數(shù)字控制點火系統(tǒng)的組成及原理

摘要：以單片機為控制核心，利用單片機的運算和控制功能，實現(xiàn)對發(fā)動機點火提前角的精確曲線控制，從而使發(fā)動機工作在最理想狀態(tài)，并用液晶顯示模塊實時顯示所測速度和里程。改變了傳統(tǒng)點火方式中點火時間不能隨轉速進行曲線控制，不能得到最佳點火點、不能使發(fā)動機在任何轉速情況下都能發(fā)揮良好表現(xiàn)的缺點。

點火系統(tǒng)在汽油機中起著非常重要的作用，點火能量必須按規(guī)定要求足夠大，否則就不能點燃氣缸內(nèi)的混合氣;點火時刻或點火提前角是影響發(fā)動機性能的重要參數(shù)之一，每個給定的發(fā)動機運行工況都對應著一個最佳點火提前角，過早或過遲點火，都會直接影響到摩托車的燃油經(jīng)濟性和動力性。為此，通過試驗獲取發(fā)動機的最佳點火提前角，并控制發(fā)動機盡量按最佳時刻點火是設計關鍵。

目前，國外大排量的運動型摩托車已開始應用微機控制技術，日本本田、川崎、鈴木公司等都有這樣的車型推出，而我國在點火提前數(shù)字控制技術應用方面遠遠落后于發(fā)達國家。事實上，這項技術在我國生產(chǎn)的轎車汽油機上的應用才剛剛開始，但在摩托車汽油機上還未應用。

1、數(shù)字控制點火系統(tǒng)的組成

數(shù)字控制點火系統(tǒng)主要由霍爾元件、信號整形電路、單片機計算處理器、功率放大高壓點火器及液晶顯示部分等組成。采用發(fā)動機霍爾原件，對發(fā)動機工作行程進行采集，然后由信號處理電路(信號放大、波形變換和波形整形)再對采集到的信號進行整理。由于數(shù)字點火器采用單片機控制電路，只要獲取汽油機的最佳點火提前角規(guī)律，數(shù)字點火器即保證最佳點火，點火系統(tǒng)框圖如圖1所示。在信號處理電路中，放大器用于對采集信號進行放大，以滿足數(shù)字信號的幅度要求;波形變換和波形整形電路用于將放大后的采集信號轉換成單片機可接收的TTL信號，通過單片機的INT0引腳進行接收，使INT0引腳能夠對內(nèi)部定時器T0的工作進行控制，精確測出加到INT0引腳的正脈沖寬度(即測出脈沖信號的周期)，再根據(jù)脈沖的寬度計算出最佳點火角度，將信號輸出到功率放大高壓點火器，完成點火;同時，單片機再根據(jù)脈沖周期計算出發(fā)動機轉速通過液晶顯示模塊顯示出來。

2、單片機控制點火提前角原理

在發(fā)動機磁電機上安裝2個摩托車專用霍爾原件，一個安裝在最大點火提前角位置上，另一個安裝在發(fā)動機活塞運行的上止點位置，這樣在單片機對其進行采集時，就有了2個參考點。在發(fā)動機剛剛起動時，活塞運行速度較慢，氣缸壓力不足，所以發(fā)動機起動后只有在活塞運行到上止點時，氣缸壓力才為最大，這時點火為最佳時機;當發(fā)動機工作一段時間后，發(fā)動機的點火時刻就要發(fā)生改變，發(fā)動機運轉越快點火提前角越應該增大，因為只有提前點火，才能使發(fā)動機在做功行程時有最大的能量釋放，如果不能提前點火，發(fā)動機會顯得無力，車速不能提升;但是提前角也不能過大，提前角過大會浪費能源，作功時有一部分作了負功，所以只有精確控制點火提前角才能使發(fā)動機輸出功率最大，能源消耗最少。

2.1單片機工作頻率的選擇

因為摩托車高速運行時，發(fā)動機轉速可達10000r/min，這時點火提前角應為最大。由于摩托車排量不同，活塞運行的行程和缸徑也不同，所以提前角也不同。250mL系列最大提前角為15°，要保證提前角每5°時火花塞至少要2次點燃，單片機輸出的頻率至少為：2×(360/5)×10000=1440000Hz/min;而采用普通的單片機工作頻率為12MHz，完全可滿足要求。

2.2新型點火器與普通點火器的區(qū)別

新型點火器與普通點火器的不同點是：普通點火器工作時考慮在什么時間點火，而單片機控制的點火器考慮的是在什么時間不點火，也就是在發(fā)動機工作過程中只有少部分時間停止點火，從圖2中看出，使用了單片機點火系統(tǒng)后，增加了點燃沖程和排氣沖程的點火觸發(fā)次數(shù)，這樣發(fā)動機混合氣燃燒十分充分，不會出現(xiàn)燃燒不徹底、火花塞積碳不能正常工作等現(xiàn)象。而且在發(fā)動機高速運轉時，在最大提前角內(nèi)至少保證有6次以上點火過程;在排氣沖程時繼續(xù)高頻點火，使未完全燃燒的混合氣充分燃燒，再次清理火花塞而完成高頻點火。

2.3單片機控制點火提前角

使用2個霍爾元件對發(fā)動機進行采集，經(jīng)過放大整形后，把整形好的信號輸入到單片機，單片機對其進行分析，根據(jù)2個霍爾元件間的時間差計算出當時發(fā)動機的轉速，也就是它們的時間差越短即發(fā)動機轉速越高;同時，通過液晶顯示模塊顯示出速度情況，并根據(jù)此數(shù)據(jù)分析出發(fā)動機工作在哪個區(qū)域(低速區(qū)、中速區(qū)或高速區(qū))，根據(jù)不同的區(qū)域進行點火提前角的控制。當發(fā)動機運行時，發(fā)動機各傳感器將監(jiān)測到負荷、發(fā)動機轉速、車速及水溫等參數(shù)，并送到電腦中，經(jīng)對這些信息進行分析處理，按照發(fā)動機的轉速由單片機計算出相應的點火提前角度。

單片機控制點火的最大優(yōu)點是可對發(fā)動機的工作情況進行綜合考慮，如當發(fā)動機溫度偏高，機油量過低時，再加速行駛時，將對發(fā)動機造成損失，此時單片機會自動對點火器進行控制，使發(fā)動機只能工作在低轉速區(qū)，不管騎乘者怎樣加大油門，發(fā)動機轉速也不會提高(因為要使發(fā)動機轉速提高的必要條件是點火角度的變化)。經(jīng)實驗證明，鈴木250mL摩托車被控后最多只會在40km/h的速度內(nèi)行駛，本田400mL摩托車被控后最多只會在55km/h的速度內(nèi)行駛。

總之使用單片機控制發(fā)動機工作狀態(tài)將成為今后發(fā)展的必然趨勢，由于發(fā)動機使用了智能芯片，根據(jù)發(fā)動機的運轉情況自動分析直接控制發(fā)動機并且能制止人為的不良干預從而使得發(fā)動機得以有效的保護。還可很方便的加裝各種電子產(chǎn)品例如觸摸式密碼鎖、遙控器、鐘表顯示、數(shù)字定速等，這些功能都是單片機很容易實現(xiàn)的。