發動機點火系統畢業設計-資料下載頁

【導讀】燃料為主導的低排放和零排放汽車已成為各國當前及今后面臨的主要問題之一。氣體燃料LPG作為替代能源被廣泛地加以應用。目前面臨的關鍵問題是在稀燃條件下提高。點火系統電火性能及工作的安全可靠性，從而達到提高發動機熱效率和降低排放的目的。系統包括新缸頭（半球型燃燒室、雙火花。塞位置、燃燒室內氣流組織等）、兩套獨立的可變點火能量的高能點火系統。元ECU及控制策略根據發動機工況的變化，提供可變的同步、異步雙火花點火。上各種傳感器的電信號利用單片機設置的程序對發動機進行精確的點火時刻控制。

　　

【正文】 .綜合考慮采樣定理 、 CPU 的計算速度和計算精度，且考慮到頻率越高噪聲信號也越強，試驗中的采樣率定為 40 統采用 ZeiglerNichols 提出的 整定法初次選定 kp 和 Ti：令 Ti=+∞， 不斷增大 kp 使系統達到等幅自振蕩，并記下相應的 kp 值即 k0 和臨界周期 T0，然后令 kp=。Ti=T0/。 利用閉環控制原理和數字 PI 控策略來調節 LPG 發動機的燃料供給量，從而控制空燃比的大小，試驗結果表明，如果調節得當 ， PI 調節器可以將空燃比控制在理論值附近，可以充分提高 TWC 的凈化效率 。 本章小結 評價一個 LPG 公交車發動機點火系統好壞的關鍵是需要一個精確和可靠的點火控制系統 。 本論文分析了傳統 LPG 公交車發動機點火系統的不足， 由此而 得到設計一個 提高點火系統點火性能及工作的安全可靠性 的點火器是十分關鍵的 。為了 實現高速點燃式 LPG 電噴發動機穩定燃燒 ，本論文就著中對點火系統的電子點火器進行研究 。 并從對 LPG 氣體燃燒影響的因素出發，分析了點火提前角 、 壓縮比及過量客氣系數在發動機不同工況下對發 16 動機的動力性和排放性的影響。 利用計算機仿真和實驗，得到了 LPG 公交車在各種工況下，點火提前角 、 過量空氣系數 與壓縮比對發動機的動力性和排放性的影響和變化規律 。 在軟件系統方面設計了 兩個定時通道設置為輸入捕捉功能 ， 對經過整形處理后的曲軸位置信號和發動機轉速信號進 行采集處理，另六個定時通道設置為輸出比較功能，用于六個汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制 。 為了有效地減少 LPG(液化石油氣 )發動機的尾氣排放，設計了空燃比閉環控制原理 。 閉環控制和 PI 策略的結合可以將空燃比穩定在理論值附近，從而大大降低 3 種尾氣的排放 。 17 第三章 研究 LPG 公交車發動機點火系統硬件的設計與開發 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發動機點火系統的硬件設計部分包括有電子點火控制系統和電子點火系統以及發動機燃燒室、各種傳感器、電子控制器和執行器等。 LPG 液化石油燃氣公交車發動機點火系統如圖 31所示 。 圖 31 LPG 液化石油燃氣公交車發動機點火系統原理圖 18 發動機點火 控制 系統的硬件部分包括有各種傳感器 、 電子控制器和執行器 。 其中傳感器有： 曲軸位置傳感器 CPS 向 ECU 提供發動機轉速 、 曲軸轉角信號，轉速信號用于計算確定點火提前角，轉角信號用于控制點火時刻 。 空氣流量傳感器 AFS 和節氣門位置傳感器TPS 向 ECU提供發動機負荷信號，用于計算確定點火提前角 。 冷卻液溫度信號 CTS、 進氣溫度信號 IATS、 車速信號 VSS、 空調開關信號 A\C 以及爆震傳感器 EDS 等等，用于修正點火提前角 。 電子 控制 器主要是 ECU的硬件 部分設計，本章將以 16 位處理器 HCS12， MC9S12DP256微控制器為核心 ， 用于輸入信號整形處理，進行點火系統運行狀態監控和控制參數的匹配標定 。 由一個 16 位主定時器和 8 個可編程輸入捕捉 /輸出比較定時通道構成的增強型捕捉定時器提供了較強的定時控制功能 ， 可充分滿足高能 異步 點火的復雜時序控制要求 。 在本系統中 ， 兩個定時通道設置為輸入捕捉功能 ， 對經過整形處理后的曲軸位置信號和發動機轉速信號進行采集處理 。另六個定時通道設置為輸出比較功能 ， 用于六個汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制 。 發動機工作時， CPU通過上述 傳感器把發動機的工況信息采集到隨機存儲器 RAM 中，并不斷檢測凸輪軸位置傳感器信號，判斷是那一缸即將到達壓縮上止點 。 當接收到標志信號后， CPU 立即開始對曲軸轉角信號進行計數，以便控制點火提前角 。 與此同時，讀儲存器中查詢相應工況下的最佳點火提前角 。 在此期間， CPU一直在對曲軸轉角信號進行計數，判斷 點火時刻是否到來 。 當曲軸轉角等于最佳點火提前角時， CPU 立即向點火控制器發出控制指令，使 執行器 功率三極管截止，點火線圈初級電流切斷，次級 繞 組產生高壓，并按發動機點火順序分配到各缸火花塞跳火點著可燃混合氣 。 執行器部分主 要是 以電子點火系統為主。 電子點火器的基本功能是在輸入的點火信號觸發下工作，及時通斷點火線圈初級電流，使點火線圈次級適時地產生高壓。為進一步提高點火系統 點火 性能及工作的安全可靠性， 在 電子點火系統的電子點火器 方面 將 設計了電子點火器閉合角可控功能電路、初級回路電阻控制電路、停車斷電保護電路和初級電流穩定控制電路。 鑒于 LPG 著火溫度高，傳統的點火方式無法滿足 LPG 燃氣發動機實現稀燃的要求 。點火能量及點火模式將影響著 LPG 稀燃過程 。 而普通單點火稀燃模式點火能量不足，容易造成混合氣的失火現象而出現不規則燃燒，加大了燃 燒過程的循環變動 。 傳統點火裝置出點限制了初級斷開電流，也就是限制了點火能量，特別是限制了高速時的點火能量，從而限制了高轉速 、 高壓速比發動機的發展，同時工作中觸電的火花 、 觸電的震動 、 磨損和燒，造成了刺激高壓電和點火能量的波動和下降，因而工作可靠性差 。 因此本章在點火模式上將著重研究高能異步雙點火模式 和磁感應式電子點火器的設計 ，在花活塞布置上將著重研究對稱布置的雙點火模式 。 19 基于 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發動機的系統結構原理 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發動機的系統結構包括硬件和軟件兩部分， 硬件包 括 電子點火控制系統和電子點火系統 。 軟件部分包括操作系統軟件和應用程序編程，其中操作系統軟件主要是以 MC9S12DP256 微控制器為核心的各種電信號采集和處理，應用程序編程主要有點火時序的控制方法 和點火控制程序設計 。 CA6GHL 電控 LPG單燃料發動機的系統 工作流程 如圖 32 所示 : 液態 LPG 靠鋼瓶內的 L PG自身的蒸氣壓力壓出鋼瓶 ， 通過高壓管路 ， 在流經濾清器時將雜質濾掉 ， 然后經電磁閥流入蒸發調壓器 ， 在蒸發調壓器內經發動機冷卻循環水系統加熱氣化為氣態和兩次調壓后 ，進入混合器和空氣混合 ， 進入發動機 燃燒 。 圖 32 LPG 系統圖 1— 汽油泵； 2— 化油器； 3— 混合器； 4— 蓄電池； 5— 轉換開關； 6— 儲油器； 7— 加氣口； 8— 密封盒； 9— 集成閥； 10— LPG 電磁閥； 11— 政法調壓器 發動機工作時 的微機控制系統如圖 33 所示 ， CPU 通過上述傳感器把發動機的工況信息采集到隨機存儲器 RAM 中，并不斷檢測凸輪軸位置傳感器信號，判斷是那一缸即將到達壓縮上止點 。 當接收到標志信號后， CPU 立即開始對曲軸轉角信號進行計數，以便控制點火提前角 。 與此同時，讀儲存器中查詢相應工況下的最佳點火提前角 。 在此期間， CPU一直在對曲 軸轉角信號進行計數， 判斷 點火時刻是否到來 。 當曲軸轉角等于最佳點火提前角時， CPU立即向點火控制器發出 點火信號 當輸入的電子點火器的點火脈沖信號電壓使大功率開關晶體管導通時，點火線圈初級 20 通路，儲存點火能量；當輸入電子點火器的點火信號脈沖使開關晶體管截止時，點火線圈初級線圈斷路，次級便產生高壓，通過配電器及高壓導線等將高壓送至點火缸火花塞。 1分電器 ,2轉速與曲軸位置信號插接器 ,3電子點火模塊 ,4點火線圈 ,5火花塞 圖 33 微機控制點火系統控制原理圖 通過 MC9S12DP256 微控制器 與 PC 機之間的通訊功能 ， 進行點火系統運行狀態監控和控制參數的匹配標定 。 由一個 16 位主定時器和 8 個可編程輸入捕捉 /輸出比較定時通道構成的增強型捕捉定時器提供了較強的定時控制功能 ， 可充分滿足高能直接點火的復雜時序控制要求 。 發動機的選擇 本課題研究的是可以投放在大型公交車上使用的 LPG 發動機，必須對基型發動機進行選型，以適用于課題的研究，車輛主要尺寸選用的數據來自宇通公交車生產的 ZK6120A74型公交車； 表 34 為 ZK6120A74 公交車的主要參數： 21 表 34 公交車的主要參數 軸數 雙軸 驅動形式 4*2，后輪雙胎驅動 布置形式 發動機后置，直列六缸柴油機 外形尺寸：長 *寬 *高 11800*2700*3150（ mm3 ） 軸距 5600mm 前輪輪距 2020mm 后輪輪距 1860mm 空載質量 11400Kg 最大質量 15500Kg 最高車速 80Km/h 標定工況氣耗 最小離地間隙 ? 220mm 最小轉彎直徑 ? 24mm 基于 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發動機點火系統的硬件設計 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發動機點火系統的硬件設 計 部分包括有 電子點火控制系統和電子點火系統 以及 發動機燃燒室 、 各種傳感器 、 電子控制器和執行器 等 。 其中 電子點火系統的基本組成包括點火信號發生器 、點火信號、電子點火器、點火開關、點火線圈及火花塞 。 硬件設計部分 主要 是 以 ECU 電子 控制 器 和 以磁感應式的電子點火器 為主 ，本章將以16 位處理器 HCS12， MC9S12DP256 微控制器為核心 ， 用于輸入信號整形處理，進行點火系統運行狀態監控和控制參數的匹配標定 。 由一個 16 位主定時器和 8 個可編程輸入捕捉 /輸出比較定時通道構成的增強型捕捉定時器提供了較強的定時控制功能 ， 可充分滿足高能直接點火的復雜時序控制要求 。 在本系統中 ， 兩個定時通道設置為輸入捕捉功能 ， 對經過整形處理后的曲軸位置信號和發動機轉速信號進行采集處理 。另六個定時通道設置為輸出比較功能 ， 用于六個汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制 。 執行器部分主要是電子點火器和火花塞的布置，電子點火器的基本功能是在輸入的點火信號觸發下工作，及時通斷點火線圈初級電流，使點火線圈次級適時地產生高壓。為進一步提高點火系統 點火 性能及工作的 安全可靠性，本 論文 設計了電子點火器閉合角可控功能電路、初級回路電阻控制電路、停車斷電保護電路和初級電流穩定控制電路。 鑒于 LPG 著火溫度高，傳統的點火方式無法滿足 LPG 燃氣發動機實現稀燃的要求 。點火能量及點火模式將影響著 LPG 稀燃過程 。 而普通單點火稀燃模式點火能量不足，容易 22 造成混合氣的失火現象而出現不規則燃燒，加大了燃燒過程的循環變動 。 傳統點火裝置限制了初級斷開電流，也就是限制了點火能量，特別是限制了高速時的點火能量，從而限制了高轉速 、 高壓速比發動機的發展，同時工作中觸電的火花 、 觸電的震動 、 磨損和燒，造成了 刺激高壓電和點火能量的波動和下降，因而工作可靠性差 。 因此本章在點火模式上將著重研究高能異步雙點火模式，在 火花 塞布置上將著重研究對稱布置的雙點火模式 。 LPG 發動機電子點火系統的 磁感應信號發生器的組成及工作原理 磁感應信號發生器用來產生點火信號，裝在分電器內的底板上，如圖 35所示，它由裝在分電器軸上的信號轉子以及永久磁鐵、鐵心和繞在鐵心上的傳感線圈等組成。信號轉子由分電器軸驅動，轉子上的凸齒數與發動機氣缸數相等。 當 ECU 接收到磁感應信號發生器的點火信號后， ECU 通過內置的點火程序計算出最佳 點火提前角并向電子點火器發出點火信號（ IGt）。 磁感應式電子點火信號發生器結構簡單 、 工作可靠，使用廣泛 。 1信號轉子， 2永久磁鐵， 3鐵心， 4磁通， 5傳感線圈， 6空氣隙 圖 35 磁感應信號發生器的基本結構 磁感應點火信號發生器是利用電磁感應原理工作的，當通過傳感線圈的磁通發生變化時，在傳感線圈內便產生交變電動勢，它相當于一個極小的發電機。其永久磁鐵的磁路是；永久磁鐵 N 極一空氣隙一信號轉子一空氣隙一鐵心 (通過傳感線圈 )一永久磁鐵 S 極。當發動機未轉動時，信號轉子不動，通過傳感線圈的磁通未發生 變化，傳感線圈不產生電動勢，因而無信號輸出。當發動機轉動時，信號轉子便由分電器軸帶動旋轉，這時信號轉子的凸齒與鐵心間的空氣隙將發生變化，使通過傳感線圈的磁通發生變化，因此在傳感線圈中便產生感應電動勢。信號發生器的具體工作過程如下： 當信號轉子的兩個凸齒中央正對鐵心的中心線時，如圖 35a 所示，磁路中凸齒與鐵心間的空氣隙最長，通過傳感線圈的磁通量最小，且磁通變化率為零。 23 圖 磁感應信號發生器工作原理 如果信號轉子順時針轉動，信號轉子的凸齒逐漸接近鐵心，凸齒與鐵心間的空氣隙越來越小，通過傳感線圈的 磁通逐漸增大。當信號轉子凸齒的齒角與鐵心邊線相對時，如圖35b 所示，通過傳感線圈的磁通急劇增加，磁通變化率最大；當信號轉子轉過圖 42％后，雖然磁通仍在增加，但磁通變化率降低；當信號轉子凸齒的中心正對鐵心的中心線時，如圖 35c所示，空氣隙最小，通過傳感線圈的磁通最大，但此時磁通變化率為零。 當信號轉子繼續順時針轉動時，凸齒與鐵心間的空氣隙逐漸增大，通過傳感線圈的磁通逐漸減??；當信號轉子凸齒的齒角正對鐵心的邊緣時，如圖 35d所示，磁通急劇的減小，通過傳感線圈的磁通變化率為負向最大值。 由上述分析可知 ，信號轉子轉動過程中，通過傳感線圈的磁通