（电力电子与电力传动专业论文）单缸发动机点火调试系统的研制.pdf

a b s t i 溃c t t of i n da ne a s yw a yt om e a s u r et h el o a do fas i n g l e c y l i n d e re n g i n e ，t h ea u t h o r b r i n g so u tan e wm e t h o d ，w h i c hu s e st h ef l u c t u a t i o nr a t i oo ft h et r a n s i e n ts p e e di n t o k e no f t h el o a d t h r o u g ht h ef o r c ea n a l y s i s o ft h e p i s t o n a n dt h ec r a n k s h a f t ，t h ep a p e r d e m o n s t r a t e st h a tt h et r a n s i e n ts p e e di sd e p e n d e n to nt h ef o r c eo nt h ee r a n k s h a f t t h e a u t h o rt a k e sal o to fe x p e r i m e n t s ，w h i c hp r o v e st h a tt h ef l u c t u a t i o nr a t i oo ft h e t r a n s i e n ts p e e di sd e p e n d e n tu p o nt h el o a do f t h ee n g i n e ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e mi sn e a r l yl i n e a r , t h el a r g e rt h el o a di s ，t h eb i g g e rt h ef l u c t u a t i o nr a t i oi s b a s e d0 1 1t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a n s i e n ts p e e dr a t i oa n dt h el o a do f t h es i n g l e c y l i n d e re n g i n e ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dai g n i t i o nt u n i n gs y s t e mf o rt h e s i n g l e c y l i n d e re n g i n e t h ee q m p m e mi sm a i n l yc o m p o s e do fa na n a l o gc i r c m t m o d u l e a ne c ua n dam a nm a c h i n ei m e r f a c e t h ee c ui sc o m p o s e do f2 a t m e l 8 9 c 5 2s i n g l ec h i p s ，w h i c hc o l l a b o r a t et o g e t h e ra n da c c o m p l i s hm e a s u r i n g a n dc a l c u l a t i n g t h ee c uc a nm e a s u r et h ea v e r a g es p e e da n dt h ef l u c t u a t i o nr a t i oo f t h et r a n s i e n ts p e e d ，a n dt h e nq u i c k l yf i n dab e s ti g n i t i o na d v a n c ea n g l ei na n yw o r k i n g c o n d i t i o nf o rt h es p a r ki g n i t i o ne n g i n e t h el c d d i s p l a y st h ew o r k i n gs t a t eo ft h e e n g i n e t h ea u t h o ru s e st h ee q u i p m e n ta n dad y n a m o m e t e rt oc a l i b r a t et h ei g n i t i o n c h a r a c t e r i s t i cm a po ft h e s i n g i e c y l i n d e re n g i n e ，a n d t h em a pi sc o n f i r m e d c o m p a r a t i v e l ya c c a r a t e ：t h eh i g h e rt h ea v e r a g es p e e di s ，t h eb i g g e rt h ei g n i t i o n a d v a n c ea n g l ei s ，a n dt h eb i g g e rt h ef l u c t u a t i o nr a t i oo ft h et r a n s i e n ts p e e di s ，t h e b i g g e rt h ei g n i t i o na d v a n c ea n g l ei s i tp r o v e dt h a tt h ew a yu s i n gt h ef l u c t u a t i o nr a t i o o ft h et r a n s i e n ts p e e dt om e a s u r et h el o a di nas i n g l e - c y l i n d e re n g i n ei sr i g h ta n d f e f i t s i b l e k e yw o r d s ：s i n g l e c y l i n d e re n g i n e ，i g n i t i o na d v a n c ea n g l e ，仃a n s i e n ts p e e d ，a t 8 9 c 5 2 ， d s l 6 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名严埒 签字吼彬年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名严玉荨 签字日期：知帕年，月，日 导师签名： 签字日期：夕卵静，月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 摩托车诞生至今已有1 0 0 多年的历史【1 - 2 1 ，摩托车点火器经历了机械式调 节、模拟电路式调节，目前正朝着数字式控制方向方展。 现有的数字控制点火系统一般根据发动机转速调节点火提前角，这种控制 方法与传统的点火方式相比能大大提高点火特性，提高发动机的动力性、经济 性。但是实际的发动机点火提前角与发动机的负荷和转速都有关系，只有将负 荷与转速两个因素结合起来决定点火提前角，才能对发动机点火性能进行进一 步优化。考虑到摩托车经济性和其自身的结构特点，本文提出了一种简单新型 的检测摩托车发动机负荷的方法；将此方法用于c g l 2 5 发动机台架实验，得到 摩托车发动机转速和负荷的二维点火特性m a p 图；开发发动机数字点火系统 点火调试仪，根据m a p 图实现对发动机点火提前角转速和负荷的二维控 带4 。 1 2 摩托车发动机组成 摩托车发动机，其主要组成包含下列几部分l l j ： ( 1 ) 曲柄连杆机构。其作用是将气缸内燃烧的气体压力推动活塞的直线往复 运动变为旋转运动，以带动摩托车后轮转动。 ( 2 ) 配气机构。其作用是使新鲜的可燃混合气被及时吸入气缸，并及时排出 气缸内的废气。 ( 3 ) 冷却系。其作用是使发动机具有正常的工作温度。 ( 4 ) 润滑系。它的作用是向发动机内相对运动件表面供给润滑油，以减小机 件运动时的摩擦阻力和磨损，并起冷却、清洁作用。 ( 5 ) 燃料系。它的作用是保证按发动机的工作要求，供给发动机合适的可燃 混合气。 ( 6 ) 点火系。其作用是在气缸内及时产生足够强的电火花，点燃可燃混合气。 ( 7 ) 起动系。其作用是借助外力，使发动机曲轴由静止到高速旋转，达到起 动发动机的目的。 第一章绪论 1 3 发动机点火系统 发动机点火系统是发动机电气系统重要组成部分 4 】，包括磁电机、点火控 制器( c d i ) 、点火线圈、高压导线、火花塞等。其作用是保证按照规定的时刻 供给火花塞以足够的高压电，使火花塞电极间产生足够电火花，点燃气缸中被 压缩的可燃混合气【1 1 1 3 。 点火系统最基本要求是，在发动机低、中、高速等各种工况和条件下，都 能提供可靠而准确的电火花。它应满足以下三个要求： ( 1 ) 产生能击穿火花塞间隙的高压电 ( 2 ) 电火花要有足够的能量 ( 3 ) 点火时刻要适应发动机工况变化 火花塞产生电火花所需的最低电压称为击穿电压。击穿电压的高低与火花 塞电极的间隙和形状、气缸里的温度与压力、混合气的成分等因素有关。为确 保在各种不利因素条件下，使火花塞在气缸内能产生电火花，点火系统施加给 火花塞的电压一般不得低于1 0 0 0 0 v ，火花持续时日不得少于l m s 。在标准大气 压力和室温状态下，火花电压必须能够击穿4 - 8 r a m 间隙，才能满足气缸内可燃 混合气正常点火的需要 4 - 5 1 。 1 4 点火提前角及其对发动机性能影响 1 4 1 点火提前角删 在气缸中，从火花塞开始点火到着火燃烧需要一定时间( 4 分之几秒) 。为 了使汽油机能够具有较好的性能，点火不能在压缩终了时刻进行，而必须有一 定的提前，即点火必须在最佳时刻进行。点火的时刻用点火提前角来表示，点 火提前角是指从火花塞电极间跳火开始，到活塞运行至上止点时的这一段时内 曲轴转过的角度。点火提前角的大小直接影响到气缸内最高燃烧压力到达的时 刻，如图1 - 1 所示。而这个时刻，对汽油机的功率及经济性有着重大的影响。 若最高燃烧压力点到达过早，即点火提前角大，则混合气早点火，如图中 b 线所示。从而导致压缩过程负功的增长；汽油机各传力零部件承受载荷增加。 反之，若最高燃烧压力点到达过迟，则燃烧产物的膨胀比将减小，使排气 温度较高，造成较大的热损失，如图中d 线所示。 据统计，如果点火提前角偏离最佳值5 0 ，热效率下降l ；偏离1 0 0 ，热效 率下降5 ；偏离2 0 0 ，热效率下降1 6 。 第一章绪论 图1 - 1 气缸压力与点火时刻的关系 另外，点火提前角过大，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗暴度增 加。点火提前角过小，散热损失增多，使排气温度过高，发动机过热，功率下 降，油耗量增多。 而所谓的最佳点火提前角，就是当气缸内的燃烧压力升高率为1 7 0 2 4 0 k p a 。c ，而最高压力点出现在上止点后1 0 。1 5 0 曲轴转角。此时汽油机的 动力性和经济性均良好。 不同点火提前角对发动机性能的影响如图1 2 所示。 曲 k 图1 - 2 不同点火提前角对发动机性能的影响 1 4 2 不同运行工况对最佳点火提前角的影响 最佳点火提前角的大小受到各种因素的影响，如发动机转速、可燃气湿度、 汽油雾化程度、汽缸容积、压缩比、节气门开度、可燃气温度、负载大小及汽 油标号等因素都会对点火提前角产生影响【9 】。而这些因素又大多在车辆行驶中 不断地变化着。按对点火提前角影响的程度和频度来说，发动机转速、负荷的 影响比较大。 当发动机转速一定时，随着负荷加大，节气门开大，进入气缸的可燃混合气 量增多，压缩终了时的压力和温度增高，同时，残余废气在气缸内所占的比例 第一章绪论 减小，混合气燃烧速度加快，这时，点火提前角应适当减小。反之，发动机负 荷减小时，点火提前角则应适当增大。 当发动机节气门开度一定时，随着转速增高，燃烧过程所占曲轴转角增大， 这时，应适当加大点火提前角。点火提前角应随转速增高适当加大【l l 1 6 l 。 1 5 摩托车点火器发展历史 发动机运转中，每一个工况都对应着一个最佳点火提前角，不同转速、不 同负荷与最佳点火角组成三维曲面，称为点火特性图( 简称m a p ) 。在寻求最佳 点火特性过程中，点火定时的控制手段不断地发展和完善，使点火角逐步趋近 优化图的数值。 最早的发动机点火系统不加任何控制装置( 或由司机人工调整) ，用一个 固定点代替优化三维曲面。这对发动机的经济性、动力性和排放都是很不利的。 三十年代出现了点火角离心提前与真空提前的机械控制装置。在离心提前装置 中，把点火角和转速作为线性关系来处理，而在真空提前装置中，点火角随负 荷的变化也近似线性关系。它相对于固定提前角有了较大的改善，但与优化点 火特性曲面还有相当的距离。 因机械控制系统不能满足日趋严格的排放标准，到六十年代相继出现了各 种电子控制点火系统。电子控制点火系统可以更灵活、更准确地分段逼近优化 点火特性曲线，以此满足经济性、排放和驾驶性能的要求。点火定时的电子控 制系统可以来用模拟电路或数字装置实现。在模拟控制中，各种传感器产生的 模拟信号，通过电子控制电路的处理，用模拟输出量去调节点火定时。各个工 况下的点火角由电路电压决定。 第一代电子点火器主要依靠触发线圈发出的触发信号随磁电机转速的升高 而迅速提前的特性来控制点火提前角。但可改变的范围及灵活性都很有限，其 点火特性与汽油机的最佳点火提前角规律相差甚远。第二代电子点火器的点火 特性一般被设计成拥有二台阶的折线，即低速段和高速段各对应个近于固定 的点火提前角，中间过渡段用斜线连接，其具体的控制过程一般由专用芯片来 完成。这种点火器被称为第二代产品，其点火特性比第一代点火器的点火特性 更接近最佳值，但与实际的最佳点火提前角规律还有一定的差距。由于在第一 代和第二代点火器的点火控制电路中采用了模拟电路，故称为模拟式点火器。 第三代点火器为数字式点火器，采用了单片机控制电路，能按照任意给定的点 火提前角曲线控制点火。因此，只要获取汽油机的最佳点火提前角规律，数字 式点火器即可保证其最佳点火。工作时，不同工况下的发动机信号通过电路转 换成一系列脉冲信号或数字信号传递给中央处理单元，中央处理单元通过查表 第一章绪论 或者函数计算，根据传输过来的信号综合决定该工况下的点火提前角。 1 6 点火提前角数字控制的国内外研究现状 在汽车工业发达的国里，点火提前角的数字式控制在轿车汽油机上的应用 已有二十多年的历史。在豪华大排量运动型摩托车汽油机上多年来同样也应用 了微机控制技术，以最大限度地发掘发动机的性能潜力。最近几年一些公司又 把这种数字式点火技术应用到普通家庭型的摩托车汽油机上，使其经济性和动 力性得到了进一步的改善。 我国在点火提前角的数字式控制技术应用方面要远远落后于发达国家。在 我国该技术在轿车汽油机上的应用才刚刚开始，离普及还有相当一段时期，在 摩托车汽油机上的应用则只是几家研究机构涉足不久的研究课题，很少看到有 关该产品研制成功的报道。我国目前生产的大多是一些常规的模拟式c d i 点火 器。这种点火器技术滞后发展的局面已严重影响到我国摩托车汽油机的开发水 平。 在开发摩托车汽油机的过程中，国外的通常做法是通过对一批样机的试验 确定该机型汽油机的最佳点火提前角规律，然后再根据此规律开发相匹配的点 火器。但是，在国内，我们往往没有去获取汽油机在不同运行工况下的最佳点 火提前角规律，而是常常只从现有的点火器产品中通过试验挑选其一或略作修 正，并不根据汽油机的最佳点火提前角规律来开发与之相匹配的点火器。 1 7 本课题研究内容和意义 为了能够根据摩托车的转速和负荷方便地实现对点火提前角的精确控制， 本文提出了一种简单新型的实时检测摩托车发动机负荷的方法；并研制出一套 单缸发动机数字点火控制系统点火调试仪。将此方法用于c g l 2 5 发动机台 架实验，标定得到单缸发动机转速和负荷的二维点火特性m a p 图；开发发动 机数字点火系统，根据发动机当前转速和负荷实现对点火提前角的二维控制。 一、本课题的研究内容 ( 1 ) 分析发动机瞬时转速与负荷的关系： ( 2 ) 设计模拟电路，将磁电机信号整形；选择合适的c p u ，设计点火调试仪； ( 3 ) 用c 语言软件进行开发，实现对摩托车发动机点火系统的数字控制； ( 4 ) 用该点火调试仪做发动机台架试验，验证瞬时转速与负荷的关系： ( 5 ) 用该点火调试仪做发动机台架实验，标定最佳点火角与转速、瞬时转速 的二维m a p 图； 第一章绪论 ( 6 ) 用该点火调试仪，对摩托车点火提前角实现二维控制。 二、本课题的研究意义 目前的摩托车数字点火系统一般根据发动机的转速实现对点火提前角的调 节，该控制方式不能根据发动机负荷调节点火提前角，不能更好的提高发动机 的工作性能。 本课题提出了一种简单有效的检测单缸发动机负荷的方法，通过该方法， 可以根据发动机瞬时转速确定其负荷，并根据负荷和转速确定发动机的最佳点 火提前角，这种对点火提前角的二维控制方式更加符合发动机的实际工作特性， 能够针对不同的转速和负荷调节点火提前角，优化发动机的工作性能。 同时研制出摩托车数字点火控制系统点火调试仪，该点火调试仪能够 实现实时检测发动机转速和负荷，用它结合发动机台架实验，标定c g l 2 5 发动 机的二维点火特性图，并根据该点火特性图实现对发动机点火提前角的二维控 制，优化发动机点火系统，提高发动机的动力性与经济性能。 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 四冲程发动机工作在“进气、压缩、燃烧、排气”四个行程。在发动机循环 工作的四个冲程中，当气缸处于燃烧膨胀过程时，它有扭矩施加在曲轴上，因而 曲轴转速增加。反之，当它处于吸气、压缩及排气过程时，需要曲轴推动活塞， 因而曲轴转速降低。内燃机瞬时转速的波动是作用在曲轴上总切向力矩变化的直 接反应，是气体压力、往复惯性力、摩擦力及负载等共同作用的结果1 1 9 0 3 。在 内燃机处于稳定工况时，影响瞬时转速波动的主要因素是气体压力与往复惯性力 的总切向力矩【2 1 1 ，通过理论分析与仿真计算，可以确定它们与瞬时转速波形间的 关系。 本章介绍瞬时转速仿真计算的理论依据，及在不同工况下瞬时转速波动情况 的波形和结果分析。 2 1 发动机工作原理 活塞在气缸内往复直线运动的两个极限位置称为止点。离曲轴旋转中心最远 的称为上止点；离曲轴旋转中心最近的称为为下止点。上、下止点问的距离称为 活塞行程。四行程发动机包括四个活塞行程，即进气行程、压缩行程、膨胀行程 和排气行程，如图2 1 所示【1 1 。 电火花点太 w m * 4 誉气誉誉营 ( a ) 进气 压缩( c ) 爆发( d ) 排气 图2 - 1 四行程发动机的工作原理 ( 1 ) 进气行程 活塞由上止点运动到下止点，此时进气门打开，排气门关闭，如图2 - l ( a ) 所 示。随着活塞下移，气缸内气体容积逐渐增大，缸内压力降低。当低于大气压时， 空气被吸入化油器，并与汽油混合形成可燃混合气。可燃混合气经进气道和进气 门进入气缸。这一过程将持续到下止点、进气门关闭为止，最终整个气缸充满新 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 鲜可燃混合气。 ( 2 ) 压缩行程 为了使吸入的可燃混合气迅速燃烧，产生较大压力，从而使汽油机发出功率， 需要在燃烧前将可燃混合气压缩。这是在飞轮惯性作用下，曲轴通过连杆推动活 塞由下止点移动到上止点的过程，此时进、排气门均关闭，如图2 1 所示。随 着活塞上移，气缸内气体容积缩小，可燃混合气被压缩，压力、温度均升高。当 活塞接近上止点时，可燃混合气被火花塞点燃，开始进入燃烧过程。 ( 3 ) 燃烧膨胀行程 活塞由上止点移动到下止点，此时进、排气门仍关闭，如图2 1 ( c ) 所示。当 活塞移动到上止点稍后时，被点燃的可燃混合气释放出大量热量，使缸内压力、 温度急剧升高。高温、高压燃气膨胀做功，推动活塞下移，并通过连杆带动曲轴 输出机械能，除了维持发动机本身的持续运转外，其余的能量用来对外做功。 ( 4 ) 排气行程 在飞轮惯性带动下，活塞由下止点向上止点移动，此时进气门关闭，排气门 打开，如图2 1 ( d ) 所示。高压废气先行高速冲出排气门，然后随着活塞上移，气 缸内的废气被继续强制推出排气门。这一过程持续到上止点附近进气门打开、排 气门关闭为止。至此，发动机完成一个工作循环。经过一个工作循环，这期间活 塞在上、下止点间往复移动了四个行程，相应的曲轴旋转了两周。如此重复地进 行，发动机便可持续运转下去。 在这四个冲程中，当气缸处于燃烧膨胀过程时，气体燃烧做功，推动活塞运 动，有扭矩施加在曲轴上，曲轴转速增加。反之，当它处于吸气、压缩及排气过 程时，活塞在飞轮惯性力作用下运动，曲轴转速降低。 2 2 单缸发动机动力学模型建立 发动机的运动部件主要有活塞、连杆和曲柄三个基本组成部分。其中活塞做 往复直线运动，曲柄做旋转运动，连杆做较为复杂的平面运动。为了便于运动学 理论分析与仿真计算，将连杆的质量换算成两个集中质量，一部分集中于连杆小 端，占连杆总质量的1 3 ，与活塞一起做往复运动，总质量为m l ；另一部分集中 于连杆大端，占总质量的2 3 ，于曲柄一起做旋转运动，总质量为1 3 1 2 。这样内燃 机的运动形式就被简化为直线运动和转动运动两种相互关联的简单运动嘲。 通过以上简化，单缸发动机模型如图2 2 所示。 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 2 3 活塞受力分析 ， f 、 、 图2 - 2 单缸发动机动力学模型 发动机工作时，活塞做连续的往复运动。作用在活塞上的力主要分为两部分： 气体燃烧产生的压力e ，以及活塞产生的惯性力乃 2 2 1 。 2 3 1 气体燃烧压力e 作用在活塞上的气体压力随活塞行程而变化。混合气在气缸中燃烧膨 胀，对活塞做功。通过发动机工作过程热力学计算，得到气体燃烧在气缸内 产生压强即如图2 3 所示。 一 霉 * 蹭 褂 邕 01 2 0 0 a o , t o o0 0 07 0 0 曲轴转角a 瞻 魍 廿 一 芷 o1 2 0 0 3 0 0 05 0 0 0 7 0 0 曲轴转角a 帕 图2 - 3 气缸内气体压强图 图2 - 4 气体燃烧压力图 由这一曲线可以计算出任一曲轴转角处作用在活塞上的气体压力作用 力e ： e = 见如 ( 2 1 ) 式中，锄= 三( 2 r ) 2 ，为活塞顶在垂直于气缸中心线的平面上的投影面积。 根据式( 2 1 ) 及图2 - 3 的乃波形，计算得兄波形如图2 - 4 所示。 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 2 3 2 活塞上往复惯性力乃 为便于分析，先介绍发动机曲柄一连杆机构的参数： 图2 - 5 曲柄一连杆机构图 a 1 ：上止点 a 2 ：下止点 x ：活塞的位移 r ：曲柄( 或曲拐) 半径( 单位：n u n ) ，：连杆长度( 单位：m m ) 旯：尝：在现代高速内燃机中连杆长，一般是曲轴半径r 的3 5 倍 ， 口：瞳轴转角，以曲柄与气缸中心线之间的夹角计算，顺曲轴旋转 方向为正； ：连杆摆角 由该图的几何关系可分析作用活塞上的往复惯性力乃： 2 3 2 1 活塞位移x 根据图( 2 5 ) 中的几何关系，可得活塞位移x 为： 工= r ( 1 一c o s 口) + ( 1 一五2s i n 2 口) 】 ( 2 2 ) 将根号项按牛顿二项式展开，并忽略二次方以上各项，简化后得活塞位移的 近似公式： 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 x = 研( 1 一c o s a ) + 三( 1 一c o s 缸) 】 ( 2 - 3 ) 2 3 2 2 活塞速度v 取式( 2 3 ) 的时间导数，即得活塞速度v 与曲轴转角口间的近似关系： 忙鲁= 老警础岫+ 害血缸) ( 2 4 ) 出d 口西 、 2 2 3 2 3 活塞加速度口 取式( 2 - 4 ) 的时间导数，得到活塞加速度与曲轴转角口间的近似关系： 口= 皇! = 旦型竺= r c 0 2 ( c o s 口+ 五c o s 2 口) ( 2 5 ) d t 如d t 2 3 2 4 活塞上的往复惯性力乃 根据牛顿定律，可得活塞上的往复惯性力与加速度之间的关系： 乃2 m j 口 ( 2 - 6 ) 其中，勺为往复直线运动部分的质量，2 + 叻，呐为换算到小头中心 的连杆质量，为活塞包括活塞上的零件的质量。经计算得到乃波形如图2 - 6 所示。 五 雹 i r 八_ 01 0 02 0 03 0 04 1 1 05 0 08 0 07 0 0 曲轴转角a 临 图2 - 6 作用在活塞上的往复惯性力乃 2 3 3 作用在活塞上的合力悬 将e 与乃迭加，即可得到作用与活塞上的合力如 民= 艺+ 乃 ( 2 7 ) 恳的波形如图2 7 所示。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 啪瑚晷；|枷；ij伽。伽|i黜l| 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 固 雹 箍 g 攫 2 4 曲柄动力分析 01 0 02 0 03 0 04 5 0 0 6 7 曲轴转角a 怕 图2 7 作用在活塞上的合力波形砖 合力悬沿气缸中心线方向作用，它可以分解成两个力圈：沿连杆轴线作用 的力k 和把活塞压向气缸壁的侧向力n 。如图2 8 所示： 图2 8 活塞一曲柄结构的受力分析简图 其中分力k 与的大小分别为： k ：足上 c o s8 n = f t a np ( 2 8 ) ( 2 9 ) 分力k 通过连杆作用在曲柄上，它也可分解为两个分力：推动曲轴旋转的切 向力r 和压缩曲柄臂的径向力z 。其中分力r 与z 的大小分别为： 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 r 瑙m 峒= 恐鼍泸 z = 腼s ( 口嘲= 民警 曲轴转角口与连杆摆角口之间存在f 歹0 关系： s i n 口：一rs i n 口：a s i n 口 作用在曲柄上的扭矩m 为： m trr ! 坐包r c o s ：r _ s i n ( c 。+ 1 3 ) r + f 1 ! 垫f 竺笪2 r c o s p c o s = m z + m j 其中： 鸩= e 鼍茅r m i = f j 笺孚r ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) 根据式( 2 8 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) ，以及e 、乃、民， 计算各自在不同曲轴转角下的扭矩屹、屿、崦的大小如图2 - 9 所示。 号 z 瘤 ：番 一 ： 0t 0 02 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 6 7 曲轴转角a 临 言 之 国 ：垂 一 暑 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 曲轴转角a 帕 ( a ) m z 波形图 c o ) m j 波形图 柏o己帕柏舯 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 言 2 固 垂 一 = o1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 0 7 0 0 角度a f a ( c ) 肘波形图 图2 9 曲柄扭矩波形图 2 5 瞬时转速理论分析 m 由2 4 小节分析可知，发动机运转时曲轴发出的扭矩m e 是一个周期变化的 量，在一周期内瞬时变化。它的平均值为m 。发动机是一种用来驱动其他机械 工作的动力机械，为了能够驱动给定的工作机械在所需的转速下旋转，发动机发 出的平均扭矩m m 必须等于该工作机械在该转速下的阻力矩 t 阎。 如果在某一瞬时，曲轴的输出扭矩蜘大于平均扭矩，则多余的扭矩 ( 匆一m 。) 将使机组的转速增加吲，即： ，丝：m 甲一m 。 ( 2 1 6 ) 讲 。 其中： - 厂：转动惯量( 单位：埏m 2 ) ； 印：曲轴旋转角速度( 单位：r a d s ) ，缈= 等 j u 当瞬时扭矩大于平均扭矩时，发动机瞬时转速增加，当瞬时扭矩小于平均扭 、矩时，发动机瞬时转速减小。可见：当内燃机在稳定工况下运转时，虽然其平均 转速是不变的，但其瞬时转速却是变化的，即在内燃机的每一转中，转速也是波 动的。这一呈周期性波动的瞬时转速信号，包含了内燃机运转中的许多有用信息， 通过分析它的波动情况可以得到发动机的工况信息1 2 3 - 2 5 】。 2 6 瞬时转速波形分析 结合台架实验，实验测量c g l 2 5 发动机瞬时转速的波形，记录发动机工作 4 个行程中瞬时转速的波动情况如图2 1 0 所示。 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 1 1 0 2 嚣1 0 1 嘲1 0 0 啦 留 蓝 9 8 9 7 0 1 0 02 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 06 0 0 7 0 08 0 0 曲轴转角a l f a 图2 - 1 0 瞬时转速波形 由图2 1 0 可以看出，瞬时转速在发动机工作一个循环的过程中波动很大， 其中有2 个明显的波动：在压缩行程中( 1 8 0 0 曲轴转角a l f a 3 6 0 0 ) ，瞬时转速 迅速降低；在其后的燃烧行程中( 3 6 0 0 1 擅轴转角a l f a 5 4 0 0 ) ，瞬时转速迅速升 高。验证2 3 2 5 小节关于一个循环内瞬时转速的理论推导正确。 同样平均转速下，给发动机加载不同大小的负荷，分别做实验观察瞬时转速 的波动情况，得到发动机的瞬时转速波动大小与该负荷大小有直接的关系，如图 2 “所示。 1 0 4 1 0 3 1 0 2 萝1 0 1 黎伽 薹9 9 9 8 9 7 9 6 01 0 0 2 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 曲轴转角a l f a 图2 1 l 不同负荷下瞬时转速的波动 将图2 1 1 中瞬时转速与平均转速的误差绝对值进行积分，作为瞬时转速波 动值 2 9 - 3 ”，处理得到不同负荷下该瞬时转速波动与负荷的关系如图2 1 2 所示： 1 5 第二章单缸发动机瞬时转速特性分析 5 1 0 1 5 2 02 53 03 54 0 x ：负荷( n m ) 图2 1 2 负荷与瞬时转速的波动关系 通过比较不同负荷下的该积分值的情况，可以发现：当负荷越大时，瞬时转 速波动越大，二者关系近似为线性关系。经线性拟合后，该关系可表示为： y = 2 3 x + c ，其中c 为一常数。 2 7 本章小结 本章通过对单缸发动机工作过程中活塞的受力分析与曲拐动力分析，得出瞬 时转速在一个周期内的变化规律，c g l 2 5 发动机的台架实验验证单缸发动机瞬 时转速在一周期内瞬时变化，其大小的变化规律与气缸内气体燃烧做功及气缸活 塞惯性相关；且验证瞬时转速的波动大小与发动机的负荷有密切关系，经数学分 析，二者为线性关系。因此，可以根据单缸发动机的瞬时转速信息判断发动机负 荷。 结合这一重要结论，单缸发动机的最佳点火提前角可根据“转速”和“负荷” 的二维坐标来确定，而不是仅仅通过发动机转速的一维方式来确定。将这一方法 用于发动机数字点火系统中，根据发动机的转速和负荷调节点火提前角，可以显 著的优化点火提前角，使点火提前角与发动机的工作状况结合得更加紧密，提高 点火性能，进而提高发动机的动力性、经济性以及排放性。 1 6 需鲻幽辛毒莒鐾 第三章硬件电路设计 第三章硬件电路设计 由于单缸发动机难以检测其负荷，目前的摩托车数字式点火系统的控制方式 通常采用一维控制，只是根据发动机的转速调节点火提前角。由第一章可知，发 动机最佳点火提前角的大小受到各种因素的影响，按对点火提前角影响的程度和 频度来说，发动机转速、负荷的影响比较大【1 0 1 ，因此，为能更好的优化发动机的 性能，应该对点火提前角进行二维控制，根据发动机的当前转速和负荷确定其最 佳点火提前角。 第二章对发动机瞬时转速与负荷关系的分析可知，发动机的瞬时转速与负荷 存在线性关系，用发动机瞬时转速的波动可以表征发动机负荷。利用这一结论， 通过检测单缸发动机的瞬时转速确定其负荷，可以在单缸发动机上可以简单地实 现对点火提前角的二维控制，根据平均转速和瞬时转速的波动确定该工况下的最 佳点火提前角。 本章设计点火调试仪的硬件电路，将发动机的磁电机信号进行整形，得到脉 冲信号；选择合适的c p u ，设计主控制电路，以完成系统的控制功能；设计隔离 保护电路，以保护主控制电路正常运行；设计点火驱动电路，将数字信号放大成 点火线圈需要的点火信号。 3 1 点火调试仪硬件结构 设计系统的硬件结构框图如图3 1 所示： 图3 1 系统硬件结构框图 度 标 定 第三章硬件电路设计 发动机的磁电机是一种简单的永磁交流发电机，由转子和定子组成。其转子 安装在曲轴上，随曲轴一起转动。发动机起动后，内装永久磁铁的飞轮随曲轴旋 转并形成旋转磁场，使穿过线圈的磁通量发生周期性变化，从而在感应线圈上产 生交变感应电动势【”j 。 点火调试仪首先将磁电机引出信号经整形电路整形，得到适合主控制电路的 脉冲信号- _ 独发信号和照明信号；主控制电路对触发信号和照明信号进行分析 计算，得到发动机的当前平均转速和瞬时转速波动值，并以此判断发动机的当前 工况，从已有的发动机点火特性图( m a p ) 信息中读取对应的最佳点火提前角， 计算点火延时，发出点火脉冲信号，同时将发动机的工况信息在l c d 显示界面 上显示；点火驱动电路将点火脉冲信号转换成点火线圈所需的高压驱动信号，并 送至点火线圈，在放电点火的同时感应出实际点火信号，该信号经整形后反馈送 入主控制电路，主控制电路根据此反馈信号实现对点火提前角的闭环控制。 该点火调试仪设有串口通讯功能，可以与p c 机进行数据通讯。在对发动机 点火进行实时控制之前，从p c 机接收所需的点火特性图( m a p ) ；在对某发动 机的点火特性图进行标定时，向p c 机上传发动机当前的工况信息。 3 2 主控制电路设计 感应信号 点火信号 触发信号 照明信号 串行数据读写 二 i 看门狗i 2 5 0 4 5i 口单片 a t 8 9 c 5 2 p 1 1 “2 e x ) p l _ 7p o 口 姗 i n t l 皿 积 赫 f s t e a p 3 p 1 i ：i 串行口 7 4 3 一 或非 双口r a m d s l 6 0 9 口b 口 傀 啷 眦唧 皿锄 l 串t 主 看门狗 2 5 0 4 5 含塞f ：r 。t 显5 示d 屏s aff 按键单元 交互flf 按键单元 面板i 邬 il 图3 - 2 主控制电路结构框图 7 4 3 2 戚非 b 口单片 a t 8 9 c 5 2 p 0 口 面 - r p 2 7 p 1 0 。 4 5 ，6 r s t 串行口 e a 2 3 2 电平转换 p c 串口 第三章硬件电路设计 主控制电路是点火调试仪的核心单元，它采集并计算发动机工况信息，根据 具体的工况自动选择合适的点火提前角，发出点火脉冲驱动点火，保证发动机的 正常运转，并提高其动力性、经济型和排放性。 整形后的发动机磁电机信号( 触发信号和照明信号) 接入主控制电路，它们 表征着发动机的当前工况：平均转速和瞬时转速。主控制电路检测发动机的平均 转速和瞬时转速，计算和判断发动机的当前工况，并根据该工况信息在存储器中 的点火特性图( m a p ) 中寻找对应的最佳点火提前角，计算点火延时，并发出 点火脉冲信号实时驱动点火，同时在l c d 上显示发动机工况信息。主控制电路 的结构框图如图3 - 2 所示。 3 2 1 主控制器芯片选择 控制电路需要对发动机的点火进行实时控制，工作量较大。发动机每工作4 个行程，控制电路需要对磁电机信号进行多次采样；在一个工作循环内，还需要 计算发动机的平均转速、瞬时转速、瞬时转速波动，并根据该计算结果从m a p 信息里调用对应的点火角度；得到该点火角度后，再根据当前的转速确定点火延 时时间；每隔一定周期，需要向l c d 模块发送待显示的数据信息。因此，该点 火调试仪主控制电路采用2 片5 1 单片机进行开发，两单片相互协作，完成控制 功能。 系统中的主控制器采用2 片a n 伍l 8 9 c 5 2 单片机。a t 8 9 c 5 2 不但和8 0 5 1 指令、管脚完全兼容，而且与一般的8 0 5 1 单片机相比，a t m e l 8 9 c 5 2 单片机具 有更多的优势：内部r a m 空间达到2 5 6 字节，其中地址单元8 0 h f f h 为特殊 寄存器与通用r a m 的复用区域，用不同的寻址方式可以进行独立访问；片内的 8 k 程序存储器是f l a s h 工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间 擦除、改写；同时a t m e l 8 9 c 5 2 内部有3 个1 6 位定时器t o 、t 1 、t 2 ，比一般 的8 0 5 1 单片机多了定时器t 2 t 3 2 4 4 j 。 在电路设计中因为没有用到外部扩展r o m ，故将e a 引脚接+ 5 v 。实时控 制过程中，a 口单片负责实时采集发动机工况信息，并在线实时计算，根据计算 结果在合适的时刻发出点火脉冲信号至点火驱动电路；b 口单片负责与上位机通 讯，实现数据传输，同时辅助a 口完成部分计算功能。 c p u 需要完成的任务有： ( 1 ) 初始化阶段接收p c 发送的m a p 信息，并将此存入2 5 0 4 5 ( 存档) 和1 6 0 9 。 ( 2 ) 检测触发和照明信号，计算发动机的转速和瞬时转速，并根据此查表选 择合适的点火提前角。 ( 3 ) 刷新l c d 的显示，并接收面板上的按键控制。 第三章硬件电路设计 整形电路传递过来的两路磁电机信号接入a 口单片，其中触发信号接入外 部中断0 ( 丽i ) ，照明信号接入外部中断1 ( 而i ) 。两个外部中断的控制方式 均采用跳变触发，即在单片引脚检测到输入信号有负跳变时则将相应中断标志置 位，若中断响应允许，则等待c p u 响应中断。 a 口单片对丽i 、雨丽信号进行分析和计算：发动机每工作4 个行程，会产 生2 个五孑而信号和1 6 个两丽信号，用定时器t o 对这些外部中断进行计时，即 可得到每个雨而间隔时间长和每个雨丽间隔时间长。定时器t 0 采用定时器方 式，每计数加1 ，则时间为石音百x 1 2 z o 5 4 u s 。 a 口单片根据发动机的转速和瞬时转速波动情况，从点火特性图中找出对应 的最佳点火提前角，再根据当前的发动机转速将其该点火提前角转换成所需的点 火延时，并在合适的时刻起动点火延时定时器t 1 。设计t 1 工作在1 6 位定时器， 当计数溢出后，标志位t f l 置位，若t 1 中断响应允许，则等待c p u 响应中断。 火花塞点火产生的感应信号经整形电路后接至a 口单片的p 1 1 引脚，该引 脚也为定时器他的捕获引脚。t 2 工作在捕获方式，当控制寄存器t 2 c o n 的 e x e n 2 = i 且p 1 i ( t 2 e x ) 端的信号有负跳变时，将发生捕获操作。同时标志e x f 2 置1 ，申请中断。 b 口单片主要协助a 口单片完成部分计算工作以及l c d 显示数据的处理工 作。它通过查询1 6 0 9 的相关标志位判断a 口是否有数据需要处理，并将处理后 的数据放到1 6 0 9 的设定位置。 3 2 2 数据存储器 虽然a t 8 9 c 5 2 单片机内部有2 5 6 个字节的r a m 存储空间，比普通的5 l 系 列单片机多1 倍，但是在设计中仍不够用；同时2 片a t 8 9 c 5 2 之间需要进行数 据交换和共享，因此在电路中需要扩展数据存储器【3 5 1 。 扩展的数据存储器选用d a l l s 的1 6 0 9 芯片。d s l 6 0 9 为2 5 6 字节双端口 r a m ，具有两个独立的端口，各自拥有一套相应的数据地址复用总线和控制总 线；控制信号只有读使能( o e ) 、写使能( w e ) 和片选( c e ) ，硬件电路设计 简单，且程序设计方便。 d s l 6 0 9 是一个双端口r a m ，在对它进行读，写时有别于一般的r a m ，为了 防止两个端口同时对r a m 进行读写，需要考虑到仲裁机制： ( 1 ) 两端口同时读时：由于1 6 0 9 设计的独特性，它允许两个端口独立地对存 储器单元进行存取操作，因此无需仲裁。 ( 2 ) 一端口读一端口写时：当两端口同时对同一单元进行读写操作时，会 发生竞争。为了解决这种冲突，在设计中将0 s 1 6 0 9 的开始几个存储单元 第三章硬件电路设计 设计“邮箱”来表征两个单片对d s l 6 0 9 的操作状态，两端口在进行读操 作前需要查看对方“邮箱”是否正在有写操作。 ( 3 ) 两端口同时写时：为了解决两端口同时写的冲突，在设计时规定：将r a m 的某一段存储单元分配给a 口单片，即b 口单片不对该段存储单元进行 写；将r a m 的另一段存储单元分配给b 口单片，a 口单片不能在该区域内 写。 3 2 32 5 0 4 5 功能复用 考虑到需要存储大量m a p 信息，而该信息在对发动机点火实时控制是非常 重要的，为