兩用燃料汽車高能點火控制器的研究與設(shè)計

兩用燃料汽車高能點火控制器的研究與設(shè)計

憑借儲量豐富、排氣污染少、經(jīng)濟(jì)性好等特點, 天然氣逐漸成為良好的汽車代用燃料。在進(jìn)行雙燃料汽車改裝時，為了兼顧使用汽油時的性能一般對原發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)不做改動[1]，由于氣體燃料與汽油燃燒特性不同，原點火系統(tǒng)不能充分發(fā)揮氣體燃料的效能，動力明顯下降。文獻(xiàn)[2]針對氣體燃料辛烷值高，氣體燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷奶攸c設(shè)計了點火提前角控制器，取得了較好的效果。但是不同型號的發(fā)動機(jī)，點火提前角的MAP圖是不同的，而且MAP圖的獲得需要經(jīng)過大量的實驗，開發(fā)周期長，成本高，限制了此類點火控制器的廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計的兩用燃料汽車點火控制器對點火提前角和點火能量進(jìn)行綜合控制，不需要獲得點火MAP圖，縮短了開發(fā)周期和成本，通用性強(qiáng)，而且能明顯提升汽車的動力，降低排放。

　　點火參數(shù)控制方案設(shè)計

　　點火系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在點火時刻和點火火花強(qiáng)度兩個方面[3]。由于氣體燃料燃燒傳播速度慢，著火延遲期長，著火溫度高，汽車在燃用天然氣時需要比汽油更大的點火提前角和點火能量。本文對點火提前角的控制，是通過在控制器上設(shè)置調(diào)整開關(guān)，根據(jù)所用燃料的不同選擇不同的點火調(diào)整角度，點火角度調(diào)整范圍從0o~20o，對天然氣、液化石油氣、汽油等燃料都適用。

　　對于六缸發(fā)動機(jī)，分電器上霍爾傳感器給出的點火信號一個周期對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)過120o(四缸為180o)，如果測得分電器輸出點火信號周期所對應(yīng)時間為T，則曲軸轉(zhuǎn)1o所對應(yīng)時間為T/120，若點火提前需要提前ao，則時域上相位移動Dt=(ao/120o)*T，式中T是可以測得的量，ao為通過撥碼開關(guān)設(shè)定的提前角度，調(diào)整范圍為0-20o。當(dāng)ao=20o時，Dt/T=1/6;當(dāng)ao=10o時，Dt/T=1/12;當(dāng)ao=0o時，Dt/T=0;只要確定好Dt與T的比例關(guān)系，就可以使點火提前角隨著點火頻率的變化為一定值，為了使角度調(diào)整更加精確，通過撥碼開關(guān)設(shè)置了16個檔位來選擇提前角度，即提前角度，式中x為撥碼開關(guān)所對應(yīng)編碼值，將的值帶入Dt=(ao/120o)*T， 得，即1個單位x對應(yīng)點火提前角約0.67o。

　　點火能量大小與點火線圈初級電流大小有關(guān)，初級電流大小受初級回路導(dǎo)通時間控制，因此要控制一個最佳導(dǎo)通時間。傳統(tǒng)點火系統(tǒng)初級電路的導(dǎo)通時間受凸輪形狀或傳感器信號的限制，由于占空比不變，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在低速運(yùn)行時，初級電路導(dǎo)通時間長，初級電流大，點火線圈容易發(fā)熱;高速時，初級電路導(dǎo)通時間短，初級電流小，次級電壓低，點火不可靠[4]。本文是利用單片機(jī)控制點火導(dǎo)通時間，占空比的設(shè)置可以隨著頻率的變化而變化。點火線圈的充電時間一般為10ms達(dá)到飽和，所以當(dāng)點火信號頻率低時，保證充電時間為10ms;當(dāng)點火信號頻率增加，點火周期不足10ms時，保留2ms的放電時間，其余時間全部導(dǎo)通，充分利用了點火信號的占空比，保證發(fā)動機(jī)高速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時具有最佳導(dǎo)通時間。

　　點火控制器硬件設(shè)計

　　以單片機(jī)為核心的點火控制器的硬件組成框圖如圖1所示。

　　整形電路對分電器輸出的信號進(jìn)行整形，使之成為能被單片機(jī)處理的脈沖信號，該信號經(jīng)過光電隔離電路加到PIC單片機(jī)的I/O口。單片機(jī)采用Microchip公司的PIC16F73單片機(jī)，該型號單片機(jī)具有運(yùn)行速度高、功耗低、驅(qū)動能力強(qiáng)、外圍模塊豐富等優(yōu)點[5]，本系統(tǒng)主要應(yīng)用了單片機(jī)的定時器模塊、外中斷模塊、輸出比較模塊。單片機(jī)對輸入信號進(jìn)行處理，再經(jīng)過光電隔離控制功率驅(qū)動電路中大功率管的導(dǎo)通與截止，實現(xiàn)對點火提前時間和點火閉合時間的控制。在驅(qū)動電路中，輸出信號首先經(jīng)過三級管進(jìn)行放大，然后再控制大功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止，輸出峰值電流可達(dá)8-9A(原車為6-7A)。

由于汽車提供的電壓為直流12V，而單片機(jī)工作需要5V直流電壓，所以設(shè)計了相應(yīng)的電源電路，采用三端穩(wěn)壓器件78M05將12V轉(zhuǎn)換成5V，為單片機(jī)及其他部分電路供電。

　　在控制器上設(shè)置了4個撥碼開關(guān)，分別代表2，4，8，16，通過不同的編碼組合可以實現(xiàn)對點火提前角的調(diào)整?？刂破魃弦?條線用于與汽車進(jìn)行連線，分別為12V電源線、地線、分電器信號輸入線、控制器信號輸出線、分電器電源線。

　　點火控制器軟件設(shè)計

　　單片機(jī)輸入信號頻率范圍為0-200Hz，占空比一般為2:3，輸入信號的下降沿為點火正時點，脈沖寬度為點火線圈充電時間。單片機(jī)程序完成對點火時間的提前和占空比的調(diào)整。

　　系統(tǒng)主程序及外中斷程序流程圖如圖2(a)、(d)所示。單片機(jī)首先完成定時器、外中斷、CCP1和CCP2比較中斷的初始化，利用外部中斷檢測相鄰兩個下降沿的時間間隔，在外中斷服務(wù)程序中對TMR1值進(jìn)行存儲和清零，存儲的值即為周期T。

　　當(dāng)T≥12ms時，汽車在中速和低速下行駛，點火信號能滿足10ms的充電時間和2ms的放電時間，將T-10ms-Dt的值存入CCPR1寄存器;當(dāng)T<12ms時，點火信號不滿足12ms的充電時間和2ms的放電時間時，保證2ms放電時間前提下，其余時間全部導(dǎo)通，將2ms-Dt的值存入CCPR1寄存器。

當(dāng)T≥50ms時,汽車處于啟動狀態(tài)，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，在這種情況下點火提前角保持原車的角度;當(dāng)T<50ms時，汽車處于正常運(yùn)行工況，此時單片機(jī)檢測外部開關(guān)信號，依據(jù)計算點火提前角度確定輸出信號的下降沿(其中x為讀取的開關(guān)值)，將T2=T-Dt的值存入CCPR2寄存器。

　　CCP1，CCP2中斷程序流程圖如如圖2(b)、(c)所示。當(dāng)TMR1中的值與CCPR1中的值相等時進(jìn)入CCP1中斷服務(wù)程序，RC0引腳輸出高電平，并開啟CCP2中斷。當(dāng)TMR1中的值與CCPR2中的值相等時進(jìn)入CCP2中斷服務(wù)程序，RC0引腳輸出低電平。通過CCP1和CCP2的配合輸出點火脈沖信號，實現(xiàn)點火提前角和點火占空比的調(diào)整。

　　點火控制器模擬試驗結(jié)果分析

　　將本文設(shè)計的點火控制器在汽車點火試驗臺上進(jìn)行模擬實驗，利用示波器測得發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速及點火提前角情況下輸入/輸出波形對比如圖3，圖4所示。

　　圖3為輸入信號信號頻率為50Hz，撥碼開關(guān)編碼為x=20時，輸入輸出波形對比，從圖中可以看出輸出信號下降沿比輸入信號提前約2.2ms，依照公式Dt=(ao/120o)*T轉(zhuǎn)換成角度為13.2o;脈沖寬度為10ms，比輸入信號減少了3ms，由于點火線圈初級回路導(dǎo)通10ms既達(dá)到飽和，時間過長會損害線圈，所以在低速時對導(dǎo)通時間進(jìn)行截取。

　　圖4為輸入信號頻率為100Hz，撥碼開關(guān)編碼為x=20時，輸入/輸出波形的對比。從圖中可以看出輸出信號下降沿比輸入信號提前約1.1ms，轉(zhuǎn)換成角度為13.2o脈沖寬度為8ms，比輸入信號延長了約1.5ms，增加了初級電流的導(dǎo)通時間，提高點火能量。

　　經(jīng)過波形對比分析可以看出，低速時對導(dǎo)通時間進(jìn)行截取，減少對點火線圈的損害;高速時使占空比的利用達(dá)到最佳，保證點火能量，并且可以通過編碼開關(guān)對點火提前角進(jìn)行設(shè)置，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

點火控制器臺架試驗結(jié)果

　　本文設(shè)計的點火控制器，經(jīng)汽車發(fā)動機(jī)臺架試驗測試，能顯著提高多燃料汽車的經(jīng)濟(jì)性能和降低廢氣排放。CA6102汽油機(jī)以天然氣為燃料使用該控制器外特性試驗曲線及負(fù)荷特性曲線如圖5和圖6所示。

　　n=1800r/min

　　從圖5可以看出，CA6102汽油機(jī)以天然氣為燃料安裝該控制器后，外特性功率增大，在1800r/min時增加1.4kW，為2.7%，有效燃料消耗平均下降了4.1%;在2800r/min時增加1.8kW，為2.8%;有效燃料消耗下降了3.7%;從圖6可以看出，1800r/min負(fù)荷特性上有效燃料消耗率平均下降了4.3%。

　　安裝前與安裝后怠速污染物測試數(shù)據(jù)見表一，從表一看可以看出安裝該控制器后CO排放降低了30.5%，CH化合物排放降低了47.8%。

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計的兩用燃料汽車高能點火控制器，對點火提前角和點火能量進(jìn)行綜合控制，只需在原車分電器和點火線圈中串接入該控制器就可以工作，可以根據(jù)使用燃料的不同，通過撥碼開關(guān)設(shè)置點火提前角度，具有使用方便、通用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點，對我國推廣雙燃料汽車、節(jié)約能源、環(huán)保具有重要意義。