【正文】 ...........................................................................................55 V 致謝 ................................................................................................................................................56 附錄 1 ............................................................................................................................................57 附錄 2 ............................................................................................................................................65 1 第一章 緒論 引言 21 世紀(jì)以來(lái)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(guó)當(dāng)前及今后面臨的主要問題之一 。 依據(jù) LPG 液化石油 燃?xì)夤卉嚢l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理和控制方法，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)上各種傳感器的電信號(hào)利用單片機(jī)設(shè)置的程序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確的點(diǎn)火時(shí)刻控制 。 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) 。 具體研究?jī)?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(jí)回路電阻控制電路、停車斷電保護(hù)電路和初級(jí)電流穩(wěn)定控制電路。 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(dòng)機(jī)熱效率和降低排放的目的 。 I 摘要 21 世紀(jì)以來(lái)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(guó)當(dāng)前及今后面臨的主要問題之一 。 高辛烷值氣體燃料 LPG 作為替代能源被廣泛地加以應(yīng)用 。因此，本 課題以 一汽 CA6GHL 電控 LPG 單燃料 發(fā)動(dòng)機(jī) 點(diǎn)火系統(tǒng)為研究對(duì)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(dòng)機(jī) 點(diǎn)火系統(tǒng) 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響，在不同工況下通過(guò)對(duì) 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(dòng)機(jī)動(dòng)力性 。 設(shè)計(jì) 了電控高能 異步 雙火花塞 點(diǎn)火 系統(tǒng) 。 通過(guò)電控單元 ECU及控制策略根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化，提供可變的同步 、 異步雙火花點(diǎn)火 。 利用 MATLAB 仿真軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 分析發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，主要為確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩及燃?xì)庀穆?，并以公交車為?duì)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(dòng)機(jī)的實(shí)際效果。 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(guó)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(dòng)力性 、排放性和經(jīng)濟(jì)性 。 在目前電控 LPG發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平下，通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)，可以有效地利用液化石油氣，提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，降低整車的使用成本 。 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(dòng)機(jī)中的燃燒過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)在不同工況下的稀薄燃燒條件，通 過(guò)空燃比和點(diǎn)火時(shí)刻的優(yōu)化調(diào)整， 達(dá)到理想的動(dòng)力性和排放性的要求 。 基于 LPG 公交汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的和意義 本設(shè)計(jì)的目的是在研究基于 LPG 公交汽車點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上， 利用 發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火控制系統(tǒng)和電子點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì) LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)對(duì)氣體的燃燒展開研究 ，設(shè)計(jì)開發(fā) 電控 高能異步雙點(diǎn)火 系統(tǒng)在不同工況下的理想排放與動(dòng)力性能，實(shí)現(xiàn)對(duì) LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況的監(jiān)測(cè)以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 工作各個(gè)循環(huán)的管理 。 根據(jù)測(cè)得的進(jìn)排氣體氧濃度和爆震傳感器信號(hào)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(duì)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(dòng)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 。 氣瓶?jī)?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(jí)減壓，一級(jí)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(jí)減壓后氣體到步進(jìn)電機(jī)作為主供氣量 。 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 。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)， CPU 通過(guò) 各種 傳感器把發(fā)動(dòng)機(jī)的工況信息采集到隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 中，并不斷檢測(cè)凸輪軸位置傳感器信號(hào)，判斷是那一缸即將到達(dá)壓縮上止點(diǎn) 。 與此同時(shí)，讀儲(chǔ)存器中查詢相應(yīng)工況下的最佳點(diǎn)火提前角 。 當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角等于最佳點(diǎn)火提前角時(shí)， CPU 立即向點(diǎn)火 系統(tǒng) 發(fā)出 點(diǎn)火脈沖信號(hào)。 基于 LPG 公交車發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 。 傳感器有曲軸位置傳感器 、 凸輪軸位置傳感器 、 車速傳感器 、 空氣流量傳感器 、 進(jìn)氣溫度傳感器 、 爆震傳感器 、 冷卻液溫度傳感器和節(jié)氣門位置傳感器 。 通過(guò) 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 。 軟件程序部分是利 用匯編 語(yǔ)言進(jìn)行編程控制單片機(jī) MC9S12DP256 進(jìn)行各項(xiàng)工作的 。 負(fù)荷信號(hào) (節(jié)氣門位置和進(jìn)氣壓力 )、 水溫信號(hào) 、 蓄電池電壓信號(hào)等系統(tǒng)模擬輸入信號(hào)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 。 它的主要功能包括控制數(shù)據(jù)采集芯片 ADC0809 工作，判別 、 采集和處理發(fā)動(dòng)機(jī)的工況和各種傳感器信號(hào)，通過(guò)控制點(diǎn)火提前角 、 點(diǎn)火時(shí)刻和空燃比等達(dá)到理想的動(dòng)力性和排放性 。 其中 LPG氣瓶用于儲(chǔ)存液態(tài)的 LPG。 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的主要功能是將汽車電源供給的低壓電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏弘姡凑瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的作功順序與點(diǎn)火時(shí)間的要求適時(shí) 、 準(zhǔn)確地配送給各缸的火花塞，在其間隙處產(chǎn)生火花，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣 。 基于 LPG 公交車發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)在各種工況下的點(diǎn)火 測(cè)試系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 分析發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，主要為確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩，并以公交車為對(duì)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(dòng)機(jī)的實(shí)際效果 。 根據(jù)LPG 燃燒過(guò)程的特點(diǎn)，建立以提高 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能為目標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況下多目標(biāo) 4 參數(shù)優(yōu)化控制模型，并利用 Matlab 聯(lián)合仿真驗(yàn)證控制策略，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī) 的低油耗高動(dòng)力性。 本文緊緊圍繞這個(gè)關(guān)鍵問題創(chuàng)新地提出 發(fā)動(dòng)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(jí)回路電阻控制電路、停車斷電保護(hù)電路 和 初級(jí) 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(dòng)機(jī)穩(wěn)定快速稀薄燃燒 。 同時(shí)明確了本設(shè)計(jì)所要完成的內(nèi)容，從原理 、 硬件到軟件三方面入手設(shè)計(jì) LPG液化石油燃?xì)夤卉嚢l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng) 。 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(duì)減少，充氣量的下降會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率也下降，動(dòng)力性變差 。 針對(duì)目前廣州 LPG 汽車在使用中存在氣源與發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)不匹配導(dǎo)致燃?xì)饣旌蠒r(shí)， 點(diǎn)火能量不穩(wěn)定等 問題， 導(dǎo)致 LPG 燃燒不良動(dòng)力性下降， LPG 在高負(fù)荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆燃等現(xiàn)象，本文將 為進(jìn)一步提高 LPG 電噴發(fā)動(dòng)機(jī) 電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)的點(diǎn)火性能及工作的安全可靠性進(jìn)行 研究 。 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(jí)回路電阻控制電路、停車斷電保護(hù)電路和初級(jí)電流穩(wěn)定控制電路 。 提高加速和減速反應(yīng) ， 并可提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率的輸出 ， 同時(shí)可減少尾氣排放污染 。 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(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)是十分必要的 。鑒于磁感應(yīng)式電子點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 工作可靠，使用廣泛 ，本設(shè)計(jì) 在點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器采用磁感應(yīng)式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器，電子點(diǎn)火器采用分離原件的電子點(diǎn)火器 ，并 設(shè)計(jì)了電子點(diǎn)火器閉合角可控功能電路、初級(jí)回路電阻控制電路、停車斷電保護(hù)電路和初級(jí)電流穩(wěn)定控制電路 ，以 實(shí)現(xiàn)高速 時(shí) LPG 發(fā)動(dòng) 機(jī) 燃?xì)饽芊€(wěn)定快速 燃燒 。 氣瓶?jī)?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(jí)減壓，一級(jí)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(jí)減壓后氣體到步進(jìn)電機(jī)作為主供氣量 。 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， 6 另一方面也可以控制其它工況的空燃比 。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的極限 （ 即超過(guò) 2775 轉(zhuǎn) ） 時(shí)超速切斷閥打開，使壓縮空氣推動(dòng)一個(gè)閥門關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)的 LPG 入口，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)燃料供應(yīng)而停轉(zhuǎn)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)飛車而發(fā)生危險(xiǎn) 。 LPG 氣體流經(jīng)功率調(diào)節(jié)閥到文 氏管混合器，在文氏管混合器中與空氣充分混合，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況向化油器喉管 (只起通道作用 )處供應(yīng)一定量的 LPG 氣體 。 LPG發(fā)動(dòng)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?？諝饬髁總鞲衅?AFS 和節(jié)氣門位置傳感器 TPS 向 ECU 提供發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)，用于計(jì)算確定點(diǎn)火提前角 。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)， CPU通過(guò)上述傳感器把發(fā)動(dòng)機(jī)的工況信息采集到隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 中，并不斷檢測(cè)凸輪軸位置傳感器信號(hào)，判斷是那一缸即將到達(dá)壓縮上止點(diǎn) 。 與此同時(shí)，讀儲(chǔ)存器中查詢相應(yīng)工況下的最佳點(diǎn)火提 前角 。 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(jí)回路電阻控制電路、停車斷電保護(hù)電路和初級(jí)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(dòng)機(jī)穩(wěn)定快速稀薄燃燒 。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 、 怠速或汽車滑行工況時(shí)，設(shè)有專門的控制程序和控制方式進(jìn)行控制 。 如圖 23所示。 圖 24 和圖 25 為采用無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火器的初級(jí)電路與次級(jí)電路的原理圖。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 。點(diǎn)火線圈初級(jí)電流的流通右電子點(diǎn)火器中的開關(guān)晶體管控制，而開關(guān)晶體管導(dǎo)通與截止則是由點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器 產(chǎn)生的電信號(hào)控 制 1點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器 ,2點(diǎn)火信號(hào) ,3電子點(diǎn)火器 ,4點(diǎn)火開關(guān) ,5點(diǎn)火線圈 ,6火花塞 ,7蓄電池 圖 26 電子點(diǎn)火系統(tǒng)的基本組成 9 電子點(diǎn)火系統(tǒng)的基本工作原理 當(dāng)分電器軸轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)，安裝在分電器內(nèi)的點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器就會(huì)產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置相對(duì)應(yīng)的脈沖電壓信號(hào)，此脈沖電壓信號(hào)經(jīng)電子點(diǎn)火器大功率晶體管前置電路的處理后，控制大功率開關(guān)晶體管的導(dǎo)通或截止，使點(diǎn)火線圈初級(jí)電流適時(shí)地通斷。 當(dāng)功率三級(jí)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。 微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火提前角的確定 LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)的可燃混合氣在汽缸內(nèi)燃燒不是瞬時(shí)完成的，需要先經(jīng)誘導(dǎo)期，然后才能進(jìn)入猛烈的明顯燃燒期 。 通常把發(fā)動(dòng)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 。 發(fā)動(dòng)機(jī)工況 不同需要的最佳點(diǎn)火提前角也不相同，怠速時(shí)的最佳點(diǎn)火提前角是為了使怠速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 、 降低有害氣體排放量和減少燃油消耗量；部分負(fù)荷時(shí)的最佳點(diǎn)火提前角是為了減少燃油消耗量和有害氣體排放量，提高經(jīng)濟(jì)性和排放性能；大負(fù)荷時(shí)的最佳點(diǎn)火提前角是為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，提高動(dòng)力性能 。 在起動(dòng)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低 （ 通常在 500r/min 以下 ） ，空氣流量信號(hào)或進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力信號(hào)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(dòng)機(jī)而異 。 除此之外，有的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火提前角還考慮冷卻水溫度的影響 。 起動(dòng)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)閉合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處 10 于怠速工況運(yùn)行， ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空調(diào)開關(guān)是否接通確定基本點(diǎn)火提前角， 當(dāng)空調(diào)開關(guān)不接通時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本 點(diǎn)火提前角是比接上空調(diào)開關(guān)時(shí)的點(diǎn)火提前角小的。 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(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行工況， ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷 （ 空氣流量或進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力或節(jié)氣門開度 ） 信號(hào)，在存