天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 石玉華 孔 超 鐘海濤

基于AT89S52的本田節(jié)能賽車點火系統(tǒng)設(shè)計

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 石玉華 孔 超 鐘海濤

Honda中國節(jié)能競技大賽以宣傳環(huán)保為目標，通過參賽隊伍自行設(shè)計和制作節(jié)能賽車參加比賽，賽車發(fā)動機的節(jié)能效果直接影響比賽成績。賽車的點火系統(tǒng)對發(fā)動機的運行起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)比賽要求，基于AT89S52單片機設(shè)計了一種用于本田節(jié)能賽車發(fā)動機的點火系統(tǒng)，并應(yīng)用于賽車上，并取得了較好的效果。

節(jié)能賽車；AT89S52單片機；點火系統(tǒng)

1. 研究的目的及意義

Honda中國節(jié)能競技大賽自2005年在中國舉辦，該項賽事賽車要求搭載Honda125cc低油耗摩托車四沖程發(fā)動機，參賽隊伍根據(jù)規(guī)則自行制作賽車挑戰(zhàn)節(jié)能極限。大賽對參賽車輛以1L燃油行駛多少公里進行評比，行駛里程最遠者獲勝，這其中，發(fā)動機性能起到至關(guān)重要的作用。對于發(fā)動機，點火系統(tǒng)的改進是提升其性能的重要手段。原賽車在原型機基礎(chǔ)上增大壓縮比，因此原有點火系統(tǒng)已不適用于該發(fā)動機。需要重新設(shè)計開發(fā)新的點火控制系統(tǒng)，使之適合高壓縮比發(fā)動機。

2. 點火系統(tǒng)分析

在汽車上，微機控制的點火系統(tǒng)已經(jīng)使用較為廣泛。其特點是將點火提前角的機械調(diào)節(jié)方式改變?yōu)殡娮涌刂品绞剑苁拱l(fā)動機獲得最佳的燃燒，提高了發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性，減少了排放污染。點火控制一般包括點火提前角控制、通電時間（閉合角）控制和爆震控制。本課題不涉及爆震控制，只需進行點火提前角和通電時間控制。對于點火提前角和通電時間的控制，主要參數(shù)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，通過原機的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器獲得。同時根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下的要求，由單片機為主體的電子控制單元來計算合適的點火提前角，然后控制點火執(zhí)行器對火花塞施加高電壓使之點火［1-4］。

3. 點火系統(tǒng)設(shè)計

由點火系統(tǒng)分析可知，基于單片機的點火系統(tǒng)設(shè)計分為兩個方面，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計包含了外部信號的采集、單片機控制電路以及點火執(zhí)行機構(gòu)。軟件設(shè)計包含了利用外部采集的信號進行計算，得到適合該轉(zhuǎn)速下的點火提前角和閉合角，并將計算后的數(shù)據(jù)輸出給點火執(zhí)行機構(gòu)進行點火燃燒。

3.1硬件設(shè)計

借鑒汽車用微機控制的點火系統(tǒng)的基本原理，硬件構(gòu)成主要由傳感器、電子控制單元、點火執(zhí)行器三部分組成。傳感器的作用是將發(fā)動機的運轉(zhuǎn)情況參數(shù)傳遞給單片機，為單片機做出計算提供原始依據(jù)。電子控制單元接收由傳感器傳遞來的發(fā)動機運行參數(shù)，通過內(nèi)部程序作出判斷，得出最佳的點火提前角和該轉(zhuǎn)速下的閉合角。點火執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)單片機傳遞來的閉合角信號閉合開關(guān)，等待初級線圈電流增長到需要的值之后，由單片機控制斷開初級線圈，在次級線圈中感應(yīng)出高壓點，輸送給火花塞跳火，點燃發(fā)動機內(nèi)部可燃混合氣。點火系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 點火系統(tǒng)的組成

基于以上要求，傳感器采用原機磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，電子控制單元采用工作可靠并且具有一定計算處理能力和速度的AT89S52單片機，點火執(zhí)行機構(gòu)采用原有的點火驅(qū)動模塊，加大點火線圈次級線圈匝數(shù)以提高次級電壓，并將火花塞更換為NGK鉑金火花塞，使點火能量更集中，使用壽命更長。

3.2軟件設(shè)計

發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送入到單片機中，單片機接收該轉(zhuǎn)速信號后對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行判斷，從單片機數(shù)據(jù)表列中選擇對應(yīng)的點火提前角，并根據(jù)轉(zhuǎn)速對初級線圈閉合角進行判斷，使初級線圈提前閉合，同時以磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器信號發(fā)生時刻為初始時刻，進行計時，當發(fā)動機轉(zhuǎn)動到相應(yīng)角度時，發(fā)出點火信號驅(qū)動點火模塊控制初級線圈斷電，從而使次級線圈感應(yīng)產(chǎn)生高電壓，擊穿火花塞電極之間的間隙，產(chǎn)生火花，點燃可燃混合氣。因此程序算法框圖如圖2所示。

圖2 點火系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過建立發(fā)動機模型進行計算，作為初始數(shù)據(jù)，通過實驗得到發(fā)動機最佳點火提前角數(shù)據(jù)。

4. 系統(tǒng)測試

將該系統(tǒng)安裝于賽車發(fā)動機上進行負荷特性實驗，因該賽車工作轉(zhuǎn)速范圍小于4000r/min，因此實驗中發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于該轉(zhuǎn)速。以發(fā)動機3000r/min時為例，獲得最佳點火提前角為30°CA，如圖3所示。可以看出發(fā)動機功率較低的情況下，油耗率和原機幾乎持平，但隨著發(fā)動機功率的上升，油耗率逐漸比原機要低，說明此時獲得的最佳點火提前角在油耗率方面優(yōu)于原機。

圖3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3000r/min時負荷特性

通過大量實驗，得到了發(fā)動機轉(zhuǎn)速和最佳點火提前角的關(guān)系，如圖4所示。

可以看出，發(fā)動機的最佳點火提前角比原機略大，高速情況下能有效降低燃油消耗率，由于點火提前角的增大，同時使低速的燃油消耗率在低轉(zhuǎn)速情況下較原機有所上升。

圖4 試驗獲得的最佳點火提前角與原機的點火提前角

但是賽車比賽中的主要運轉(zhuǎn)區(qū)域在2000-3000r/min，因此該點火系統(tǒng)可以有效的降低發(fā)動機燃油消耗率。

5. 結(jié)論

（1）節(jié)能賽車發(fā)動機的節(jié)能效果直接影響到比賽成績，原有發(fā)動機的點火系統(tǒng)不能滿足改變壓縮比之后的發(fā)動機工作要求；

（2）參考汽車發(fā)動機微機控制的點火系統(tǒng)，設(shè)計節(jié)能賽車點火系統(tǒng)為三個部分，即傳感器、單片機和執(zhí)行部分，編寫執(zhí)行程序；

（3）將該系統(tǒng)安裝于發(fā)動機進行負荷特性實驗，獲得最佳點火提前角，有效降低發(fā)動機燃油消耗率。

［1］尤曉萍，胥布工，郭國坤.四沖程汽油機點火裝置的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.小型內(nèi)燃機與摩托車，2012（02）.

［2］吳正權(quán).現(xiàn)代摩托車電噴系統(tǒng)的發(fā)展新動向（2）［J］.摩托車技術(shù)，2012（03）.

［3］王存磊，殷承良，王磊.BOOST發(fā)動機建模及其在混合動力仿真中的應(yīng)用［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2011（06）.

［4］趙雪峰，于秀敏，周驥，馬君，齊萬強.基于直噴式汽油機電控系統(tǒng)硬件開發(fā)與試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2011（02）.

石玉華（1989—），男，河南人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車維修工程教育專業(yè)。

孔超（1983—），男，山東人，碩士，講師，現(xiàn)供職于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，主要研究方向：發(fā)動機工作過程分析。

鐘海濤（1995—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院汽車維修工程教育專業(yè)。

（1）2013年國家級“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目：“濱海號”節(jié)能車的設(shè)計與制作（項目號：20131066016）；指導(dǎo)教師：孔超。（2）2016年天津市“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目：本田節(jié)能車發(fā)動機雙點火系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)（項目號：201610066058）；指導(dǎo)教師：孔超。