单缸四行程汽油机点火计算机控制系统毕业设计.docx

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单缸四行程汽油机点火计算机控制系统毕业设计

摘要

为了满足日益严格的排放法规和油耗标准，人们提出了计算机控制点火技术。

相比较与其他的点火系统，电控点火系统具有适时性好、响应快、控制点火时刻精确等优点，从而实现有效降低发动机油耗和排放，大幅度提高发动机的性能指标。

文中详细介绍了一种适用于单缸四行程汽油机的计算机控点火系统。

该系统采用Freescalel6位单片机MC9S12DG128作为控制处理器。

当发动机运行时，ECU实时地采集发动机的转速、负荷、冷却水温度等信号，并根据存储器中的有关程序与数据，确定出该工况最佳点火提前角和初级电路的最佳导通时间，并以此向点火控制模块发出指令。

点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。

关键词：

单缸汽油机；点火；提前角；控制；单片机

ABSTRACT

Inordertomeettheincreasinglystringentemissionregulationsandfuelconsumptionstandards,peoplemadecomputer-controlledignition.Electronicignitioncontrolsystemhasatimely,fastresponsetimeandmoreprecisecontrolofignitionadvantagesandcaneffectivelyreducethefuelconsumptionandemissionsofengine,substantialincreaseinengineperformance.

Thispaperdescribesanapplicationofdesignofthefour-strokeengineignitioncomputercontrolsystem.ThesystemusesFreescalel6-bitchipMC9S12DG128asthecontrolprocessor.Whentheengineisrunning,ECUcontinuedtocollecttheenginespeed,load,coolingwatertemperaturesignalanddeterminethebestadvanceignitionanglewiththeprogramanddatainmemory,thengivedirectionstotheignitioncontrolmodule.Ignitioncontrolmodulecontrolignitioncoilprimarycircuitconductionorcut-offinaccordancewithECUignitioncommend.

Keywords:

Single-cylinderengine;ignition;advanceangle;Controlalgorithm；Single-chip

3.1.3PIC16F876X系列单片机简介17

第1章绪论

1.1课题背景及目的意义

1.1.1课题背景

我国的摩托车工业虽然起步较晚，但是自改革开放以来，我国的摩托车行业得到了突飞猛进的发展。

从1994年起，我国己经成为世界上第一大摩托车生产国，目前我国的摩托车年产量大约为1300万辆左右，保有量约为5000万辆。

如此众多的摩托车必然会带来不容忽视的排放问题和能源问题，为了适应日趋严格的关于节能、排放和安全的法规要求，并满足人们对于安全性、舒适性、便利性的追求，在现代发动机上广泛采用了电子控制技术，开拓了电子技术新的应用领域[1]。

在发动机电子控制技术中，其核心便是电控点火技术。

一套好的计算机控制点火系统能够极大的提高摩托车或汽车的诸多性能，降低油耗，增强产品的可靠性和竞争力。

同时，现代科学技术、微型电子计算机、新材料、新能源的研究开发和应用将给发动机的发展注入新的活力，使发动机更节能、排放更清洁成为可能，尤其是在大规模集成电路技术的推动下所产生的微型计算机以其低价、轻巧、高速、可变等优点己成为发动机技术发展的主要动力之一。

1.1.2目的及意义

进入二十世纪后期，环境问题日益严重，特别是大气污染问题越来越受到各个国家的重视。

据统计，当前我国57%的城市总悬浮颗粒物超过国家环保限值，48个城市的二氧化硫浓度超过国家二级排放标准，82%的城市先后遭到不同程度的酸雨危险。

600多个城市中，大气环境质量符合一级标准的不到1%[2]。

这说明我国的城市污染已到了非治理不可的地步了。

为此，国家也制定很多政策法规，明确规定不符合排放标准的车辆严禁生产、销售和上牌照，以减少废气污染物排放。

计算机控制点火发动机的应用,有效地缓解了这一状况。

与传统的机械调节式点火时刻控制系统相比,基于微控制器的电子式控制系统具有及时性好、精确度高、控制灵活等优点。

因此,计算机控制点火系统的普及使用不仅有着实际的经济效益，还有着巨大的社会效益。

此外，本次设计也是为日后参加Honda节能竞技大赛大学组做准备，针对给定发动机设计计算机控制点火系统。

完成控制器设计,传感器与执行器选择。

有条件对发动机经济性对比测试并进行优化。

Honda节能竞技大赛是一种具有探索性的工程实践活动，不仅可以培养自己学习控制、传感技术、电子、计算机、机械等多学科知识，还能能够培养自己获取知识、应用知识的能力及创新意识。

1.2发动机点火系统的发展与现状

1.2.1点火系统的发展

1910年，查尔斯·凯特林（CharlesF.Kettering）发明了机械触点断电式点火系统，并首先应用于美国卡迪拉克（Cadillac）轿车，其结构在此之后的几十年间没有太大变化。

这种点火系统有以下固有的缺点：

（1）断电器触点易于氧化烧蚀，使点火不可靠，因此需要经常维护。

（2）断电器凸轮和顶块的机械磨损将引起点火提前角发生变化，因此需要经常调整。

（3）高速时触点的跳振和顶块的运动跟不上凸轮的高速转动，也都影响了点火的可靠性。

20世纪50年代初期，人们为从根本上克服传统点火系统的这些缺陷，就开始探索用晶体管控制点火系统的工作，即用电子手段来控制点火线圈初级电流的通断。

20世纪60年代末期，摩托罗拉公司已开始大量生产无触点电子点火系统，完全取消了机械式断电器及其触点。

从而避免了凸轮、顶块等机械磨损所带来的问题。

20世纪70年末期，摩托罗拉公司开发并生产了微机控制点火系统，取消了传统的离心式和真空式点火正时调节装置，改由单片机来控制，使发动机随时处于最佳点火正时状态，从而大大改善了排放性能，并降低了油耗。

1979年，又制成微机控制无分电器点火系统，该系统不仅采用微机控制点火正时，而且选择点火气缸的任务也由微机完成，从而完全取消了机械式分电器。

20世纪90年代开始，电子点火系统已不再是单一的独立系统，而是作为整个发动机控制系统中的一个子系统，与汽油喷射系统、怠速控制系统、排放净化系统、故障自诊断系统等共同又一台微电脑来集中控制，称之为发动机管理系统（EMS）。

至此汽车发动机点火系已发展到较高水平。

1.2.2我国计算机控制点火系统的发展现状

早在20世纪70年代，国外就已经将单片机技术应用于汽车点火系统的控制并实际装车使用。

1986年以来，美国又进一步发展了直接点火系统，即给每缸的火花塞均单独配一只点火线圈，完全取消了分火头和高压线，将高压电传递中的能量损失降到最低程度。

进入20世纪90年代，已有半数以上的轿车和部分轻型货车采用了微机控制无分电器点火系统。

中国曾在20世纪70年代掀起了有触点半导体辅助点火系统研制与使用之热潮，但由于当时生产的大功率达林顿管耐压未过关，导致该点火系统的使用可靠性较差，因而未能推广使用[3]。

国外早已实现汽油机的电控燃油喷射与电控点火，国内的中小型汽油车辆也于2001年开始被国家强制执行实现电喷与电控点火。

摩托车电控技术的研究在国外正日趋成熟，如澳必托、AVL，萨基姆等公司已先后研制开发成功。

国内有两个摩托车大公司曾引进应用过，但由于成本过高、无自主知识产权等原因至今尚未形成批量使用。

目前，国内外的诸多公司和摩托车企业（包括民营企业）、科研院所都在进行摩托车电控技术研发，相信随着中国传感器技术和微机控制技术的不断进步，摩托车发动机电控点火技术必将在中国得到较大发展。

高能无触点电子点火系统的研制开发，曾是国家“八五”规划项目。

“八五”期间，长春市汽车电子厂家引进了美国摩托罗拉公司制造许可证，生产了6TS21070型电子点火控制器与磁感应式点火信号发生器配套，用于解放CA1092型载货汽车，长春汽车研究所还自行研制了JFD666型点火器与之配套使用。

目前，国内市场上主流摩托车多为化油器式中、低档车型，技术含量低，综合性能差，在激烈的市场竞争中，利润空间己经降到历史最低点。

因此，摩托车行业的市场竞争，必然同其它行业一样，由价格战转向技术战，而商技术含量、高附加值的电控点火技术正是市场竞争热点之一。

实际上，国家经贸委在《汽车工业“十五”规划》中己经确定了摩托车工业“十五”期间发展重点，就是扩展电控摩托车行业，以满足大、中城市的绿色环保要求，提高摩托车的可靠性和耐久性、低油耗、低排放性能，生产诸如电控车、电动车等环保型产品。

而对于发动机及关键零部件的生产，国家经贸委也提出了以环保节能、高可靠性为目标，以满足日益严格的标准、法规等的要求。

中国己是世界贸易组织成员，排放控制日趋向国际标准靠近己是不争的事实，开发低油耗、低排放的摩托车和电动车以及在整车上使用电控技术、电喷技术、排气催化转化技术等将成为中国摩托车技术标准向国际标准靠拢的主要措施与技术手段。

1.3设计的基本内容及拟解决的主要问题

1.3.1基本内容

我国在发动机电子控制技术方面，尤其是电控点火技术方面与发达国家有着比较大的差距，特别是在生产应用方面。

而目前，随着各国对排放法规的进一步要求，国际上汽车、摩托车领域的激烈竞争，使得我们迫切需要改进传统的点火技术。

本文就是通过软件与硬件的结合，研制了一套单缸四行程汽油机点火计算机控制系统，并对点火系统的原理进行了分析，确定了控制策略。

当发动机运行时，ECU不断地采集发动机的转速、负荷、冷却水温度等信号，并根据存储器中的有关程序与数据，确定出该工况下最佳点火提前角和初级电路的最佳导通时间，并以此向点火控制模块发出指令。

点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。

此外，在带有爆震传感器的点火提前角闭环控制中，ECU还可根据爆震传感器的输入信号来判断发动机的爆震程度，并将点火提前角控制在爆震界限的范围内，使发动机能获得最佳的燃烧。

1.3.2解决的主要问题

1、硬件方面

（1）计算机控制点火系统的实现方式：

目前主要的实现方式有通用单片机（MCS-51等）、PIC单片机和通用可编程DSP芯片等其他大规模数字芯片，需要根据控制目标选择适当的方式。

（2）发动机转速与位置传感器选择：

电磁感应式、霍尔效应式、光电感应式传感器各有优缺点，需要搭成电路综合比较后才能确定使用哪个。

2、软件方面

（1）发动机转速测定算法：

转速测定有测频法和测周法两种法案，需要根据本发动机的具体情况进行分析好确定。

（2）点火提前角控制：

实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角，需要制定一种控制策略来逐个确定各项值，从而最终求出实际点火提前角。

3、计算机控制点火系统的程序测试

为了验证该点火系统的可行性和实用性，需要对相关程序进行测试及优化。

第2章计算机控制点火系统的理论分析及总体设计

2.1点火提前角的提出及对汽油机工作的影响

2.1.1点火提前角的提出

在气缸中，从火花塞开始跳火到着火燃烧是需要一定时间的。

为了使汽油机能够具有较好的性能，点火就不能在压缩终了时刻进行，而必须有一定的提前，即点火必须在最佳时刻进行。

点火的时刻便是用点火提前角来表示的，它是指从火花塞电极间跳火开始，到活塞运行至上止点时的这一段时间内曲轴转过的角度[4]。

点火提前角的大小直接影响到气缸内最高燃烧压力到达的时刻，如图2.1所示。

图2.1汽缸压力与点火时刻的关系

而点火时刻，对汽油机的功率及经济性有着重大的影响。

若最高燃烧压力点到达过早即点火提前角大，则混合气必然早点火，经过滞燃期后，压力上升线的主要部分处于上止点前，而此时气缸内处于压缩过程，由于其容积不断地缩小使得气缸内的压力升高率较大，最高压力值也较高，如图中B线所示。

从而导致压缩过程负功的增长;汽油机各传力零部件承受载荷增加;缸内混合气的温度、压力的增高，最后燃烧的那些混合气产生爆震的倾向也在增加。

反之，若最高燃烧压力点到达过迟，则燃烧产物的膨胀比将减小，并使排气温度较高，同时相应燃烧高温时期的传热表面增加，造成较大的热损失，如图中D线所示。

而所谓的最佳点火提前角，就是当气缸内的燃烧压力升高率为170~240Kpa/℃，而最高压力点出现在上止点后10°~15°曲轴转角。

此时汽油机的动力性和经济性均良好。

由于各工况的滞燃期不相同，对于汽油机的每一工况都对应存在一个最佳点火提前角。

为了达到这一最佳状态，汽油机通过对点火提前角的调控来达到目的。

2.1.2点火提前角对汽油机工作的影响

1、对功率的影响

针对每一个固定的工况，即固定的负荷和转速，由于最佳点火提前角在节气门开度不变时，各个转速的滞燃期均变化不大。

但随转速的上升，相同滞燃期所占的曲轴转角呈正比增加，所以，高转速下的着火落后角将显著加大。

要保证最大燃烧压力点相位大致不变，必定要加大点火提前角。

随着点火提前角的增大，功率先期呈增加状态，达到最大值后下降。

在转速不变的情况下，当负荷减小时，意味着节气门开度的减小，每循环燃烧的混合气数量也减少。

再加上缸内残余废气所占的比例相对增大，对进入的混合气起到稀释作用，气缸壁与燃烧室壁面温度的下降等诸多因素则使滞燃期加长，必须相应使点火提前增大。

当最高压力点出现在上止点后10°~15°曲轴转角时，平均有效压力达到最大值[5]。

2、对油耗的影响

汽油机的油耗与燃烧室的形式、发动机工况、过量空气系数λ及点火提前角等均有关。

如图2.2所示，在部分负荷，转速为2000r/min时，若过量空气系数λ>1.07时，随着点火提前角的增大，油耗不断下降；而当λ<1.07时，点火提前角为30度时的油耗最低，在其它条件相同的情况下，最低油耗和最佳扭矩大体出现在相同的点火提前角[5]。

图2.2燃油消耗率ge与点火提前角

3、对排放的影响

（1）对HC排放的影响

在以预制均匀混合气进行燃烧的汽油机中，HC是一种不完全燃烧的产物，与过量空气系数λ有密切关系，但即使在λ>1的条件下，往往也会产生很高的HC排放，这是因为HC还有着淬熄和吸附等其它生成原因。

在均质混合气汽油机的过量空气系数范围内，点火提前角增大时，HC排放则随之增大，且几乎成线性关系。

随着点火提前角的减小，HC排放也有所降低，因为点火提前角的减小导致后燃的加重和排气温度的上升，使得在排气行程以及排气管中HC氧化反应加速，最终使排出HC量减少。

（2）对NOx排放的影响

发动机中NOx的生成有三种途径:

高温NOx，激发NOx和燃料NOx。

在汽油机中激发NOx所占比率很小。

而且，在内燃机的常规燃料中，汽油基本不合氮。

所以，发动机中产生NOx的途径中，高温NOx是主要来源。

在足够的氧浓度条件下，温度越高，反应速度越快，NOx的生成量也就越大。

随着点火提前角小于由动力性确定的最佳值，燃烧等容度的降低，最终使最高燃烧温度随着点火的延迟而呈直线下降，导致NOx排放的减少。

其次NOx在整个过量空气系数范围内，均随着点火提前角的增大而增大，这也正是燃烧最高温度的增加所致。

（3）对CO排放的影响

在全负荷工况的过量空气系数范围内，即λ<0.95时，点火提前角的增大使CO排放略有增加，而当λ>0.95时，点火提前角对CO排放几乎没有影响。

可见，点火提前角越大，发动机的排放越恶化，由于CO排放几乎与点火提前角无关。

因而可以来用推迟点火的方法来减少HC和NOx排放。

但大量研究证明，推迟点火则使发动机的热力循环的等容度减小，最终导致发动机的动力性和经济性恶化[5]~[7]。

综上所述，点火提前角无论对功率、油耗还是排放都有相当的影响，而这些因素本身又相互影响。

同时，影响点火提前角的因素又有很多，如发动机转速、负荷、汽油辛烷值、进气压力、冷却水温等。

所以，如何控制点火提前角至最佳值是一个比较复杂的问题。

对于传统的机械式点火提前角调节机构有很大的局限性，很难完成这项工作，而本文所介绍的计算机控制点火系统可以充分发挥软件的强大功能，精确的控制点火提前角，将使发动机在各种转速内较准确的达到最佳工作状态。

2.2硬件系统的总体设计

2.2.1对计算机控制点火系统设计的基本要求

该系统应达到以下要求：

（1）可靠性高:

这是对控制系统的最基本要求。

无论是最简单的单回路控制电路，还是拥有强大功能的控制系统，系统可靠性一直是首要的衡量指标，这是由被控制对象的连续操作运行的特性和工业控制现场的恶劣性所决定的。

（2）可扩展性好:

ECU控制系统可以控制多种不同的信号，处理不同的过程参数。

各种被控制信号及被控参数要求各异，同时设备的型号常会更新变换，这就要求控制系统能适应不同设备和各种不同的控制对象的要求，而系统本身作局部调整即可。

欲使控制系统达到这样的要求，就必须要求系统部件是标准化和模块化的。

（3）环境适应性好:

在恶劣的工业环境下，最常遇到的问题是粉尘、辐射、高温以及各种强烈电气干扰。

对于一些特殊应用场合，系统还需有防震、防潮、抗冲击等要求。

2.2.2硬件系统的基本组成

计算机控制电点火系统的基本组成可分为三部分:

传感器部分、控制器部分和执行机构部分。

（1）传感器

传感器的作用是把代表发动机工况、状态变化的物理参数变成电信号，输送给控制器。

一般用于点火系统的传感器有发动机转速传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度传感器、缸体温传感器、爆燃传感器以及蓄电池电压和空调开关等。

（2）电子控制单元

电子控制单元（ECU）的作用是将传感器送入的电信号进行综合处理，然后输出最佳点火提前角控制信号。

ECU是整个控制系统的核心，在其存储器中存储着混合气空燃比的脉谱特性、点火角度的脉谱特性及多种修正参数。

发动机运行过程中，控制单元接收来自各个传感器的信号，经计算处理后向执行机构——点火器等发出点火指令。

图2.3为点火提前角电脑控制框图。

电子控制单元各部分的功能简介如下:

运算器：

用于对数据的算术运算和逻辑运算。

控制器：

按人们事先编排的程序发出工作程序控制脉冲控制计算机系统的各部自动协调工作。

寄存器：

用于暂时存储运算器的中间运算数据

①ROM——只读存储器:

用于存储一些固定的信息，工作时只供读取，电源切断时其内部的信息也不会消失。

②RAM——随机存储器:

工作时随时可存入或读取信息，电源切断后，信息随即消失。

输入/输出接口:

它是CPU与外部传感器和执行机构进行数据传送的纽带，在CPU与外围设备之间起着数据的缓冲、电平和时序的匹配等多种作用。

模数转换器:

它是将传感器的模拟信号转换成计算机能够识读的数字信号。

传感器的信号有模拟信号和脉冲信号两种，模拟信号是一个连续变化的电量，往往用信号电压的幅值来表示信息的量值。

如果执行机构是由模拟信号控制的，那么CPU输出的控制信号须经数模转换才能对执行机构起作用。

图2.3点火提前角电脑控制框图

（3）执行机构

电子控制点火执行器的作用是按照ECU输出的控制信号动作，把控制系统参数迅速调整到设定值，使控制系统装置工作在被设定状态.计算机控制点火系统的执行器主要有点火控制器（简称点火器，或称点火功率放大器）、点火线圈、火花塞等。

点火控制器的功能主要是进行功率放大，即依照ECU输来的方波信号，控制初级电流的通断。

因为ECU进行大电流的输出有困难，所以有必要依靠点火控制器完成功率放大任务。

另外，在发动机起动等工况下，传感器信号将经过ECU的后备集成电路提供给点火控制器，由点火控制器单独对初级电流进行控制，以保证发动机顺利起动，此时点火提前角固定不变。

此外，点火控制器还根据点火线圈初级绕组的自感电动势向ECU反馈点火系统的工作状况信号，以便ECU进行故障检测和故障自诊断。

点火线圈和火花塞的作用同普通电子点火系统。

2.3软件系统的总体设计

本设计将软件系统的总体设计分为四个部分，即软件的需求分析、软件的设计过程、软件的编制过程、软件的测试过程。

2.3.1软件的需求分析

需求分析是把本次毕业设计即单缸四冲程汽油机点火计算机控制系统的相关信息和硬件资源加以分析、提炼，最后从功能和性能上加以描述。

采用“自顶向下逐层分解”的方式，把复杂的点火控制系统进行合理的逐层分解，直至每个点火子系统能被简单、清楚地表达和理解为止。

2.3.2软件的设计过程

软件设计就是把点火控制过程中的需求变换成软件的具体设计方案的过程。

结构化模块设计是根据需求分析导出软件模块，得到软件模块结构，包括模块之间的接口定义。

软件设计的成果即软件设计说明书，它主要包括两部分内容：

一是模块结构图（指点火控制系统有哪些模块组成），二是模块的功能说明（指系统中每个模块的输入，输出及模块的功能）。

2.3.3软件的编制过程

点火控制软件编制是在软件设计和硬件资源（主要包括ROM、RAM、定时计器/数器、中断源、I/O口等）合理分配的基础上，由程序设计语言把模块结构转换成计算机能接受的形式，即具体的充放电程序编译[8]。

2.3.4软件的测试过程

软件测试是保证软件质量的关键，它是对点火控制需求分析、设计和编码的最后复审。

软件测试、纠错和软件的可靠性三者密不可分。

测试是企图发现错误；纠错是诊断已发现的错误，并且改正这些错误；可靠性是衡量测试于纠错结果的基准。

一系列全面的测试是确保点火控制程序在运行过程中保持高稳定性的有效途径。

2.4本章小结

本章首先介绍了点火提前角的概念，及其对汽油机工作的各方面影响。

然后介绍了计算机控制点火系统的硬件组成。

最后通过软件开发的四个阶段对软件系统的总体设计做了详细的介绍。

第3章计算机控制点火系统的硬件设计

3.1微控制器的类型选择

3.1.151系列单片机简介

MCS-51单片机是美国Intel公司于1980年推出的产品，其典型产品有8031、8051和8751等通用产品。

一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍然是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍以MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习[9]。

图3.189C51单片机结构框图

有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的典型的代表作，由于MCS-51单片机的影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，即MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

图3.1为51系列中最具代表性的89C51单片机结构框图。

3.1.2Freescale系列微控制器简介

飞思卡尔的MC9S12DG128B单片机是68HC12系列单片机的一个产品。

68HC12系列单片机是68HC11单片机的代替产品。

68CH11单片机自80年代后期以来，在汽车电子、通讯、计算机外设、工业控制、消费类电子产品等诸多领域有着广泛的应用，十余年来，以发展到十余个系列，几十个品种，年产量上亿片。

68HC12与68HC11的指令在源码级兼容。

68HC12比起