兩用燃料汽車(chē)高能點(diǎn)火控制器的研究與設(shè)計(jì)

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

　　點(diǎn)火參數(shù)控制方案設(shè)計(jì)

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

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

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

　　點(diǎn)火控制器硬件設(shè)計(jì)

　　以單片機(jī)為核心的點(diǎn)火控制器的硬件組成框圖如圖1所示。

　　整形電路對(duì)分電器輸出的信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為能被單片機(jī)處理的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)單片機(jī)具有運(yùn)行速度高、功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、外圍模塊豐富等優(yōu)點(diǎn)[5]，本系統(tǒng)主要應(yīng)用了單片機(jī)的定時(shí)器模塊、外中斷模塊、輸出比較模塊。單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)光電隔離控制功率驅(qū)動(dòng)電路中大功率管的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火提前時(shí)間和點(diǎn)火閉合時(shí)間的控制。在驅(qū)動(dòng)電路中，輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)三級(jí)管進(jìn)行放大，然后再控制大功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止，輸出峰值電流可達(dá)8-9A(原車(chē)為6-7A)。

由于汽車(chē)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(jì)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(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，分別代表2，4，8，16，通過(guò)不同的編碼組合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火提前角的調(diào)整?？刂破魃弦?條線用于與汽車(chē)進(jìn)行連線，分別為12V電源線、地線、分電器信號(hào)輸入線、控制器信號(hào)輸出線、分電器電源線。

　　點(diǎn)火控制器軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)輸入信號(hào)頻率范圍為0-200Hz，占空比一般為2:3，輸入信號(hào)的下降沿為點(diǎn)火正時(shí)點(diǎn)，脈沖寬度為點(diǎn)火線圈充電時(shí)間。單片機(jī)程序完成對(duì)點(diǎn)火時(shí)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(shí)器、外中斷、CCP1和CCP2比較中斷的初始化，利用外部中斷檢測(cè)相鄰兩個(gè)下降沿的時(shí)間間隔，在外中斷服務(wù)程序中對(duì)TMR1值進(jìn)行存儲(chǔ)和清零，存儲(chǔ)的值即為周期T。

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

當(dāng)T≥50ms時(shí),汽車(chē)處于啟動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)行工況不穩(wěn)定，在這種情況下點(diǎn)火提前角保持原車(chē)的角度;當(dāng)T<50ms時(shí)，汽車(chē)處于正常運(yùn)行工況，此時(shí)單片機(jī)檢測(cè)外部開(kāi)關(guān)信號(hào)，依據(jù)計(jì)算點(diǎn)火提前角度確定輸出信號(hào)的下降沿(其中x為讀取的開(kāi)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(shí)進(jìn)入CCP1中斷服務(wù)程序，RC0引腳輸出高電平，并開(kāi)啟CCP2中斷。當(dāng)TMR1中的值與CCPR2中的值相等時(shí)進(jìn)入CCP2中斷服務(wù)程序，RC0引腳輸出低電平。通過(guò)CCP1和CCP2的配合輸出點(diǎn)火脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火占空比的調(diào)整。

　　點(diǎn)火控制器模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

　　將本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)火控制器在汽車(chē)點(diǎn)火試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，利用示波器測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速及點(diǎn)火提前角情況下輸入/輸出波形對(duì)比如圖3，圖4所示。

　　圖3為輸入信號(hào)信號(hào)頻率為50Hz，撥碼開(kāi)關(guān)編碼為x=20時(shí)，輸入輸出波形對(duì)比，從圖中可以看出輸出信號(hào)下降沿比輸入信號(hào)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(hào)減少了3ms，由于點(diǎn)火線圈初級(jí)回路導(dǎo)通10ms既達(dá)到飽和，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)損害線圈，所以在低速時(shí)對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行截取。

　　圖4為輸入信號(hào)頻率為100Hz，撥碼開(kāi)關(guān)編碼為x=20時(shí)，輸入/輸出波形的對(duì)比。從圖中可以看出輸出信號(hào)下降沿比輸入信號(hào)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(hào)延長(zhǎng)了約1.5ms，增加了初級(jí)電流的導(dǎo)通時(shí)間，提高點(diǎn)火能量。

　　經(jīng)過(guò)波形對(duì)比分析可以看出，低速時(shí)對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行截取，減少對(duì)點(diǎn)火線圈的損害;高速時(shí)使占空比的利用達(dá)到最佳，保證點(diǎn)火能量，并且可以通過(guò)編碼開(kāi)關(guān)對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行設(shè)置，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

點(diǎn)火控制器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)火控制器，經(jīng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試，能顯著提高多燃料汽車(chē)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(yàn)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(shí)增加1.4kW，為2.7%，有效燃料消耗平均下降了4.1%;在2800r/min時(shí)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(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jì)的兩用燃料汽車(chē)高能點(diǎn)火控制器，對(duì)點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火能量進(jìn)行綜合控制，只需在原車(chē)分電器和點(diǎn)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(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置點(diǎn)火提前角度，具有使用方便、通用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)推廣雙燃料汽車(chē)、節(jié)約能源、環(huán)保具有重要意義。