（动力机械及工程专业论文）摩托车用数字点火系统的研究(1).pdf

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，也不包含为获得墨垄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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲仫触签字吼7 铭群硼z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茔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。 强3 又 签字日期：知6 年二月户e t 2 翩群。伍芝研 签字日期勿年2 - - 月夕日 中文摘要 目前控制点火角使用最多的是非接触式电容放电点火系统和非接触式晶体 管点火系统。然而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，由于反应不灵敏及其他固有缺陷，却很难按此规律做出准确的点火 角控制。所以，也就提出了由单片机控制的数字点火系统。数字点火器可发挥 软件的强大功能，精确的控制点火提前角，使发动机各种转速下较准确的达到 最佳性能。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。本文介绍了一款用p i e 单片机实现对点火提前角 的控制系统，它可灵活调整提前角度，从而使发动机在各种工作转速范围内均 能够达到最佳性能，实现了提前角的数字化控制。 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 建立了一套以磁电机触发信号为依托的信号处理模型，通过单片机的运算输 出一个理想的延迟信号。由于对点火提前角的主要控制因素是触发信号，解决好 了这个问题就为以后对延迟角度更精确的控制，构建了一个良好的构架。 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 干扰方面进行了大量的实验工作。在i d e 集成开发环境下，针对8 位p i c 单片 机的特点，不借助于c 语言环境，完成了大量1 6 位的算法，不仅简化了语言结 构，有利于系统的稳定，还在最大限度上发挥了p i c 单片机的实用程度。 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 g 单片机 3 a b s t r a c t t h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fg o o da d a p t a b i l i t y , f a s tr e s p o n s i b i l i t y , a n dp r e c i s ec o n t r o lt h et i m eo fi g n i t i o n 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c eas y s t e mo f p r e - i g n i u o na n g l e 伽a tc a nf l e x i b l ea d j u s ti tp r e - a n g l e a sw e l la sl e tt h e e n g i n ew o r k i n gg o o dd u d n gd i f f e r e n ts p e e d t os a t i s f yt h es t r i c td i s c h a r g e r 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 di nd e v e l o p m e n to f i n t e m a l c o m b u s t i o n e n g i n e t h a tt h e a p p l i c a t i o n o f d 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 eh i - p e r f o r m a n c e ，m u i t i - f u n c t i o n a ls e n s o ra n dl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yh a v ep r o m o t e dt h eb i r t ha n da p p l i c a t i o n o 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 y c a nr e d u c ef u e l c o n s u m p t i o na n dd i s c h a r g ec o m p e t e n c eo fe n g i n ee f f e c t i v e l y ，a n d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe n g i n eb yal a r g em a r g i na n dm u s tb e c o m e t h e l e a d i n gt e c h n o l o g y t h a tw i l l p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o 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 a li g n r i o nw a yp r o g r e s s e sw e l la tt h er i g h tm o m e n t ，r e s p o n d s q u i c k l ya 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 r c o u n t wh a sg r e a t e rd i s p a r i t yw i t ht 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 c c o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h e e n g i n e ，e s p e c i a l l y t h e d i g i t a l c o n t r o li g n i t i o n t e c h n o l o g yi np r o d u c t i o na p p l i c a t i o n b u ta tp r e s e n t ，w i t hm o r ea n dm o r e s e v e r es t a t u so fp e t r o l e u mm a r k e ti 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 r l 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 gp o l l u t i o ni ne v e r y c o u n t r y , a n dw i t ht h e m 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 fi n t e m a t i o n a la u t o m o b i l ea n dm 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 et r a d i t i o n a li g n i t i o nt e c h n o l c i g y a sa d e v e l o p i n gr e s e a r c h ，t h ed i g i t a li g n 嘣o nt e c h n o l o g yh a sav e r yh i g hp r a c t i c a l v a l u ea n de c o n o m i cv a l u e 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 i cs i n g l e - c h i p 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 内燃机发展的主题是节能和环保 内燃机和其它动力装置相比，具有热效率高，功率密度大，使用寿命长，工 作可靠，操作方便，价格低廉等优点。二十世纪，内燃机使交通事业发生了革命 性的变化，极大地促进了世界范围内的经济发展与繁荣。 内燃机发展相关的最重要的两大主题是节能和环保，这就关系到能源和环境 问题。 能源是社会发展的物质基础，是人类改造自然、进行生产活动、创造物质财 富并赖以生存的动力，据统计，全球易开采的石油可持续开发5 0 年左右，几十 年后将会出现石油短缺现象。美国很早就实行了限制境内石油和天然气资源开发 进度的对内政策，从1 9 6 8 年起就开始变成了一个迅速发展的石油进口国。我国 也在1 9 9 7 年从一个石油输出国变成石油进口国【1 1 。这说明了内燃机的节能、提 高燃料的利用效率已迫在眉睫。 环境是指与人类密切相关的、影响人类生活和生产活动的各种自然力量或作 用的总和。但大量使用石化资源，引发了许多环境问题，人类正面临着有史以来 最严峻的环境危机。在诸多的环境问题中，大气污染是一个十分严重的问题，世 界上很多地区都曾出现过严重的空气污染事件。而对国内外大城市大气质量的测 试结果表明，汽车尾气是大城市大气污染的主要污染源f 】。据统计，当前我国5 7 的城市总悬浮颗粒物超过国家环保限值，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的酸雨危害。6 0 0 多个城市中，大气 环境质量符合一级标准的不到1 【1 l ：我国的城市污染已经到了非治理不可的程 度。为此，国家也制定了很多政策法规，明确规定不符合排放标准的车辆严禁生 产、销售和上牌照，以减少废气污染物的排放。随着摩托车的普及由此造成的排 放污染将会影响到城市环境。排放中的主要成分c o 、h c 、n o x 不仅对人体危 害极大，而且排放后形成烟雾，使道路能见度降低，影响行驶安全。 随着我国改革开放的不断深入和国民经济的不断发展，人民收入大幅度增 加、生活水平不断提高。汽车、摩托车已经逐渐走进千家万户。我国2 0 0 4 年全 年汽车销售量超过4 2 0 万辆。我国汽车年产量将超过法国，成为全球第四大汽 车生产国。汽车工业的发展为我国的国民经济注入了勃勃生机和活力，是目前发 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 展最快和最具发展潜力的行业之一。汽车工业将逐渐成为我国国民经济的主要增 长点。同时我国摩托车行业作为汽车工业的重要组成部分，已经成为我国国民经 济中最具发展活力的产业之一。我国的摩托车工业已经具备了一定的规模，自 1 9 9 3 年起，我国成为世界第一大摩托车生产国。 1 11 2 点火系统的发展是影响汽油机发展的重要因素 内燃机按照其燃料和燃烧方式的不同主要有汽油机和柴油机两大类。与柴油 机相比汽油机的优点在于其体积小、重量轻、价格便宜、起动性好、最大功率时 的转速高且工作中振动及噪声小。因此，在载客汽车，特别是轿车中，汽油机得 到了广泛的应用。 点火系统是汽油机的重要组成部分，其作用是在规定的时刻提供足够能量的 点火火花以点燃进入气缸内混合气。点火系统工作情况的好坏( 提前角、火花能 量) 直接影响发动机的性能优劣。 汽油机点火系统主要由点火电源、电子点火器、点火线圈和火花塞等组成嘲。 在汽油机各系统中点火系对发动机性能影响最大。在汽油机的发展中，使用先进 电子技术的当属点火系统。形式结构和工作原理更新最快的非点火系统莫属。现 用点火系统大体分为以下三类： 1 1 2 1 无触点点火器 由电磁、霍尔元器件构成的非接触式断电器组成的点火系统称为无触点点火 器，其放电电路又分为电容放电电路和电感电路。根据储能元件的不同，汽油机 点火方式主要有电容放电式和电感放电式。其储能器件分别为电容和电感。电感 放电式具有点火性能稳定、火花能量强、放电时间长、低速点火性能好等优点。 广泛适用于汽车和大排量四冲程摩托车。电容放电点火方式能产生较强的电火 花，且二次电流上升快，对高速发动机十分有利。电容放电点火方式在当今中小 排量摩托车上得到广泛的应用。 磁感应式分电器主要由磁感应传感器、点火提前调节装置、配电器等组成。 磁感应传感器由转子、定子、永久磁铁、传感线圈等组成。当发动机工作时，分 电器通过转子、定子，使传感线圈内的磁通发生变化，产生电压信号，供给点火 电子组件。它的突出优点是结构简单，不需外加电源。c w 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1 - 1 是磁感式电子点火系统原理图。 9 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 1 磁感应电子点火系统原理图 霍尔式分电器主要由霍尔传感器、点火提前调节装置、配电器等组成。 霍尔传感器由触发叶轮、霍尔集成电路、导磁钢片、永久磁铁等组成。发动 机工作时，分电器通过触发叶轮使霍尔集成电路的磁通发生变化，产生电压信号， 供给点火电子组件。它与磁感应传感器不同的是霍尔传感器需要一个输入电压， 输出信号不受发动机转速影响。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1 0 0 、捷达等都采用了霍尔式电子点 火系统，它主要由霍尔式分电器、点火电子组件、高能点火线圈、火花塞等组成。 1 1 2 2 微机控制点火系统 在发动机的电子集中控制系统中，点火系统由微机控制，称为微机控制点火 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 、 北京切诺基、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 制器( e c u ) 、点火电子组件、点火线圈和火花塞等组成。图1 2 是微机控制点火 系统组成图。 图1 2 微机控制点火系统原理图 传感器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而 异，主要有曲轴位置传感器( 一般包括上止点、转角和转速3 种信号) 、空气流量 传感器、节气门位置传感器、车速传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、 爆震传感器、空档起动开关、空调开关、点火开关和蓄电池等。 备种传思嚣 天津大学硕士学位论文第一章绪论 上止点信号用于e c u 确定曲轴基准位置( 判定气缸压缩上止点，该信号在上 止点前某一确定角度) ：转角信号用于e c u 控制点火时刻；转速信号、空气流量 信号和节气门位置信号用于e c u 计算确定基本点火提前角：冷却液温度信号、 进气温度信号、空调开关信号以及爆震传感器反馈信号等用于e c u 修正点火提 前角( 修正点火提前角的项目有多有少，主要有暖机修正、怠速修正以及爆震反 馈修正等) 。另外转角信号还和蓄电池电压信号一起用来确定点火导通角网。 发动机电子控制器用e c u 表示，e c u 是发动机的控制核心嘲嘲。发动机 电子控制器的名称并不统一，生产厂家或公司不同，生产年代和控制内容不同， 采用的名称也不尽相同。电子控制器主要包括输入回路、输出回路、模数a d 转换器、单片微型计算机和电源电路等。由于发动机电予控制器e c u 的核心部 件是单片微型计算机，通常将发动机电子控制器称为微机或电脑。发动机电子控 制器的作用是根据发动机各传感器输入的信息和微机内存数据，通过运算处理和 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 间的控制信号。 点火电子组件是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 发出的指令信号，通过内部大功率三极管的导通与截止来控制点火线圈初级绕组 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 相同，有的单独安装( 如丰田t c c s 系统) ；有的发动机并不配置点火电子组件， 大功率三极管直接设在发动机电予控制器e c u 内部( 如北京切诺基4 o l 发动 机) ；有的点火电子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 关作用( 如奥迪2 0 0 和日产e c c s 系统) ，其它电子控制元件则与发动机电子控 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、 气缸判别、点火监视等功能。 微机控制点火系统又分为机械配电式点火系统和电子配电式点火系统。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配给各缸 火花塞跳火。这种分配式点火，仍然要产生较多电火花，不仅浪费能量，而且还 产生电磁干扰信号。而电子配电式点火系统则没有配电器，点火线圈次级绕组的 两端直接与火花塞相连，发动机运转时，微机根据传感器信号，直接控制各个点 火线圈产生高压电，使相应火花塞跳火，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。 1 1 2 3 无分电器点火系统 无分电器点火系统( d i s t r i b u t o r - l e s si g n i t e ) 是当前最先进的点火系统，曲 轴传感器送来的不仅有点火时刻信号，而且还有气缸识别信号，从而使点火系统 1 1 天津大学硕士学位论文第一章绪论 能向指定的气缸在指定的时刻送去点火信号，这就要求各缸配有专用的点火线 圈，但如果六缸机则1 ，6 缸、2 ，5 缸和3 ，4 缸分别共用一个点火线圈，即共 有三个点火线圈，显然每一个点火线圈点火时，总有一个缸是空点火，检测时应 注意到这一点。 无触点点火系统能使用低阻抗电感线圈，从而大幅度提高初级电流，使次级 电压高达3 0 k v 以上，增强点火能量以提高点燃稀混合气的能力，在改善燃油经 济性的同时也降低排气污染。无分电器点火系统完全是电子器件无机械运动部 件，彻底解决了触点式分电器中凸轮和轴承磨损以及点接触烧蚀间隙失调而引起 的一系列故障。 1 2 摩托车数字点火技术的提出 汽油机的性能好坏直接反映摩托车运行的优劣，而汽油机性能参数通常有： 动力性( 如扭矩，功率等) 、经济性( 如油耗) 及各种排放指标。由上文所述， 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 机工作在最佳状态，人们提出了数字点火技术。实现数字式点火系统，关键就是 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 动机工作在最佳状态。摩托车领域的数字点火技术在国内起步较晚，市场上应用 的也不成熟。随着与世界摩托车市场的接轨及新技术的引进，目前我们已经对该 技术有了初步成效，并进行了相关的试验。结果表明，该系统具有比以往其他系 统更高的数据处理能力和推广潜力。 目前数字点火的实现方式一般有以下几种： - 用通用的单片机( 如m c s 5 1 系列) 实现 - 用功能更为强大的p i c 单片机实现 - 用通用可编程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 系列单片机由于其速度较慢，片内资源相对较为匮乏，同时 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 e 应用到摩托车数字点火系统中。 1 3 本课题的主要工作 1 3 1 硬件方面 - 处理磁电机触发脉冲信号，经过一系列整形，使它成为适合为单片机提供参 天津大学硕士学位论文第一章绪论 考输入的电信号。 - 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。 - 设计点火电路，完成以电容放电为核心，以单片机输出信号为依据的点火电 路。 根据实际情况，制定适合的硬件抗干扰方案，保证系统稳定运行。 1 3 2 软件方面 采集触发信号，计算脉冲周期。 对时间量进行数学运算，并通过查表程序找出当前转速下适合的提前角。 通过数学运算，把提前角转化为延迟时间后，在正确的时机输出点火脉冲。 增加与外部通讯的功能，可以通过按键在运行中人为增、减提前角度，并通 过灯的状态显示系统状态( 如按键增、减数) ，系统异常及输出脉冲频率。 根据实际情况，制定适合的软件抗干扰方案，保证系统稳定运行。 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。 1 3 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 众所周知，汽油机是靠电火花点燃混合气膨胀做功的。而火花塞的点火时刻 对汽油机的动力性、经济性以及排放等都有着重大影响。研究表明：当燃烧气体 压力p 的最大值p m a x 出现在压缩上止点后1 0 。1 5 。的曲轴转角时，其燃油 的热效率最大，发动机的功率和经济性最高，此时，所对应的点火时刻称之为最 佳点火时刻。由于火花塞跳火后，其混合气的着火和燃烧需要经历一段化学反应 过程，即需要一定的时间约千分之几秒) ，所以，为了使混合气能在压缩上止点 附近燃烧完毕，火花塞必须在压缩行程活塞到达上止点之前提前跳火，这提前 点火的时刻，通常用曲轴转角来表示，叫做点火提前角( 用。表示) ，而能得到最 佳热效率的点火提前角，称之为最佳点火提前角。然而，随着人们对排放的日益 重视，其最佳点火提前角不仅要考虑发动机的动力性、经济性，还应兼顾降低排 放的需要。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 所示嘲。 鑫 l t 男 蹩 | 卅 点火时r fd 曲轴转 图2 - 1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， 1 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 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 o ， 而最高压力点出现在上止点后1 卜1 5 度曲轴转角。此时汽油机的动力性和经济 性均良好。由于各工况的着火落后期不相同，对于汽油机的每一工况都对应存在 一最佳点火提前角【7 】。为了达到这一最佳状态，汽油机通过对点火提前角的调控 来达到目的。 2 1 2 点火提前角对汽油机工作的影响 2 1 2 1 对功率的影响嘲 针对每一个固定的工况，即固定的负荷和转速，由于最佳点火提前角在节气 门开度不变时，各个转速的着火落后期均变化不大。但随转速的上升，相同着火 落后期所占的曲轴转角呈正比增加，所以，高转速下的着火落后角将显著加大 要保证最大燃烧压力点相位大致不变，必定要加大点火提前角。随着点火提前角 的增大，功率先期呈增加状态，达到最大值后下降，如图2 2 ( a ) 所示。因每条 曲线对应于固定的转速，功率曲线也反映了扭矩的变化。图2 2 ( b ) 中是以进气 管真空度表示负荷，在转速不变的情况下，当负荷减小时，意味着节气门开度的 减小，每循环燃烧的混合气数量也减少。再加上缸内残余废气所占的比例相对增 大，对进入的混合气起到稀释作用，气缸壁与燃烧室壁面温度的下降等诸多因素 则使着火落后时间加长，必须相应使点火提前。当最高压力点出现在上止点后 1 卜1 5 度曲轴转角时，平均有效压力达到最大值，当然扭矩也达到最大值。2 2 ( b ) 图中功率与扭矩达到最大值的对应的点火提前角即为扭矩最佳点火提前角。 j h 凶 c 士 一 1 1 。 i | 1 6 0 0 一。 i 发动机j 适 41 22 02 8蛐 o 妒 上 进气骨r 空理 守、 o 6 、 工 。 一- 0n 5 5 ( a ) 节气门全开( b ) n = 1 6 0 0 r 分 图2 2 点火角对功率影响曲线图 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 2 1 2 2 对油耗的影响嘲 汽油机的油耗与燃烧室的形式、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，若过量空气系 数a 1 0 7 时，随着点火提前角的增大，油耗不断下降；而当a 对h c 排放的影响：在以预制均匀混合气进行燃烧的汽油机中，h c 是一 种不完全燃烧的产物，与过量空气系数a 有密切关系，但即使在a 1 的条 件下，往往也会产生很高的h c 排放，这是因为h c 还有着淬熄和吸附等其 它生成原因。在均质混合气汽油机的过量空气系数范围内，点火提前角增大 时，h c 排放则随之增大，且几乎成线性关系。由图2 3 ( a ) 可见，随着点火 提前角的减小，h c 排放也有所降低，因为点火提前角的减小导致后燃的加 重和排气温度的上升，使得在排气行程以及排气管中h c 氧化反应加速，最 终使排出h c 量减少。 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n o 和燃料n 0 。在汽油机中激发n o 所占比率很小。而且，在内燃机 的常规燃料中，汽油基本不合氮。所以，发动机中产生n o 的途径中，高温 n o 是主要来源。在足够的氧浓度条件下，温度越高，反应速度越快，n o 的生成量也就越大。由图2 - 3 ( b ) 可见，随着点火提前角小于由动力性确定 的最佳值，燃烧等容度的降低，最终使最高燃烧温度随着点火的延迟而呈直 线下降，导致n o 。排放的减少。其次n o 。在整个过量空气系数范围内，均随 着点火提前角的增大而增大，这也正是燃烧最高温度的增加所致。 过量空气系数a ( a ) h c 与点火提前角 过量空气系数a ( b ) n o 。与点火提前角 i 4 2 o l 4 2 o 一善差。dz l 事墨l ( a 孑= 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 曹 善 毫 。 爹 菩 1 鲁 过量空气系数a过量空气系数a ( c ) c o 与点火提前角d ) 燃油消耗率g 。与点火提前角 图2 3 汽油机的排放与点火时刻 对c 0 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( a 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 x 排放。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 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 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。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 1 7 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 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h 司。 2 1 3 目前国内摩托车发动机点火特性分析 老式的摩托车上一般没有点火提前角自动调节装置，只是采用一个或两个固 定的点火提前筒。发动机以固定点火提前角点火，具有结构简单、成本低、维修 方便等优点，但也存在着许多不足。首先这个固定点火提前必须是一个各种工况 的中间值，不可能对每一种工况都非常适合。例如：在低速时，点火提前角就显 得过大，造成冲击，对发动机的寿命有着不利的影响，同时增大了未燃h c 和n o x 的排放。而且这使发动机低速运转不稳定。另一方面，在发动机高速运转时，这 个固定的点火提前角又太小，造成点火过迟，破坏了发动机工作的等容度，使发 动机的热效率降低。发动机转速一定时，随着负荷的增加( 即节气门的开大) ，其 进入缸内的可燃混合气增多，这使得残余废气所占的比率减少；同时，由于负荷 增大，发动机工作温度升高使得可燃气体吸收机体的热量增加：另外，进气量增 大，压缩终了时气体的温度和压力都较高。以上因素都使工作混合气的燃烧速度 加快，所以点火提前角应减小。反之，随负荷的减小，其点火提前角要加大。目 前占优势的摩托车采用c d i ( 电容放电式点火系统) 电子点火器点火。这种点火装 置属无触点电点火，极容易给人造成错觉，认为它可合理地自调节点火提前角。 但由其电路设计原理可知，目前国内生产的c d i 电路，无论是模拟的，还是数字 的，都还没达到这一步。模拟式的c d i 电路的点火提前角可随转速而变，但并不 能随负荷而变。数字式的c d i 电路的点火提前角虽然提供随转速而变的能力，但 并没有引入随负荷而变的功能，因此，从排放的角度讲，目前的c d i 点火系统仍 需改进。 2 2 初步分析系统的电磁兼容性及干扰问题 摩托车在工作中，点火系统产生的电磁辐射其频率在3 0 m h z - - i o o m h z 之间， 这样宽的频率范围使空间受到严重的电磁污染，影响着各种电子设备如收录机、 电视机、邮电通讯、航空航海导航设备的正常工作。特别是在电子信息高度发达 的当今社会，摩托车的电磁辐射干扰已经成为严重影响无线电通讯、各种电子仪 器设备正常工作及交通安全的主要因素之一。 2 2 1 我国的车辆抗干涉现状 1 8 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 摩托车电磁干扰特性的研究在我国还处于刚刚起步阶段，机械工业部汽车司 对此非常重视，继1 9 9 4 年对全国汽车电磁干扰特性摸底检测之后，于1 9 9 6 年9 月下发文件，要求对全国的摩托车电磁干扰特性进行一次摸底检测。这项工作由 中国汽车技术研究中心和上海电器科学研究所共同承担。目前，我国对摩托车电 磁干扰特性检测执行国家强制性标准g b l 4 0 2 3 9 2 车辆、机动船和火花点火发 动机驱动的装置的无线电干扰特性的测量方法及允许值该标准等效采用国际 电工委员会无线电干扰特别委员会第1 2 号出版物( c 1 s p r l 2 ) 第三版( 1 9 9 0 年) ，适 用于车辆、机动船和火花点火发动机驱动的装置，其中车辆包括汽车、摩托车( 含 二轮、三轮) 、机动自行车。测量结果的合格评定标准有两个：产品定型检验评 定标准和成批生产检验评定标准。1 9 9 6 年1 0 1 1 月，中国汽车技术研究中心和 上海电器科学研究所，分别在天津蓟县测试场地和浙江省安吉县测试场地，对3 2 个生产企业生产的3 2 种型号的摩托车进行了电磁干扰特性检测。此次干扰特性 检测结果，按两种合格评定标准判定，统计情况见表1 。 衰l 评定标准4 = m s m l l t l t 不台格事童数量合括事 产晶定量控囊0 杞 虞批生产挂鼍 o 托 o ， o x 通过对本次摸底检测情况的分析，发现以下几个问题： 一参加本次测试的各种型号的摩托车，其电磁干扰特性的测量结果的合格 评定无论是按产品定型检验评定标准还是按成批生产检验评定标准， 均为不合格。 - 参加本次测试的摩托车，其测量结果普遍严重超出标准限值，最多超出 限值2 0 3 0 d b ( 、，m ) ，最大干扰场强达到7 0 d b 以上。而且在3 0 1 0 0 0 m h z 整个频率范围内都存在超出限值的现象。 - 参加本次测试的摩托车普遍未安装干扰抑制装置，也未采取任何其它的 干扰抑制措施。 - 到目前为止，摩托车的电磁干扰问题尚未引起生产企业的重视，企业领 导和技术人员对干扰问题也了解得不多，甚至认为国家标准g b l 4 0 2 3 9 2 与摩托车无关。 2 2 2 车辆电磁干扰的来源及机理 根据传播路径的不同，电磁干扰一般可以分为两类：辐射干扰和传导干扰。 辐射干扰是由于扰源( 可以是受干扰系统的一部分也可以是电气上完全绝缘的部 1 9 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 分l 通过空间将电磁波辐射到受干扰系统中，如电视和无线电等；而传导干扰则 是通过电磁线路耦合到受干扰系统中去。在车辆上，电磁干扰的主要来源是电机 干扰源、点火线圈干扰源、高压导线干扰源、继电器和其他开关设备干扰源等。 从经济性考虑，车载设备大多使用1 2v 车用蓄电池而不使用独立的电源，这就为 电磁干扰增加了耦合通道。干扰主要有以下三个方面： 电机干扰源 汽车发电机分带整流子及硅整流两种。整流子电机碳刷从整流子的一片向另 一片过渡时，由于接触电阻急剧变化，导致电流发生突变而产生火花，这是反复 进行的周期过程，所以在很宽的频率范围内引起电磁干扰。硅整流电机在旋转中 由于滑环与电刷的接触状态不断发生变化，则两者之间产生电火花，其干扰从电 机引出线传导出去。当电机与蓄电池联合工作时，由于蓄电池内阻低，能吸收过 电压脉冲能量，在其完好情况下转换各负荷时，脉冲电压不超过2 0 3 0v ，但 在断开蓄电池情况下卸去最大负载时，则负载瞬变过电压达1 5 0 1 8 0v ，这种 脉冲过电压能产生极大的能量释放，对汽车上其它电子产品产生相当大的电能冲 击。当点火开关断开时，点火停止，发动机熄火，激磁绕组与蓄电池脱离连接， 但与其它负载还有电的联系，这时在激磁绕组上产生自感电动势，其方向为负向 脉冲若在初级点火电路断开的同时切断点火开关，则产生较强的瞬时过电压，由 磁场衰减引起的瞬变过电压，对汽车其它电子产品，特别是仪器电路的电子产品 造成损害。 点火系统干扰 从汽车内部产生干扰电磁噪声最强的是点火线圈分电器、高压点火导线、火 花塞工作时通过火花塞产生放电火花形成陡峭的浪涌冲击电流，从而激励了其附 属电路的振荡，该振荡形成辐射噪声或通过电源线将噪声传导到别的电路上去， 而且这些噪声电流流经电源线时，也可通过电源线辐射噪声，这种辐射电磁噪声 包含很高的频率成份，是电视广播的主要干扰源。 高压导线干扰源 汽车点火线圈产生的高电压通过分电器配给各汽缸火花塞跳火，中间用高压导线 传输高电压一般高压导线都具有高绝缘性能，但当导线因老化而绝缘性能下降 或导线与配电器之间接触不良时，火花会大大增加，这样就产生了严重的电磁干 扰。 继电器、开关设备干扰源 汽车上的继电器和各种开关设备很多，继电器或开关开、断时，由于电路中 的大部分是感性负载，这时就会在开关两端产生出一个高电压，通过电磁回路耦 合到电源中去。 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 2 3 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、接地以及隔离技术。 我们希望对于扰信号进行抑制和衰减，而同时又希望一定的工作信号( 这些信号 一般也具有另一频率特征) 能正常通过。这时可以选用一种对特定频率具有选择 性的网络来达到上述目的，这就是滤波。滤波对由导线传导耦合到电路中而又具 有一定频率特征的干扰信号，具有十分明显的效果。滤波器一般由一些无源器件， 如电感、电容、电阻等组成。系统中主要是针对来自电源的干扰波，起平波的作 用。另外，由于在点火模块电路中利用变压器产生点火电压对磁电机点火系统进 行模拟，所以此部分存在着交变的电场和磁场，主要通过辐射的方式污染其他电 路。因此有必要对这部分电路进行电场和磁场的屏蔽。对于电场的屏蔽，可以用 按地导体将以电场形式耦合的干扰源包围，当然也可以采用接她导体包围敏感电 路这种被动的屏蔽方式。屏蔽磁场，可以采用高磁导材料制作屏蔽体，并尽量减 少接收回路的环路面积。同时，需要考虑光电隔离措施。 实践证明，在硬件电路的设计中采用隔离技术可以大大降低外部干扰。此外， 在硬件电路设计中采用了常规的抗干扰布线设计技术，来提高开发系统的可靠 性。 2 3 对数字点火系统设计的基本要求 对于摩托车而言点火提前角是影响汽油机性能很重要的参数之一。通过实 验获取汽油机的最佳点火提前角变化规律并使其按照该规律运行是工程师们所 追求的目标。但是发动机的最佳点火提前角变化规律比较复杂，而且不同的发动 机其变化规律也不一样。即使已经获得其最佳点火提前角变化规律，但仅通过常 规的( 模拟电路) c d i 控制汽油机按此最佳点火提前角的变化规律点火是很难实现 的。近年来，在微电子技术飞速发展的带动下，数字式控制点火器在美国、日本 和德国等大排量摩托车上已得到广泛使用。与普通的模拟式点火器比较，采用单 片机微电子控制的数字式点火器的突出优点是能够充分发挥软件的强大功能，根 据预先给定的点火提前角曲线对发动机点火时刻进行精确控制，使发动机在各种 工作转速范围内均能够达到最佳性能。 该点火系统主要任务是接受、处理来自前沿设备的各类信号，经过分析比较 后发出控制指令，让设备有序地正常运行。同时，要考虑到装置所处的环境可能 比较恶劣。所以，我们确定该系统要达到以下要求 - 可靠性高：这是对控制系统的最基本要求。无论是最简单的单回路控制 电路，还是拥有强大功能的大控制系统，系统可靠性一直是首要的衡量 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 指标，这是由被控制对象的连续操作运行的特性和工业控制现场的恶劣 性所决定的。 - 可扩展性好：c p u 控制系统可以控制多种不同的信号，处理不同的过程 参数各种被控制信号及被控参数要求各异，同时设备的型号常会更新 变换，这就要求控制系统能适应不同设备和各种不同的控制对象的要求， 而系统本身作局部调整即可。欲使控制系统达到这样的要求，就必须要 求系统部件是标准化和模块化的。 - 环境适应性好：在恶劣的工业环境下，最常遇到的问题是粉尘、辐射、 高温以及各种强烈电气干扰。对于一些特殊应用场合，系统还需有防震、 防潮、抗冲击等要求。 - 必须满足兼顾实时性和可靠性的要求。 - 必须尽可能少占用电控单元的时间开销，以免干扰控制过程，任何通讯 故障都不能影响电控单元的控制过程； - 电控单元硬件资源有限，由于控制程序对通讯过程的制约，在一定程度 上限制了电控单元的数据重发能力和连接“握手”能力，所以在系统与 p c 机的通讯过程应尽量少占用电控单元的资源。 2 4 该数宇点火系统的研究内容 从以上分析，初步将摩托车数字点火系统的开发分为三个方面： 2 4 1 系统硬件的研发 主要包括磁电机转速信号采集、处理模块，以p i c 为核心的单片机及其附 属电路模块和点火控制块，以及单片机与p c 机之间的通信模块。由于系统本身 是弱电控制强电的系统，也就是由单片机发出的信号，引发电容的冲、放电，并 在火花塞处放出高压火花，因此，对系统匹配是很重要的，如磁电机信号到单片 机，单片机到点火电路的接口匹配等。 2 a 2 系统软件的开发 关键是控制策略的研究。数据处理软件主要完成数据采集控制、软件滤波、 抗干扰和适时发出点火脉冲的工作，通信控制程序主要完成数据实时传输控制工 作。具体的p i c 数据处理软件包括以下几个模块： 一 转速信号采集预处理模块 主要完成与信号采集硬件电路的通讯和采样信号的预判断，以及滤波和抗干 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 扰的处理 - 数据分析以及数学模型的建立模块 主要完成点火提前角的数学模型的建立，以及完成被测磁电机速度信息的计 算等。 控制点火模块 与点火接口电路联