（機械制造及其自動化專業(yè)論文）摩托車用汽油機數(shù)字點火系統(tǒng)的研究.pdf

中文摘要 新一代發(fā)動機的發(fā)展面臨著在燃料消耗、廢氣排放和動力性三方面性能不斷 提高的挑戰(zhàn)。為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)，發(fā)動機數(shù)字點火技術(shù)的應(yīng)用已成為 當今內(nèi)燃機發(fā)展中的主要組成部分。高性能、多功能的傳感器和大規(guī)模集成電路 技術(shù)促進了該項技術(shù)的產(chǎn)生和實用化。數(shù)字點火技術(shù)可以有效降低發(fā)動機的油耗 和排放，大幅度提高發(fā)動機的性能指標。數(shù)字點火方式具有適時性好、響應(yīng)快、 控制點火時刻更為精確等其他點火方式無法比擬的優(yōu)點。 我國在發(fā)動機電子控制技術(shù)方面尤其是數(shù)字控制技術(shù)方面與發(fā)達國家有著 比較大的差距，特別是在生產(chǎn)應(yīng)用方面。而目前，隨著世界石油市場越來越嚴峻 的形式，各國對排放法規(guī)的迸一步要求，國際上汽車、摩托車領(lǐng)域的激烈競爭， 使得我們迫切需要改進傳統(tǒng)的點火技術(shù)。作為一項開發(fā)性研究，數(shù)字點火技術(shù)具 有很高的實用價值和經(jīng)濟價值。本文就是通過硬件技術(shù)和軟件開發(fā)工具的結(jié)合， 成功研制了一套用于摩托車上的的數(shù)字點火系統(tǒng)。 本文主要完成以下三個方面的工作： 1 硬件方面 設(shè)計開發(fā)了一套以p i c 單片機為c p u ，主要基于磁電機轉(zhuǎn)速信號的數(shù)字點火 系統(tǒng)。 2 、軟件主要包括以下方面 個是建立了一套處理三維點火提前角數(shù)據(jù)的數(shù)學模型。該模型將更適合于 高速高精度的分析。 另外，針對p i c 芯片的硬件特點以及實時性和可靠性要求的提高，在軟件抗 干擾方面、提前角的生成算法方面作了創(chuàng)造性的嘗試。并在m a p l a b i d e 集成開 發(fā)環(huán)境下，利用p i c 匯編語言完成了p i c 上信號處理、控制的軟件開發(fā)設(shè)計工作。 該信號處理及控制軟件主要由信號采集控制、點火控制等模塊組成。在具體軟件 實現(xiàn)中，通過對采集信號的預(yù)處理，同時結(jié)合以曲面擬合算法，從而實現(xiàn)對點火 提前角的最佳選擇，充分發(fā)揮了p i c 的強大數(shù)據(jù)處理能力。 3 、數(shù)字點火系統(tǒng)的實驗研究。為了驗證該系統(tǒng)的可行性和實用性。利用天 波科達公司生產(chǎn)的c 1 2 0 磁電機實驗臺，進行了大量試驗。試驗結(jié)果表明，該數(shù) 字點火系統(tǒng)達到了預(yù)想的效果。 關(guān)鍵詞：數(shù)字點火技術(shù)發(fā)動機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 媚氌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 , 氌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 戰(zhàn)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 。 弱嬸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 卻h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨壅盤堂或其他教育機構(gòu)的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：g 杰爭簽字日期：協(xié)眸7 月船 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解盤洼盤莖有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權(quán)基洼盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 洲一魏墮慈，每 簽字日期一卯r 年f 月ff 日 導師 簽字 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 。1 弓l 言 第一章緒論 我國的摩托率工業(yè)雖然起步較晚，但戇自改革開放以來，我豳的摩托車行業(yè) 褥捌了突飛猛進的發(fā)展。從t 9 9 4 年起，我國已經(jīng)成為世羿上第一大摩托率生產(chǎn) 斟，目前我國的摩托車年產(chǎn)量大約為1 3 0 0 萬輛左農(nóng)，保封量約為5 0 0 0 萬輛。如 魏眾多盼摩托車必然會帶來不容忽視的攤放簡題和能源問題。為了控制摩托車捧 放h c 、c o 和n o 。對人體的危害，我國正在建立并鼠將實施相應(yīng)的摩托車排放法 瓣。 進入二十世紀詹期，環(huán)境問題日益嚴熬，特別是大氣污染問題越來越受到各 個圖家靜熬視。攢統(tǒng)計，葺藏我萄5 7 的城市總熬浮顙粒物超過鬻家環(huán)保限值， 4 8 個城市的二氧化硫濃度超過國家二級排放標準，8 2 的城市先后遭到不同程度 豹酸雨盞寨。6 0 0 多個藏奄中，大氣囂境麓童符會一綴標準靜不黧1 ； 藪界上 1 0 個污染最嚴重的城市我闌就占了9 個，包括蘭州、吉林、太原、焦作、萬縣、 鳥磐本齊、宣善、浚審和安羯”3 。這說秘我國豹城市污染已經(jīng)裂了菲治瑗不可 的地步。為此，國家也制定很多政策法規(guī)，明確規(guī)定不符含排放標準的車輛嚴禁 生產(chǎn)、錈蘩器上薅照，戳減少廢氣污染饕瓣 敖。攝據(jù)有關(guān)法律，我霆2 0 0 1 年 9 月份以后生產(chǎn)的轎車和5 人座以下的微型汽車不得再采用化油器技術(shù)。我國目 茲采震戇藏挺車 放法袈參考了歐濺l 號撂準，酉捧程發(fā)動褪霹蘇滿是這一法鬣 要求，但是二沖程發(fā)動機就達不到。而且我國正在抓緊制定與歐洲| | 號標凇接近 翡接敦法蒺。 據(jù)統(tǒng)計，全球易開采的石油可持續(xù)開采5 0 年左右，幾十年后將會出現(xiàn)石油 短姣瑗象。美國穰舉裁實撂了蔽襄l 境內(nèi)石潼葶要天然氣資源開發(fā)進愛熬鼴兩竣策， 從1 9 6 8 年起就開始變成了個迅速發(fā)展的石油進陰國，我們國家也從1 9 9 7 年由 一個五洼輸窶國變成石潼遴強國。這說裴了內(nèi)燃掇豹節(jié)能、握囊燃瓣熬利髑效率 已遍在眉睫。而我闌是一個摩托車生產(chǎn)和銷售大國，產(chǎn)銷鬣居世界第一。所以， 節(jié)戇黲要求鼴摩援攀蠢數(shù)基說壓力要 莢 | 焦國家大鼴多。這懟我爨鈦事內(nèi)燃壤磅 究的人既是挑戰(zhàn)也熄機遇。 從2 0 0 1 年9 胃1 曩起，我星裁生產(chǎn)弱矮車霹s 座窖車全部采耀了迄噴發(fā)動 機，雖然到目前為止我國尚未提出摩托車電噴化的網(wǎng)程表，但有關(guān)摩托車的政策 中已多次掇到在摩托車上袋愿電噴技拳是一勢必然趨勢。2 0 0 2 年囂家繇境絳護 總局發(fā)布了三項摩托車排放強制性國家標準，分別是g 31 4 6 2 2 - 2 0 0 2 摩托車排氣 污染物攙敖限值及測量方法( 工援法) 、g b1 8 1 7 6 - 2 0 0 2 輕便摩托車攙氣污染摟 天津大學碩士學位論文第一章緒論 放限值及測量方法( 工況法) 和g b1 4 6 2 1 2 0 0 2 摩托車和輟便摩托車排氣污染物 攆艘限篷及測量( 惑速法 ，勢嗣瓣予2 0 0 3 年l 蔑i 墨開始實施。此三頌標準 中摩托車和輕便摩托車工況法限值是采用歐盟1 9 9 9 年6 月1 7 日發(fā)布的9 7 2 4 e c 關(guān)予二輪翻三輪黲撫車主疆邦饞秘特性的指令中對瘴托竄鞠輕便摩托車拱 氣污 染物排放工況法的限值。怠速法限值是在原國家標準g b t5 4 6 6 1 9 9 3 的基礎(chǔ)上， 根據(jù)我國戮情進行了適當期嚴，芳晟包括了輕便黲挺車。三項標港妁具體隈值及 實施日期見表i - i “。和表卜2 “。所以為了改善城市空氣質(zhì)麓，降低油耗，發(fā)動 孝幾瞧控技術(shù)的發(fā)展是必須的、勢在必行的，麗要發(fā)展發(fā)動機電控技術(shù)，電控發(fā)動 機開發(fā)系統(tǒng)的研究是一個麓要環(huán)節(jié)，是一項必不可少的工作。 檬車型新車型 生產(chǎn)一致 耐排效限值，k 訊 撒認證性實施久h cu o xc ol i e 階實旖日期日期蠛+ n o x 段 第 兩輪滕托車( 二沖程) 2 0 0 3 - i - i2 0 0 3 - 7 - i6 0 0 04 o0 i8 ，o u - _ 十 掰輪摩托車( 四沖程)2 0 0 3 1 - i2 0 0 3 - 7 - i3 oo 31 3 o 階 兩輪輕便癢托車 2 0 0 3 1 - i2 0 0 4 一l l6 0 3 0 段 三輪摩托車( 二沖程) 2 0 0 3 - i - 12 0 0 3 - 7 - i6 o0 1 51 2 三輪瘁托車( 翻沖程) 2 0 0 3 - i - i2 0 0 3 - 7 14 5o 4 51 9 5 三輪輕便摩托車 2 0 0 3 一l 一12 0 0 4 一卜11 2 06 o 籀 兩輪摩托琦1 2 0 0 4 1 12 0 0 5 - 1 1i 0 0 0 01 2o 35 5 二 兩輪輕便摩托車 2 0 0 5 - 1 - i2 0 0 6 - i - il 01 2 階 三輪摩耗率 2 0 0 4 - i - i2 0 0 5 - 1 - i 1 5 0 4 7 o 段 三輪輕便摩托車 2 0 0 5 - i - 12 0 0 6 一l 一13 51 2 表i - i 我國藤托車和輕便摩托率工況法捧氣污染物排放限值及實施嗣期 實驗類剃c o , 筠 黼 1 0 “ 二沖穰 四沖程 2 0 0 3 年l 霸1 西越型式認誕實驗 3 8 3 5 0 08 0 0 2 0 0 3 年7 月1 日超生產(chǎn)一數(shù)性檢查試驗 4 04 0 0 01 0 0 0 2 0 0 3 年7 弼1 目起生產(chǎn)的在用車檢套試驗 4 54 5 0 01 2 0 0 2 0 0 3 年7 月l 曰以前生產(chǎn)的在用車檢查試驗 4 。58 0 0 02 2 0 0 注：h c 濃度按芷已浣當量。 表卜2 我國摩托車和輕便摩托車的怠速排氣污染物排放限俊及實施日期 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 而在發(fā)動機的電控系統(tǒng)中，其核心便是點火系統(tǒng)電子控制。一套好的點火電 系統(tǒng)能夠極大的提高摩托車或汽車的諸多性能，降低油耗，增強產(chǎn)品的可靠性和 競爭力。同時，現(xiàn)代科學技術(shù)、微型電子計算機、新材料、新能源的研究開發(fā)和 應(yīng)用將給汽油機的發(fā)展注入新的活力，使汽油機更節(jié)能、排放更清潔成為可能， 尤其是在大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動下所產(chǎn)生的微型計算機以其低價、輕巧、高 速、可變等優(yōu)點己成為汽油機技術(shù)發(fā)展的主要動力之一，同時高性能、多功能的 傳感器的開發(fā)也加速了微機在汽油機行業(yè)中的應(yīng)用。 1 2 汽油機的各種點火方法簡介 汽油機上最早使用的是觸點式點火系統(tǒng)，始于1 9 1 0 年。電子點火系統(tǒng)經(jīng)過 3 0 多年的發(fā)展，已從有觸點有分電器點火系統(tǒng)發(fā)展到了無觸點無分電器電子點 火系統(tǒng)，它的作用是將低壓電變?yōu)楦邏弘姡⒏邏弘姲窗l(fā)動機的作功順序引入 氣缸產(chǎn)生點火。 電子點火系統(tǒng)的種類有很多種分法“，比如，按控制方式可分為：觸點控 制式、電子控制式、微機控制式。按儲能方式可分為：電感儲能式、電容儲能式。 按傳感器分為：霍爾式、磁感應(yīng)式、光電式、電磁振蕩式。按配電可分為：機械 配電式、電子配電式( 同時配電式和單獨配電式) 等。 下面按側(cè)重點不同介紹幾種常用的點火方法 1 磁感應(yīng)式電子點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點 c a l 0 9 2 、e q l 0 9 2 、b j 2 0 2 0 等型汽車以及早期生產(chǎn)的部分轎車如b j 2 0 2 1 、二 汽富康等裝配了磁感應(yīng)式電子點火系統(tǒng)，它主要由磁感應(yīng)式分電器、點火電子組 件，高能點火線圈和火花塞等組成。如圖卜1 是磁感式電子點火系統(tǒng)原理圖。 磁感應(yīng)傳感器 圖卜l 磁感應(yīng)電子點火系統(tǒng)原理圖 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 磁感艘式分電器主要由磁感成傳感器、點火掇前調(diào)節(jié)裝置、配電器等組成。 磁感應(yīng)傳感器由轉(zhuǎn)予、定孑、永久磁鐵、糖感線爨等綴殘。當發(fā)動楓工終游，分 電器通過轉(zhuǎn)子、急于，使傳感線圈內(nèi)的磁通發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓倍號，供給點火 皂予縫伴。它的突爨佳點怒結(jié)構(gòu)鍵摹，不瓣外麴電源。 點火電子組件又稱點火器、點火控制器或電子點火控制器，主要由點火專用 黲集成電路和一些轅助電子元 牛鰓成。它的主要 乍瘸是根撰磁感成傳感器竣出魏 電壓信號，控制點火線圈初級繞組電路的導通與截止，使點火線潮產(chǎn)生高壓電。 此外，點火電予緞傳還有憾流控制、閉合灸控制、傍車斷電控割、過壓保護等功 能。 2 霍爾式電子點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)姆點 c a 6 4 4 0 、c a l 0 4 6 等型、汽車以及早期生產(chǎn)的部分轎車如c a 7 2 2 0 、上海桑塔納、 一汽奧迪i 0 0 、捷達等都慕用了霍爾式電子點火系綾，它主要由鬟爾式分瞧器、 點火電子組件、高能點火綾圈、火花塞等級成。圖卜2 是震爾式電子點火系統(tǒng)的 電路圖。 圖卜2 霍爾式電子點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點 霍爾式分電器杰要由鬟爾傳感器、點火提前調(diào)節(jié)裝置、配電器等組成。 霍爾緒感器由簸發(fā)時輪、霍爾集成電路、尋磁銅片、永久磁鉸等組成。發(fā)動 機工作時，分電器通過觸發(fā)葉輪使擻爾集成電路的磁通發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓信號， 供繪點火毫予組俘。它與磁感應(yīng)轉(zhuǎn)感器不瀚的是鬟爾傳感器需要一個輸入電筮， 輸出信號不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響。 點災(zāi)電子蘊彳孛靜組藏黧作灞翅蓊繇述。 3 微機控制點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 在發(fā)動祝豹電子集中羧箭系統(tǒng)中，點火系統(tǒng)出微輥控潮，稱為徽楓控制點火 系統(tǒng)?，F(xiàn)在生產(chǎn)的大部分轎車都采用微機控制點火系統(tǒng)，如b j 2 0 2 0 、奧迪2 0 0 、 天津大學碩士學位論文第一章緒論 北京切諾潦、長豐獵豹、天津夏利等。該點火系統(tǒng)主要由傳感器、發(fā)動機電子控 露l 器( e c u ) 、點火魄子組傳、點火線銎積火花塞等繾成。麴l 一3 怒鏃極控鍘點火 系統(tǒng)組成圈。 圖卜3 微機控制贏火系統(tǒng)藤理國 傳感鞋是監(jiān)測發(fā)動機工況信息的裝置。傳感器的結(jié)構(gòu)形式和裝配數(shù)量依車囂 異，主要有曲軸位蓬傳感器( 一般能括上止點、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速3 種信譬) 、空氣流量 傳感器、節(jié)氣門位援傳感器、車速健感器、冷卻液漱度傳感器、進氣溫度傳感器、 爆震傳感器、空穢起動開美、空調(diào)開關(guān)、點火開關(guān)、蓄電瀨等。 上止點信號用于e c u 確定曲軸基準位鼴( 判定氣缸壓縮上止點，該信號在上 丘贏前萊一確定角度) ；轉(zhuǎn)角信號掰于e c u 控帝8 點火時刻；轉(zhuǎn)速信號、空氣流量 信號和節(jié)氣門位置信號用予e e u 計冀確定基本點火提前角；冷卻液溫度信母、進 氣溢度信譬、空調(diào)開關(guān)信號醣及瀑麓傳感器反饋信崎等用予e e u 修正點火提前角 ( 修正點火提前角的項目有多有少，主要有暖機修廄、怠速修正以及爆震反饋修 正等) 。勇夕 轉(zhuǎn)角信號還羈藿電酒電壓信號一超嗣來確定煮火導通角“。 發(fā)動機電子控制器用e c u 表示，e c u 怒發(fā)動機的控制核心“。發(fā)動機電 予控靠l 器羽名稱并不統(tǒng)一，生產(chǎn)廠家或公司不同，艇產(chǎn)年代和控涮內(nèi)容不間，采 用的名稱也不盡相同。電予控制器主要包括輸入回路、輸出回路、模數(shù)h d 轉(zhuǎn) 換器、革壽微鍪詩算梳幫泡源窀路等。宙予發(fā)動穩(wěn)電子控魏器e c u 靜核心郝俘是 單片微型計算機，通常將發(fā)動機電予控制器稱為微機或電腦。發(fā)動機電子控制器 靜佟用是穰據(jù)發(fā)動祝各磚憋器輸入豹信惠幫徽輥肉存數(shù)據(jù)，逶遙運舞處理幫邏輯 判斷，向點火電子組件發(fā)出最佳點火提前角和點火線圈初級繞組電路導通時間的 控稍信號。 點火電子組件怒發(fā)動機控制系統(tǒng)的執(zhí)行器。點火電子組件的作用是根據(jù)微機 發(fā)熬鯰據(jù)令信號，邋過內(nèi)部大功率三按管靜學逶與截止來按潮點火線餮初綴繞組 電路的通斷，使點火線圈產(chǎn)生高壓電。各型發(fā)動機點火電子組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不 禧溺。壽懿肇疆安裝( 翔辜瓣t e e s 系統(tǒng)) ；有靜發(fā)甥輥并不配置點火電子綴彳率， 大功率三極管直接設(shè)在發(fā)動機電子控制器e c u 內(nèi)部( 如北京切諾基4 o l 發(fā)動 各種傳感器 天津大學碩士學位論文第一章緒論 機) ；有的點火電予組件只有一只達林頓三極管( 與點火線圈安裝在一起) ，僅起 開關(guān)終露( 如奧遙2 0 0 窩翻產(chǎn)e c c s 系統(tǒng)) ，其它毫予控鍘元終委l 與發(fā)動掇褒子控 制器制成一體；有的點火電子組件除開關(guān)作用外，還有恒流控制、閉合角控制、 氣艇判裂、點火黢援等功能。 微機控制點火系統(tǒng)又分為機械配電式( 如桑塔納2 0 d 舊c l i 、紅旗c a ? 2 2 0 e 、 切諾基等) 點火系絞和電子醞電式( 熟桑塔納2 0 0 0 c s i 、捷達a t 、g t x 、煲遮2 0 0 等) 點火系統(tǒng)。機械配電式點火系統(tǒng)點火線圈產(chǎn)生的高壓電由配電器按發(fā)動機作 功順序分醞給各敝火花塞跳火。這瓣分配式點火，仍然要產(chǎn)生較多睦火花，不僅 浪費能量，而且遺產(chǎn)生電磁干擾倍號。而穗子配電式點火系統(tǒng)則沒有配電器，點 火線圈次級繞組的兩端直接與火藏塞相連，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，微機根據(jù)傳感囂信號， 童接控制備個點火線圈產(chǎn)嫩高壓電，使相成火花塞跳火，到目前為止，電子配電 微機控制點火系統(tǒng)是最先進的點火系統(tǒng)。 4 電感儲能戴點火電路和電容儲能式點火電路 電感儲能式點火電路巾，用于產(chǎn)生電火花的能綴是以磁場的形式儲存于點火 線豳中，所儲存的能量的一個重要參考參數(shù)便是電感，而電容儲能璉點火電路中， 用于產(chǎn)生電火花的能量，是以電場的形式儲存于專門的儲能電容中。 1 3 摩托車數(shù)字點火技術(shù)的提出、本課題的意義和主要工作 1 3 ，1 數(shù)字點火技術(shù)的提出及本課題的意義 汽油機的性能好壞直接反映摩托車運彳予的優(yōu)劣，而汽油機性能參數(shù)通常有： 動力性( 熱扭矩、凌率等) 、經(jīng)濟髏( 磐酒糕) 及器季孛擔 拔據(jù)標。凌上文艨述， 微機式控制點火為最先進的點火系統(tǒng)。正是為了更精確的根據(jù)這些參數(shù)控制汽油 極工作在最佳狀態(tài)，人們提出了數(shù)字點火技術(shù)。實現(xiàn)數(shù)字式點火系統(tǒng)，關(guān)鍵裁是 應(yīng)用了c p u 強大的軟件處理功能，更精確的來協(xié)調(diào)、控制各個參數(shù)，從而使發(fā)動 極工作在最佳狀態(tài)。摩托率領(lǐng)域的數(shù)字點火技術(shù)在鞠內(nèi)起步較晚，棗場上纛鼴鮑 也不成熟。隨著與馓界摩托車市場的接軌及新技術(shù)的引進，目前我們已經(jīng)對該技 術(shù)毒了初步成效，并進行了耀關(guān)的試驗。綴果表明，該系統(tǒng)具有比以往其他系統(tǒng) 更高的數(shù)攢處理能力和推廣潛力。 居翦數(shù)字點火的實現(xiàn)方式一般竅以下幾墨孛： 1 用通用的單片機( 如m c s 5 1 系列) 實現(xiàn) 2 用功能更為強大的p i c 單片機實現(xiàn) 3 霜通用可編程d s p 芯片等其他大規(guī)模數(shù)字處理芯片實現(xiàn)。 用通用的c 5 1 系列單片楓由于其速度較慢，片內(nèi)資源棚對較為匱乏，網(wǎng)時 墨望奎堂堡圭堂垡笙苧 箜二童塹堡 需要大量的片外輔助器件，這就使得它將不可避免地帶來更多的干擾。而大規(guī)模 數(shù)字處理芯片由于其價格昂貴等原因，目前僅僅處于科研階段，所以我們選擇了 p i c 單片機。p i c 芯片是種比較適合于進行信號處理和運算的微處理器，本文 的研究重點就是如何將p i c 應(yīng)用到摩托車數(shù)字點火系統(tǒng)中。 1 3 2 本課題的主要工作 1 硬件方面 i ) 根據(jù)摩托車磁電機的信號特點及p i c 芯片的要求，完成信號與單片機之間 的接口電路。 2 ) 為最終時間點火，設(shè)計完成以電容放電為核心的點火電路。 2 軟件方面 1 ) 利用m a t l a b 應(yīng)用軟件為點火提前角的m a p 圖建立數(shù)學模型 2 ) 利用p i c 匯編語言編寫發(fā)動機相關(guān)信號的接收、處理及點火控制軟件。 3 數(shù)字點火系統(tǒng)應(yīng)用試驗 為了驗證該系統(tǒng)點火的可行性和實用性，進行相關(guān)的試驗。 1 4 本章小結(jié) 本章首先闡述了目前摩托車行業(yè)的現(xiàn)狀，并對汽油機的各種點火方法加以簡 要的介紹，指出數(shù)字點火研究的重要意義和目的。然后提出了一種基于p i c 單片 機的數(shù)字點火系統(tǒng)，并介紹了本課題所做的工作。 天津大學碩士學位論文第一章緒論 需要大量的片外輔助器件，這就使得它將不可避免地帶來更多的干擾。而大規(guī)模 數(shù)字處理芯片由于其價格昂貴等原因，目前僅僅處于科研階段，所以我們選擇了 p i c 單片機。p i c 芯片是一種比較適合于進行信號處理和運算的微處理器，本文 的研究重點就是如何將p i c 應(yīng)用到摩托車數(shù)字點火系統(tǒng)中。 1 3 2 本課題的主要工作 i 硬件方面 1 ) 根據(jù)摩托車磁電機的信號特點及p i c 芯片的要求，完成信號與單片機之間 的接口電路。 2 ) 為最終時問點火，設(shè)計完成1 三 電容放電為核心的點火電路。 2 軟件方面 1 ) 利用i h a t l a b 應(yīng)用軟件為點火提前角的淞p 圖建立數(shù)學模型 2 ) 利用p i c 匯編語言編寫發(fā)動機相關(guān)信號的接收、處理及點火控制軟件。 3 數(shù)字點火系統(tǒng)應(yīng)用試驗 為了驗證該系統(tǒng)點火的可行性和實用性，進行相關(guān)的試驗。 1 4 本章小結(jié) 本章首先闡述了目前摩托車行業(yè)的現(xiàn)狀，并對汽油機的各種點火方法加以簡 要的介紹，指出數(shù)字點火研究的重要意義和目的。然后提出了一種基于p i c 單片 機的數(shù)字點火系統(tǒng)，并介紹了本課題所做的工作。 機的數(shù)字點火系統(tǒng)，并介紹了本課題所做的工作。 天津大學碩士學位論文 第二章數(shù)字點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 第二章數(shù)字點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 2 1 點火提前角的提出及對汽油機工作的影響 2 1 1 點火提前角的提出 在氣缸中，從火花塞開始跳火到著火燃燒是需要定時間的。為了使汽油機 能夠具有較好的性能，點火就不能在壓縮終了時刻進行，而必須有一定的提前， 即點火必須在最佳時刻進行。點火的時刻便是用點火提前角川來表示的，它是指 從火花塞電極間跳火開始，到活塞運行至上止點時的這一段時間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角 度。點火提前角的大小直接影響到氣缸內(nèi)最高燃燒壓力到達的時刻，如圖2 - 1 所 示【6 】o 垂 丫b ? 卅 點火時刻b cd 曲軸轉(zhuǎn)角 圖2 一l 汽缸壓力與點火時刻的關(guān)系 而這個時刻，對汽油機的功率及經(jīng)濟性有著重大的影響。若最高燃燒壓力點 到達過早即點火提前角大，則混合氣必然早點火，經(jīng)過一段著火落后期后，壓力 上升線的主要部分處于上止點前，而此時氣缸內(nèi)處于壓縮過程，由于其容積不斷 地縮小使得氣缸內(nèi)的壓力升高率較大，最高壓力值也較高，如圖中b 線所示。從 而導致壓縮過程負功的增長；汽油機各傳力零部件承受載荷增加；缸內(nèi)混合氣的 溫度、壓力的增高，最后燃燒的那些混合氣產(chǎn)生爆震的傾向也在增加。反之，若 最高燃燒壓力點到達過遲，則燃燒產(chǎn)物的膨脹比將減小，并使排氣溫度較高，同 時相應(yīng)燃燒高溫時期的傳熱表面增加，造成較大的熱損失，如圖中d 線所示。而 天津大學碩士學位論文第= 肇數(shù)宰點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 所謂的最佳點火提前角，就是當氣缸內(nèi)的燃燒壓力升高率為i 7 0 - - 2 4 0 k p a 攝氏 嶷，霹最褰蘧力點惑蠛在上囊點菇i 0 一i s 度冀轅轉(zhuǎn)憊。就對汽漓祝懿動力譴襄 經(jīng)濟性均良好。由于各工況的著火落后期不相同，對于汽油機的每工況都對應(yīng) 存在一最建點炎鼴麓襄“1 。為了逮到這一袋佳狀態(tài)，汽潼瓿通過辯點必撬蕊麓熬 調(diào)控來達到目的。 2 ， ，2 煮必提羲慧對汽滋撬工作麓影瀚 l 對功率的影響“1 針對鐐一個固定的工況，即固定的負犄和轉(zhuǎn)速，由于最佳點火提前角程節(jié)氣 門囂囊不變簿，各個轉(zhuǎn)速的整炎落掰裳垮交證不大。瞧蓬轉(zhuǎn)速菸上辯，搖慰潛失 落衙期所占的曲軸轉(zhuǎn)角呈正比增加，所以，高轉(zhuǎn)逋下的著火落后角將顯著加大。 要保涯最大燃燒壓力點攘檄大襄不變，必定要趣大點火提裁霆。隧著點炎提籬受 的增大，功率先期望增加狀態(tài)，遮剿最大值后下降，如圖2 2 ( a ) 所示。因每條 熱線對應(yīng)予強定的轉(zhuǎn)速，功率篷線瞧反映了揠矩的交往。蹬2 2 ( b ) 中是以遴氣 管真空度襲示負荷，在轉(zhuǎn)遴不變酌情況下，當負荷減小時，意味著節(jié)氣門并度的 城小，每德環(huán)燃燒黥混合氣數(shù)量也減少，露熱上敷蠹殘余廢氣所占的比鍘攘慰增 大，對迸入的混臺氣起到稀釋作用，氣缸巍與燃燒盛壁面溫度的下降等諸多因素 暖4 使著火落器時闋糖長，必須相應(yīng)使點火掇藩。當最熹篷力點出琥在上止點蜃 i o 1 5 度魏軸轉(zhuǎn)角辯，平均有效殛力達到爨大值，當然扭斑也達到最大值。2 2 ( b ) 圖中功率與扭短達到最大僮的對應(yīng)的點火提蘸角即為扭矩最佳點火提前蹙。 1 1 2 5 l 酶 霸 鷺 _ 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 瀣蚺轆轉(zhuǎn) 己 j - 一 i ! 氣管弭凳艘 h d - j f 0 【)9 吣- o 0 2 6 、 善o ，04 4 ， - 氌n s s 瞧 n = 1 s o o r 勢 匿2 - 2 點火恁對功率影喻鰱線銎 9 兩 囂m 野 弘 淦氣 ： 蒂 a 4 天津大學碩士學位論文 第二章數(shù)字點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 2 對油耗的影響“。 汽油機的油耗與燃燒象的形式、發(fā)動機工況、過量空氣系數(shù)a 及點火提前角 等均有關(guān)。圖2 - 3 ( d ) 所示在部分負荷，轉(zhuǎn)速為2 0 0 0 r m i n 時，磐過量空氣系 數(shù)五 1 0 7 時，隨著點火提前角的增大，油耗不斷下降；而當五 1 的條儲下， 往往龜會產(chǎn)生撮嵩豹髓辯放，這怒因為h c 還有著淬薅和壤搿于等其它生成原因。 在均質(zhì)混食氣汽油機的過擻空氣系數(shù)范圍內(nèi)，點火提前角增大時，h c 排放則隨 之增大，麓冗乎殘線往關(guān)系。畝強2 - 3 ( a ) 可覓，轅著點火提前角躺減小，h c 排 放也有所降低，因為點火摁前角的減小導數(shù)后燃的加重和排氣溫度的上升，使得 在辯氣行耩教及薅氣管孛粥氧彳乏獲應(yīng)熱速，最終筏捧出狂c 量減少。 2 ) 對n o ，排放的影響：發(fā)動機中生成的n o 。生成途徑有三種：高溫n o ，激 發(fā)瀚幫燃精n o 。在汽潼梳串激發(fā)瀚掰蠢魄率臻小。兩鬣，在起撩輥鶼常燕燃 料中，汽油基本不合氮。所以，發(fā)動機中產(chǎn)生n o ，的途徑中，高溆n o 是主鬻來 源。在足夠靜氧濃疫條鋅下，溫度越高，愛應(yīng)速度越俠，辯o 豹生成囊奄就越大。 由圖2 3 ( b ) 可見，隨著點火提前角小于由動力。隧確定的最佳值，燃燒等容度 戇簿繯，羧終鑊爨蹇燃澆滋疫漣謄焦災(zāi)戇疑遙露羹壹線下降，導致n o ， 教靜 減少。其次n o ，在魅個過綴空氣系數(shù)范圍內(nèi)，均隨著點火撮前角的增大而增大， 這穗歪是燃燒最塞瀑廢豹爝麓援致。 篁 耄 ，h t 塞 望 過量空氣系數(shù)冀 ( a ) o 過鬣空氣系數(shù)童 ( b ) 弦哺強m 8 鑫4 2 鑫 若謄*o警 天津大學碩士學位論文 第二章數(shù)字點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 ： ； 蘭 h o 過量空氣系數(shù)a ( c ) ( a ) h c 與點火提前角 ( c ) c o 與點火提前角 ； 苧 酒 i 過量空氣系數(shù)五 ( d ) ( b ) n o 。與點火提前角 ( d ) 燃油消耗率與點火提前角 圖2 - 3 汽油機的排放與點火時刻 ( 3 ) 對c o 排放的影響：圖2 3 ( c ) 表明，在全負荷工況的過量空氣系數(shù)范 圍內(nèi)( o 9 5 時，點 火提前角對c o 排放幾乎沒有影響。 可見，點火提前角越大，發(fā)動機的排放越惡化，由于c o 排放幾乎與點火提 前角無關(guān)。因而可以來用推遲點火的方法來減少h c 和n o ，徘放。但大量研究證 明，推遲點火則使發(fā)動機的熱力循環(huán)的等容度減小，最終導致發(fā)動機的動力性和 經(jīng)濟性惡化。 綜上所述，點火提前角無論對功率、油耗還是排放都有相當?shù)挠绊懀@些 因素本身又相互影響。同時，影響點火提前角的因素有很多：如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負 荷、汽油辛烷值、進氣壓力、冷卻水溫等。所以，如何控制點火提前角至最佳值 是一個比較復(fù)雜的問題。而目前控制點火提前角的辦法一般用機械進角或電氣進 角兩種方式。機械進角雖然是摩托車的點火提前角特性有所改進，但這種進角器 同在發(fā)動機曲軸箱內(nèi)的高溫空氣中工作，每行駛一段時間就必須向其中補充潤滑 n 1n 2 n 轉(zhuǎn)速 圖2 - 4電氣進角示意圖 天津大學碩士學位論文第二章數(shù)字點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 油脂。如果油脂補充不及時或補充過量都會使器件工作條件變壞。電氣進角是目 前應(yīng)用最廣泛的控制點火提前角的方式。電氣進角又分為波形進角和電子進角兩 種方式，它們的核心思想就是在一定的速度區(qū)間( 比如2 0 0 0r m i n 到4 0 0 0 r m i n ) 內(nèi)，以一個大致的點火曲線( 比如一定斜率的直線) 來控制點火時間。而在此 速度區(qū)間外的高速和低速時，均給以一個固定的點火提前角。電氣進角示意圖如 如圖2 4 所示。我們知道，以這樣的方法只能大致控制點火提前角，而不可能非 常精確的反應(yīng)在某一速度時刻的點火時間。也就是說，常規(guī)的模擬式電子點火系 統(tǒng)，即使在已經(jīng)獲得最佳點火角變化規(guī)律時，由于其反應(yīng)不靈敏及其他固有缺陷， 很難做出準確的點火角控制。并且，目前常用的非接觸電容或電感式點火器隨著 發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，一般只能控制磁電機轉(zhuǎn)速在1 8 0 0 4 0 0 0 轉(zhuǎn)分鐘之間。另外， 如上文所述，決定最佳點火提前角除了速度因素以外，還有其他因素要考慮。這 樣，電氣進角的這種僅僅根據(jù)一個速度信號來決定提前角的控制方式又增加了不 精確的因素。而本文所提出的數(shù)字點火系統(tǒng)可以充分發(fā)揮軟件的強大功能，精確 的控制點火提前角，控制參數(shù)也可以視情況增加，將使發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速內(nèi)較準 確的達到最佳工作狀態(tài)“。 2 2 初步分析系統(tǒng)的電磁兼容性及干擾問題 系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的。隨著工業(yè)測控技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛， 系統(tǒng)可靠性也逐漸成為人們關(guān)注的一個重要課題。一個系統(tǒng)，無論原理上設(shè)計得 多么新穎先進，如果不考慮干擾的影響，采取適當?shù)目垢蓴_措旖，在條件苛刻的 工業(yè)現(xiàn)場是很難可靠工作的0 點火系統(tǒng)由于它特殊的應(yīng)用環(huán)境，使它對抗干擾能 力的要求更高。點火系統(tǒng)的電磁兼容性分析可以從干擾源和防干擾措旌兩個方面 進行。 2 2 ，1 系統(tǒng)中的干擾源 本系統(tǒng)的點火裝置、各種感性負載和線束產(chǎn)生的干擾都需要考慮。發(fā)動機的 點火裝置是主要干擾源之一。其干擾主要是由火花塞的火花放電產(chǎn)生“。因為 點燃汽缸內(nèi)的混合氣體需要十幾到幾十k v 的高電壓，即使火花塞放電的時間非 常短，其瞬間電流峰值也可能達到幾十安。如此的高壓和大電流足可以向外發(fā)射 干擾波。這些干擾波不僅對車上的電子元件產(chǎn)生影響，而且還可以傳播一定的距 離。點火系統(tǒng)的點火模塊的點火強度雖然不如上述描述的那么強，但仍可以滿足 l o m m 的點火距離的要求，對外的干擾也是非常大的。另外，根據(jù)電工學可知， 感性負載斷開時，會產(chǎn)生感生電動勢，對電路而言是負脈沖，有時可達到3 0 0 v ， 天津大學碩士學位論文第二章數(shù)字點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 對各種電子元件來說是不小的沖擊。同時，也需要考慮到點火系統(tǒng)電器元件之間 的連接導線，導電器件與導線之間大多是平行敷設(shè)的，很容易通過導線之間的電 感和電容產(chǎn)生耦合。干擾源的干擾電波也通過線束網(wǎng)絡(luò)對其他電器產(chǎn)生電源上的 干擾。線束的分布電容還可以與干擾信號耦合。針對以上提到的存在于點火系統(tǒng) 中的干擾，必須采取措施抑制干擾源干擾波的產(chǎn)生，削弱傳播線路中干擾波，保 護重要設(shè)備。 2 2 2 常規(guī)抗干擾措施 一般來講，抗干擾要從以下幾方面著手：濾波、屏蔽與接地以及隔離技