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车用天然气发动机电控点火系统的研究

作　者: 王道静
导　师: 张红光
学　校: 北京工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 天然气发动机点火能量点火提前角高频点火
分类号: U464.174
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
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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