汽車發(fā)動機點火性能測試儀設(shè)計

汽車發(fā)動機的點火系統(tǒng)包括上百種電氣和機械零部件，生產(chǎn)線分布較廣，因此分布式間接監(jiān)控方式在點火系統(tǒng)的監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)動機點火性能測試儀通過測量發(fā)動機的閉合角與分火角，對其分電器和點火器性能進行分析。

　　閉合角、分火角與點火提前角的關(guān)系

　　閉合角

　　以汽油機四沖程發(fā)動機為例，活塞往復(fù)四個單程完成一個工作周期，四個沖程包括進氣、壓縮、做功和排氣沖程。在一個工作循環(huán)中，發(fā)動機凸輪軸轉(zhuǎn)過一周共360°。

　　在點火系統(tǒng)中，點火線圈初級繞組的電流從截止到導(dǎo)通再到截止這一周期中，多缸發(fā)動機每缸所占的凸輪轉(zhuǎn)角稱為閉合角。在一個完整的工作周期中，初級電流共經(jīng)歷4次由截止到導(dǎo)通再到截止的過程，產(chǎn)生4個點火脈沖，4個汽缸各有一次點火。如圖1所示，四沖程的4缸發(fā)動機一個工作周期T為

T=(a1+a2+a3+a4+b1+b2+b3+b4)；

　　式中，ai(i=1，2，3，4)為初級電流在工作周期T中第i次導(dǎo)通的時間，bi(i=1，2，3，4)為初級電流在工作周期T中第i次截止的時間。

　　第1缸的閉合角α1為
α1=a1×360°／T；
第2缸的閉合角α2為
α2=a2×360°／T；
第3缸和第4缸依此類推。

　　如果閉合角小，閉合時間短，初級電流增長不到需要的數(shù)值，會造成點火能量不足。若閉合角太大，對觸點式點火系統(tǒng)而言，說明觸點間隙小，會使觸點發(fā)生電弧放電，反而減弱了點火能量，不利于正常點火，且觸點閉合時間過長，初級電流增長到最大值以后繼續(xù)通電，還會使點火線圈發(fā)熱。閉合角相同時，轉(zhuǎn)速高所占的時間短，轉(zhuǎn)速低所占的時間長。閉合角隨轉(zhuǎn)速而變化是最好的情況。一般8缸機的閉合角為29°～32°，6缸機為 38°～42°，4缸機為43°～47°，3缸機為63°～67°。

　　分火角

　　觀察分火角均勻度是汽車發(fā)動機點火性能測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。這里1缸分火角β1為
βl=(al+b1)×360°／T；
2缸分火角β2為
β2=(a2+b2)×360°／T；
第3缸和第4缸依此類推。

　　點火提前角

　　汽油發(fā)動機吸入汽缸中的混合氣，并需要一定時間燃燒。為使活塞到達(dá)上止點時混合氣已充分燃燒，以達(dá)到最大功率，應(yīng)使火花塞在活塞到達(dá)上止點前跳火。從點火開始到活塞到達(dá)上止點這段時間曲軸轉(zhuǎn)過的角度為點火提前角。 點火過早，加速時會出現(xiàn)爆震，發(fā)出類似金屬敲擊的聲音，活塞上行受阻，效率降低，磨損加劇。點火過遲，氣體做功效率低，則發(fā)動機不易起動，提速慢，還會出現(xiàn)排氣管放炮、發(fā)動機過熱的現(xiàn)象。因此，點火過早或過遲，都會影響轉(zhuǎn)速的提升。

　　影響點火提前角的最大因素是轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)過同樣角度的時間會變短。因此最佳點火提前角可根據(jù)發(fā)動機閉合角和分火角進行調(diào)整。調(diào)整的目的就是在各種不同狀況下使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程，實現(xiàn)效率最高，振動最小，溫升最低。 理論上最小點火提前角為0°，但為了防止在進氣行程點燃進氣，往往設(shè)為5°以上，一般不超過60°。

　　電路設(shè)計

　　點火性能測試儀包括電源模塊、測量與控制模塊、顯示模塊等，其電路原理框圖如圖2所示。

電源模塊將220V交流電源轉(zhuǎn)換成5V直流電提供給其他模塊。測量與控制模塊對點火信號進行采集和限幅處理后，輸入單片機89C52進行閉合角及分火角的測量和計算，得出的角度值送顯示模塊，依照汽缸的點火次序依次顯示角度值。

　　測量和控制模塊設(shè)計

　　測量和控制模塊的功能主要由預(yù)處理電路和單片機實現(xiàn)，如圖3所示。預(yù)處理電路將輸入的點火信號進行限幅和整形處理，抑制干擾信號，尤其是抑制可能產(chǎn)生的過電壓或負(fù)電壓。限幅和整形主要由運算放大器集成芯片LM324結(jié)合二極管的導(dǎo)通截止特性完成。LM324輸出的方波信號經(jīng)反向器74LS14，輸出兩路互為反相的信號，其中與點火信號的反相信號接入89C52的引腳P1.0和INT0，另一路則接入P1.1和INT1。

　　89C52 單片機是測量和控制模塊的核心芯片。測試中的點火周期信號頻率較低，因此由信號的邏輯控制計數(shù)器的工作，信號輸入端為高電平時計數(shù)，為低電平時停止計數(shù)。通過軟件設(shè)置控制位TR0和GATE均為1，并選擇計數(shù)器0工作方式為模式1，則TH0+TL0是否計數(shù)取決于INT0引腳的信號，當(dāng)INT0由0變1 時，開始計數(shù)，INT0由1變0時，停止計數(shù)。計數(shù)過程中用查詢方式測試I／O口P1.0信號的電平，高電平時，由計數(shù)器自動計數(shù)；測試到低電平時，表明計數(shù)結(jié)束，單片機可以取計數(shù)值并計算計數(shù)結(jié)果。這樣，INT0端信號的高電平脈寬可由計數(shù)器0計數(shù)得出。這種設(shè)計方式有效地保證了計數(shù)的速度和精度。同樣，INT1端信號的低電平脈寬時可由計數(shù)器1計數(shù)得出。計數(shù)器0和1的計數(shù)值，經(jīng)軟件計算，得出點火的閉合角和分火角，與角度值相應(yīng)的數(shù)據(jù)串行輸出，送 LED顯示模塊顯示。
此外，P1.0和P1.1用于對計數(shù)的狀態(tài)進行查詢，若P1.0口狀態(tài)變?yōu)?quot;0"，表明計數(shù)器0的計數(shù)完成，此時便可獲取計數(shù)器0的計數(shù)值。P1.1與計數(shù)器1的工作與此相同。由于P1.0與P1.1測試的是反相信號，因此可以得到一個周期信號的兩個半波計數(shù)值。經(jīng)過處理可計算出對應(yīng)角度值。不存在延時誤差或采用中斷方式的中斷誤差。

電路中設(shè)計了鍵盤輸入人機接口S1和S2。S1為輸入功能鍵，S2為系統(tǒng)啟動鍵。S1有兩個功能：汽車汽缸數(shù)選擇功能和汽缸數(shù)復(fù)位功能。按鍵S1與 89C52的P1.2相連，每按一次，缸數(shù)加1。選定缸數(shù)后，按下與P1.3相連的測試按鍵S2即開始測試，為減少按鍵設(shè)計，任何狀態(tài)下，只要長按S1鍵就可立刻回到初始狀態(tài)，缸數(shù)選擇步驟重新選擇缸數(shù)。

　　顯示模塊設(shè)計

　　在實際測量中，由于角度值以度為單位，不會超過百位，且精確到十分位，因此用4個數(shù)碼管LED即可顯示一路汽缸的點火閉合角，級聯(lián)后可顯示多路多缸的點火閉合角。本系統(tǒng)采用串行工作方式，使用4路LED數(shù)碼管進行顯示。

　　89C52 的數(shù)據(jù)串行輸入到顯示模塊。移位時鐘脈沖CLOCK和清零信號CLEAR均由軟件控制。顯示模塊中采用了TTL單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入并行輸出，直接驅(qū)動共陰極八段LED數(shù)碼管。此外，使用89C52的3個I／O引腳連接發(fā)光二極管L4～L6進行工作時的狀態(tài)顯示。當(dāng)L4點亮?xí)r，表示當(dāng)前正在顯示的是閉合角角度，當(dāng)L5點亮?xí)r，表示當(dāng)前正在顯示的是分火角角度。當(dāng)測試的汽缸數(shù)大于4缸時，L6將點亮作為提示，如圖4所示。

初始化時，按S1、LED數(shù)碼管顯示需要測試的氣缸數(shù)。按S2后進入工作狀態(tài)，以4缸發(fā)動機為例，在每一輪的顯示中，4路LED顯示模塊先同時顯示4缸閉合角的角度，同時L4點亮，持續(xù)3秒鐘后換成L5點亮，LED板顯示分火角的角度。為提高七段數(shù)碼管的利用率，本設(shè)計針對缸數(shù)較多的發(fā)動機，采用了角度值翻頁顯示的方法。例如8缸發(fā)動機仍可以只采用4路LED顯示模塊，第一輪顯示的只是前4缸的角度值，第二輪才顯示后4缸的角度值，當(dāng)顯示的是后4缸角度時，L6會點亮作為提示。

　　軟件設(shè)計

　　點火信號經(jīng)過一定的預(yù)處理后傳送給89C52單片機，完成測量、計算和相應(yīng)顯示。主程序的軟件流程圖如圖5所示。軟件設(shè)計主要包括缸數(shù)選擇、計數(shù)器計數(shù)測量、中斷服務(wù)、角度計算和顯示等模塊。

　缸數(shù)選擇模塊程序設(shè)計

　　測試儀的面板上設(shè)有缸數(shù)選擇按鍵S1，每按一次，缸數(shù)加1。選定缸數(shù)后，按下按鍵S2即開始測試。此外，程序中設(shè)有多處對按鍵S2的查詢，如果在測試儀工作過程中要重新選擇缸數(shù)，可以隨時按下S2不松開，時間稍長就一定會被查詢到，程序會重新進入缸數(shù)選擇階段。

　　計數(shù)器計數(shù)與中斷服務(wù)程序設(shè)計

　　當(dāng)轉(zhuǎn)速超出測試儀標(biāo)定的范圍時，將產(chǎn)生計數(shù)器0或1溢出中斷，此時LED顯示"E"，意為"ERROR"，只需實時調(diào)整轉(zhuǎn)速就可以重新進入計數(shù)程序，開始測量。

　　角度顯示程序設(shè)計

　　在計算出閉合角或分火角的角度值后，通過譯碼程序?qū)⒍M制形式的角度值轉(zhuǎn)換成BCD碼暫存在累加器中，累加器將角度數(shù)據(jù)串行傳輸至74LS164，然后送到八段數(shù)碼管以顯示當(dāng)前BCD編碼的十進制角度值。

　　結(jié)語

　　本文在SUPERIMAGE-3000開發(fā)環(huán)境下完成基于89C52的汽車點火性能測試儀的硬件和軟件開發(fā)，實驗數(shù)據(jù)和裝車測試結(jié)果均穩(wěn)定可靠、精度達(dá)標(biāo)，可有效地作為分析發(fā)動機分電器和點火器質(zhì)量的指標(biāo)，對于調(diào)整高效的點火正時和點火提前角具有重要意義。