閆曉琦，杜海興，黎逸飛，劉西超

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222)

0 引言

本田發(fā)動機采納半球型燃燒室、平頂活塞以及單火花塞點火的燃燒系統(tǒng)。這種燃燒系統(tǒng)受均質(zhì)燃燒的局限，無法達到更高的壓縮比，燃油無法完全燃燒，熱效率低，排放污染物也多[1]，這與本田節(jié)能大賽的宗旨完全相悖。針對發(fā)動機性能的研究越來越受到研究者的重視，其中就包括對發(fā)動機點火控制技術(shù)的研究與改進[2]。從2003年初開始，德國寶馬公司最先在雙缸摩托車發(fā)動機上使用“雙火花塞點火”新技術(shù)，防止了之前單點火燃燒不充分的缺陷，并且將火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮小了一半，兩個火花塞同時點火形成強烈的渦流，加速火焰的傳播速度。發(fā)動機點火性能的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性[3]?；诒咎锕?jié)能大賽研究設(shè)計一個智能順序點火系統(tǒng)，由單片機根據(jù)工況負荷變化控制火花塞的點火順序，從而提高賽車的動力性和經(jīng)濟性，提高發(fā)動機的燃油利用率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 單片機的選型

基于微機控制的電子點火系統(tǒng)具有及時性好、精確度高、控制靈活等特點[4]。它能滿足點火信號的收發(fā)，對采集數(shù)據(jù)有一定的處理能力，價格低，功耗低，性能良好。文中采用STC89C51單片機，該單片機能很好接收發(fā)動機傳來的轉(zhuǎn)速信號，同時能很好地處理信號，在最佳的點火時刻發(fā)出點火信號給點火控制器，使發(fā)動機能平穩(wěn)的工作，同時也起到了防止其他信號干擾的作用。

1.2 系統(tǒng)總體框圖

如圖1所示，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器的信號為輸入信號，經(jīng)觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換電路，將波形轉(zhuǎn)換完成輸入單片機中，在單片機中計算轉(zhuǎn)速并判斷發(fā)動機工況，在最佳的點火提前角點火是適合當前的閃存，和脈沖點火器發(fā)出點火控制信號。如果單片機程序在處理信號時發(fā)生錯誤，單片機程序?qū)⒅匦聦π盘栠M行處理。設(shè)計完成，對程序進行實車測試，通過不斷試車，不斷對單片機參數(shù)的調(diào)整，從而達到對程序的完善。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.3 系統(tǒng)主要功能

如圖2所示，在怠速狀態(tài)下，同時點燃前、后火花塞以加速燃燒，提高凈化指數(shù)；在低速、低負荷工況時，前火花塞提前點火，后者是正常點火，如此來改善燃燒工況，減少材料消耗，提高凈化指數(shù)；在低速、大負荷工況時，前火花塞提前點火，后火花塞延后點火，以提高平均有效壓力，減少爆震；在高速工況時，兩者同時點火，從而加速燃燒速度，改善動力指標。

圖2 點火系統(tǒng)的一維布置圖

2 硬件設(shè)計

如圖3所示，該裝置由STC89C51單片機、晶振電路、復(fù)位電路、點火電路、硬件控制邏輯與繼電器保護電路等組成。

圖3 單片機原理圖

大賽規(guī)定平均時速不能低于25 km/h，行駛里程是10 794 m，規(guī)定完成時間是1 494 s。通過大賽規(guī)則和往年的比賽經(jīng)驗初步確定：節(jié)能競技賽車啟動后最高速度在50 km/h左右，賽車滑行到20 km/h左右重新點火啟動發(fā)動機進行下個循環(huán)。通過轉(zhuǎn)速表可以測量出節(jié)能車的行駛速度。

比賽時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 800～4 600 r/min，同時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號在單片機內(nèi)部計算出更精確的轉(zhuǎn)速。

3 軟件設(shè)計

如圖4所示，用兩根信號線接受來自ECU的點火信號，兩根信號線可以接受到4種信號，即00、01、10、11，分別標志為怠速工況、高速工況、低速小負荷工況、低速大負荷工況，兩根信號線用于輸出控制前、后火花塞。

圖4 軟件設(shè)計框圖

單片機的P1口用于接受來自ECU的信號，P2口用于輸出控制前、后火花塞，設(shè)置標志位flag_1表示前火花塞，flag_2表示后火花塞。

首先，初始化單片機的P1口和P2口，然后掃描P1口，等待ECU的信號。如表1所示，單片機根據(jù)不同的工況發(fā)出不同的指令，從而控制火花塞的點火策略。

表1 單片機控制點火策略表

4 結(jié)束語

通過對點火系統(tǒng)的改進，設(shè)計了雙火花塞智能順序點火，與之前的雙火花塞同時點火相比，在啟動后加濃、噴油脈寬、發(fā)動機溫度以及點火提前角相同的情況下，雙火花塞點火的測試成績是472 km/L,智能順序點火的成績是535 km/L,在燃油消耗方面實現(xiàn)了巨大的突破。智能順序點火系統(tǒng)大大提高了節(jié)能車的動力性、經(jīng)濟性，提高了發(fā)動機的燃油利用率。對后續(xù)智能順序點火系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。