃烧电压达不到规定的值，认为点火失败，停止发脉冲，由于点火时要消耗大的功率，时间过长，会损坏点火器。熄火时先停止喷油，再停止风机。一般点火器的放电头与燃烧器的距离在5-7mm左右，放电电压在7000到10000伏，才能有效点火。

3．6油泵的控制

油是产生热量的主体，燃烧器温度达到230℃±5℃左右并开始点火后喷油。油滴喷射到高温的燃烧器上被汽化并形成气态煤油，遇到火花立即燃烧。刚开始点火，需要以比较高的频率喷油，以提供足够多的油量维持燃烧，在火焰温度检测电压达到正常值后，按照燃烧的要求供油。在正常的燃烧过程中，油量的多少是根据温度设置值与现在室内温度值之差进行控制的，喷油量确定后，根据燃烧的要求来控制风机速度配合燃烧。在熄火的时候，先停止喷油，再停止加热，在5秒钟后开始逐步降低风机的速度，30秒钟以后停止风机运行。因为刚停止喷油和加热时，燃烧器的温度很高，风机的继续运行，可以把剩余的热量散发出来，使燃烧器的温度逐步冷却，不致过热而损坏。

4． 单片机控制

本系统由多个单回路闭环控制系统组成，其中主要的控制系统是温度控制系统。如图3。

                             图3  综合控制框图

     在图3中，单片机根据温度设置T0值、温度测量值T1，计算出控制信号，采用分时控制的方式，分别对油泵系统、风机系统、加热系统进行控制，使燃烧器中的燃油得到充分燃烧，产生最大的热量，使室内温度向T0接近。在上述三个控制系统中，油泵控制系统是主要的，喷油量由T0与T1的差值决定，根据喷油量调节风机的速度。单片机为AT89C52，采用10位A/D转换。控制系统均为PID控制方式。在控制系统中还包括燃油液位控制和使用的时间控制。

5．结束语

应用油燃烧产生热量的关键是油的充分燃烧和热量的及时交换。其中油泵是燃烧器的关键部件，供油的控制方式和控制算法是软件设计的关键。在本项目的设计过程中，根据家用取暖器的特点，首先设计制造了油泵部件，应用单片机设计了油泵测试装置并进行完善。在此基础上分别完成了与燃烧有关的其他部件的设计与制造。

本文作者的创新点：燃烧器的关键是对油泵的控制。以脉冲方式供油的要求设计制造了性能优越的油泵，为供油提供了基础。用PID控制算法对油泵进行控制，使油泵的供油符合燃烧的要求，以室内温度控制为主控制系统，风机、加热控制为辅助控制系统出发，进行软件的设计，最终使燃烧器得到了良好的控制。使用该燃烧器的燃油取暖器在实际应用中效果良好，已实现批量化生产，初步经济效益30万元。

参考文献

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