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1、摘要21世纪以来由于能源和环境的双重压力，加强以气体燃料取代石油燃料，开发以清洁燃料为主导的低排放和零排放汽车已成为各国当前及今后面临的主要问题之一。高辛烷值气体燃料LPG作为替代能源被广泛地加以应用。目前面临的关键问题是在稀燃条件下提高点火系统电火性能及工作的安全可靠性，从而达到提高发动机热效率和降低排放的目的。因此，本课题以一汽CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统为研究对象，采用电喷的形式，从LPG的物化特性出发，研究LPG在发动机点火系统对发动机动力性的影响，在不同工况下通过对电流的稳定控制、实现点火和喷射时刻的实时优化调整以提高现有LPG发动机动力性。具体研究内容如下：1、为进
2、一步提高点火系统电火性能及工作的安全可靠性考虑，设计了电子点火系统的电子点火器闭合角可控功能电路、初级回路电阻控制电路、停车断电保护电路和初级电流稳定控制电路。2、设计了电控高能异步双火花塞点火系统。系统包括新缸头（半球型燃烧室、双火花塞位置、燃烧室内气流组织等）、两套独立的可变点火能量的高能点火系统。通过电控单元ECU及控制策略根据发动机工况的变化，提供可变的同步、异步双火花点火。3、依据LPG液化石油燃气公交车发铁磁性材料制成。当齿圈旋转时，齿顶与齿隙轮流交替对向磁芯，当齿圈转到齿顶与传感头磁芯相对时，传感头磁芯与齿圈之间的间隙最小，由永久磁芯产生的磁力线就容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场
3、就强，如图（5）(a)所示;而当齿圈转动到齿隙与传感磁芯相对时，传感头磁芯与齿圈之间的间隙最大，由永久磁芯产生的磁力线就不容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场就弱，如图（5）(b)所示。此时，磁通迅速交替变化，在感应线圈中就会产生交变电压，交变电压的频率将随车轮转速成正比例变化。电子控动机点火系统工作原理和控制方法，结合发动机上各种传感器的电信号利用单片机设置的程序对发动机进行精确的点火时刻控制。4、利用MATLAB仿真软件对发动机进行实验分析发动机动力性，主要为确定发动机功率、扭矩及燃气消耗率，并以公交车为对象进行各档位运行状况仿真，以验证LPG高能异步双点火发动机的实际效果。关键词：LPG公交
4、车发动机，快速燃烧系统， 电控点火系统 AbstractSince the 21st century due to the double pressure of energy and environment, strengthen to replace petroleum fuels, fuel gas development to clean fuel for cars with low emissions zero discharge current and future world has become one of the major problems facing. High oct
5、ane fuel gas LPG alternatives such as widely applied. The key problem is facing in j.the conditions to improve the ignition system, electrical fire performance and reliability of work, so as to improve the efficiency and reduce the emissions of the engine.Therefore, the subject to faw CA6GH - L sing
6、le fuel engine ignition control LPG system as the research object, by ems form, from the chemical properties, LPG engine ignition system in the study of LPG engine performance, the influence of different conditions in the current through the stability control, realizing the ignition and injection ti
7、me to improve the real-time optimization engine performance existing LPG.1、in order to further enhance the ignition system, the electrical activity can work and the safety and reliability of the consideration of electronic ignition system, the design of electronic ignition Angle closure, primary loo
8、p circuit controlled function resistance control circuit, parking electricity protective circuit and control circuit is the primary current stability.2、 the design requirements of high-energy spark rapid burning system of double. The new system includes cylinder head (firebox compression ratio, doub
9、le spark position, the combustion chamber airflow organization, etc.), two sets of independent variable ignition energy high-energy ignition system. Through the electronic control unit (ECU and control strategy according to the condition, provides engine variable synchronous and asynchronous double
10、spark ignition.3、LPG liquefied petroleum gas bus engine ignition system working principle and control methods, combining various sensor signals on engine microcontroller program to set the precise moment engine ignition control.4、use MATLAB simulation software to engine for experimental analysis to
11、determine the power, the main engine power, torque and gas consumption by bus, and for each gear operation condition to verify the simulation of LPG high-energy ignition engine asynchronous double the. Key words ： LPG rapid fire engines，Fast combustion system，electronic ignition system目 录摘要 .Abstrac
12、t .第一章 绪论.11.1 引言.11.2 LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的设计目的和意义.11.3 LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的设计内容.21.3.1 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的原理及其控制方法.21.3.2 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统硬件与软件的设计与开发.21.3.3 设计与绘制LPG液化石油气公交车发动机点火系统的典型机械结构图.31.3.4 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的计算机仿真与分析.31.4 本章小结.4第二章 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的原理及其控制方法.52.1 基于CA6GH-L电控LP
13、G单燃料发动机点火系统的工作原理及其控制方法.52.1.1 CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统的工作原理及其控制方法.52.1.2 LPG发动机点火系统系统的组成与基本原理.72.1.3 LPG发动机电子点火系统系统的组成与基本原理.82.1.4 微机控制点火系统点火提前角的确定.92.1.5 发动机爆震的控制过程.112.1.6 基于微机控制发动机高能异步双点火系统控制方法的提出.122.2 CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统的闭环控制的原理.142.3 本章小结.15第三章 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统硬件的设计与开发.173.1 基于CA6GH-L电控L
14、PG单燃料发动机的系统结构原理.193.1.1 发动机的选择.203.2 基于CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统的硬件设计.213.2.1 LPG发动机电子点火系统的磁感应信号发生器的组成及工作原理.223.2.2 LPG发动机电子点火器电路的设计与开发.243.2.3 LPG公交车发动机燃烧室的选择原则及其特性.263.2.4 点火方式对LPG公交车发动机的燃烧过程的影响.273.2.5 火花塞位置优化及高能点火的优点.293.2.6 ECU的硬件结构设计.303.3 设计与绘制LPG公交车发动机点火系统的典型机械结构图.333.3.1 LPG发动机点火系统总电路图的目的和意义.3
15、33.3.2 LPG发动机点火控制系统电路图的目的和意义.333.3.3 LPG发动机燃烧室的组成与尺寸的选择.343.3.4 燃烧室的设计和CAD图纸的绘制.343.4 本章小结.34第四章 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统软件的设计与开发.364.1 LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统软件的结构原理.364.2 单片机MC9S12DP256程序设计.374.3 ECU的控制软件设计.384.3.1 程序流程图.384.3.2 系统软件的功能.394.3.3 输入捕捉和输出比较的中断服务程序.394.3.4 程序算法说明.414.3.5 程序以及分析.424.4 本章小结.42
16、第五章 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的计算机仿真与分析.445.1 MATLAB软件的介绍.445.2 基于CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统的仿真实验目的.445.3 基于CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统仿真实验选用的实验装置.455.4 CA6GH-L电控LPG单燃料发动机不同工况下的点火实验分析.455.4.1 LPG高能异步双点火发动机外特性曲线的仿真计算.455.5 LPG高能异步双点火发动机与原柴油发动机动力性仿真对比.495.6 LPG高能异步双点火发动机的燃气消耗率仿真实验分析.505.7 总结.52第六章 总结.53参考文献.55致谢.56
17、附录1.57附录2.65V第一章 绪论1.1 引言21世纪以来由于能源和环境的双重压力，加强以气体燃料取代石油燃料，开发以清洁燃料为主导的低排放和零排放汽车已成为各国当前及今后面临的主要问题之一。其中液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，LPG)作为当今世界应用最为普及的清洁代用燃料，是现阶段最为现实和技术上比较成熟的石油代用燃料，LPG公交汽车以其低排放、节能等优点受到世界各国的高度重视，作为发展LPG公交汽车的关键技术之一的是要提高汽车的动力性、排放性和经济性。目前制约LPG公交汽车推广的最大瓶颈是发动机的动力性和排放性。在目前电控LPG发动机技术水平下，通过改进发动
18、机点火控制系统，可以有效地利用液化石油气，提高发动机寿命，降低整车的使用成本。未来的汽车控制系统都以基于网络化的电子控制设备为载体，因此，对点火控制系统的研究能为LPG公交汽车的进一步发展积累经验，对我国国民经济和科技的提高有着重大的意义。LPG公交汽车点火系统的研究主要集中在两个方面，一个是研究LPG在发动机中的燃烧过程对发动机动力性和排放性的影响，另一个合理的点火系统结合发动机在不同工况下的稀薄燃烧条件，通过空燃比和点火时刻的优化调整，达到理想的动力性和排放性的要求。这两个问题一直是LPG公交汽车点火系统中最复杂的问题，本文主要集中在对LPG公交汽车发动机高能异步双点火系统在动力性和排放性
19、方面进行研究。1.2 基于LPG公交汽车点火系统的设计目的和意义本设计的目的是在研究基于LPG公交汽车点火系统工作原理的基础上，利用发动机的点火控制系统和电子点火系统对LPG发动机在点火时对气体的燃烧展开研究，设计开发电控高能异步双点火系统在不同工况下的理想排放与动力性能，实现对LPG发动机工作情况的监测以及对发动机工作各个循环的管理。这个监控系统是以MC9S12DP256微控制器为核心，对发动机的点火时刻和空燃比进行采集和处理。根据测得的进排气体氧浓度和爆震传感器信号进行估算，就能够在实现精确的点火时刻控制功能时做到避免废气的排放对环境造成损害，合理控制空燃比和点火时刻，可以在同样的情况下提
20、高LPG公交汽车的动力性、排放性和经济性，获得良好的经济效益，同时这也是实现汽车工业可持续发展的重要途径。 1.3 基于LPG公交汽车点火系统的设计内容1.3.1 研究基于LPG公交车发动机点火系统工作原理和控制方法LPG公交车发动机点火系统由储气罐、蒸发调压器、汽油电磁阀、LPG电磁阀、功率调节阀、文氏管混合器、燃料转换开关、控制电路等组成。气瓶内的液态高压LPG经高压管路到蒸发调压器；蒸发调压器有两级减压，一级减压后部份气体直接到步进电机阀，作为怠速供气，二级减压后气体到步进电机作为主供气量。二级减压出口压力随进气管压力增大。步进电机阀(双功能控制阀)，一方面可以控制怠速的空燃比，另一方面
21、也可以控制其它工况的空燃比。当起动机将发动机的转速带动到超过200转将高压电磁阀、怠速电磁阀打开使气体到达混合器、发动机气缸而使发动机起动。 发动机工作时，CPU通过各种传感器把发动机的工况信息采集到随机存储器RAM中，并不断检测凸轮轴位置传感器信号，判断是那一缸即将到达压缩上止点。当接收到标志信号后，CPU立即开始对曲轴转角信号进行计数以便控制点火提前角。与此同时，读储存器中查询相应工况下的最佳点火提前角。在此期间，CPU一直在对曲轴转角信号进行计数，判断点火时刻是否到来。当曲轴转角等于最佳点火提前角时，CPU立即向点火系统发出点火脉冲信号。当输入的电子点火器的点火脉冲信号电压使大功率开关晶
22、体管导通时，点火线圈初级通路，储存点火能量；当输入电子点火器的点火信号脉冲使开关晶体管截止时，点火线圈初级线圈断路，次级便产生高压，通过配电器及高压导线等将高压送至火花塞。1.3.2 基于LPG公交车发动机点火系统硬件以及软件的设计与开发为了验证本次设计的CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统在各种工况下的重要试验成果，下表为CA6GH-L电控LPG单燃料发动机的主要技术参数。表1-1技术参数技术参数性能指标汽缸直径135mm活塞行程150mm压缩比16.4最大功率HP（KW）/rpm170/2000（190/2600）最大扭矩（NM/rpm）950/1300-1500/1600额定转速
23、/r.min2800发动机额定功率/KW119燃料供给方式电喷排量7800ml发动机点火系统的硬件部分主要有传感器、电子控制器和执行器。传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、车速传感器、空气流量传感器、进气温度传感器、爆震传感器、冷却液温度传感器和节气门位置传感器。电子控制器以单片机MC9S12DP256为核心，基本功能包括数据采集、AD转换、数据处理、数据显示等。通过MCU增强型串行通讯模块SCI可实现与PC机之间的通讯功能，进行点火系统运行状态监控和控制参数的匹配标定。执行器主要有电子点火系统，其组成有点火信号发生器、点火信号、电子点火器、点火开关、点火线圈、火花塞。软件程序部分是利用
24、汇编语言进行编程控制单片机MC9S12DP256进行各项工作的。MC9S12DP256丰富的接口资源为ECU输入输出功能的实现提供了方便。负荷信号(节气门位置和进气压力)、水温信号、蓄电池电压信号等系统模拟输入信号由放大滤波电路处理后，利用MCU的A/D转换模块进行采集。由一个16位主定时器和8个可编程输入捕捉/输出比较定时通道构成的增强型捕捉定时器提供了较强的定时控制功能，可充分满足高能直接点火的复杂时序控制要求。它的主要功能包括控制数据采集芯片ADC0809工作，判别、采集和处理发动机的工况和各种传感器信号，通过控制点火提前角、点火时刻和空燃比等达到理想的动力性和排放性。1.3.3 设计与
25、绘制LPG公交车发动机点火系统的典型机械结构图发动机点火系统的结构机械图，它主要是由储气罐、蒸发调压器、汽油电磁阀、LPG电磁阀、功率调节阀、文氏管混合器、控制电路等组成。其中LPG气瓶用于储存液态的LPG。蒸发调压器：利用通过发动机小循环水的热交换，将气瓶送来的液态LPG变为气态，并进行减压后送到混合器与空气混合，是LPG系统中最精密的器具，同时具有全密封组件，设有三重安全保护阀门；混合器：将空气和LPG按适当的比例混合送到发动机燃烧；文氏管混合器安装在空气滤清器和化油器之间，其喉管处均布有多个孔，使LPG在此与空气充分混合。发动机点火系统的主要功能是将汽车电源供给的低压电转变为高压电，并按
26、照发动机的作功顺序与点火时间的要求适时、准确地配送给各缸的火花塞，在其间隙处产生火花，点燃气缸内的可燃混合气。同时提供合理的均匀混合气体和充足的点火能量并根据各传感器的信号在ECU的控制下，协调各机件实现精确的空燃比和点火时刻控制。1.3.4 基于LPG公交车发动机点火系统的计算机仿真与分析为了验证基于LPG液化石油气公交车发动机点火系统控制方法的正确性和系统设计的可靠性，本论文以仿真软件MATLAB为基础设计了LPG液化石油气公交车发动机在各种工况下的点火测试系统，并以此系统进行实验分析发动机动力性，主要为确定发动机功率、扭矩，并以公交车为对象进行各档位运行状况仿真，以验证LPG高能异步双点
27、火发动机的实际效果。本仿真实验将进行发动机的外特性实验、发动机速度特性实验和油耗实验。根据LPG燃烧过程的特点，建立以提高LPG发动机动力性能为目标的发动机常用工况下多目标参数优化控制模型，并利用Matlab联合仿真验证控制策略，实现发动机的低油耗高动力性。在多参数的LPG发动机燃烧特性分析系统、LPG发动机、测功机基础上搭建LPG发动机实验平台，根据优化的参数调整发动机并在台架实验及实车中验证1.4 本章小结随着高辛烷值气体燃料LPG作为替代能源被广泛地加以应用，目前面临的关键问题是在如何稀燃条件下提高LPG燃烧速率和火焰传播速度，以及组织燃烧室中气流运动，加强与高能点火过程的良好配合与控制
28、，进一步促进火焰传播，从而达到提高发动机热效率和降低排放的目的。本文紧紧围绕这个关键问题创新地提出发动机电控高能异步双点火系统，在提高点火系统点火性能及工作的安全可靠性上，设计了电子点火器闭合角可控功能电路、初级回路电阻控制电路、停车断电保护电路和初级电流稳定控制电路，以实现高速点燃式LPG电喷发动机稳定快速稀薄燃烧。具体研究内容如下：本章从LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统所面临的技术难点出发，结合LPG液化石油燃气发动机的原理提出本设计的目的和意义，即设计一套有效的发动机点火控制系统和电子点火系统，对LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的工作进行控制，达到提高发动机的动力性和经济性及
29、降低排放的目的。同时明确了本设计所要完成的内容，从原理、硬件到软件三方面入手设计LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统。69第二章 基于LPG公交车发动机点火系统工作原理和控制方法传统电控LPG公交车发动机点火系统比较简单，燃料供给装置对混合气浓度能起到一定的控制作用，但这并不意味着汽车的有害排放物就能下降。原因是LPG以气态的方式进入气缸的，由于气态的密度低、体积大，使吸入的新鲜空气量相对减少，充气量的下降会导致发动机输出功率也下降，动力性变差。而且由于点火能量较低，带来动力性不足和燃料经济性不稳定问题，最大功率和最大扭矩都有所下降。针对目前广州LPG汽车在使用中存在气源与发动机控制参数不匹
30、配导致燃气混合时，点火能量不稳定等问题，导致LPG燃烧不良动力性下降，LPG在高负荷时会产生爆燃等现象，本文将为进一步提高LPG电喷发动机电子点火控制系统的点火性能及工作的安全可靠性进行研究。设计了LPG电喷发动机的废气再循环系统。在电子点火系统的电子点火器方面设计了电子点火器闭合角可控功能电路、初级回路电阻控制电路、停车断电保护电路和初级电流稳定控制电路。采用电控发动机高能异步双点火系统的LPG公交车，利用发动机进气量传感器、节气门开度、水温、发动机转速及氧传感器形成闭环控制，准确地控制空燃比，可减少各汽缸间燃烧的不均匀及减少环境变化的影响，从而使L PG汽车易发动、易控制。提高加速和减速反
31、应，并可提高发动机功率的输出，同时可减少尾气排放污染。发动机原始燃烧系统条件下，利用发动机进气真空的变化调节燃气共给量，以适应发动机不同工况对可燃混合气的要求，基本保证发动机的正常燃烧。因此研制新型的性能可靠，抗干扰能力强，安全实用的电控LPG公交车发动机点火控制系统是十分必要的。LPG电子点火系统是由点火信号发生器、点火信号、电子点火器、点火开关、点火线圈、火花塞等组成。鉴于磁感应式电子点火信号发生器结构简单、工作可靠，使用广泛，本设计在点火信号发生器采用磁感应式点火信号发生器，电子点火器采用分离原件的电子点火器，并设计了电子点火器闭合角可控功能电路、初级回路电阻控制电路、停车断电保护电路和
32、初级电流稳定控制电路，以实现高速时LPG发动机燃气能稳定快速燃烧。2.1 研究LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统的原理及其控制方法 2.1.1 CA6GH-L电控LPG单燃料发动机点火系统的工作原理及其控制方法LPG液化石油燃气公交车发动机点火系统如图2-1所示，该系统由储气罐、蒸发调压器、汽油电磁阀、LPG电磁阀、功率调节阀、文氏管混合器、控制电路等组成。气瓶内的液态高压LPG经高压管路到蒸发调压器；蒸发调压器有两级减压，一级减压后部份气体直接到步进电机阀，作为怠速供气，二级减压后气体到步进电机作为主供气量。二级减压出口压力随进气管压力增大。步进电机阀(双功能控制阀)，一方面可以控制怠速
33、的空燃比，另一方面也可以控制其它工况的空燃比。发动机起动时的转速达到或超过200转时高压电磁阀、怠速电磁阀将打开，从而使气体到达混合器、发动机气缸而使发动机起动。当发动机的转速达到设定的极限（即超过2775转）时超速切断阀打开，使压缩空气推动一个阀门关闭步进电机的LPG入口，从而使发动机无燃料供应而停转，避免发动机飞车而发生危险。LPG液体从储气罐出来，经过LPG电磁阀到达蒸发调压器，经过降压、汽化变为接近大气压的气体。LPG气体流经功率调节阀到文氏管混合器，在文氏管混合器中与空气充分混合，根据发动机的工况向化油器喉管(只起通道作用)处供应一定量的LPG气体。图2-1 LPG系统图1 汽油泵；2化油器；3混合器；4蓄电池；5转换开关；6储油器；7加气口；8密封盒；9集成阀；10LPG电磁阀；11政法调压器图2-2为LPG发动机的点火系统的总结构图。LPG发动机点火系统由各类传感器、ECU、电子点火模块、点火线圈、分电器及火花塞组成。曲轴位置传感器CPS向ECU提供发动机转速、曲轴转角信号，转速信号用于计算确定点火提前角，转角信号用于控制点火时刻。空气流量传感器AFS和节气门位置传感器TPS