两用燃料汽车高能点火控制器的设计方案探究

凭借储量丰富、排气污染少、经济性好等特点， 天然气逐渐成为良好的汽车代用燃料。在进行双燃料汽车改装时，为了兼顾使用汽油时的性能一般对原发动机结构不做改动［1］，由于气体燃料与汽油燃烧特性不同，原点火系统不能充分发挥气体燃料的效能，动力明显下降。文献［2］针对气体燃料辛烷值高，气体燃料火焰传播速度慢的特点设计了点火提前角控制器，取得了较好的效果。但是不同型号的发动机，点火提前角的MAP图是不同的，而且MAP图的获得需要经过大量的实验，开发周期长，成本高，限制了此类点火控制器的广泛应用。本文设计的两用燃料汽车点火控制器对点火提前角和点火能量进行综合控制，不需要获得点火MAP图，缩短了开发周期和成本，通用性强，而且能明显提升汽车的动力，降低排放。
　　点火参数控制方案设计
　　点火系统的性能主要体现在点火时刻和点火火花强度两个方面［3］。由于气体燃料燃烧传播速度慢，着火延迟期长，着火温度高，汽车在燃用天然气时需要比汽油更大的点火提前角和点火能量。本文对点火提前角的控制，是通过在控制器上设置调整开关，根据所用燃料的不同选择不同的点火调整角度，点火角度调整范围从0o~20o，对天然气、液化石油气、汽油等燃料都适用。
　　对于六缸发动机，分电器上霍尔传感器给出的点火信号一个周期对应曲轴转过120o（四缸为180o），如果测得分电器输出点火信号周期所对应时间为T，则曲轴转1o所对应时间为T/120，若点火提前需要提前ao，则时域上相位移动Dt=（ao/120o）*T，式中T是可以测得的量，ao为通过拨码开关设定的提前角度，调整范围为0-20o。当ao=20o时，Dt/T=1/6;当ao=10o时，Dt/T=1/12;当ao=0o时，Dt/T=0;只要确定好Dt与T的比例关系，就可以使点火提前角随着点火频率的变化为一定值，为了使角度调整更加精确，通过拨码开关设置了16个档位来选择提前角度，即提前角度，式中x为拨码开关所对应编码值，将的值带入Dt=（ao/120o）*T， 得，即1个单位x对应点火提前角约0.67o。
　　点火能量大小与点火线圈初级电流大小有关，初级电流大小受初级回路导通时间控制，因此要控制一个最佳导通时间。传统点火系统初级电路的导通时间受凸轮形状或传感器信号的限制，由于占空比不变，导致发动机在低速运行时，初级电路导通时间长，初级电流大，点火线圈容易发热;高速时，初级电路导通时间短，初级电流小，次级电压低，点火不可靠［4］。本文是利用单片机控制点火导通时间，占空比的设置可以随着频率的变化而变化。点火线圈的充电时间一般为10ms达到饱和，所以当点火信号频率低时，保证充电时间为10ms;当点火信号频率增加，点火周期不足10ms时，保留2ms的放电时间，其余时间全部导通，充分利用了点火信号的占空比，保证发动机高速和低速运转时具有最佳导通时间。
　　点火控制器硬件设计
　　以单片机为核心的点火控制器的硬件组成框图如图1所示。
　　
　　整形电路对分电器输出的信号进行整形，使之成为能被单片机处理的脉冲信号，该信号经过光电隔离电路加到PIC单片机的I/O口。单片机采用Microchip公司的PIC16F73单片机，该型号单片机具有运行速度高、功耗低、驱动能力强、外围模块丰富等优点［5］，本系统主要应用了单片机的定时器模块、外中断模块、输出比较模块。单片机对输入信号进行处理，再经过光电隔离控制功率驱动电路中大功率管的导通与截止，实现对点火提前时间和点火闭合时间的控制。在驱动电路中，输出信号首先经过三级管进行放大，然后再控制大功率场效应管的导通与截止，输出峰值电流可达8-9A（原车为6-7A）。
　　由于汽车提供的电压为直流12V，而单片机工作需要5V直流电压，所以设计了相应的电源电路，采用三端稳压器件78M05将12V转换成5V，为单片机及其他部分电路供电。
　　在控制器上设置了4个拨码开关，分别代表2，4，8，16，通过不同的编码组合可以实现对点火提前角的调整。控制器上引出5条线用于与汽车进行连线，分别为12V电源线、地线、分电器信号输入线、控制器信号输出线、分电器电源线。