汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能測(cè)試儀設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)包括上百種電氣和機(jī)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(diǎn)火系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能測(cè)試儀通過測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的閉合角與分火角，對(duì)其分電器和點(diǎn)火器性能進(jìn)行分析。

　　閉合角、分火角與點(diǎn)火提前角的關(guān)系

　　閉合角

　　以汽油機(jī)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例，活塞往復(fù)四個(gè)單程完成一個(gè)工作周期，四個(gè)沖程包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣沖程。在一個(gè)工作循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)過一周共360°。

　　在點(diǎn)火系統(tǒng)中，點(diǎn)火線圈初級(jí)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(dòng)機(jī)每缸所占的凸輪轉(zhuǎn)角稱為閉合角。在一個(gè)完整的工作周期中，初級(jí)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(gè)點(diǎn)火脈沖，4個(gè)汽缸各有一次點(diǎn)火。如圖1所示，四沖程的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)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(jí)電流在工作周期T中第i次導(dǎo)通的時(shí)間，bi(i=1，2，3，4)為初級(jí)電流在工作周期T中第i次截止的時(shí)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(shí)間短，初級(jí)電流增長(zhǎng)不到需要的數(shù)值，會(huì)造成點(diǎn)火能量不足。若閉合角太大，對(duì)觸點(diǎn)式點(diǎn)火系統(tǒng)而言，說明觸點(diǎn)間隙小，會(huì)使觸點(diǎn)發(fā)生電弧放電，反而減弱了點(diǎn)火能量，不利于正常點(diǎn)火，且觸點(diǎn)閉合時(shí)間過長(zhǎng)，初級(jí)電流增長(zhǎng)到最大值以后繼續(xù)通電，還會(huì)使點(diǎn)火線圈發(fā)熱。閉合角相同時(shí)，轉(zhuǎn)速高所占的時(shí)間短，轉(zhuǎn)速低所占的時(shí)間長(zhǎng)。閉合角隨轉(zhuǎn)速而變化是最好的情況。一般8缸機(jī)的閉合角為29°～32°，6缸機(jī)為 38°～42°，4缸機(jī)為43°～47°，3缸機(jī)為63°～67°。

　　分火角

　　觀察分火角均勻度是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能測(cè)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(diǎn)火提前角

　　汽油發(fā)動(dòng)機(jī)吸入汽缸中的混合氣，并需要一定時(shí)間燃燒。為使活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)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(diǎn)前跳火。從點(diǎn)火開始到活塞到達(dá)上止點(diǎn)這段時(shí)間曲軸轉(zhuǎn)過的角度為點(diǎn)火提前角。 點(diǎn)火過早，加速時(shí)會(huì)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(diǎn)火過遲，氣體做功效率低，則發(fā)動(dòng)機(jī)不易起動(dòng)，提速慢，還會(huì)出現(xiàn)排氣管放炮、發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的現(xiàn)象。因此，點(diǎn)火過早或過遲，都會(huì)影響轉(zhuǎn)速的提升。

　　影響點(diǎn)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(shí)間會(huì)變短。因此最佳點(diǎn)火提前角可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)閉合角和分火角進(jìn)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(shì)最大段處于活塞做功下降行程，實(shí)現(xiàn)效率最高，振動(dòng)最小，溫升最低。 理論上最小點(diǎn)火提前角為0°，但為了防止在進(jìn)氣行程點(diǎn)燃進(jìn)氣，往往設(shè)為5°以上，一般不超過60°。

　　電路設(shè)計(jì)

　　點(diǎn)火性能測(cè)試儀包括電源模塊、測(cè)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(cè)量與控制模塊對(duì)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集和限幅處理后，輸入單片機(jī)89C52進(jìn)行閉合角及分火角的測(cè)量和計(jì)算，得出的角度值送顯示模塊，依照汽缸的點(diǎn)火次序依次顯示角度值。

　　測(cè)量和控制模塊設(shè)計(jì)

　　測(cè)量和控制模塊的功能主要由預(yù)處理電路和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。預(yù)處理電路將輸入的點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行限幅和整形處理，抑制干擾信號(hào)，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(yùn)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(hào)經(jīng)反向器74LS14，輸出兩路互為反相的信號(hào)，其中與點(diǎn)火信號(hào)的反相信號(hào)接入89C52的引腳P1.0和INT0，另一路則接入P1.1和INT1。

　　89C52 單片機(jī)是測(cè)量和控制模塊的核心芯片。測(cè)試中的點(diǎn)火周期信號(hào)頻率較低，因此由信號(hào)的邏輯控制計(jì)數(shù)器的工作，信號(hào)輸入端為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。通過軟件設(shè)置控制位TR0和GATE均為1，并選擇計(jì)數(shù)器0工作方式為模式1，則TH0+TL0是否計(jì)數(shù)取決于INT0引腳的信號(hào)，當(dāng)INT0由0變1 時(shí)，開始計(jì)數(shù)，INT0由1變0時(shí)，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)過程中用查詢方式測(cè)試I／O口P1.0信號(hào)的電平，高電平時(shí)，由計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)數(shù)；測(cè)試到低電平時(shí)，表明計(jì)數(shù)結(jié)束，單片機(jī)可以取計(jì)數(shù)值并計(jì)算計(jì)數(shù)結(jié)果。這樣，INT0端信號(hào)的高電平脈寬可由計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)得出。這種設(shè)計(jì)方式有效地保證了計(jì)數(shù)的速度和精度。同樣，INT1端信號(hào)的低電平脈寬時(shí)可由計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)得出。計(jì)數(shù)器0和1的計(jì)數(shù)值，經(jīng)軟件計(jì)算，得出點(diǎn)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。
[!--empirenews.page--]此外，P1.0和P1.1用于對(duì)計(jì)數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行查詢，若P1.0口狀態(tài)變?yōu)?quot;0"，表明計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)完成，此時(shí)便可獲取計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值。P1.1與計(jì)數(shù)器1的工作與此相同。由于P1.0與P1.1測(cè)試的是反相信號(hào)，因此可以得到一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)半波計(jì)數(shù)值。經(jīng)過處理可計(jì)算出對(duì)應(yīng)角度值。不存在延時(shí)誤差或采用中斷方式的中斷誤差。

電路中設(shè)計(jì)了鍵盤輸入人機(jī)接口S1和S2。S1為輸入功能鍵，S2為系統(tǒng)啟動(dòng)鍵。S1有兩個(gè)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(cè)試按鍵S2即開始測(cè)試，為減少按鍵設(shè)計(jì)，任何狀態(tài)下，只要長(zhǎng)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(jì)

　　在實(shí)際測(cè)量中，由于角度值以度為單位，不會(huì)超過百位，且精確到十分位，因此用4個(gè)數(shù)碼管LED即可顯示一路汽缸的點(diǎn)火閉合角，級(jí)聯(lián)后可顯示多路多缸的點(diǎn)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(jìn)行顯示。

　　89C52 的數(shù)據(jù)串行輸入到顯示模塊。移位時(shí)鐘脈沖CLOCK和清零信號(hào)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(shí)現(xiàn)串行輸入并行輸出，直接驅(qū)動(dòng)共陰極八段LED數(shù)碼管。此外，使用89C52的3個(gè)I／O引腳連接發(fā)光二極管L4～L6進(jìn)行工作時(shí)的狀態(tài)顯示。當(dāng)L4點(diǎn)亮?xí)r，表示當(dāng)前正在顯示的是閉合角角度，當(dāng)L5點(diǎn)亮?xí)r，表示當(dāng)前正在顯示的是分火角角度。當(dāng)測(cè)試的汽缸數(shù)大于4缸時(shí)，L6將點(diǎn)亮作為提示，如圖4所示。

初始化時(shí)，按S1、LED數(shù)碼管顯示需要測(cè)試的氣缸數(shù)。按S2后進(jìn)入工作狀態(tài)，以4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在每一輪的顯示中，4路LED顯示模塊先同時(shí)顯示4缸閉合角的角度，同時(shí)L4點(diǎn)亮，持續(xù)3秒鐘后換成L5點(diǎn)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(jì)針對(duì)缸數(shù)較多的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了角度值翻頁(yè)顯示的方法。例如8缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，L6會(huì)點(diǎn)亮作為提示。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　點(diǎn)火信號(hào)經(jīng)過一定的預(yù)處理后傳送給89C52單片機(jī)，完成測(cè)量、計(jì)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(jì)主要包括缸數(shù)選擇、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測(cè)量、中斷服務(wù)、角度計(jì)算和顯示等模塊。

　缸數(shù)選擇模塊程序設(shè)計(jì)

　　測(cè)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(cè)試。此外，程序中設(shè)有多處對(duì)按鍵S2的查詢，如果在測(cè)試儀工作過程中要重新選擇缸數(shù)，可以隨時(shí)按下S2不松開，時(shí)間稍長(zhǎng)就一定會(huì)被查詢到，程序會(huì)重新進(jìn)入缸數(shù)選擇階段。

　　計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)與中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)轉(zhuǎn)速超出測(cè)試儀標(biāo)定的范圍時(shí)，將產(chǎn)生計(jì)數(shù)器0或1溢出中斷，此時(shí)LED顯示"E"，意為"ERROR"，只需實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速就可以重新進(jìn)入計(jì)數(shù)程序，開始測(cè)量。

　　角度顯示程序設(shè)計(jì)

　　在計(jì)算出閉合角或分火角的角度值后，通過譯碼程序?qū)⒍M(jìn)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(jìn)制角度值。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文在SUPERIMAGE-3000開發(fā)環(huán)境下完成基于89C52的汽車點(diǎn)火性能測(cè)試儀的硬件和軟件開發(fā)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和裝車測(cè)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(dòng)機(jī)分電器和點(diǎn)火器質(zhì)量的指標(biāo)，對(duì)于調(diào)整高效的點(diǎn)火正時(shí)和點(diǎn)火提前角具有重要意義。