点火室直喷汽油机电控点火系统的开发

本科生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目： 内燃机原理 教师： 郑朝蕾 姓名： 李高阳 学号： 20123706 专业： 能源与动力

上课时间： 2016年4月——6月 考生成绩：

卷面成绩 平时成绩 课程综合成绩

阅卷评语：

阅卷教师 (签名)

缸内直喷汽油机（GDI）的发展现状

――――――点火室直喷汽油机电控点火系统的开发

1 引言汽油直接喷射(GDI)是汽油发动机减少燃油消耗的最好方法之一采用分层稀薄燃烧技术的直喷汽油机一直被汽车工程师们认为是最具开发潜力的对象.由于点火正时直接影响着汽油机的性能，而分析示功图是衡量发动机性能优劣的最直接最有效的手段，因此，点火正时和缸压采集也是开发过程中必然考虑的两个因素.由于国内各大科研院所研制的直喷汽油机多是由PFI(port fuel injected)汽油机和DI(direct injection)柴油机改装而成，所以需要与之相匹配的点火系统.考虑到国外燃烧分析仪的价格昂贵、维修困难等因素，开发配套的缸压采集系统是一个较好的选择.

点火室汽油直喷燃烧系统是一种新型的直喷汽油机燃烧系统，不仅能够实现稳定点火，还具有低油耗和低排放的优点12].初步实验表明，点火室汽油直喷燃烧系统具有很大的潜在研究价值.

2系统设计与开发

以LabVIEW高效虚拟仪器开发平台和高速数据采集技术为基础，开发了集采集、分析与控制一体化的电控点火系统.整个系统的总体设计思路是:将传感器安装在发动机上，利用起动电机带动发动机运转，这时传感器将产生的信号经数据采集卡传递给计算机，计算机启动点火控制程序，对发动机进行点火控制，发动机着火后，它的转速将高于起动转速，发动机自行运转，调节油门和测功机，使发动机稳定工作在给定转速和负荷下，再启动数据采集模块进行缸压采集，并将采集到的数据存储下来

图1是系统的总体结构框图，从图中可以清晰地看出系统的结构及其功能. 2.1系统硬件组成

系统硬件主要由以下几部分组成:光电编码器、霍尔传感器、火花塞式压力传感器、数据采集卡、计算机、点火模块、恒压直流电源和点火执行机构等.

其中光电编码器通过弹性联轴节与曲轴自由端连接，输出曲轴转角信号;霍尔传感器安装在凸轮轴自由端，输出上止点基准信号;火花塞式压力传感器用来完成点火和压力信号输出双重任务;数据采集卡 插在计算机的PCI插槽内，并通过联接器CB-68LP与各个传感器连线，接收和发送信号;计算机作为整个系统的核心部件，起到了电子控制单元(ECU)的作用， 接收、处理信号和发出控制命令.搭建的实验台架如图2所示.

2.2应用软件开发

系统的各项功能是通过硬件的执行来最终实现的，但需要相应的应用程序来支持.下面就对本系统的应用模块分别加以介绍.

2.2.1上止点标定模块 图2实验台架的总体布置

获得精确的上止点基准位置对发动机来说是至关重要的，尤其是在利用发动机缸压曲线进行热力学评估上.本系统的曲轴转角信号传感器输出的A,B信号为曲轴每转一转输出3 600个方波，霍尔传感器输出的信号为曲轴每转两转输出1个方波.实验中以霍尔传感器输出的信号为曲轴同步信号，只要确定了最大压缩压力点和同步信号间的曲轴转角差值，即相位差，则可以根据同步信号出现的位置来定出上止点位置.

当需要更精确的定位上止点位置时，可以对倒拖压缩曲线进行多变指数法修正或热力损失角修正.实验中使用了倒拖电机，电机转速恒定为1 200 r/min.通过4挡变速器的不同挡位，改变发动机的倒拖转速，连续采集发动机多个循环的倒拖缸内压力.

将采集到的多个循环压力做平均化处理后，确定最大压缩压力点同曲轴同步信号间的相位差.如图3所示，运行上止点基准位置标定程序，前面板就显示 出标定结果.

2.2.2点火按制模块

点火控制算法的原理是:当上止点位置基准信号到来时，触发数据采集卡上的计数器对曲轴转角B信号进行脉冲计数，由于采用的曲轴转角传感器的分辨

率是0.10CA，所以所得的计数值恰好是对应的曲轴转角度数10倍，利用LabVIEW软件中的比较器将其与程序中设定的数值进行比较，将比较所得值通过数据采集卡的一个数字输出同步输出一个高低电平信号，用它来控制点火线圈的充放电时间，利用点火线圈感应出的高压电驱动火花塞，最终达到控制点火的目的.图4是在LabVIEW环境下设计的点火控制模块前 面板.

2.2.3缸压采集模块图4点火控制模块前面板

缸压数据采集通过上止点基准信号和曲轴转角信号来控制.此模块利用上止点基准信号进行触发，以曲轴转角信号作为采集时钟源，因此能够保证采集的数据与实际的曲轴转角一一对应.

程序的具体流程是:以B信号为缸压采样时钟源，当上止点基准信号触发采

集程序后，系统在发动机的一个工作循环中将采集7 200个缸压数据点，采集100个工作循环为一个周期，在把缸压曲线显示出来的同时将数据存储起来，供数据后处理程序调用.

2.2.4数据后处理模块

在信号的实际测试、采集、传输、记录过程中，许多干扰源将会导致一些随机误差和系统误差，这些误差会造成缸压曲线产生某些不正常波动.为了消除这些波动现象和循环波动，必须采取一些必要的手段加以处理.该系统采用了平均化数据和数字滤波等手段对采集到的缸压数据进行处理.

LabVIEW为用户提供了专门用于数字滤波的函数，本系统采用的是巴特沃斯滤波器，经反复调试设置，它能起到很好的滤波作用，既能滤除大部分干扰信号，又能保持所测目标信号的波形.

3系统调试与实验验证

本系统应用在直喷汽油机台架试验上，主要是为了配合点火室式直喷汽油机的开发而设计的.为了全面验证系统功能，同时也考虑到实验机型的实际情况，在实验验证工况的选择上，本文选取点火提前角为20 0 CA，转速为1 500 r/min无负荷情况下进行系统验证.下面分别从点火控制、数据采集、数据处理等三个方面来对验证结果进行分析

1)点火控制.发动机在转速为1 500 r/min无负荷下稳定运行数分钟，打开数据采集系统，设置采样

通道、每通道的采样频率以及缓存的大小，之后运行程序，将点火驱动信号与上止点基准信号同时采集进来.如图5所示.从图5中可以看出，在每个工作循环中点火信号相位与上止点基准信号相位总保持相对稳定状态，并且没有出现失点现象，这也说明点火控制模块响应速度比较快，精度比较高，能够使点火及时准确. 2)缸压采集.当发动机在转速为1 500 r/min无负荷下稳定运行一段时间后，打开缸压采集模块，就会出现如图6的界面，检查设置的采样通道、采样数、采样频率、缓存大小和数据存储目录准确无误后运行程序. 图5点火信号与上止点基淮信号的比较 图6发动机缸压采集系统的界面

图7是发动机一个工作循环的缸压数据回放，从图7可以看到干扰比较少，采集的数据比较密，每0.1 0CA采集一个压力数据，气缸压力信号每个循环出现

一个波峰，在低压部分略有波动，并且缸压的整体发展趋势很平缓. 3)数据处理.采集到的气缸压力保存在硬盘中，在做燃烧分析前，应该先将数据进行必要的处理.系统依次对气缸压力数据进行压力值标定、多循环平均、光顺处理.打开数据处理模块，运行程序完成以上数据处理内容，并将处理后的数据保存到硬盘以供燃烧分析时使用.图8为数据处理后的缸压曲线.

将图7与图8比较，可以看出经数据处理后的缸压曲线已经滤除了大量的毛刺，并且过滤没有过度，压力峰值和一些正常的压力波动都很好地保存了下来，基本真实地反映了气缸缸内压力的大小.

4结论

经试验证明，这套点火室直喷汽油机的电控点火与缸压采集系统不仅能够使发动机准确稳定的点火，而且能够获得较准确、较真实的发动机缸压曲线.系统应用于新型点火室直喷汽油机的开发中，可 以稳定点火，为评价燃烧优劣提供数据，也可以为进一步优化发动机性能提供参考.

利用LabVIEW软件开发出可视化的点火控制、数据采集系统，提供了高效、简洁的多功能图形界面，使得本系统具有良好的人机交互功能，程序便于升级和维护;利用高性能的采集卡和传感器使得系统实时、快速和精度高.

参考文献:

川余伟平.国内汽油发动机点火系统现状及发展趋势「J].湖南工程学院学报，2003,13(2):47-49. [2】刘昌文，路排，张平，等.用于缸内直喷发动机的燃烧分析系统研究【Jl.小型内燃机与摩托车，2002,31(2):25-27

[3]王吉华，邵华，钱定芳.基于实时同步数据采集的内燃机燃烧分析系统的研制【Jl.内燃机，2002(6):22-24.

[4]苏新.基于LabVIEW的直喷汽油机电控点火系统的开发【D].大连:大连理工大学，2007. (责任编辑:经朝明)

一个波峰，在低压部分略有波动，并且缸压的整体发展趋势很平缓. 3)数据处理.采集到的气缸压力保存在硬盘中，在做燃烧分析前，应该先将数据进行必要的处理.系统依次对气缸压力数据进行压力值标定、多循环平均、光顺处理.打开数据处理模块，运行程序完成以上数据处理内容，并将处理后的数据保存到硬盘以供燃烧分析时使用.图8为数据处理后的缸压曲线.

将图7与图8比较，可以看出经数据处理后的缸压曲线已经滤除了大量的毛刺，并且过滤没有过度，压力峰值和一些正常的压力波动都很好地保存了下来，基本真实地反映了气缸缸内压力的大小.

4结论

经试验证明，这套点火室直喷汽油机的电控点火与缸压采集系统不仅能够使发动机准确稳定的点火，而且能够获得较准确、较真实的发动机缸压曲线.系统应用于新型点火室直喷汽油机的开发中，可 以稳定点火，为评价燃烧优劣提供数据，也可以为进一步优化发动机性能提供参考.

利用LabVIEW软件开发出可视化的点火控制、数据采集系统，提供了高效、简洁的多功能图形界面，使得本系统具有良好的人机交互功能，程序便于升级和维护;利用高性能的采集卡和传感器使得系统实时、快速和精度高.

参考文献:

川余伟平.国内汽油发动机点火系统现状及发展趋势「J].湖南工程学院学报，2003,13(2):47-49. [2】刘昌文，路排，张平，等.用于缸内直喷发动机的燃烧分析系统研究【Jl.小型内燃机与摩托车，2002,31(2):25-27

[3]王吉华，邵华，钱定芳.基于实时同步数据采集的内燃机燃烧分析系统的研制【Jl.内燃机，2002(6):22-24.

[4]苏新.基于LabVIEW的直喷汽油机电控点火系统的开发【D].大连:大连理工大学，2007. (责任编辑:经朝明)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3gda.html