兩用燃料汽車高能點火控制器的研究與設計

　　引言

　　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)。