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

　　引言

　　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(lèi)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)。