车用天然气发动机电控点火系统的研究

【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。 【关键词】：天然气发动机 点火能量 点火提前角 高频点火
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：U464.174
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 常用符号9-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 天然气汽车的发展现状及趋势10-12
• 1.1.1 天然气汽车的发展历史及现状10-11
• 1.1.2 天然气汽车优点11-12
• 1.2 点火系统历史及技术现状12-14
• 1.2.1 传统点火系统12-13
• 1.2.2 电子点火系统13
• 1.2.3 电控点火系统13-14
• 1.3 点火能量测试方案14-18
• 1.3.1 模拟负载方式14-17
• 1.3.2 点火能量直接测试17-18
• 1.4 点火提前角的影响因素分析18-19
• 1.5 本课题的主要研究内容19-20
• 第2章 电控点火系统开发20-36
• 2.1 点火系统的设计要求20-21
• 2.2 点火系统硬件开发21-25
• 2.2.1 硬件开发工具21
• 2.2.2 点火系统的硬件设计21-25
• 2.3 点火系统软件开发25-30
• 2.3.1 软件开发工具25-26
• 2.3.2 点火系统的软件设计26-30
• 2.4 点火系统在定容燃烧室上的实验30-34
• 2.4.1 过量空气系数对燃烧压力曲线的影响31-33
• 2.4.2 初始温度对燃烧压力曲线的影响33
• 2.4.3 初始压力对燃烧压力曲线的影响33-34
• 2.5 本章小结34-36
• 第3章 基于模拟负载的点火能量测试36-50
• 3.1 系统组成36-39
• 3.1.1 模拟负载37-38
• 3.1.2 测试设备38-39
• 3.2 点火能量的测试结果39-49
• 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39-40
• 3.2.2 闭合时间对点火能量的影响40-44
• 3.2.3 多脉冲点火时的电压、电流信号44-45
• 3.2.4 脉冲信号间隔对点火能量的影响45-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第4章 点火能量的直接测试50-62
• 4.1 点火线圈的充电特性50-54
• 4.1.1 充电时间对初级电流的影响51-54
• 4.1.2 充电时间对初级储能的影响54
• 4.2 点火线圈的放电特性54-59
• 4.2.1 次级电压、电流的波形55-56
• 4.2.2 闭合时间对次级电压、电流的影响56-59
• 4.2.3 闭合时间对次级输出能量的影响59
• 4.3 点火线圈的能量转化效率59-60
• 4.4 火花塞电极间隙对点火能量的影响60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 高频点火系统开发62-72
• 5.1 研究背景62-63
• 5.2 硬件开发63-67
• 5.2.1 点火线圈的灌封63-65
• 5.2.2 控制系统硬件组成65-67
• 5.3 软件开发67-69
• 5.3.1 控制思想67
• 5.3.2 高频点火系统的软件组成67-69
• 5.4 能量测试69-71
• 5.4.1 PWM 波频率对点火能量的影响70
• 5.4.2 转速对高频点火能量的影响70-71
• 5.5 本章小结71-72
• 第6章 点火提前角对发动机燃烧及排放特性的影响72-88
• 6.1 实验系统72-77
• 6.1.1 发动机改造72-74
• 6.1.2 电控系统74-76
• 6.1.3 测试系统76-77
• 6.2 台架实验77-86
• 6.2.1 点火提前角对发动机燃烧特性的影响77-84
• 6.2.2 点火提前角对发动机排放性能的影响84-86
• 6.3 本章小结86-88
• 总结与展望88-90
• 参考文献90-94
• 攻读学位期间发表学术论文94-96
• 攻读学位期间授权软件著作权96-97
• 攻读学位期间申请专利97-98
• 攻读学位期间获奖情况98-100
• 致谢100

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