车用天然气发动机电控点火系统的研究

论文摘要

在石油能源日益紧缺、环保法规日益严格的背景下,天然气以其储量丰富、经济性成为发动机的优良代用燃料之一。与汽油相比,天然气存在高辛烷值、点火能量高等特点,因此有必要开发适用于天然气发动机的电控点火系统,并进行测试与优化。本文介绍了自主开发的应用于车用天然气发动机的电控点火系统。系统以ATmega8为核心,控制点火提前角、点火线圈初级回路的闭合时间。通过RS232实现了单片机与上位机实时通讯,点火系统的控制参数可以在线调整。该系统简化后应用在定容燃烧室上,可以点燃不同初始条件下的可燃混合气。本文还介绍了两种点火能量测试方式:模拟负载方式、直接测试方式。前者参照SAE J973-1999标准,采用稳压管串模拟负载,实现了点火线圈次级输出能量的量化测量,以此来评价点火能量。在线修改点火脉冲的宽度、多脉冲点火时的脉冲信号间隔,分析其对点火能量的影响,完成了各种工况下点火能量的优化。后者采用电压、电流探头,利于示波器采集点火线圈初级回路、次级回路的电压、电流信号,计算不同点火脉冲宽度时点火线圈的初级储能、次级输出能量以及点火线圈的能量转化效率;优化结果与模拟负载方式吻合。针对车用天然气发动机需要较大点火能量,开发了一套新型高频点火系统,采用在压缩上止点前多次点火策略（点火次数最高可达100次）,有效提高点火能量。该系统的点火线圈自主绕制,采用绝缘树脂灌封;目前,该系统利用车载电源供电,采用信号发生器提供转速信号,外部中断控制器件提供判缸信号,已经可以击穿火花塞间隙,实现正常点火。通过对其点火能量进行测试,点火能量大于常规点火系统。最后进行了天然气发动机台架实验,研究了点火提前角对发动机燃烧特性、排放性能的影响。天然气发动机由JL465Q5汽油机改装,添加一套供气系统以及自主开发的多片式电控系统。实验结果表明:点火提前角增大,缸内压力的峰值、压力升高率峰值上升,出现的时刻提前;同时,NOx、HC排放增加,CO排放变化较小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 常用符号
• 第1章 绪论
• 1.1 天然气汽车的发展现状及趋势
• 1.1.1 天然气汽车的发展历史及现状
• 1.1.2 天然气汽车优点
• 1.2 点火系统历史及技术现状
• 1.2.1 传统点火系统
• 1.2.2 电子点火系统
• 1.2.3 电控点火系统
• 1.3 点火能量测试方案
• 1.3.1 模拟负载方式
• 1.3.2 点火能量直接测试
• 1.4 点火提前角的影响因素分析
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 电控点火系统开发
• 2.1 点火系统的设计要求
• 2.2 点火系统硬件开发
• 2.2.1 硬件开发工具
• 2.2.2 点火系统的硬件设计
• 2.3 点火系统软件开发
• 2.3.1 软件开发工具
• 2.3.2 点火系统的软件设计
• 2.4 点火系统在定容燃烧室上的实验
• 2.4.1 过量空气系数对燃烧压力曲线的影响
• 2.4.2 初始温度对燃烧压力曲线的影响
• 2.4.3 初始压力对燃烧压力曲线的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于模拟负载的点火能量测试
• 3.1 系统组成
• 3.1.1 模拟负载
• 3.1.2 测试设备
• 3.2 点火能量的测试结果
• 3.2.1 点火线圈次级输出的电压、电流波形及点火能量计算
• 3.2.2 闭合时间对点火能量的影响
• 3.2.3 多脉冲点火时的电压、电流信号
• 3.2.4 脉冲信号间隔对点火能量的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 点火能量的直接测试
• 4.1 点火线圈的充电特性
• 4.1.1 充电时间对初级电流的影响
• 4.1.2 充电时间对初级储能的影响
• 4.2 点火线圈的放电特性
• 4.2.1 次级电压、电流的波形
• 4.2.2 闭合时间对次级电压、电流的影响
• 4.2.3 闭合时间对次级输出能量的影响
• 4.3 点火线圈的能量转化效率
• 4.4 火花塞电极间隙对点火能量的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 高频点火系统开发
• 5.1 研究背景
• 5.2 硬件开发
• 5.2.1 点火线圈的灌封
• 5.2.2 控制系统硬件组成
• 5.3 软件开发
• 5.3.1 控制思想
• 5.3.2 高频点火系统的软件组成
• 5.4 能量测试
• 5.4.1 PWM 波频率对点火能量的影响
• 5.4.2 转速对高频点火能量的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 点火提前角对发动机燃烧及排放特性的影响
• 6.1 实验系统
• 6.1.1 发动机改造
• 6.1.2 电控系统
• 6.1.3 测试系统
• 6.2 台架实验
• 6.2.1 点火提前角对发动机燃烧特性的影响
• 6.2.2 点火提前角对发动机排放性能的影响
• 6.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表学术论文
• 攻读学位期间授权软件著作权
• 攻读学位期间申请专利
• 攻读学位期间获奖情况
• 致谢