數(shù)字控制點(diǎn)火系統(tǒng)的組成及原理

摘要：以單片機(jī)為控制核心，利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的精確曲線控制，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最理想狀態(tài)，并用液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所測速度和里程。改變了傳統(tǒng)點(diǎn)火方式中點(diǎn)火時(shí)間不能隨轉(zhuǎn)速進(jìn)行曲線控制，不能得到最佳點(diǎn)火點(diǎn)、不能使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速情況下都能發(fā)揮良好表現(xiàn)的缺點(diǎn)。

點(diǎn)火系統(tǒng)在汽油機(jī)中起著非常重要的作用，點(diǎn)火能量必須按規(guī)定要求足夠大，否則就不能點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的混合氣;點(diǎn)火時(shí)刻或點(diǎn)火提前角是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)之一，每個(gè)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況都對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳點(diǎn)火提前角，過早或過遲點(diǎn)火，都會(huì)直接影響到摩托車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。為此，通過試驗(yàn)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角，并控制發(fā)動(dòng)機(jī)盡量按最佳時(shí)刻點(diǎn)火是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

目前，國外大排量的運(yùn)動(dòng)型摩托車已開始應(yīng)用微機(jī)控制技術(shù)，日本本田、川崎、鈴木公司等都有這樣的車型推出，而我國在點(diǎn)火提前數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)在我國生產(chǎn)的轎車汽油機(jī)上的應(yīng)用才剛剛開始，但在摩托車汽油機(jī)上還未應(yīng)用。

1、數(shù)字控制點(diǎn)火系統(tǒng)的組成

數(shù)字控制點(diǎn)火系統(tǒng)主要由霍爾元件、信號(hào)整形電路、單片機(jī)計(jì)算處理器、功率放大高壓點(diǎn)火器及液晶顯示部分等組成。采用發(fā)動(dòng)機(jī)霍爾原件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作行程進(jìn)行采集，然后由信號(hào)處理電路(信號(hào)放大、波形變換和波形整形)再對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行整理。由于數(shù)字點(diǎn)火器采用單片機(jī)控制電路，只要獲取汽油機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角規(guī)律，數(shù)字點(diǎn)火器即保證最佳點(diǎn)火，點(diǎn)火系統(tǒng)框圖如圖1所示。在信號(hào)處理電路中，放大器用于對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大，以滿足數(shù)字信號(hào)的幅度要求;波形變換和波形整形電路用于將放大后的采集信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可接收的TTL信號(hào)，通過單片機(jī)的INT0引腳進(jìn)行接收，使INT0引腳能夠?qū)?nèi)部定時(shí)器T0的工作進(jìn)行控制，精確測出加到INT0引腳的正脈沖寬度(即測出脈沖信號(hào)的周期)，再根據(jù)脈沖的寬度計(jì)算出最佳點(diǎn)火角度，將信號(hào)輸出到功率放大高壓點(diǎn)火器，完成點(diǎn)火;同時(shí)，單片機(jī)再根據(jù)脈沖周期計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過液晶顯示模塊顯示出來。

2、單片機(jī)控制點(diǎn)火提前角原理

在發(fā)動(dòng)機(jī)磁電機(jī)上安裝2個(gè)摩托車專用霍爾原件，一個(gè)安裝在最大點(diǎn)火提前角位置上，另一個(gè)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行的上止點(diǎn)位置，這樣在單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行采集時(shí)，就有了2個(gè)參考點(diǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)時(shí)，活塞運(yùn)行速度較慢，氣缸壓力不足，所以發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后只有在活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，氣缸壓力才為最大，這時(shí)點(diǎn)火為最佳時(shí)機(jī);當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻就要發(fā)生改變，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越快點(diǎn)火提前角越應(yīng)該增大，因?yàn)橹挥刑崆包c(diǎn)火，才能使發(fā)動(dòng)機(jī)在做功行程時(shí)有最大的能量釋放，如果不能提前點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)顯得無力，車速不能提升;但是提前角也不能過大，提前角過大會(huì)浪費(fèi)能源，作功時(shí)有一部分作了負(fù)功，所以只有精確控制點(diǎn)火提前角才能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率最大，能源消耗最少。

2.1單片機(jī)工作頻率的選擇

因?yàn)槟ν熊嚫咚龠\(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min，這時(shí)點(diǎn)火提前角應(yīng)為最大。由于摩托車排量不同，活塞運(yùn)行的行程和缸徑也不同，所以提前角也不同。250mL系列最大提前角為15°，要保證提前角每5°時(shí)火花塞至少要2次點(diǎn)燃，單片機(jī)輸出的頻率至少為：2×(360/5)×10000=1440000Hz/min;而采用普通的單片機(jī)工作頻率為12MHz，完全可滿足要求。

2.2新型點(diǎn)火器與普通點(diǎn)火器的區(qū)別

新型點(diǎn)火器與普通點(diǎn)火器的不同點(diǎn)是：普通點(diǎn)火器工作時(shí)考慮在什么時(shí)間點(diǎn)火，而單片機(jī)控制的點(diǎn)火器考慮的是在什么時(shí)間不點(diǎn)火，也就是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中只有少部分時(shí)間停止點(diǎn)火，從圖2中看出，使用了單片機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)后，增加了點(diǎn)燃沖程和排氣沖程的點(diǎn)火觸發(fā)次數(shù)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣燃燒十分充分，不會(huì)出現(xiàn)燃燒不徹底、火花塞積碳不能正常工作等現(xiàn)象。而且在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在最大提前角內(nèi)至少保證有6次以上點(diǎn)火過程;在排氣沖程時(shí)繼續(xù)高頻點(diǎn)火，使未完全燃燒的混合氣充分燃燒，再次清理火花塞而完成高頻點(diǎn)火。

2.3單片機(jī)控制點(diǎn)火提前角

使用2個(gè)霍爾元件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行采集，經(jīng)過放大整形后，把整形好的信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析，根據(jù)2個(gè)霍爾元件間的時(shí)間差計(jì)算出當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是它們的時(shí)間差越短即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高;同時(shí)，通過液晶顯示模塊顯示出速度情況，并根據(jù)此數(shù)據(jù)分析出發(fā)動(dòng)機(jī)工作在哪個(gè)區(qū)域(低速區(qū)、中速區(qū)或高速區(qū))，根據(jù)不同的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)火提前角的控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器將監(jiān)測到負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速及水溫等參數(shù)，并送到電腦中，經(jīng)對(duì)這些信息進(jìn)行分析處理，按照發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)計(jì)算出相應(yīng)的點(diǎn)火提前角度。

單片機(jī)控制點(diǎn)火的最大優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況進(jìn)行綜合考慮，如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度偏高，機(jī)油量過低時(shí)，再加速行駛時(shí)，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損失，此時(shí)單片機(jī)會(huì)自動(dòng)對(duì)點(diǎn)火器進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)只能工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)，不管騎乘者怎樣加大油門，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也不會(huì)提高(因?yàn)橐拱l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高的必要條件是點(diǎn)火角度的變化)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，鈴木250mL摩托車被控后最多只會(huì)在40km/h的速度內(nèi)行駛，本田400mL摩托車被控后最多只會(huì)在55km/h的速度內(nèi)行駛。

總之使用單片機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)將成為今后發(fā)展的必然趨勢，由于發(fā)動(dòng)機(jī)使用了智能芯片，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況自動(dòng)分析直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)并且能制止人為的不良干預(yù)從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)得以有效的保護(hù)。還可很方便的加裝各種電子產(chǎn)品例如觸摸式密碼鎖、遙控器、鐘表顯示、數(shù)字定速等，這些功能都是單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)的。