兩用燃料汽車高能點火控制器的研究與設計

憑借儲量豐富、排氣污染少、經濟性好等特點, 天然氣逐漸成為良好的汽車代用燃料。在進行雙燃料汽車改裝時，為了兼顧使用汽油時的性能一般對原發動機結構不做改動[1]，由于氣體燃料與汽油燃燒特性不同，原點火系統不能充分發揮氣體燃料的效能，動力明顯下降。文獻[2]針對氣體燃料辛烷值高，氣體燃料火焰傳播速度慢的特點設計了點火提前角控制器，取得了較好的效果。但是不同型號的發動機，點火提前角的MAP圖是不同的，而且MAP圖的獲得需要經過大量的實驗，開發周期長，成本高，限制了此類點火控制器的廣泛應用。本文設計的兩用燃料汽車點火控制器對點火提前角和點火能量進行綜合控制，不需要獲得點火MAP圖，縮短了開發周期和成本，通用性強，而且能明顯提升汽車的動力，降低排放。

　　點火參數控制方案設計

　　點火系統的性能主要體現在點火時刻和點火火花強度兩個方面[3]。由于氣體燃料燃燒傳播速度慢，著火延遲期長，著火溫度高，汽車在燃用天然氣時需要比汽油更大的點火提前角和點火能量。本文對點火提前角的控制，是通過在控制器上設置調整開關，根據所用燃料的不同選擇不同的點火調整角度，點火角度調整范圍從0o~20o，對天然氣、液化石油氣、汽油等燃料都適用。

　　對于六缸發動機，分電器上霍爾傳感器給出的點火信號一個周期對應曲軸轉過120o(四缸為180o)，如果測得分電器輸出點火信號周期所對應時間為T，則曲軸轉1o所對應時間為T/120，若點火提前需要提前ao，則時域上相位移動Dt=(ao/120o)*T，式中T是可以測得的量，ao為通過撥碼開關設定的提前角度，調整范圍為0-20o。當ao=20o時，Dt/T=1/6;當ao=10o時，Dt/T=1/12;當ao=0o時，Dt/T=0;只要確定好Dt與T的比例關系，就可以使點火提前角隨著點火頻率的變化為一定值，為了使角度調整更加精確，通過撥碼開關設置了16個檔位來選擇提前角度，即提前角度，式中x為撥碼開關所對應編碼值，將的值帶入Dt=(ao/120o)*T， 得，即1個單位x對應點火提前角約0.67o。

　　點火能量大小與點火線圈初級電流大小有關，初級電流大小受初級回路導通時間控制，因此要控制一個最佳導通時間。傳統點火系統初級電路的導通時間受凸輪形狀或傳感器信號的限制，由于占空比不變，導致發動機在低速運行時，初級電路導通時間長，初級電流大，點火線圈容易發熱;高速時，初級電路導通時間短，初級電流小，次級電壓低，點火不可靠[4]。本文是利用單片機控制點火導通時間，占空比的設置可以隨著頻率的變化而變化。點火線圈的充電時間一般為10ms達到飽和，所以當點火信號頻率低時，保證充電時間為10ms;當點火信號頻率增加，點火周期不足10ms時，保留2ms的放電時間，其余時間全部導通，充分利用了點火信號的占空比，保證發動機高速和低速運轉時具有最佳導通時間。

　　點火控制器硬件設計

　　以單片機為核心的點火控制器的硬件組成框圖如圖1所示。

　　整形電路對分電器輸出的信號進行整形，使之成為能被單片機處理的脈沖信號，該信號經過光電隔離電路加到PIC單片機的I/O口。單片機采用Microchip公司的PIC16F73單片機，該型號單片機具有運行速度高、功耗低、驅動能力強、外圍模塊豐富等優點[5]，本系統主要應用了單片機的定時器模塊、外中斷模塊、輸出比較模塊。單片機對輸入信號進行處理，再經過光電隔離控制功率驅動電路中大功率管的導通與截止，實現對點火提前時間和點火閉合時間的控制。在驅動電路中，輸出信號首先經過三級管進行放大，然后再控制大功率場效應管的導通與截止，輸出峰值電流可達8-9A(原車為6-7A)。

由于汽車提供的電壓為直流12V，而單片機工作需要5V直流電壓，所以設計了相應的電源電路，采用三端穩壓器件78M05將12V轉換成5V，為單片機及其他部分電路供電。

　　在控制器上設置了4個撥碼開關，分別代表2，4，8，16，通過不同的編碼組合可以實現對點火提前角的調整。控制器上引出5條線用于與汽車進行連線，分別為12V電源線、地線、分電器信號輸入線、控制器信號輸出線、分電器電源線。

　　點火控制器軟件設計

　　單片機輸入信號頻率范圍為0-200Hz，占空比一般為2:3，輸入信號的下降沿為點火正時點，脈沖寬度為點火線圈充電時間。單片機程序完成對點火時間的提前和占空比的調整。

　　系統主程序及外中斷程序流程圖如圖2(a)、(d)所示。單片機首先完成定時器、外中斷、CCP1和CCP2比較中斷的初始化，利用外部中斷檢測相鄰兩個下降沿的時間間隔，在外中斷服務程序中對TMR1值進行存儲和清零，存儲的值即為周期T。

　　當T≥12ms時，汽車在中速和低速下行駛，點火信號能滿足10ms的充電時間和2ms的放電時間，將T-10ms-Dt的值存入CCPR1寄存器;當T<12ms時，點火信號不滿足12ms的充電時間和2ms的放電時間時，保證2ms放電時間前提下，其余時間全部導通，將2ms-Dt的值存入CCPR1寄存器。

當T≥50ms時,汽車處于啟動狀態，運行工況不穩定，在這種情況下點火提前角保持原車的角度;當T<50ms時，汽車處于正常運行工況，此時單片機檢測外部開關信號，依據計算點火提前角度確定輸出信號的下降沿(其中x為讀取的開關值)，將T2=T-Dt的值存入CCPR2寄存器。

　　CCP1，CCP2中斷程序流程圖如如圖2(b)、(c)所示。當TMR1中的值與CCPR1中的值相等時進入CCP1中斷服務程序，RC0引腳輸出高電平，并開啟CCP2中斷。當TMR1中的值與CCPR2中的值相等時進入CCP2中斷服務程序，RC0引腳輸出低電平。通過CCP1和CCP2的配合輸出點火脈沖信號，實現點火提前角和點火占空比的調整。

　　點火控制器模擬試驗結果分析

　　將本文設計的點火控制器在汽車點火試驗臺上進行模擬實驗，利用示波器測得發動機在不同轉速及點火提前角情況下輸入/輸出波形對比如圖3，圖4所示。

　　圖3為輸入信號信號頻率為50Hz，撥碼開關編碼為x=20時，輸入輸出波形對比，從圖中可以看出輸出信號下降沿比輸入信號提前約2.2ms，依照公式Dt=(ao/120o)*T轉換成角度為13.2o;脈沖寬度為10ms，比輸入信號減少了3ms，由于點火線圈初級回路導通10ms既達到飽和，時間過長會損害線圈，所以在低速時對導通時間進行截取。

　　圖4為輸入信號頻率為100Hz，撥碼開關編碼為x=20時，輸入/輸出波形的對比。從圖中可以看出輸出信號下降沿比輸入信號提前約1.1ms，轉換成角度為13.2o脈沖寬度為8ms，比輸入信號延長了約1.5ms，增加了初級電流的導通時間，提高點火能量。

　　經過波形對比分析可以看出，低速時對導通時間進行截取，減少對點火線圈的損害;高速時使占空比的利用達到最佳，保證點火能量，并且可以通過編碼開關對點火提前角進行設置，滿足系統設計要求。

點火控制器臺架試驗結果

　　本文設計的點火控制器，經汽車發動機臺架試驗測試，能顯著提高多燃料汽車的經濟性能和降低廢氣排放。CA6102汽油機以天然氣為燃料使用該控制器外特性試驗曲線及負荷特性曲線如圖5和圖6所示。

　　n=1800r/min

　　從圖5可以看出，CA6102汽油機以天然氣為燃料安裝該控制器后，外特性功率增大，在1800r/min時增加1.4kW，為2.7%，有效燃料消耗平均下降了4.1%;在2800r/min時增加1.8kW，為2.8%;有效燃料消耗下降了3.7%;從圖6可以看出，1800r/min負荷特性上有效燃料消耗率平均下降了4.3%。

　　安裝前與安裝后怠速污染物測試數據見表一，從表一看可以看出安裝該控制器后CO排放降低了30.5%，CH化合物排放降低了47.8%。

　　結論

　　本文設計的兩用燃料汽車高能點火控制器，對點火提前角和點火能量進行綜合控制，只需在原車分電器和點火線圈中串接入該控制器就可以工作，可以根據使用燃料的不同，通過撥碼開關設置點火提前角度，具有使用方便、通用性強、成本低等優點，對我國推廣雙燃料汽車、節約能源、環保具有重要意義。