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小型汽油机点火系统的研究

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  摘要: 本文以小型磁电机式汽油机点火系统为研究对象,设计了一套高能点火系统。该系统包括信号采集、控制器、点火执行器以及模拟磁电机高能模块等核心单元。通过点火能量试验验证,该高能点火系统有效的提高了各个转速的点火能量。
中国论文网 /7/view-11514556.htm
  Abstract: This paper takes the ignition system of small magnetic motor type gasoline engine for the study object and designs a set of high-energy ignition system. The system includes signal acquisition, controllers, ignition actuators and simulation magnetos energy modules and other core units. Through ignition energy test, it proves that the high-energy ignition system effectively improves the ignition energy for each speed.
  关键词: 小型汽油机;磁电机;高能点火
  Key words: small gasoline engine;magneto;high-energy ignition
  中图分类号:TK413.9 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2015)33-0105-02
  0 引言
  传统的磁电机CDI点火系统的靠磁电机来提供能量的。虽然成本低、结构简单,但也存在着磁电机的输出是随发动机的转速的变化而变化的,系统的点火能量不足,燃烧不稳定的缺点,且限制了点火能量,特别是高速时的点火能量不足。本文针对上述缺点加以改进,研制出一套高能点火系统。
  1 发动机对点火系统的性能要求
  1.1 点火电压
  发动机在各种工况下的点火电压虽有波动,但正常点火电压一般都在15kV以上,因此,为了保证的点火可靠稳定,本系统的点火电压在15~20kV之间,确保可燃混合气的充分燃烧。
  1.2 火花塞应具有足够的能量
  火花塞应具有足够的点火能量,以确保混合气能够充分燃烧,否则发动机会因点火能量不足而出现起动困难、怠速不稳、高速易断火等现象,发动机的尾气中HC化合物大量的生成,污染空气。
  1.3 点火时刻
  点火过早会使发动机产生爆震等现象,点火过晚则会使可燃混合气在气缸内来不及完全燃烧。所以正确的点火时刻可以使可燃混合气在气缸内完全燃烧,但点火时刻也要根据发动机的工况来确定,不同工况下的点火时刻也是不同的。
  2 小型汽油机点火系统的硬件设计
  2.1 点火提前角的确定
  小型汽油机微机控制点火系统有一个最佳点火提前角。它恰好是初始点火提前角、基本点火提前角和点火提前角修正值三项之和。
  ①初始的点火提前角。初始点火提前角一般决定于磁电机触发磁块安装角度或者触发线圈与上止点的相对角度。
  ②基本点火提前角。基本点火提前角是根据发动机转速信号和节气门开度两个主要的参数来确定的,该提前角是根据发动机厂家在大量实验的基础上得到一组数据。当发动机实际运行时,根据发动机的转速信号和节气门的开度去调取该时刻的最佳点火提前角。
  ③点火提前角修正值。除了上述两个因素外,点火提前角还受到大气温度、进气温度、海拔高度等的影响。受实验条件制约,本论文中不做讨论。
  2.2 点火时刻MAP图制取
  本文先在测试台上装好磁电机式汽油机,将点火系统设为几个转速,分别测试并记录每个转速所对应的点火提前角,然后汇总成点火提前角与转速之间的关系数据。最后设定几个节气门开度,分别测试每个开度所对应的点火提前角,最终汇总出点火提前角与负荷之间的关系数据。
  综合两组数据,利用MATLAB软件绘制点火提前角MAP图,得到的基本点火提前角MAP图如图1所示。
  2.3 数字高能点火系统结构与原理
  在确定了基本的点火提前角的基础上,本文设计了磁电机数字高能点火系统。该系统的其结构如图2所示。
  系统工作流程为:由转速传感器和节气门位置传感器产生的信号进过处理电路的处理最终送到MCU。MCU依据所收集的传感器信号,通过查询基本点火提前角MAP图获得当前运行条件下的点火提前角数据,发出点火指令,控制点火执行电路。
  磁电机高能模块将12V直流经过初级和次级线圈的两级升压,在火花塞产生极高的电极击穿电压,点燃发动机燃烧室内的可燃混合气。
  在控制器模块中加载串口通讯模块,用于与PC机之间进行串行通讯,以实现对数字点火系统的上位机监控。
  3 小型汽油机点火系统的软件设计
  图3就是MCU软件系统整体架构。软件部分主要包括信号采集、单片机模块、串口通讯模块以及执行机构。
  发动机点火信号的控制会根据实际运行条件进入其相应的控制模块。点火控制模块根据检测发动机的转速和节气门的开度,分别进入起动工况模块、怠速工况模块、超速运行工况监控模块、加减速工况模块等。核心的控制模块为发动机的稳态工况模块。点火控制模块程序流程图如图4所示。
  4 实验验证
  初步研发成功的数字高能点火系统在投运前必须进行点火提前角和点火能量验证测试,本文采用的带有指针式放电盘的磁电机试验台来测定磁电机的实际点火提前角,把测得的数据和开发的点火提前角监控软件相比较验证。在定节气门开度达到70%的条件下开展验证试验,用以测试发动机点火监控系统显示的点火提前角的读数是否与磁电机试验台放电盘指针的读数保持一致。图5即为测试所得到的数据。
  从图5的数据来看,本系统能够准确对点火系统发出的点火提前角进行监控。发动机点火监控系统的准确性和可靠性的得到验证成功。
  为了验证点火能量,在本试验中,选用某摩托车用二冲程的CDI数字点火系统与本系统的数字CDI高能点火系进行比较。
  经过测试获得的数据,利用MATLAB软件得到图6数据。从图中可以看出,数字高能点火方式点火较之传统磁电机点火方式有大幅度提高。
  5 总结
  本文主要是采用单片机设计了点火控制系统,对小型汽油机的点火模块加以改进,提高了点火能量;并通过实验验证了本系统在点火时刻控制和点火能量提高方面的可靠性和准确性。
  参考文献:
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