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汽车发动机点火性能测试仪设计




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  汽车发动机的点火系统包括上百种电气和机械零部件,生产线分布较广,因此分布式间接监控方式在点火系统的监测与故障诊断系统中得到广泛应用。发动机点火性能测试仪通过测量发动机的闭合角与分火角,对其分电器和点火器性能进行分析。

  闭合角、分火角与点火提前角的关系

  闭合角

  以汽油机四冲程发动机为例,活塞往复四个单程完成一个工作周期,四个冲程包括进气、压缩、做功和排气冲程。在一个工作循环中,发动机凸轮轴转过一周共360°。

  在点火系统中,点火线圈初级绕组的电流从截止到导通再到截止这一周期中,多缸发动机每缸所占的凸轮转角称为闭合角。在一个完整的工作周期中,初级电流共经历4次由截止到导通再到截止的过程,产生4个点火脉冲,4个汽缸各有一次点火。如图1所示,四冲程的4缸发动机一个工作周期T为

4缸发动机一个工作周期T

  T=(a1+a2+a3+a4+b1+b2+b3+b4);

  式中,ai(i=1,2,3,4)为初级电流在工作周期T中第i次导通的时间,bi(i=1,2,3,4)为初级电流在工作周期T中第i次截止的时间。

  第1缸的闭合角α1为
α1=a1×360°/T;
第2缸的闭合角α2为
α2=a2×360°/T;
第3缸和第4缸依此类推。

  如果闭合角小,闭合时间短,初级电流增长不到需要的数值,会造成点火能量不足。若闭合角太大,对触点式点火系统而言,说明触点间隙小,会使触点发生电弧放电,反而减弱了点火能量,不利于正常点火,且触点闭合时间过长,初级电流增长到最大值以后继续通电,还会使点火线圈发热。闭合角相同时,转速高所占的时间短,转速低所占的时间长。闭合角随转速而变化是最好的情况。一般8缸机的闭合角为29°~32°,6缸机为 38°~42°,4缸机为43°~47°,3缸机为63°~67°。

  分火角

  观察分火角均匀度是汽车发动机点火性能测试的关键环节之一。这里1缸分火角β1为
βl=(al+b1)×360°/T;
2缸分火角β2为
β2=(a2+b2)×360°/T;
第3缸和第4缸依此类推。

  点火提前角

  汽油发动机吸入汽缸中的混合气,并需要一定时间燃烧。为使活塞到达上止点时混合气已充分燃烧,以达到最大功率,应使火花塞在活塞到达上止点前跳火。从点火开始到活塞到达上止点这段时间曲轴转过的角度为点火提前角。 点火过早,加速时会出现爆震,发出类似金属敲击的声音,活塞上行受阻,效率降低,磨损加剧。点火过迟,气体做功效率低,则发动机不易起动,提速慢,还会出现排气管放炮、发动机过热的现象。因此,点火过早或过迟,都会影响转速的提升。

  影响点火提前角的最大因素是转速。随着转速的上升,转过同样角度的时间会变短。因此最佳点火提前角可根据发动机闭合角和分火角进行调整。调整的目的就是在各种不同状况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程,实现效率最高,振动最小,温升最低。 理论上最小点火提前角为0°,但为了防止在进气行程点燃进气,往往设为5°以上,一般不超过60°。

  电路设计

  点火性能测试仪包括电源模块、测量与控制模块、显示模块等,其电路原理框图如图2所示。

电路原理框图

  电源模块将220V交流电源转换成5V直流电提供给其他模块。测量与控制模块对点火信号进行采集和限幅处理后,输入单片机89C52进行闭合角及分火角的测量和计算,得出的角度值送显示模块,依照汽缸的点火次序依次显示角度值。

  测量和控制模块设计

  测量和控制模块的功能主要由预处理电路和单片机实现,如图3所示。预处理电路将输入的点火信号进行限幅和整形处理,抑制干扰信号,尤其是抑制可能产生的过电压或负电压。限幅和整形主要由运算放大器集成芯片LM324结合二极管的导通截止特性完成。LM324输出的方波信号经反向器74LS14,输出两路互为反相的信号,其中与点火信号的反相信号接入89C52的引脚P1.0和INT0,另一路则接入P1.1和INT1。

  89C52 单片机是测量和控制模块的核心芯片。测试中的点火周期信号频率较低,因此由信号的逻辑控制计数器的工作,信号输入端为高电平时计数,为低电平时停止计数。通过软件设置控制位TR0和GATE均为1,并选择计数器0工作方式为模式1,则TH0+TL0是否计数取决于INT0引脚的信号,当INT0由0变1 时,开始计数,INT0由1变0时,停止计数。计数过程中用查询方式测试I/O口P1.0信号的电平,高电平时,由计数器自动计数;测试到低电平时,表明计数结束,单片机可以取计数值并计算计数结果。这样,INT0端信号的高电平脉宽可由计数器0计数得出。这种设计方式有效地保证了计数的速度和精度。同样,INT1端信号的低电平脉宽时可由计数器1计数得出。计数器0和1的计数值,经软件计算,得出点火的闭合角和分火角,与角度值相应的数据串行输出,送 LED显示模块显示。

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