兩用燃料汽車(chē)高能點(diǎn)火控制器的研究與設計

　　引言

　　憑借儲量豐富、排氣污染少、經(jīng)濟性好等特點(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)的性能一般對原發(fā)動(dòng)機結構不做改動(dòng)[1]，由于氣體燃料與汽油燃燒特性不同，原點(diǎn)火系統不能充分發(fā)揮氣體燃料的效能，動(dòng)力明顯下降。文獻[2]針對氣體燃料辛烷值高，氣體燃料火焰傳播速度慢的特點(diǎn)設計了點(diǎn)火提前角控制器，取得了較好的效果。但是不同型號的發(fā)動(dòng)機，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，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，成本高，限制了此類(lèi)點(diǎn)火控制器的廣泛應用。本文設計的兩用燃料汽車(chē)點(diǎn)火控制器對點(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，而且能明顯提升汽車(chē)的動(dòng)力，降低排放。

　　點(diǎn)火參數控制方案設計

　　點(diǎn)火系統的性能主要體現在點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火火花強度兩個(gè)方面[3]。由于氣體燃料燃燒傳播速度慢，著(zhù)火延遲期長(cháng)，著(zhù)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。本文對點(diǎn)火提前角的控制，是通過(guò)在控制器上設置調整開(kāi)關(guān)，根據所用燃料的不同選擇不同的點(diǎn)火調整角度，點(diǎn)火角度調整范圍從0o~20o，對天然氣、液化石油氣、汽油等燃料都適用。

　　對于六缸發(fā)動(dòng)機，分電器上霍爾傳感器給出的點(diǎn)火信號一個(gè)周期對應曲軸轉過(guò)120o(四缸為180o)，如果測得分電器輸出點(diǎn)火信號周期所對應時(shí)間為T(mén)，則曲軸轉1o所對應時(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是可以測得的量，ao為通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設定的提前角度，調整范圍為0-20o。當ao=20o時(shí)，Dt/T=1/6;當ao=10o時(shí)，Dt/T=1/12;當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(zhù)點(diǎn)火頻率的變化為一定值，為了使角度調整更加精確，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置了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)所對應編碼值，將的值帶入Dt=(ao/120o)*T， 得，即1個(gè)單位x對應點(diǎn)火提前角約0.67o。

　　點(diǎn)火能量大小與點(diǎn)火線(xiàn)圈初級電流大小有關(guān)，初級電流大小受初級回路導通時(shí)間控制，因此要控制一個(gè)最佳導通時(shí)間。傳統點(diǎn)火系統初級電路的導通時(shí)間受凸輪形狀或傳感器信號的限制，由于占空比不變，導致發(fā)動(dòng)機在低速運行時(shí)，初級電路導通時(shí)間長(cháng)，初級電流大，點(diǎn)火線(xiàn)圈容易發(fā)熱;高速時(shí)，初級電路導通時(shí)間短，初級電流小，次級電壓低，點(diǎn)火不可靠[4]。本文是利用單片機控制點(diǎn)火導通時(shí)間，占空比的設置可以隨著(zhù)頻率的變化而變化。點(diǎn)火線(xiàn)圈的充電時(shí)間一般為10ms達到飽和，所以當點(diǎn)火信號頻率低時(shí)，保證充電時(shí)間為10ms;當點(diǎn)火信號頻率增加，點(diǎn)火周期不足10ms時(shí)，保留2ms的放電時(shí)間，其余時(shí)間全部導通，充分利用了點(diǎn)火信號的占空比，保證發(fā)動(dòng)機高速和低速運轉時(shí)具有最佳導通時(shí)間。

　　點(diǎn)火控制器硬件設計

　　以單片機為核心的點(diǎn)火控制器的硬件組成框圖如圖1所示。

　　整形電路對分電器輸出的信號進(jìn)行整形，使之成為能被單片機處理的脈沖信號，該信號經(jīng)過(guò)光電隔離電路加到PIC單片機的I/O口。單片機采用Microchip公司的PIC16F73單片機，該型號單片機具有運行速度高、功耗低、驅動(dòng)能力強、外圍模塊豐富等優(yōu)點(diǎn)[5]，本系統主要應用了單片機的定時(shí)器模塊、外中斷模塊、輸出比較模塊。單片機對輸入信號進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)光電隔離控制功率驅動(dòng)電路中大功率管的導通與截止，實(shí)現對點(diǎn)火提前時(shí)間和點(diǎn)火閉合時(shí)間的控制。在驅動(dòng)電路中，輸出信號首先經(jīng)過(guò)三級管進(jìn)行放大，然后再控制大功率場(chǎng)效應管的導通與截止，輸出峰值電流可達8-9A(原車(chē)為6-7A)。