基于本田節(jié)能車的智能順序點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)機(jī)采納半球型燃燒室、平頂活塞以及單火花塞點(diǎn)火的燃燒系統(tǒng)。這種燃燒系統(tǒng)受均質(zhì)燃燒的局限，無(wú)法達(dá)到更高的壓縮比，燃油無(wú)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究越來(lái)越受到研究者的重視，其中就包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制技術(shù)的研究與改進(jìn)[2]。從2003年初開(kāi)始，德國(guó)寶馬公司最先在雙缸摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上使用“雙火花塞點(diǎn)火”新技術(shù)，防止了之前單點(diǎn)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(gè)火花塞同時(shí)點(diǎn)火形成強(qiáng)烈的渦流，加速火焰的傳播速度。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3]?；诒咎锕?jié)能大賽研究設(shè)計(jì)一個(gè)智能順序點(diǎn)火系統(tǒng)，由單片機(jī)根據(jù)工況負(fù)荷變化控制火花塞的點(diǎn)火順序，從而提高賽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 單片機(jī)的選型

基于微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)具有及時(shí)性好、精確度高、控制靈活等特點(diǎn)[4]。它能滿足點(diǎn)火信號(hào)的收發(fā)，對(duì)采集數(shù)據(jù)有一定的處理能力，價(jià)格低，功耗低，性能良好。文中采用STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)能很好接收發(fā)動(dòng)機(jī)傳來(lái)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)能很好地處理信號(hào)，在最佳的點(diǎn)火時(shí)刻發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)給點(diǎn)火控制器，使發(fā)動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)的工作，同時(shí)也起到了防止其他信號(hào)干擾的作用。

1.2 系統(tǒng)總體框圖

如圖1所示，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)為輸入信號(hào)，經(jīng)觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將波形轉(zhuǎn)換完成輸入單片機(jī)中，在單片機(jī)中計(jì)算轉(zhuǎn)速并判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工況，在最佳的點(diǎn)火提前角點(diǎn)火是適合當(dāng)前的閃存，和脈沖點(diǎn)火器發(fā)出點(diǎn)火控制信號(hào)。如果單片機(jī)程序在處理信號(hào)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，單片機(jī)程序?qū)⒅匦聦?duì)信號(hào)進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)完成，對(duì)程序進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，通過(guò)不斷試車，不斷對(duì)單片機(jī)參數(shù)的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)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(shí)點(diǎn)燃前、后火花塞以加速燃燒，提高凈化指數(shù)；在低速、低負(fù)荷工況時(shí)，前火花塞提前點(diǎn)火，后者是正常點(diǎn)火，如此來(lái)改善燃燒工況，減少材料消耗，提高凈化指數(shù)；在低速、大負(fù)荷工況時(shí)，前火花塞提前點(diǎn)火，后火花塞延后點(diǎn)火，以提高平均有效壓力，減少爆震；在高速工況時(shí)，兩者同時(shí)點(diǎn)火，從而加速燃燒速度，改善動(dòng)力指標(biāo)。

圖2 點(diǎn)火系統(tǒng)的一維布置圖

2 硬件設(shè)計(jì)

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

圖3 單片機(jī)原理圖

大賽規(guī)定平均時(shí)速不能低于25 km/h，行駛里程是10 794 m，規(guī)定完成時(shí)間是1 494 s。通過(guò)大賽規(guī)則和往年的比賽經(jīng)驗(yàn)初步確定：節(jié)能競(jìng)技賽車啟動(dòng)后最高速度在50 km/h左右，賽車滑行到20 km/h左右重新點(diǎn)火啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行下個(gè)循環(huán)。通過(guò)轉(zhuǎn)速表可以測(cè)量出節(jié)能車的行駛速度。

比賽時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800～4 600 r/min，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算出更精確的轉(zhuǎn)速。

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示，用兩根信號(hào)線接受來(lái)自ECU的點(diǎn)火信號(hào)，兩根信號(hào)線可以接受到4種信號(hào)，即00、01、10、11，分別標(biāo)志為怠速工況、高速工況、低速小負(fù)荷工況、低速大負(fù)荷工況，兩根信號(hào)線用于輸出控制前、后火花塞。

圖4 軟件設(shè)計(jì)框圖

單片機(jī)的P1口用于接受來(lái)自ECU的信號(hào)，P2口用于輸出控制前、后火花塞，設(shè)置標(biāo)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(jī)的P1口和P2口，然后掃描P1口，等待ECU的信號(hào)。如表1所示，單片機(jī)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(diǎn)火策略。

表1 單片機(jī)控制點(diǎn)火策略表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了雙火花塞智能順序點(diǎn)火，與之前的雙火花塞同時(shí)點(diǎn)火相比，在啟動(dòng)后加濃、噴油脈寬、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度以及點(diǎn)火提前角相同的情況下，雙火花塞點(diǎn)火的測(cè)試成績(jī)是472 km/L,智能順序點(diǎn)火的成績(jī)是535 km/L,在燃油消耗方面實(shí)現(xiàn)了巨大的突破。智能順序點(diǎn)火系統(tǒng)大大提高了節(jié)能車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率。對(duì)后續(xù)智能順序點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。