【導(dǎo)讀】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。氣體燃料LPG作為替代能源被廣泛地加以應(yīng)用。目前面臨的關(guān)鍵問題是在稀燃條件下提高。點(diǎn)火系統(tǒng)電火性能及工作的安全可靠性，從而達(dá)到提高發(fā)動機(jī)熱效率和降低排放的目的。系統(tǒng)包括新缸頭（半球型燃燒室、雙火花。塞位置、燃燒室內(nèi)氣流組織等）、兩套獨(dú)立的可變點(diǎn)火能量的高能點(diǎn)火系統(tǒng)。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。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(qiáng)，試驗(yàn)中的采樣率定為 40 統(tǒng)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(tǒng)達(dá)到等幅自振蕩，并記下相應(yīng)的 kp 值即 k0 和臨界周期 T0，然后令 kp=。Ti=T0/。 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 。 本章小結(jié) 評價一個 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵是需要一個精確和可靠的點(diǎn)火控制系統(tǒng) 。 本論文分析了傳統(tǒng) LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的不足， 由此而 得到設(shè)計一個 提高點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火性能及工作的安全可靠性 的點(diǎn)火器是十分關(guān)鍵的 。為了 實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)燃式 LPG 電噴發(fā)動機(jī)穩(wěn)定燃燒 ，本論文就著中對點(diǎn)火系統(tǒng)的電子點(diǎn)火器進(jìn)行研究 。 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。 利用計算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)，得到了 LPG 公交車在各種工況下，點(diǎn)火提前角 、 過量空氣系數(shù) 與壓縮比對發(fā)動機(jī)的動力性和排放性的影響和變化規(guī)律 。 在軟件系統(tǒng)方面設(shè)計了 兩個定時通道設(shè)置為輸入捕捉功能 ， 對經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn) 行采集處理，另六個定時通道設(shè)置為輸出比較功能，用于六個汽缸的點(diǎn)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(fā)動機(jī)的尾氣排放，設(shè)計了空燃比閉環(huán)控制原理 。 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 。 17 第三章 研究 LPG 公交車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)硬件的設(shè)計與開發(fā) CA6GHL 電控 LPG 單燃料發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分包括有電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)和電子點(diǎn)火系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)燃燒室、各種傳感器、電子控制器和執(zhí)行器等。 LPG 液化石油燃?xì)夤卉嚢l(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)如圖 31所示 。 圖 31 LPG 液化石油燃?xì)夤卉嚢l(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖 18 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火 控制 系統(tǒng)的硬件部分包括有各種傳感器 、 電子控制器和執(zhí)行器 。 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)速信號用于計算確定點(diǎn)火提前角，轉(zhuǎn)角信號用于控制點(diǎn)火時刻 。 空氣流量傳感器 AFS 和節(jié)氣門位置傳感器TPS 向 ECU提供發(fā)動機(jī)負(fù)荷信號，用于計算確定點(diǎn)火提前角 。 冷卻液溫度信號 CTS、 進(jìn)氣溫度信號 IATS、 車速信號 VSS、 空調(diào)開關(guān)信號 A\C 以及爆震傳感器 EDS 等等，用于修正點(diǎn)火提前角 。 電子 控制 器主要是 ECU的硬件 部分設(shè)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(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 。 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(gòu)成的增強(qiáng)型捕捉定時器提供了較強(qiáng)的定時控制功能 ， 可充分滿足高能 異步 點(diǎn)火的復(fù)雜時序控制要求 。 在本系統(tǒng)中 ， 兩個定時通道設(shè)置為輸入捕捉功能 ， 對經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集處理 。另六個定時通道設(shè)置為輸出比較功能 ， 用于六個汽缸的點(diǎn)火線圈初級電路的通斷電控制 。 發(fā)動機(jī)工作時， 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) 。 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)行計數(shù)，以便控制點(diǎn)火提前角 。 與此同時，讀儲存器中查詢相應(yīng)工況下的最佳點(diǎn)火提前角 。 在此期間， CPU一直在對曲軸轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行計數(shù)，判斷 點(diǎn)火時刻是否到來 。 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角等于最佳點(diǎn)火提前角時， CPU 立即向點(diǎn)火控制器發(fā)出控制指令，使 執(zhí)行器 功率三極管截止，點(diǎn)火線圈初級電流切斷，次級 繞 組產(chǎn)生高壓，并按發(fā)動機(jī)點(diǎn)火順序分配到各缸火花塞跳火點(diǎn)著可燃混合氣 。 執(zhí)行器部分主 要是 以電子點(diǎn)火系統(tǒng)為主。 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，及時通斷點(diǎn)火線圈初級電流，使點(diǎn)火線圈次級適時地產(chǎn)生高壓。為進(jìn)一步提高點(diǎn)火系統(tǒng) 點(diǎn)火 性能及工作的安全可靠性， 在 電子點(diǎn)火系統(tǒng)的電子點(diǎn)火器 方面 將 設(shè)計了電子點(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。 鑒于 LPG 著火溫度高，傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式無法滿足 LPG 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)稀燃的要求 。點(diǎn)火能量及點(diǎn)火模式將影響著 LPG 稀燃過程 。 而普通單點(diǎn)火稀燃模式點(diǎn)火能量不足，容易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 。 傳統(tǒng)點(diǎn)火裝置出點(diǎn)限制了初級斷開電流，也就是限制了點(diǎn)火能量，特別是限制了高速時的點(diǎn)火能量，從而限制了高轉(zhuǎn)速 、 高壓速比發(fā)動機(jī)的發(fā)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(diǎn)火能量的波動和下降，因而工作可靠性差 。 因此本章在點(diǎn)火模式上將著重研究高能異步雙點(diǎn)火模式 和磁感應(yīng)式電子點(diǎn)火器的設(shè)計 ，在花活塞布置上將著重研究對稱布置的雙點(diǎn)火模式 。 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) 。 軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序編程，其中操作系統(tǒng)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(yīng)用程序編程主要有點(diǎn)火時序的控制方法 和點(diǎn)火控制程序設(shè)計 。 CA6GHL 電控 LPG單燃料發(fā)動機(jī)的系統(tǒng) 工作流程 如圖 32 所示 : 液態(tài) LPG 靠鋼瓶內(nèi)的 L PG自身的蒸氣壓力壓出鋼瓶 ， 通過高壓管路 ， 在流經(jīng)濾清器時將雜質(zhì)濾掉 ， 然后經(jīng)電磁閥流入蒸發(fā)調(diào)壓器 ， 在蒸發(fā)調(diào)壓器內(nèi)經(jīng)發(fā)動機(jī)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)加熱氣化為氣態(tài)和兩次調(diào)壓后 ，進(jìn)入混合器和空氣混合 ， 進(jìn)入發(fā)動機(jī) 燃燒 。 圖 32 LPG 系統(tǒng)圖 1— 汽油泵； 2— 化油器； 3— 混合器； 4— 蓄電池； 5— 轉(zhuǎn)換開關(guān)； 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(diào)壓器 發(fā)動機(jī)工作時 的微機(jī)控制系統(tǒng)如圖 33 所示 ， 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) 。 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)行計數(shù)，以便控制點(diǎn)火提前角 。 與此同時，讀儲存器中查詢相應(yīng)工況下的最佳點(diǎn)火提前角 。 在此期間， CPU一直在對曲 軸轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行計數(shù)， 判斷 點(diǎn)火時刻是否到來 。 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角等于最佳點(diǎn)火提前角時， CPU立即向點(diǎn)火控制器發(fā)出 點(diǎn)火信號 當(dāng)輸入的電子點(diǎn)火器的點(diǎn)火脈沖信號電壓使大功率開關(guān)晶體管導(dǎo)通時，點(diǎn)火線圈初級 20 通路，儲存點(diǎn)火能量；當(dāng)輸入電子點(diǎn)火器的點(diǎn)火信號脈沖使開關(guān)晶體管截止時，點(diǎn)火線圈初級線圈斷路，次級便產(chǎn)生高壓，通過配電器及高壓導(dǎo)線等將高壓送至點(diǎn)火缸火花塞。 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 。 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(gòu)成的增強(qiáng)型捕捉定時器提供了較強(qiáng)的定時控制功能 ， 可充分滿足高能直接點(diǎn)火的復(fù)雜時序控制要求 。 發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)，必須對基型發(fā)動機(jī)進(jìn)行選型，以適用于課題的研究，車輛主要尺寸選用的數(shù)據(jù)來自宇通公交車生產(chǎn)的 ZK6120A74型公交車； 表 34 為 ZK6120A74 公交車的主要參數(shù)： 21 表 34 公交車的主要參數(shù) 軸數(shù) 雙軸 驅(qū)動形式 4*2，后輪雙胎驅(qū)動 布置形式 發(fā)動機(jī)后置，直列六缸柴油機(jī) 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(zhì)量 11400Kg 最大質(zhì)量 15500Kg 最高車速 80Km/h 標(biāo)定工況氣耗 最小離地間隙 ? 220mm 最小轉(zhuǎn)彎直徑 ? 24mm 基于 CA6GHL 電控 LPG 單燃料發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的硬件設(shè)計 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的硬件設(shè) 計 部分包括有 電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)和電子點(diǎn)火系統(tǒng) 以及 發(fā)動機(jī)燃燒室 、 各種傳感器 、 電子控制器和執(zhí)行器 等 。 其中 電子點(diǎn)火系統(tǒng)的基本組成包括點(diǎn)火信號發(fā)生器 、點(diǎn)火信號、電子點(diǎn)火器、點(diǎn)火開關(guān)、點(diǎn)火線圈及火花塞 。 硬件設(shè)計部分 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 。 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(gòu)成的增強(qiáng)型捕捉定時器提供了較強(qiáng)的定時控制功能 ， 可充分滿足高能直接點(diǎn)火的復(fù)雜時序控制要求 。 在本系統(tǒng)中 ， 兩個定時通道設(shè)置為輸入捕捉功能 ， 對經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集處理 。另六個定時通道設(shè)置為輸出比較功能 ， 用于六個汽缸的點(diǎn)火線圈初級電路的通斷電控制 。 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，及時通斷點(diǎn)火線圈初級電流，使點(diǎn)火線圈次級適時地產(chǎn)生高壓。為進(jìn)一步提高點(diǎn)火系統(tǒng) 點(diǎn)火 性能及工作的 安全可靠性，本 論文 設(shè)計了電子點(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。 鑒于 LPG 著火溫度高，傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式無法滿足 LPG 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)稀燃的要求 。點(diǎn)火能量及點(diǎn)火模式將影響著 LPG 稀燃過程 。 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 。 傳統(tǒng)點(diǎn)火裝置限制了初級斷開電流，也就是限制了點(diǎn)火能量，特別是限制了高速時的點(diǎn)火能量，從而限制了高轉(zhuǎn)速 、 高壓速比發(fā)動機(jī)的發(fā)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(diǎn)火能量的波動和下降，因而工作可靠性差 。 因此本章在點(diǎn)火模式上將著重研究高能異步雙點(diǎn)火模式，在 火花 塞布置上將著重研究對稱布置的雙點(diǎn)火模式 。 LPG 發(fā)動機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的 磁感應(yīng)信號發(fā)生器的組成及工作原理 磁感應(yīng)信號發(fā)生器用來產(chǎn)生點(diǎn)火信號，裝在分電器內(nèi)的底板上，如圖 35所示，它由裝在分電器軸上的信號轉(zhuǎn)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(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。 當(dāng) ECU 接收到磁感應(yīng)信號發(fā)生器的點(diǎn)火信號后， ECU 通過內(nèi)置的點(diǎn)火程序計算出最佳 點(diǎn)火提前角并向電子點(diǎn)火器發(fā)出點(diǎn)火信號（ IGt）。 磁感應(yīng)式電子點(diǎn)火信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單 、 工作可靠，使用廣泛 。 1信號轉(zhuǎn)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(yīng)信號發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu) 磁感應(yīng)點(diǎn)火信號發(fā)生器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)通過傳感線圈的磁通發(fā)生變化時，在傳感線圈內(nèi)便產(chǎn)生交變電動勢，它相當(dāng)于一個極小的發(fā)電機(jī)。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。當(dāng)發(fā)動機(jī)未轉(zhuǎn)動時，信號轉(zhuǎn)子不動，通過傳感線圈的磁通未發(fā)生 變化，傳感線圈不產(chǎn)生電動勢，因而無信號輸出。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動時，信號轉(zhuǎn)子便由分電器軸帶動旋轉(zhuǎn)，這時信號轉(zhuǎn)子的凸齒與鐵心間的空氣隙將發(fā)生變化，使通過傳感線圈的磁通發(fā)生變化，因此在傳感線圈中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。信號發(fā)生器的具體工作過程如下： 當(dāng)信號轉(zhuǎn)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(yīng)信號發(fā)生器工作原理 如果信號轉(zhuǎn)子順時針轉(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 磁通逐漸增大。當(dāng)信號轉(zhuǎn)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(dāng)信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過圖 42％后，雖然磁通仍在增加，但磁通變化率降低；當(dāng)信號轉(zhuǎn)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(dāng)信號轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)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小；當(dāng)信號轉(zhuǎn)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(fù)向最大值。 由上述分析可知 ，信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，通過傳感線圈的磁通