【正文】 NM/rpm） 950/13001500/1600 額定轉(zhuǎn)速 / 2800 發(fā)動機(jī)額定功率 /KW 119 燃料供給方式 電噴 排量 7800ml 3 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的硬件部分主要有傳感器 、 電子控制器和執(zhí)行器 。 在此期間， CPU 一直在對曲軸轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，判斷 點(diǎn)火時(shí)刻是否到來 。 當(dāng)起動機(jī)將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速帶動到超過 200 轉(zhuǎn)將高壓電磁閥 、 怠速電磁閥打開 使 氣體到達(dá)混合器 、 發(fā)動機(jī)氣 缸而使發(fā)動機(jī)起動 。 2 基于 LPG 公交汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容 研究基于 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理和控制方 法 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)由儲氣罐 、 蒸發(fā)調(diào)壓器 、 汽油電磁閥 、 LPG 電磁閥 、 功率調(diào)節(jié)閥 、 文氏管混合器 、 燃料轉(zhuǎn)換開關(guān) 、 控制電路等組成 。這兩個(gè)問題一直是 LPG 公交汽車點(diǎn)火系統(tǒng)中最復(fù)雜的問題，本文主要集中在對 LPG 公交汽車 發(fā)動機(jī)高能異步雙點(diǎn)火系統(tǒng)在動力性和排放性方面進(jìn)行研究 。 目前制約 LPG 公交汽車推廣的最大瓶頸是發(fā)動機(jī)的動力性和排放性 。 依據(jù) LPG 液化石油 燃?xì)夤卉嚢l(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理和控制方法，結(jié)合發(fā)動機(jī)上各種傳感器的電信號利用單片機(jī)設(shè)置的程序?qū)Πl(fā)動機(jī)進(jìn)行精確的點(diǎn)火時(shí)刻控制 。 具體研究內(nèi)容如下： 為進(jìn)一步提高點(diǎn)火系統(tǒng)電 火 性能及工作的安全可靠性考慮，設(shè)計(jì)了電子點(diǎn)火系統(tǒng)的電子點(diǎn)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(hù)電路和初級電流穩(wěn)定控制電路。 I 摘要 21 世紀(jì)以來由于能源和環(huán)境的雙重壓力，加強(qiáng)以氣體燃料取代石油燃料，開發(fā)以清潔燃料為主導(dǎo)的低排放和零排放汽車已成為各國當(dāng)前及今后面臨的主要問題之一 。因此，本 課題以 一汽 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發(fā)動機(jī) 點(diǎn)火系統(tǒng)為研究對象，采用電噴的形式，從 LPG 的物化特性出發(fā)，研究 LPG 在發(fā) 動機(jī) 點(diǎn)火系統(tǒng) 對發(fā)動機(jī)動力性的影響，在不同工況下通過對 電流的穩(wěn) 定控制 、 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和噴射時(shí)刻的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整以提高現(xiàn)有 LPG發(fā)動機(jī)動力性 。 通過電控單元 ECU及控制策略根據(jù)發(fā)動機(jī)工況的變化，提供可變的同步 、 異步雙火花點(diǎn)火 。 其中液化石油氣 (Liquefied Petroleum Gas， LPG)作為當(dāng)今世界應(yīng)用最為普及的清潔代用燃料，是現(xiàn)階段最為現(xiàn)實(shí)和技術(shù)上比較成熟的石油代用燃料 ， LPG 公交汽車以其低排放 、 節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國的高度重視，作為發(fā)展 LPG公交汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一的是要提高汽車的動力性 、排放性和經(jīng)濟(jì)性 。 LPG 公交汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的研究主要集中在兩個(gè)方面，一個(gè)是 研究 LPG 在發(fā) 動機(jī)中的燃燒過程對發(fā)動機(jī)動力性和排放性的影響，另一個(gè) 合理的點(diǎn)火系統(tǒng) 結(jié)合 發(fā)動機(jī)在不同工況下的稀薄燃燒條件，通 過空燃比和點(diǎn)火時(shí)刻的優(yōu)化調(diào)整， 達(dá)到理想的動力性和排放性的要求 。 根據(jù)測得的進(jìn)排氣體氧濃度和爆震傳感器信號進(jìn)行估算，就能夠在實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)火時(shí)刻控制功能時(shí)做到避免廢 氣 的排放對環(huán)境造成損害，合理控制空燃比和點(diǎn)火時(shí)刻，可以在同樣的情況下提高 LPG 公交汽車的動力性 、 排放性和經(jīng)濟(jì)性，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)這也是實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑 。 步進(jìn)電機(jī)閥 (雙功能 λ 控制閥 )，一方面可以控制怠速的空燃比，另一方面也可以控制其它工況的空燃比 。 與此同時(shí)，讀儲存器中查詢相應(yīng)工況下的最佳點(diǎn)火提前角 。 基于 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā) 為了驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)在各種工況下的重要試驗(yàn)成果，下 表 為 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 。 通過 MCU增強(qiáng)型 串行通訊模塊 SCI 可實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)之間的通訊功能 ， 進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標(biāo)定 。 負(fù)荷信號 (節(jié)氣門位置和進(jìn)氣壓力 )、 水溫信號 、 蓄電池電壓信號等系統(tǒng)模擬輸入信號由放大濾波電路處理后 ，利用 MCU 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集 。 其中 LPG氣瓶用于儲存液態(tài)的 LPG。 基于 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真與分析 為了驗(yàn)證基于 LPG 液化石油氣公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)控制 方法的正確性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，本論文 以仿真軟件 MATLAB 為基礎(chǔ) 設(shè)計(jì)了 LPG 液化石油氣公交車發(fā)動機(jī)在各種工況下的點(diǎn)火 測試系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 分析發(fā)動機(jī)動力性，主要為確定發(fā)動機(jī)功率、扭矩，并以公交車為對象進(jìn)行各檔位運(yùn)行狀況仿真，以驗(yàn)證 LPG 高能異步雙點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的實(shí)際效果 。 本文緊緊圍繞這個(gè)關(guān)鍵問題創(chuàng)新地提出 發(fā)動機(jī) 電控高能異步雙點(diǎn)火 系統(tǒng) ，在提高點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火性能及工作的安全可靠性上，設(shè)計(jì)了電子點(diǎn)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(hù)電路 和 初級 電流穩(wěn)定控制 電路，以 實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)燃式LPG 電噴發(fā)動機(jī)穩(wěn)定快速稀薄燃燒 。 原 因是 LPG 以氣態(tài)的方式進(jìn)入氣缸的，由于氣態(tài)的密度低 、 體積大，使吸入的新鮮空氣量相對減少，充氣量的下降會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率也下降，動力性變差 。 在電子點(diǎn)火系統(tǒng)的電子點(diǎn)火器方面 設(shè)計(jì)了電子點(diǎn)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(hù)電路和初級電流穩(wěn)定控制電路 。 因此研制新型的性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，安全實(shí)用的電控 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)是十分必要的 。 氣瓶內(nèi)的液態(tài)高壓 LPG 經(jīng)高壓管路到蒸發(fā)調(diào)壓器；蒸發(fā)調(diào)壓器有兩級減壓，一級減壓后部份氣體直接到步進(jìn)電機(jī)閥，作為怠速供氣，二級減壓后氣體到步進(jìn)電機(jī)作為主供氣量 。 當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的極限 （ 即超過 2775 轉(zhuǎn) ） 時(shí)超速切斷閥打開，使壓縮空氣推動一個(gè)閥門關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)的 LPG 入口，從而使發(fā)動機(jī)無燃料供應(yīng)而停轉(zhuǎn)，避免發(fā)動機(jī)飛車而發(fā)生危險(xiǎn) 。 LPG發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)由各類傳感器 、 ECU、電子點(diǎn)火模塊 、 點(diǎn)火線圈 、 分電器及火花塞組成。 發(fā)動機(jī)工作時(shí)， CPU通過上述傳感器把發(fā)動機(jī)的工況信息采集到隨機(jī)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(dá)壓縮上止點(diǎn) 。 為了 提高點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火性能及工作的安全可靠性上，本論文將 設(shè)計(jì)電子點(diǎn)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(hù)電路和初級電流穩(wěn)定控制電路 ，以實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)燃式 LPG 電噴發(fā)動機(jī)穩(wěn)定快速稀薄燃燒 。 如圖 23所示。次極電流從點(diǎn)火線圈的次極繞組，經(jīng)蓄電池正 極、蓄電池 、搭鐵、火花塞側(cè)電極、火花塞中心電極、高壓導(dǎo)線，配電器流回次極繞組 為高壓電路 。 當(dāng)功率三級管 次極電流從點(diǎn)火線圈的次極繞組，經(jīng)蓄電池正極、蓄電池，搭鐵、火花塞側(cè)電極、火花塞中心電極、高壓導(dǎo)線，配電器 流回次極繞組。 通常把發(fā)動機(jī)發(fā)出功率最大的油耗最少的點(diǎn)火提前角稱為最佳點(diǎn)火提前角 。 在起動期間，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低 （ 通常在 500r/min 以下 ） ，空氣流量信號或進(jìn)氣歧管絕對壓力信號不穩(wěn)定，故點(diǎn)火時(shí)刻一般都固定在某一個(gè)處始點(diǎn)火提前角，其值的大小因發(fā)動機(jī)而異 。 起動后點(diǎn)火提前角控制 。 當(dāng)節(jié)氣門位置傳感器中的怠速觸點(diǎn)斷開時(shí)，發(fā)動機(jī)處于正常運(yùn)行工況， ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷 （ 空氣流量或進(jìn)氣歧管絕對壓力或節(jié)氣門開度 ） 信號，在存儲器的數(shù)據(jù)中查找到這一工況運(yùn)行是對應(yīng)的最佳基本點(diǎn)火提前角 。 修正曲線的形狀與提前角的大小隨車型不同而異 。 過熱修正 。 隨著修正噴油量的增加和減少，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)波動 。 （ 3） 通電時(shí)間 （ 閉合角 ） 控制 在計(jì)算機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中沿用了傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)閉合角的概念，實(shí)際是指初級電路接通時(shí)間 。 11 圖 27 蓄電池電壓對初級電流的影響 圖 28 通電時(shí)間隨蓄電池電壓變化的修正曲線 當(dāng)點(diǎn)火線圈的初級電路接通后，初級電流按指數(shù)曲線規(guī)律增長 。 點(diǎn)火線圈的次級電壓和初級電路斷開時(shí)的初級電流成正比 。 但是，點(diǎn)火提前角過大又會引起發(fā)動機(jī)爆震 。 閉環(huán)控制：閉環(huán)控制方式可以在空中點(diǎn)火提前角的同時(shí)，不斷地檢測發(fā)動機(jī)的有關(guān)工作狀況，如發(fā)動機(jī)是否發(fā)生爆震，怠速是否穩(wěn)定等，然后根據(jù)檢測到的變化量，及時(shí)對點(diǎn)火提前角進(jìn)行修正，使發(fā)動機(jī)始終處于最 佳的點(diǎn)火狀態(tài)，而不受發(fā)動機(jī)的磨損 、 老化以及有關(guān)使用因素的影響，故控制精度高 。 當(dāng)發(fā)動機(jī)接近爆震極限，因?yàn)榕艢庵械?NOＸ 含量較高，所以在微機(jī)控制電子點(diǎn)火系統(tǒng)中，一般僅在大負(fù)荷 、 中低轉(zhuǎn)速 （ 如小于 2200r/min） 時(shí)采用閉環(huán)控制，而在 部分負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速時(shí)則多采用開環(huán)控制 。 在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中 ， 采用的每個(gè)發(fā)動機(jī)汽缸各帶一個(gè)點(diǎn)火線圈，對各缸點(diǎn)火線圈進(jìn)行獨(dú)立控制的點(diǎn)火系統(tǒng) ， 稱為無分電器各缸獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)，也叫高能直接點(diǎn)火系統(tǒng) 。 點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)按發(fā)動機(jī)的工作順序進(jìn)行點(diǎn)火，即點(diǎn)火順序應(yīng)與發(fā)動機(jī)的工作順序一致，否則不能適時(shí)點(diǎn)著混合氣 ，發(fā)動機(jī)就不能正常工作 。 在微機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 、 負(fù)荷等傳感器的信號確定發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況，計(jì)算出最佳的點(diǎn)火時(shí)刻，并由微控制器輸出控制信號 ， 使功率三極管截止 、 初級電路斷電 ， 從而實(shí)現(xiàn)控制 。 MC9S12DP256 微控制器采用了高性能的 16 位處理器 HCS12，可提供豐富的指令系統(tǒng) ，具有較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力，其內(nèi) 256K字節(jié)的 FLASH存儲器具有在線編程能力，4K 字節(jié)的 EEPROM 和 12K 字節(jié)的 RAM 可存儲各種控制參數(shù) 。 負(fù)荷信號 (節(jié)氣門位置和進(jìn)氣壓 力 )、 水溫信號 、 蓄電池電壓信號等系統(tǒng)模擬輸入信號由放大濾波電路處理后 ， 利用 MCU 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集 。 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的閉環(huán)控制的原理 為了有效地減少 LPG(液化石油氣 )發(fā)動機(jī)的尾氣排放，設(shè)計(jì)了空燃比閉環(huán)控制原理 ，分析了 PI 控制策略的具體實(shí)現(xiàn)過程 ， 研究表明：閉環(huán)控制和 PI 策略的結(jié)合可以將空燃比穩(wěn)定在理論值附近，從而大大降低 3 種尾氣的排放 。 圖 212 三元催化轉(zhuǎn)化率與 λ的關(guān)系 （ 1） 系統(tǒng)組成及控制原理 LPG 發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)的組成如圖 213 所示，它主要是在原機(jī)械式 LPG 供氣系統(tǒng)的空氣濾清器和減壓器之間加裝一個(gè) LPG 進(jìn)氣量調(diào)節(jié)閥 ， 閥的開度由步進(jìn)電機(jī)控制，同時(shí)也專門設(shè)計(jì)了一個(gè)電子控制單元 (ECU)， ECU 根據(jù)各個(gè)傳感器的輸出信號判斷發(fā)動機(jī)的工況 。 PI 控制是成熟 、 應(yīng)用廣泛的一種控制策略，它不需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，就可獲得滿意的結(jié)果 。 利用閉環(huán)控制原理和數(shù)字 PI 控策略來調(diào)節(jié) LPG 發(fā)動機(jī)的燃料供給量，從而控制空燃比的大小，試驗(yàn)結(jié)果表明，如果調(diào)節(jié)得當(dāng) ， PI 調(diào)節(jié)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 。 并從對 LPG 氣體燃燒影響的因素出發(fā)，分析了點(diǎn)火提前角 、 壓縮比及過量客氣系數(shù)在發(fā)動機(jī)不同工況下對發(fā) 16 動機(jī)的動力性和排放性的影響。 閉環(huán)控制和 PI 策略的結(jié)合可以將空燃比穩(wěn)定在理論值附近，從而大大降低 3 種尾氣的排放 。 其中傳感器有： 曲軸位置傳感器 CPS 向 ECU 提供發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 、 曲軸轉(zhuǎn)角信號，轉(zhuǎn)速信號用于計(jì)算確定點(diǎn)火提前角，轉(zhuǎn)角信號用于控制點(diǎn)火時(shí)刻 。 由一個(gè) 16 位主定時(shí)器和 8 個(gè)可編程輸入捕捉 /輸出比較定時(shí)通道構(gòu)成的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器提供了較強(qiáng)的定時(shí)控制功能 ， 可充分滿足高能 異步 點(diǎn)火的復(fù)雜時(shí)序控制要求 。 當(dāng)接收到標(biāo)志信號后， CPU 立即開始對曲軸轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便控制點(diǎn)火提前角 。 執(zhí)行器部分主 要是 以電子點(diǎn)火系統(tǒng)為主。點(diǎn)火能量及點(diǎn)火模式將影響著 LPG 稀燃過程 。 19 基于 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括硬件和軟件兩部分， 硬件包 括 電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)和電子點(diǎn)火系統(tǒng) 。 當(dāng)接收到標(biāo)志信號后， CPU 立即開始對曲軸轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便控制點(diǎn)火提前角 。 1分電器 ,2轉(zhuǎn)速與曲軸位置信號插接器 ,3電子點(diǎn)火模塊 ,4點(diǎn)火線圈 ,5火花塞 圖 33 微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)控制原理圖 通過 MC9S12DP256 微控制器 與 PC 機(jī)之間的通訊功能 ， 進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標(biāo)定 。 硬件設(shè)計(jì)部分 主要 是 以 ECU 電子 控制 器 和 以磁感應(yīng)式的電子點(diǎn)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(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標(biāo)定 。 執(zhí)行器部分主要是電子點(diǎn)火器和火花塞的布置，電子點(diǎn)火器的基本功能是在輸入的點(diǎn)火信號觸發(fā)下工作，及時(shí)通斷點(diǎn)火線圈初級電流，使點(diǎn)火線圈次級適時(shí)地產(chǎn)生高壓。 而普通單點(diǎn)火稀燃模式點(diǎn)火能量不足，容易 22 造成混合氣的失火現(xiàn)象而出現(xiàn)不規(guī)則燃燒，加大了燃燒過程的循環(huán)變動 。信號轉(zhuǎn)子由分電器軸驅(qū)動，轉(zhuǎn)子上的凸齒數(shù)與發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)相等。其永久磁鐵的磁路是；永久磁鐵 N 極一空氣隙一信號轉(zhuǎn)子一空氣隙一鐵心 (通過傳感線圈 )一永久磁鐵 S 極。 23 圖 磁感應(yīng)信號發(fā)生器工作原理 如果信號轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動，信號轉(zhuǎn)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