（机械制造及其自动化专业论文）摩托车用汽油机数字点火系统的研究.pdf

中文摘要 新一代发动机的发展面临着在燃料消耗、废气排放和动力性三方面性能不断 提高的挑战。为了满足日益严格的排放法规，发动机数字点火技术的应用已成为 当今内燃机发展中的主要组成部分。高性能、多功能的传感器和大规模集成电路 技术促进了该项技术的产生和实用化。数字点火技术可以有效降低发动机的油耗 和排放，大幅度提高发动机的性能指标。数字点火方式具有适时性好、响应快、 控制点火时刻更为精确等其他点火方式无法比拟的优点。 我国在发动机电子控制技术方面尤其是数字控制技术方面与发达国家有着 比较大的差距，特别是在生产应用方面。而目前，随着世界石油市场越来越严峻 的形式，各国对排放法规的迸一步要求，国际上汽车、摩托车领域的激烈竞争， 使得我们迫切需要改进传统的点火技术。作为一项开发性研究，数字点火技术具 有很高的实用价值和经济价值。本文就是通过硬件技术和软件开发工具的结合， 成功研制了一套用于摩托车上的的数字点火系统。 本文主要完成以下三个方面的工作： 1 硬件方面 设计开发了一套以p i c 单片机为c p u ，主要基于磁电机转速信号的数字点火 系统。 2 、软件主要包括以下方面 个是建立了一套处理三维点火提前角数据的数学模型。该模型将更适合于 高速高精度的分析。 另外，针对p i c 芯片的硬件特点以及实时性和可靠性要求的提高，在软件抗 干扰方面、提前角的生成算法方面作了创造性的尝试。并在m a p l a b i d e 集成开 发环境下，利用p i c 汇编语言完成了p i c 上信号处理、控制的软件开发设计工作。 该信号处理及控制软件主要由信号采集控制、点火控制等模块组成。在具体软件 实现中，通过对采集信号的预处理，同时结合以曲面拟合算法，从而实现对点火 提前角的最佳选择，充分发挥了p i c 的强大数据处理能力。 3 、数字点火系统的实验研究。为了验证该系统的可行性和实用性。利用天 波科达公司生产的c 1 2 0 磁电机实验台，进行了大量试验。试验结果表明，该数 字点火系统达到了预想的效果。 关键词：数字点火技术发动机p i c a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f n e wg e n e r a t i o n a le n g i n ei sc o n f r o n t e dw i t ht h r e ea s p e c t s 。， c h a l l e n g e ：f u e lc o n s u l n e ，w a s t eg a sd i s c h a r g ea n dp o w e rw h i c h 劓er a i s e dc o n s t a n t l y t os a t i s f y * h es t r i c td i s c h a r g er e g u l a t i o nd a yb yd a y , i tb e c o m e st h em a i nt r e n d 赫 d e v e l o p m e n to fi n t e r n a l * c o m b u s t i o ne n g i n et h a tt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a li g n i t i o n t e c h n o l o g yo fe n g i n e 鞭* p e r f o r m a n c e , m u f t i - f i m e l d o n a ls e i k q o ra n dl a r g es c a l e i n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g yh a v ep r o m o t e dt h e b i r t ha n da p p l i c a t i o no ft h e t e c h n o l o g y t h ed i g i t a li g n i t i o nt e c h n o l o g yc a r tr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n dd i s c h a r g e c o m p e t e n c eo f e n g i n ee f f e c t i v e l y ，a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f e n g i n eb yal a r g e m a r g i na n dm u s tb e c o m et h el e a d i n gt e c b x a o l o g yt h a t w i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n et r a d ei nt h ef u t u r e t h ed i g i t mi g n i t i o nw a yp r o g r e s s e sw e l t 采t h er i g h tm o m e n t ，r e s p o n d sq u i c k l y a n dc o n t r o l si g n i t i o nt i m em o r ep r e c i s et h a no t h e ri g n i t i o nw a y s o u rc o u n t r yh a s g r e a t e rd i s p a r i t y 媚氇t h ed e v e l o p e dc o u n t r yi nt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo f t h e e n g i n e ，e s p e c i a l l y t h ed i g i t a l - c o n t r o l i g n i t i o nt e c h n o l o g y i n p r o d u c t i o n a p p l i c a t i o n ；b u t 曩lp r e s e n t ，w i t hm o r ea n dm o r es e v e r es t a t u so fp e t r o l e u mm a r k e t i nt h ew o r l d , t h e r ei saf u r t h e rr e q u e s tf o rl a w sa n dr e g u l a t i o n sa b o u td i s c h a r g i n g p o l l u t i o ni ne v e r yc o u n t r y , a n d 馘t l lt h em o r ed r a s t i cc o m p e t i t i o ni nt h ef i e l do f i n t e r n a t i o n a la u t o m o b i l ea n d m o t o r c y c l e ，w eh a v eu r g e n tn e e d st oi m p r o v et h e t r a d i t i o n a li g n i t i o nt e c h n o l o g y a sad e v e l o p i n g r e s e a r c h , 氇ed i g i t a li g n i t i o n t e c h n o l o g yh a sav e r yh i g hp r a c t i c a lv a l u ea n de c o n o m i cv a l u e w eh a v e s u c c e e d e dt od e v e l o po n ed i g i t a li g n i t i o n s y s t e mu s e db ym o t o r c y c l e 喇墩 h a r d w a r et e c h n o l o g ya n d ，s “) r w a r e d e v e l o p i n gs y s t e m 。 t h i st e x tm a i n l ya c h i e v e dt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k t h ef i r s t , o nt h ea s p e c to f h a r d w a r e ： w eh a sd e s i g n e da n d d e v e l o p e das 战o fd i g i t a li g n i t i o ns y s t e mt a k i n gt h e 、p i c m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta s c p u , m a i n l yb a s e d o ne l e c t r i c a lm a c h i n eo f m a g n e t i s m ss p e e ds i g n a l 。 弱婶s e c o n d , s o t s , a r em a i n l yi sc o m p o s e do f t h el a t t e ra s p e c t s ： o n ei ss e t t i n gu pas e to f m a t h e m a t i c sm o d e lf o rd e a l l i n gw i t ht h r e e - d l m e n s i o n p r e i g n i t i o na n g l ed a t u m 。t h i sm a t h e m a t i c sm o d e l i ss u i t a b l ef o rt h eh i g hs p e e da n d h i 曲a c c u r a c ya n a l y s i s t h eo t h e r , i nv i e wo f t h ep i cc h i ph a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i ca sw e l la se n h a n c e m e n t o f t i m e l ya n dt h er e l i a b l er e q u e s t ，a n do n t h ea s p e c to fs o f t w a r ea n t i j a m m i n g ，t h e p r e - i g n i t i t i o na n g l ep r o d u c t i o na l g o r i t h m ，w eh a v em a d et h ec r e a t i v ea t t e m p tu n d e r t h em a p l a b i d ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，w eh a v ec o m p l e t e dt h e s i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y s i ss o f t w a r ew i t h p i ca s s e m b l yl a n g u a g e ，t h i ss i g n a l p r o c e s s i n ga n dc o n t r o ls o t w a r em a i n l y i sc o m p o s e do fs i g n a lm o d u l eg a t h e r i n g c o n t r o la n di g n i t i o nc o n t r o l ，a n ds o0 1 1 。i nt h ec o n c r e t es o f t w a r er e a l i z a t i o n , h a s r e a l i z e dt h eb e s tc h o i c eo f p r e i g n i f i t i o na n g l e ，a n dd i s p l a y e df u l l yt h ep i c e x c e l l e n td a t a - h a n d l i n gc a p a c i t yw i t l l p r e t r e a t m e n to fs i g n a lg a t h e r e d 。a sw e l l 搽 t w oc u r v e ds u f a c ef i t t i n ga l g o r i t l u n t h et l l i r d 。e x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h ed i g i t a li g n i t i o ns y s t e m 。 i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h e d i g i t a li g n i t i o ns y s t e m ，w eh a v ee x p e r i m e n to n t h ea p p l i c a t i o ne q u i p m e n to fe l e c t r i c a lm a c h i n eo fm a g n e t i s mo ft h e t i a n b o & k e d ac o m p a n y t h er e s u l t sp r o v et h a t d i g i t a li g n i t i o ns y s t e m m a t c h e f f e c t a n t i c i p a t e d ， k e yw o r d s ：d i g i t a li g n i t i o nt e c h n o l o g y , e n g i n e ，p e 却h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r 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，也不包含为获得墨壅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：g 杰争签字日期：协眸7 月船 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基洼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) 洲一魏堕慈，每 签字日期一卯r 年f 月ff 日 导师 签字 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 。1 弓l 言 第一章绪论 我国的摩托率工业虽然起步较晚，但戆自改革开放以来，我豳的摩托车行业 褥捌了突飞猛进的发展。从t 9 9 4 年起，我国已经成为世羿上第一大摩托率生产 斟，目前我国的摩托车年产量大约为1 3 0 0 万辆左农，保封量约为5 0 0 0 万辆。如 魏众多盼摩托车必然会带来不容忽视的摊放简题和能源问题。为了控制摩托车捧 放h c 、c o 和n o 。对人体的危害，我国正在建立并鼠将实施相应的摩托车排放法 瓣。 进入二十世纪詹期，环境问题日益严熬，特别是大气污染问题越来越受到各 个图家静熬视。攒统计，葺藏我萄5 7 的城市总熬浮颡粒物超过鬻家环保限值， 4 8 个城市的二氧化硫浓度超过国家二级排放标准，8 2 的城市先后遭到不同程度 豹酸雨盏寨。6 0 0 多个藏奄中，大气嚣境麓童符会一缀标准静不黧1 ； 薮界上 1 0 个污染最严重的城市我阑就占了9 个，包括兰州、吉林、太原、焦作、万县、 鸟磐本齐、宣善、浚审和安羯”3 。这说秘我国豹城市污染已经裂了菲治瑗不可 的地步。为此，国家也制定很多政策法规，明确规定不符含排放标准的车辆严禁 生产、锩蘩器上薅照，戳减少废气污染饕瓣 敖。摄据有关法律，我霆2 0 0 1 年 9 月份以后生产的轿车和5 人座以下的微型汽车不得再采用化油器技术。我国目 兹采震戆藏挺车 放法袈参考了欧溅l 号撂准，酉捧程发动褪霹苏满是这一法鬣 要求，但是二冲程发动机就达不到。而且我国正在抓紧制定与欧洲| | 号标凇接近 翡接敦法蒺。 据统计，全球易开采的石油可持续开采5 0 年左右，几十年后将会出现石油 短姣瑗象。美国穰举裁实撂了蔽襄l 境内石潼葶要天然气资源开发进爱熬鼹两竣策， 从1 9 6 8 年起就开始变成了个迅速发展的石油进阴国，我们国家也从1 9 9 7 年由 一个五洼输窭国变成石潼遴强国。这说裴了内燃掇豹节能、握囊燃瓣熬利髑效率 已遍在眉睫。而我阑是一个摩托车生产和销售大国，产销鬣居世界第一。所以， 节戆黪要求鼹摩援攀蠢数基说压力要 荚 | 焦国家大鼹多。这怼我爨钛事内燃壤磅 究的人既是挑战也熄机遇。 从2 0 0 1 年9 胃1 曩起，我星裁生产弱矮车霹s 座窖车全部采耀了迄喷发动 机，虽然到目前为止我国尚未提出摩托车电喷化的网程表，但有关摩托车的政策 中已多次掇到在摩托车上袋愿电喷技拳是一势必然趋势。2 0 0 2 年嚣家繇境绦护 总局发布了三项摩托车排放强制性国家标准，分别是g 31 4 6 2 2 - 2 0 0 2 摩托车排气 污染物搀敖限值及测量方法( 工援法) 、g b1 8 1 7 6 - 2 0 0 2 轻便摩托车搀气污染搂 天津大学硕士学位论文第一章绪论 放限值及测量方法( 工况法) 和g b1 4 6 2 1 2 0 0 2 摩托车和辍便摩托车排气污染物 撵艘限篷及测量( 惑速法 ，势嗣瓣予2 0 0 3 年l 蔑i 墨开始实施。此三颂标准 中摩托车和轻便摩托车工况法限值是采用欧盟1 9 9 9 年6 月1 7 日发布的9 7 2 4 e c 关予二轮翻三轮黪抚车主疆邦馋秘特性的指令中对瘴托窜鞠轻便摩托车拱 气污 染物排放工况法的限值。怠速法限值是在原国家标准g b t5 4 6 6 1 9 9 3 的基础上， 根据我国戮情进行了适当期严，芳晟包括了轻便黪挺车。三项标港妁具体隈值及 实施日期见表i - i “。和表卜2 “。所以为了改善城市空气质麓，降低油耗，发动 孝几瞧控技术的发展是必须的、势在必行的，丽要发展发动机电控技术，电控发动 机开发系统的研究是一个麓要环节，是一项必不可少的工作。 檬车型新车型 生产一致 耐排效限值，k 讯 撒认证性实施久h cu o xc ol i e 阶实旖日期日期蠛+ n o x 段 第 两轮滕托车( 二冲程) 2 0 0 3 - i - i2 0 0 3 - 7 - i6 0 0 04 o0 i8 ，o u - _ 十 掰轮摩托车( 四冲程)2 0 0 3 1 - i2 0 0 3 - 7 - i3 oo 31 3 o 阶 两轮轻便痒托车 2 0 0 3 1 - i2 0 0 4 一l l6 0 3 0 段 三轮摩托车( 二冲程) 2 0 0 3 - i - 12 0 0 3 - 7 - i6 o0 1 51 2 三轮瘁托车( 翻冲程) 2 0 0 3 - i - i2 0 0 3 - 7 14 5o 4 51 9 5 三轮轻便摩托车 2 0 0 3 一l 一12 0 0 4 一卜11 2 06 o 籀 两轮摩托琦1 2 0 0 4 1 12 0 0 5 - 1 1i 0 0 0 01 2o 35 5 二 两轮轻便摩托车 2 0 0 5 - 1 - i2 0 0 6 - i - il 01 2 阶 三轮摩耗率 2 0 0 4 - i - i2 0 0 5 - 1 - i 1 5 0 4 7 o 段 三轮轻便摩托车 2 0 0 5 - i - 12 0 0 6 一l 一13 51 2 表i - i 我国藤托车和轻便摩托率工况法捧气污染物排放限值及实施嗣期 实验类剃c o , 筠 黼 1 0 “ 二冲穰 四冲程 2 0 0 3 年l 霸1 西越型式认诞实验 3 8 3 5 0 08 0 0 2 0 0 3 年7 月1 日超生产一数性检查试验 4 04 0 0 01 0 0 0 2 0 0 3 年7 弼1 目起生产的在用车检套试验 4 54 5 0 01 2 0 0 2 0 0 3 年7 月l 曰以前生产的在用车检查试验 4 。58 0 0 02 2 0 0 注：h c 浓度按芷已浣当量。 表卜2 我国摩托车和轻便摩托车的怠速排气污染物排放限俊及实施日期 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 而在发动机的电控系统中，其核心便是点火系统电子控制。一套好的点火电 系统能够极大的提高摩托车或汽车的诸多性能，降低油耗，增强产品的可靠性和 竞争力。同时，现代科学技术、微型电子计算机、新材料、新能源的研究开发和 应用将给汽油机的发展注入新的活力，使汽油机更节能、排放更清洁成为可能， 尤其是在大规模集成电路技术的推动下所产生的微型计算机以其低价、轻巧、高 速、可变等优点己成为汽油机技术发展的主要动力之一，同时高性能、多功能的 传感器的开发也加速了微机在汽油机行业中的应用。 1 2 汽油机的各种点火方法简介 汽油机上最早使用的是触点式点火系统，始于1 9 1 0 年。电子点火系统经过 3 0 多年的发展，已从有触点有分电器点火系统发展到了无触点无分电器电子点 火系统，它的作用是将低压电变为高压电，并将高压电按发动机的作功顺序引入 气缸产生点火。 电子点火系统的种类有很多种分法“，比如，按控制方式可分为：触点控 制式、电子控制式、微机控制式。按储能方式可分为：电感储能式、电容储能式。 按传感器分为：霍尔式、磁感应式、光电式、电磁振荡式。按配电可分为：机械 配电式、电子配电式( 同时配电式和单独配电式) 等。 下面按侧重点不同介绍几种常用的点火方法 1 磁感应式电子点火系统结构特点 c a l 0 9 2 、e q l 0 9 2 、b j 2 0 2 0 等型汽车以及早期生产的部分轿车如b j 2 0 2 1 、二 汽富康等装配了磁感应式电子点火系统，它主要由磁感应式分电器、点火电子组 件，高能点火线圈和火花塞等组成。如图卜1 是磁感式电子点火系统原理图。 磁感应传感器 图卜l 磁感应电子点火系统原理图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 磁感艘式分电器主要由磁感成传感器、点火掇前调节装置、配电器等组成。 磁感应传感器由转予、定孑、永久磁铁、糖感线爨等缀残。当发动枫工终游，分 电器通过转子、急于，使传感线圈内的磁通发生变化，产生电压倍号，供给点火 皂予缝伴。它的突爨佳点怒结构键摹，不瓣外麴电源。 点火电子组件又称点火器、点火控制器或电子点火控制器，主要由点火专用 黪集成电路和一些辕助电子元 牛鳃成。它的主要 乍瘸是根撰磁感成传感器竣出魏 电压信号，控制点火线圈初级绕组电路的导通与截止，使点火线潮产生高压电。 此外，点火电予缎传还有憾流控制、闭合灸控制、傍车断电控割、过压保护等功 能。 2 霍尔式电子点火系统结构姆点 c a 6 4 4 0 、c a l 0 4 6 等型、汽车以及早期生产的部分轿车如c a 7 2 2 0 、上海桑塔纳、 一汽奥迪i 0 0 、捷达等都慕用了霍尔式电子点火系绫，它主要由鬟尔式分瞧器、 点火电子组件、高能点火绫圈、火花塞等级成。图卜2 是震尔式电子点火系统的 电路图。 图卜2 霍尔式电子点火系统结构特点 霍尔式分电器杰要由鬟尔传感器、点火提前调节装置、配电器等组成。 霍尔绪感器由簸发时轮、霍尔集成电路、寻磁铜片、永久磁铰等组成。发动 机工作时，分电器通过触发叶轮使擞尔集成电路的磁通发生变化，产生电压信号， 供绘点火毫予组俘。它与磁感应转感器不瀚的是鬟尔传感器需要一个输入电筮， 输出信号不受发动机转速影响。 点灾电子蕴彳孛静组藏黧作灞翅蓊繇述。 3 微机控制点火系统的结构特点 在发动祝豹电子集中羧箭系统中，点火系统出微辊控潮，称为徽枫控制点火 系统。现在生产的大部分轿车都采用微机控制点火系统，如b j 2 0 2 0 、奥迪2 0 0 、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 北京切诺潦、长丰猎豹、天津夏利等。该点火系统主要由传感器、发动机电子控 露l 器( e c u ) 、点火魄子组传、点火线銎积火花塞等缱成。麴l 一3 怒镞极控铡点火 系统组成圈。 图卜3 微机控制赢火系统藤理国 传感鞋是监测发动机工况信息的装置。传感器的结构形式和装配数量依车嚣 异，主要有曲轴位蓬传感器( 一般能括上止点、转角、转速3 种信譬) 、空气流量 传感器、节气门位援传感器、车速健感器、冷却液漱度传感器、进气温度传感器、 爆震传感器、空秽起动开美、空调开关、点火开关、蓄电濑等。 上止点信号用于e c u 确定曲轴基准位鼹( 判定气缸压缩上止点，该信号在上 丘赢前莱一确定角度) ；转角信号掰于e c u 控帝8 点火时刻；转速信号、空气流量 信号和节气门位置信号用予e e u 计冀确定基本点火提前角；冷却液温度信母、进 气溢度信譬、空调开关信号醣及瀑麓传感器反馈信崎等用予e e u 修正点火提前角 ( 修正点火提前角的项目有多有少，主要有暖机修厩、怠速修正以及爆震反馈修 正等) 。勇夕 转角信号还羁藿电酒电压信号一超嗣来确定煮火导通角“。 发动机电子控制器用e c u 表示，e c u 怒发动机的控制核心“。发动机电 予控靠l 器羽名称并不统一，生产厂家或公司不同，艇产年代和控涮内容不间，采 用的名称也不尽相同。电予控制器主要包括输入回路、输出回路、模数h d 转 换器、革寿微鍪诗算梳帮泡源窀路等。宙予发动稳电子控魏器e c u 静核心郝俘是 单片微型计算机，通常将发动机电予控制器称为微机或电脑。发动机电子控制器 静佟用是穰据发动祝各砖憋器输入豹信惠帮徽辊肉存数据，逶遥运舞处理帮逻辑 判断，向点火电子组件发出最佳点火提前角和点火线圈初级绕组电路导通时间的 控稍信号。 点火电子组件怒发动机控制系统的执行器。点火电子组件的作用是根据微机 发熬鲶据令信号，邋过内部大功率三按管静学逶与截止来按潮点火线餮初缀绕组 电路的通断，使点火线圈产生高压电。各型发动机点火电子组件的内部结构各不 禧溺。寿懿肇疆安装( 翔辜瓣t e e s 系统) ；有静发甥辊并不配置点火电子缀彳率， 大功率三极管直接设在发动机电子控制器e c u 内部( 如北京切诺基4 o l 发动 各种传感器 天津大学硕士学位论文第一章绪论 机) ；有的点火电予组件只有一只达林顿三极管( 与点火线圈安装在一起) ，仅起 开关终露( 如奥遥2 0 0 窝翻产e c c s 系统) ，其它毫予控铡元终委l 与发动掇褒子控 制器制成一体；有的点火电子组件除开关作用外，还有恒流控制、闭合角控制、 气艇判裂、点火黢援等功能。 微机控制点火系统又分为机械配电式( 如桑塔纳2 0 d 旧c l i 、红旗c a ? 2 2 0 e 、 切诺基等) 点火系绞和电子酝电式( 熟桑塔纳2 0 0 0 c s i 、捷达a t 、g t x 、煲遮2 0 0 等) 点火系统。机械配电式点火系统点火线圈产生的高压电由配电器按发动机作 功顺序分酝给各敝火花塞跳火。这瓣分配式点火，仍然要产生较多睦火花，不仅 浪费能量，而且遗产生电磁干扰倍号。而穗子配电式点火系统则没有配电器，点 火线圈次级绕组的两端直接与火藏塞相连，发动机运转时，微机根据传感嚣信号， 童接控制备个点火线圈产嫩高压电，使相成火花塞跳火，到目前为止，电子配电 微机控制点火系统是最先进的点火系统。 4 电感储能戴点火电路和电容储能式点火电路 电感储能式点火电路巾，用于产生电火花的能缀是以磁场的形式储存于点火 线豳中，所储存的能量的一个重要参考参数便是电感，而电容储能琏点火电路中， 用于产生电火花的能量，是以电场的形式储存于专门的储能电容中。 1 3 摩托车数字点火技术的提出、本课题的意义和主要工作 1 3 ，1 数字点火技术的提出及本课题的意义 汽油机的性能好坏直接反映摩托车运彳予的优劣，而汽油机性能参数通常有： 动力性( 热扭矩、凌率等) 、经济髅( 磐酒糕) 及器季孛担 拔据标。凌上文艨述， 微机式控制点火为最先进的点火系统。正是为了更精确的根据这些参数控制汽油 极工作在最佳状态，人们提出了数字点火技术。实现数字式点火系统，关键裁是 应用了c p u 强大的软件处理功能，更精确的来协调、控制各个参数，从而使发动 极工作在最佳状态。摩托率领域的数字点火技术在鞠内起步较晚，枣场上纛鼹鲍 也不成熟。随着与馓界摩托车市场的接轨及新技术的引进，目前我们已经对该技 术毒了初步成效，并进行了耀关的试验。缀果表明，该系统具有比以往其他系统 更高的数攒处理能力和推广潜力。 居翦数字点火的实现方式一般窍以下几墨孛： 1 用通用的单片机( 如m c s 5 1 系列) 实现 2 用功能更为强大的p i c 单片机实现 3 霜通用可编程d s p 芯片等其他大规模数字处理芯片实现。 用通用的c 5 1 系列单片枫由于其速度较慢，片内资源棚对较为匮乏，网时 墨望奎堂堡圭堂垡笙苎 箜二童堑堡 需要大量的片外辅助器件，这就使得它将不可避免地带来更多的干扰。而大规模 数字处理芯片由于其价格昂贵等原因，目前仅仅处于科研阶段，所以我们选择了 p i c 单片机。p i c 芯片是种比较适合于进行信号处理和运算的微处理器，本文 的研究重点就是如何将p i c 应用到摩托车数字点火系统中。 1 3 2 本课题的主要工作 1 硬件方面 i ) 根据摩托车磁电机的信号特点及p i c 芯片的要求，完成信号与单片机之间 的接口电路。 2 ) 为最终时间点火，设计完成以电容放电为核心的点火电路。 2 软件方面 1 ) 利用m a t l a b 应用软件为点火提前角的m a p 图建立数学模型 2 ) 利用p i c 汇编语言编写发动机相关信号的接收、处理及点火控制软件。 3 数字点火系统应用试验 为了验证该系统点火的可行性和实用性，进行相关的试验。 1 4 本章小结 本章首先阐述了目前摩托车行业的现状，并对汽油机的各种点火方法加以简 要的介绍，指出数字点火研究的重要意义和目的。然后提出了一种基于p i c 单片 机的数字点火系统，并介绍了本课题所做的工作。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 需要大量的片外辅助器件，这就使得它将不可避免地带来更多的干扰。而大规模 数字处理芯片由于其价格昂贵等原因，目前仅仅处于科研阶段，所以我们选择了 p i c 单片机。p i c 芯片是一种比较适合于进行信号处理和运算的微处理器，本文 的研究重点就是如何将p i c 应用到摩托车数字点火系统中。 1 3 2 本课题的主要工作 i 硬件方面 1 ) 根据摩托车磁电机的信号特点及p i c 芯片的要求，完成信号与单片机之间 的接口电路。 2 ) 为最终时问点火，设计完成1 三 电容放电为核心的点火电路。 2 软件方面 1 ) 利用i h a t l a b 应用软件为点火提前角的淞p 图建立数学模型 2 ) 利用p i c 汇编语言编写发动机相关信号的接收、处理及点火控制软件。 3 数字点火系统应用试验 为了验证该系统点火的可行性和实用性，进行相关的试验。 1 4 本章小结 本章首先阐述了目前摩托车行业的现状，并对汽油机的各种点火方法加以简 要的介绍，指出数字点火研究的重要意义和目的。然后提出了一种基于p i c 单片 机的数字点火系统，并介绍了本课题所做的工作。 机的数字点火系统，并介绍了本课题所做的工作。 天津大学硕士学位论文 第二章数字点火系统的理论分析及总体设计 第二章数字点火系统的理论分析及总体设计 2 1 点火提前角的提出及对汽油机工作的影响 2 1 1 点火提前角的提出 在气缸中，从火花塞开始跳火到着火燃烧是需要定时间的。为了使汽油机 能够具有较好的性能，点火就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。点火的时刻便是用点火提前角川来表示的，它是指 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间内曲轴转过的角 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2 - 1 所 示【6 】o 垂 丫b ? 卅 点火时刻b cd 曲轴转角 图2 一l 汽缸压力与点火时刻的关系 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，则混合气必然早点火，经过一段着火落后期后，压力 上升线的主要部分处于上止点前，而此时气缸内处于压缩过程，由于其容积不断 地缩小使得气缸内的压力升高率较大，最高压力值也较高，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；缸内混合气的 温度、压力的增高，最后燃烧的那些混合气产生爆震的倾向也在增加。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，并使排气温度较高，同 时相应燃烧高温时期的传热表面增加，造成较大的热损失，如图中d 线所示。而 天津大学硕士学位论文第= 肇数宰点火系统的理论分析及总体设计 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i 7 0 - - 2 4 0 k p a 摄氏 嶷，霹最褰蘧力点惑蠛在上囊点菇i 0 一i s 度冀辕转惫。就对汽漓祝懿动力谴襄 经济性均良好。由于各工况的着火落后期不相同，对于汽油机的每工况都对应 存在一最建点炎鼹麓襄“1 。为了逮到这一袋佳状态，汽潼瓿通过辩点必撬蕊麓熬 调控来达到目的。 2 ， ，2 煮必提羲慧对汽滋撬工作麓影瀚 l 对功率的影响“1 针对镣一个固定的工况，即固定的负犄和转速，由于最佳点火提前角程节气 门嚣囊不变簿，各个转速的整炎落掰裳垮交证不大。瞧蓬转速菸上辩，摇慰潜失 落衙期所占的曲轴转角呈正比增加，所以，高转逋下的着火落后角将显著加大。 要保涯最大燃烧压力点攘檄大襄不变，必定要趣大点火提裁霆。隧着点炎提篱受 的增大，功率先期望增加状态，遮剿最大值后下降，如图2 2 ( a ) 所示。因每条 热线对应予强定的转速，功率篷线瞧反映了揠矩的交往。蹬2 2 ( b ) 中是以遴气 管真空度袭示负荷，在转遴不变酌情况下，当负荷减小时，意味着节气门并度的 城小，每德环燃烧黥混合气数量也减少，露热上敷蠹残余废气所占的比铡攘慰增 大，对迸入的混台气起到稀释作用，气缸巍与燃烧盛壁面温度的下降等诸多因素 暖4 使着火落器时阕糖长，必须相应使点火掇藩。当最熹篷力点出琥在上止点蜃 i o 1 5 度魏轴转角辩，平均有效殛力达到爨大值，当然扭斑也达到最大值。2 2 ( b ) 图中功率与扭短达到最大僮的对应的点火提蘸角即为扭矩最佳点火提前蹙。 1 1 2 5 l 酶 霸 鹭 _ 7 j h 6 4 s 了，5 3 a ；o 上一 一一 e ；r 7 i l ，_ 2 o j | 。 6 叫k f ，n _ w 隧 瀣蚺辘转 己 j - 一 i ! 气管弭凳艘 h d - j f 0 【)9 吣- o 0 2 6 、 善o ，04 4 ， - 氇n s s 瞧 n = 1 s o o r 势 匿2 - 2 点火恁对功率影喻鲢线銎 9 两 嚣m 野 弘 淦气 ： 蒂 a 4 天津大学硕士学位论文 第二章数字点火系统的理论分析及总体设计 2 对油耗的影响“。 汽油机的油耗与燃烧象的形式、发动机工况、过量空气系数a 及点火提前角 等均有关。图2 - 3 ( d ) 所示在部分负荷，转速为2 0 0 0 r m i n 时，磐过量空气系 数五 1 0 7 时，随着点火提前角的增大，油耗不断下降；而当五 1 的条储下， 往往龟会产生撮嵩豹髓辩放，这怒因为h c 还有着淬薅和壤搿于等其它生成原因。 在均质混食气汽油机的过擞空气系数范围内，点火提前角增大时，h c 排放则随 之增大，麓冗乎残线往关系。亩强2 - 3 ( a ) 可觅，辕着点火提前角躺减小，h c 排 放也有所降低，因为点火摁前角的减小导数后燃的加重和排气温度的上升，使得 在辩气行耩教及薅气管孛粥氧彳乏获应热速，最终筏捧出狂c 量减少。 2 ) 对n o ，排放的影响：发动机中生成的n o 。生成途径有三种：高温n o ，激 发瀚帮燃精n o 。在汽潼梳串激发瀚掰蠢魄率臻小。两鬣，在起撩辊鹣常燕燃 料中，汽油基本不合氮。所以，发动机中产生n o ，的途径中，高溆n o 是主鬻来 源。在足够静氧浓疫条锌下，温度越高，爱应速度越侠，辩o 豹生成囊奄就越大。 由图2 3 ( b ) 可见，随着点火提前角小于由动力。隧确定的最佳值，燃烧等容度 戆簿缳，羧终镬爨蹇燃浇滋疫涟誊焦灾戆疑遥露羹壹线下降，导致n o ， 教静 减少。其次n o ，在魅个过缀空气系数范围内，均随着点火撮前角的增大而增大， 这穗歪是燃烧最塞瀑废豹爝麓援致。 篁 耄 ，h t 塞 望 过量空气系数冀 ( a ) o 过鬣空气系数童 ( b ) 弦哺强m 8 鑫4 2 鑫 若誊*o警 天津大学硕士学位论文 第二章数字点火系统的理论分析及总体设计 ： ； 兰 h o 过量空气系数a ( c ) ( a ) h c 与点火提前角 ( c ) c o 与点火提前角 ； 苎 酒 i 过量空气系数五 ( d ) ( b ) n o 。与点火提前角 ( d ) 燃油消耗率与点火提前角 图2 - 3 汽油机的排放与点火时刻 ( 3 ) 对c o 排放的影响：图2 3 ( c ) 表明，在全负荷工况的过量空气系数范 围内( o 9 5 时，点 火提前角对c o 排放几乎没有影响。 可见，点火提前角越大，发动机的排放越恶化，由于c o 排放几乎与点火提 前角无关。因而可以来用推迟点火的方法来减少h c 和n o ，徘放。但大量研究证 明，推迟点火则使发动机的热力循环的等容度减小，最终导致发动机的动力性和 经济性恶化。 综上所述，点火提前角无论对功率、油耗还是排放都有相当的影响，而这些 因素本身又相互影响。同时，影响点火提前角的因素有很多：如发动机转速、负 荷、汽油辛烷值、进气压力、冷却水温等。所以，如何控制点火提前角至最佳值 是一个比较复杂的问题。而目前控制点火提前角的办法一般用机械进角或电气进 角两种方式。机械进角虽然是摩托车的点火提前角特性有所改进，但这种进角器 同在发动机曲轴箱内的高温空气中工作，每行驶一段时间就必须向其中补充润滑 n 1n 2 n 转速 图2 - 4电气进角示意图 天津大学硕士学位论文第二章数字点火系统的理论分析及总体设计 油脂。如果油脂补充不及时或补充过量都会使器件工作条件变坏。电气进角是目 前应用最广泛的控制点火提前角的方式。电气进角又分为波形进角和电子进角两 种方式，它们的核心思想就是在一定的速度区间( 比如2 0 0 0r m i n 到4 0 0 0 r m i n ) 内，以一个大致的点火曲线( 比如一定斜率的直线) 来控制点火时间。而在此 速度区间外的高速和低速时，均给以一个固定的点火提前角。电气进角示意图如 如图2 4 所示。我们知道，以这样的方法只能大致控制点火提前角，而不可能非 常精确的反应在某一速度时刻的点火时间。也就是说，常规的模拟式电子点火系 统，即使在已经获得最佳点火角变化规律时，由于其反应不灵敏及其他固有缺陷， 很难做出准确的点火角控制。并且，目前常用的非接触电容或电感式点火器随着 发动机转速的变化，一般只能控制磁电机转速在1 8 0 0 4 0 0 0 转分钟之间。另外， 如上文所述，决定最佳点火提前角除了速度因素以外，还有其他因素要考虑。这 样，电气进角的这种仅仅根据一个速度信号来决定提前角的控制方式又增加了不 精确的因素。而本文所提出的数字点火系统可以充分发挥软件的强大功能，精确 的控制点火提前角，控制参数也可以视情况增加，将使发动机在各种转速内较准 确的达到最佳工作状态“。 2 2 初步分析系统的电磁兼容性及干扰问题 系统的可靠性是由多种因素决定的。随着工业测控技术的应用越来越广泛， 系统可靠性也逐渐成为人们关注的一个重要课题。一个系统，无论原理上设计得 多么新颖先进，如果不考虑干扰的影响，采取适当的抗干扰措旖，在条件苛刻的 工业现场是很难可靠工作的0 点火系统由于它特殊的应用环境，使它对抗干扰能 力的要求更高。点火系统的电磁兼容性分析可以从干扰源和防干扰措旌两个方面 进行。 2 2 ，1 系统中的干扰源 本系统的点火装置、各种感性负载和线束产生的干扰都需要考虑。发动机的 点火装置是主要干扰源之一。其干扰主要是由火花塞的火花放电产生“。因为 点燃汽缸内的混合气体需要十几到几十k v 的高电压，即使火花塞放电的时间非 常短，其瞬间电流峰值也可能达到几十安。如此的高压和大电流足可以向外发射 干扰波。这些干扰波不仅对车上的电子元件产生影响，而且还可以传播一定的距 离。点火系统的点火模块的点火强度虽然不如上述描述的那么强，但仍可以满足 l o m m 的点火距离的要求，对外的干扰也是非常大的。另外，根据电工学可知， 感性负载断开时，会产生感生电动势，对电路而言是负脉冲，有时可达到3 0 0 v ， 天津大学硕士学位论文第二章数字点火系统的理论分析及总体设计 对各种电子元件来说是不小的冲击。同时，也需要考虑到点火系统电器元件之间 的连接导线，导电器件与导线之间大多是平行敷设的，很容易通过导线之间的电 感和电容产生耦合。干扰源的干扰电波也通过线束网络对其他电器产生电源上的 干扰。线束的分布电容还可以与干扰信号耦合。针对以上提到的存在于点火系统 中的干扰，必须采取措施抑制干扰源干扰波的产生，削弱传播线路中干扰波，保 护重要设备。 2 2 2 常规抗干扰措施 一般来讲，抗干扰要从以下几方面着手：滤波、屏蔽与接地以及隔离技