火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統的製作方法

2023-09-21 13:39:15 1

專利名稱：火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及發動機的信號採集系統，尤其涉及火花點火發動機點火提前角及 轉速信號採集系統，屬於火花點火發動機性能監測領域。
背景技術：
目前，現有火花點火發動機的轉速信號主要是採集來自曲軸(或凸輪軸)相位傳 感器的信號或磁電機內部的觸發線圈信號。發動機的點火提前角也是影響發動機動力和排放性能的一個主要指標，而現有的 發動機很少有對點火提前角參數進行監測的功能，這給發動機的改裝或者試驗帶來很大的 不便，特別是對發動機建模時，由於往往得不到點火提前角參數，通常假設點火提前角在某 一範圍內為固定值，這與發動機的實際運行狀況相背離。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是針對磁電機點火系統和蓄電池點火系統，分別 提出相應的結構簡單準確性高、且能同時獲得點火提前角及轉速信號的採集監測系統。本實用新型的一種火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，包括磁環 互感器、信號採集調理電路、微控制器單元、串口通信模塊、PC機和電壓轉換模塊，其中磁 環互感器與信號採集調理電路連接，信號採集調理電路的輸出端依次串接微控制器單元、 串口通信模塊後連接PC機的輸入端，點火系統中的蓄電池通過電壓轉換模塊分別給信號 採集調理電路、微控制器單元和串口通信模塊供電。本實用新型的另一種火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，包括磁 環互感器、信號採集調理電路、微控制器單元、串口通信模塊、PC機、電壓轉換模塊和退耦濾 波電路，其中磁環互感器與信號採集調理電路連接，信號採集調理電路的輸出端依次串接 微控制器單元、串口通信模塊後連接PC機的輸入端，點火系統中的蓄電池依次通過退耦濾 波電路和電壓轉換模塊後分別給信號採集調理電路、微控制器單元和串口通信模塊供電。所述微控制器單元還接入點火系統的上止點輸入信號。所述磁環互感器套在點火系統中的點火線圈的初級端上。所述信號採集調理電路包括信號整流濾波電路、整形電路、脈衝延時展寬電路和 光電隔離電路，信號整流濾波電路、整形電路、脈衝延時展寬電路、光電隔離電路依次相連 接。所述退耦濾波電路採用電解電容和無感電容的並聯結構。所述信號採集調理電路中的整形電路採用施密特整形電路。本實用新型針對發動機點火瞬間電壓較高的問題，採用了降壓處理和濾波的方 式，對毛刺信號進行較好的濾除和整形；針對放電瞬間時間很短的問題，採用脈衝延時展寬 電路對波形進行展寬，有利於微控制器進行採集，使採集的信號更穩定，更準確的獲得轉速 信號，不至於漏掉脈衝。本實用新型所採集的信號都可以作為電子轉速計的信號，結構簡
3單，性能可靠，與現有技術相比，具有如下有益效果(1)本實用新型是在現有的火花點火發動機基礎上，增加了點火線圈初級信號採 集調理電路，能很好的獲得發動機的曲軸位置轉角信號，進而得到轉速輸出信號；(2)將發動機的曲軸位置轉角信號與同步採集的上止點輸入信號進行對比運算， 從而獲得發動機的點火提前角信號；對點火提前角信號進行監控，給發動機的改裝或試驗 帶來便利，並有利於測試發動機在不同工況下的點火提前角參數。

圖1是本實用新型應用於磁電機點火系統的點火提前角及轉速信號採集系統應 用結構示意圖。圖2是本實用新型應用於蓄電池點火系統的點火提前角及轉速信號採集系統應 用結構示意圖。圖1和圖2中標號名稱1為發動機；2為火花塞；3為點火線圈；4為磁環互感器； 5為信號採集調理電路；6為發動機自帶的點火控制單元；7為微控制器單元；8為串口通信 模塊；9為PC機；10為蓄電池；11為熄火開關；12為點火觸發單元；13為磁電機；14為整 流模塊；15為上止點輸入信號；16為RCD吸收單元；17為點火開關；18為電壓轉換模塊；19 為開關管；20為退耦濾波電路。圖3是信號採集調理處理(磁環互感器、信號採集調理電路及微控制器)電路原 理圖，圖中L1為磁環互感器；Ul為施密特整形電路；U2為脈衝延時展寬電路(單穩態電 路)；U3為光電隔離電路；U4為微控制器。圖4是退耦濾波電路原理圖，圖中JPl為插座1 ;JP2為插座2。圖5是電壓轉換模塊的電路原理圖，圖中山5為電源電壓轉換晶片JPl為插座1 ； JP3為插座3。圖6是微控制器與PC機之間串口通信模塊的電路原理圖，圖中TO為RS232電平 轉換晶片。
具體實施方式
由於發動機的點火信號通常是與發動機轉速相對應的，當活塞由下止點往上止點 運動時，運動到接近上止點即將點火的某一時刻，電控單元(ECU)發送一個脈衝信號，發動 機點火線圈次級的火花塞產生火花放電，通過採集點火線圈初級的點火信號可以準確獲得 發動機的曲軸位置轉角信號，從而可獲得轉速信號，再將曲軸位置轉角信號與同步採集的 上止點信號進行運算分析可獲得點火提前角的大小。由於發動機在運行過程中可能存在失 火現象，根據實驗驗證分析，即使點火時火花塞出現失火故障，點火線圈初級能夠產生瞬間 的點火時刻波形，通過互感器將信號進行感應，從而產生脈衝電壓，通過調理得到相應的輸 出信號。如圖1所示是應用於磁電機點火系統的點火提前角及轉速信號採集系統應用結 構示意圖。圖中包含了發動機本身所具有的點火系統。其中本實用新型的結構包括磁環 互感器4、信號採集調理電路5、微控制器單元7、串口通信模塊8、PC機9和電壓轉換模塊 18，磁環互感器4與信號採集調理電路5連接，信號採集調理電路5的輸出端依次串接微控制器單元7、串口通信模塊8後連接PC機9的輸入端，點火系統中的蓄電池10通過電壓轉 換模塊18分別給信號採集調理電路5、微控制器單元7和串口通信模塊8供電。點火系統 由磁電機13給發動機自帶的點火控制單元6提供電壓，點火觸發單元12在發動機上止點 前的某個位置提供一個觸發信號，使點火控制單元6中的開關管導通，電容迅速放電，點火 線圈3次級端產生高壓，使火花塞2產生高壓放電；另外，磁電機13通過整流模塊14不斷 給蓄電池10提供充電電流，閉合熄火開關11，發動機1熄火。本實用新型中利用磁環互感 器4採集點火瞬間的信號，通過信號採集調理電路5處理後，由微控制器單元7進行捕捉， 同時也捕捉上止點輸入信號15，經分析處理得到點火提前角的大小及轉速信號，然後通過 串口通信模塊8將數據送至PC機9進行保存和顯示，完成監控功能；由於蓄電池10供電電 壓為12V，而信號採集調理電路5、微控制器單元7和串口通信模塊8的供電電壓為5V，所以 通過電壓轉換模塊18來完成降壓。如圖2所示是應用於蓄電池點火系統的點火提前角及轉速信號採集系統應用結 構示意圖。圖中包含了發動機本身所具有的點火系統。其中本實用新型的結構包括磁環 互感器4、信號採集調理電路5、微控制器單元7、串口通信模塊8、PC機9、電壓轉換模塊18 和退耦濾波電路20，磁環互感器4與信號採集調理電路5連接，信號採集調理電路5的輸出 端依次串接微控制器單元7、串口通信模塊8後連接PC機9的輸入端，點火系統中的蓄電 池10依次通過退耦濾波電路20和電壓轉換模塊18後分別給信號採集調理電路5、微控制 器單元7和串口通信模塊8供電。點火系統由蓄電池10提供點火信號開啟點火開關17，蓄 電池10通過發動機自帶的點火控制單元6輸出高電平給開關管19，使點火線圈3初級端蓄 能，並且在發動機上止點前的某個位置提供一個觸發信號使開關管19關斷，點火線圈3次 級端產生高壓，使火花塞2產生高壓放電，蓄電池10的充電電流由另外的發電機提供，RCD 吸收單元16用來減少開關管19的損耗。本實用新型中利用磁環互感器4採集點火瞬間的 信號，通過信號採集調理電路5處理後，由微控制器單元7進行捕捉，同時也捕捉上止點輸 入信號15，經分析處理得到點火提前角的大小及轉速信號，然後通過串口通信模塊8將數 據送至PC機9進行保存和顯示，完成監控功能；由於蓄電池10供電電壓為12V，而信號採集 調理電路單元5、微控制器單元7和串口通信模塊8的供電電壓為5V，所以通過電壓轉換模 塊18來完成降壓。由於點火線圈3初級端是與微控制器單元7共用同一電源，點火時刻的 瞬間尖峰電壓會影響到微控制器的正常運行，所以採用了退耦濾波電路20來解決該問題。如圖3所示信號採集調理處理電路原理圖。針對點火初級線圈脈衝信號幅值較高 (可達150V)的問題，所採用的電路為隔離式。磁環互感器Ll套在點火初級線圈上，當發動 機運行時，在每周的上止點前的某個角度會產生一個點火信號，通過互感器Ll採集到，然 後經過限流電阻Rl和整流二極體D1，再通過穩壓二極體D2和濾波電容Cl，對信號存在的 一些小的毛刺信號進行濾除，然後利用施密特整形電路Ul (74HC14)對信號進行整形；針對 脈衝寬度非常窄的問題，利用脈衝延時展寬電路U2(NE555，單穩態電路)對脈衝進行展寬， 以便後續電路能進行較好的採集；為了提高信號的抗幹擾能力，採用光電隔離電路U3進行 隔離，然後將信號送至微控制器U4處理，微控制器U4連續捕捉該電平信號，計算時間差得 出發動機具體轉速大小。為了測出發動機在該轉速下的點火提前角信號，微控制器U4需同 步採集上止點輸入信號進行計算分析，計算出在該轉速下曲軸所轉過的角度，即為點火提 前角(點火時刻曲軸對應的角度與上止點的角度之差)。微控制器U4採用Freescale公司
5的MC9S12DP512，其輸出轉速信號以及向上位PC機輸出數據信息。如圖4所示是退耦濾波電路原理圖。由於蓄電池點火系統中點火所需的信號也是 由蓄電池提供的，為了抑制電源的幹擾和由點火引起的強電磁幹擾，採用電解電容和無感 電容並聯組合的退耦濾波電路對系統進行處理，保證了微控制器電壓的穩定，使其能穩定 可靠地工作。如圖5所示是電壓轉換模塊的電路原理圖。由於蓄電池提供的電壓是12V，而信號 採集處理電路、微控制器單元及串口通信模塊所需的電源電壓是5V，所以採用電壓轉換模 塊來完成電壓轉換功能，電源電壓轉換晶片U5採用LM2931S-5。如圖6所示是串口通信模塊的電路原理圖。微控制器U4所採集的數據經過RS232 電平轉換後送至PC機，然後顯示所得到的發動機轉速大小和點火提前角度數，RS232電平 轉換晶片U6採用MC145407。
權利要求一種火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特徵在於包括磁環互感器(4)、信號採集調理電路(5)、微控制器單元(7)、串口通信模塊(8)、PC機(9)和電壓轉換模塊(18)，其中磁環互感器(4)與信號採集調理電路(5)連接，信號採集調理電路(5)的輸出端依次串接微控制器單元(7)、串口通信模塊(8)後連接PC機(9)的輸入端，點火系統中的蓄電池(10)通過電壓轉換模塊(18)分別給信號採集調理電路(5)、微控制器單元(7)和串口通信模塊(8)供電。
2.一種火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特徵在於包括磁環互感 器(4)、信號採集調理電路(5)、微控制器單元(7)、串口通信模塊(8)、PC機(9)、電壓轉換 模塊(18)和退耦濾波電路(20)，其中磁環互感器(4)與信號採集調理電路(5)連接，信號 採集調理電路(5)的輸出端依次串接微控制器單元(7)、串口通信模塊(8)後連接PC機(9) 的輸入端，點火系統中的蓄電池(10)依次通過退耦濾波電路(20)和電壓轉換模塊(18)後 分別給信號採集調理電路(5)、微控制器單元(7)和串口通信模塊(8)供電。
3.根據權利要求1或2所述的火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特 徵在於所述微控制器單元(7)還接入點火系統的上止點輸入信號。
4.根據權利要求1或2所述的火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特 徵在於所述磁環互感器(4)套在點火系統中的點火線圈(3)的初級端上。
5.根據權利要求1或2所述的火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特 徵在於所述信號採集調理電路(5)包括信號整流濾波電路、整形電路、脈衝延時展寬電路 和光電隔離電路，信號整流濾波電路、整形電路、脈衝延時展寬電路、光電隔離電路依次相 連接。
6.根據權利要求2所述的火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特徵在 於所述退耦濾波電路(20)採用電解電容和無感電容的並聯結構。
7.根據權利要求5所述的火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，其特徵在 於所述整形電路採用施密特整形電路。
專利摘要本實用新型公開了兩種火花點火發動機點火提前角及轉速信號採集系統，分別應用於磁電機點火系統和蓄電池點火系統，屬於火花點火發動機性能監測領域。這兩種採集系統的結構均包括磁環互感器(4)、信號採集調理電路(5)、微控制器單元(7)、串口通信模塊(8)、PC機(9)和電壓轉換模塊(18)，應用於蓄電池點火系統時還包括退耦濾波電路(20)。本實用新型是利用採集發動機點火線圈初級信號，經信號調理後獲得發動機的曲軸位置轉角信號，從而獲得轉速信號，再將曲軸位置轉角信號與同步採集的上止點輸入信號的相對角度位置比較，經運算處理後獲得發動機點火提前角參數。本實用新型結構簡單，同步性好，為發動機改裝或試驗提供了便利。
文檔編號F02P5/15GK201650551SQ20092028475
公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月7日 優先權日2009年12月7日
發明者李冰林, 魏民祥 申請人:南京航空航天大學