基于AT89S52的本田節能賽車點火系統設計

天津職業技術師范大學 石玉華 孔 超 鐘海濤

基于AT89S52的本田節能賽車點火系統設計

天津職業技術師范大學 石玉華 孔 超 鐘海濤

Honda中國節能競技大賽以宣傳環保為目標，通過參賽隊伍自行設計和制作節能賽車參加比賽，賽車發動機的節能效果直接影響比賽成績。賽車的點火系統對發動機的運行起著至關重要的作用，根據比賽要求，基于AT89S52單片機設計了一種用于本田節能賽車發動機的點火系統，并應用于賽車上，并取得了較好的效果。

節能賽車；AT89S52單片機；點火系統

1. 研究的目的及意義

Honda中國節能競技大賽自2005年在中國舉辦，該項賽事賽車要求搭載Honda125cc低油耗摩托車四沖程發動機，參賽隊伍根據規則自行制作賽車挑戰節能極限。大賽對參賽車輛以1L燃油行駛多少公里進行評比，行駛里程最遠者獲勝，這其中，發動機性能起到至關重要的作用。對于發動機，點火系統的改進是提升其性能的重要手段。原賽車在原型機基礎上增大壓縮比，因此原有點火系統已不適用于該發動機。需要重新設計開發新的點火控制系統，使之適合高壓縮比發動機。

2. 點火系統分析

在汽車上，微機控制的點火系統已經使用較為廣泛。其特點是將點火提前角的機械調節方式改變為電子控制方式，能使發動機獲得最佳的燃燒，提高了發動機的動力性、經濟性，減少了排放污染。點火控制一般包括點火提前角控制、通電時間（閉合角）控制和爆震控制。本課題不涉及爆震控制，只需進行點火提前角和通電時間控制。對于點火提前角和通電時間的控制，主要參數為發動機轉速，通過原機的磁電式轉速傳感器獲得。同時根據不同轉速下的要求，由單片機為主體的電子控制單元來計算合適的點火提前角，然后控制點火執行器對火花塞施加高電壓使之點火［1-4］。

3. 點火系統設計

由點火系統分析可知，基于單片機的點火系統設計分為兩個方面，硬件設計和軟件設計。硬件設計包含了外部信號的采集、單片機控制電路以及點火執行機構。軟件設計包含了利用外部采集的信號進行計算，得到適合該轉速下的點火提前角和閉合角，并將計算后的數據輸出給點火執行機構進行點火燃燒。

3.1硬件設計

借鑒汽車用微機控制的點火系統的基本原理，硬件構成主要由傳感器、電子控制單元、點火執行器三部分組成。傳感器的作用是將發動機的運轉情況參數傳遞給單片機，為單片機做出計算提供原始依據。電子控制單元接收由傳感器傳遞來的發動機運行參數，通過內部程序作出判斷，得出最佳的點火提前角和該轉速下的閉合角。點火執行機構根據單片機傳遞來的閉合角信號閉合開關，等待初級線圈電流增長到需要的值之后，由單片機控制斷開初級線圈，在次級線圈中感應出高壓點，輸送給火花塞跳火，點燃發動機內部可燃混合氣。點火系統框圖如圖1所示。

圖1 點火系統的組成

基于以上要求，傳感器采用原機磁電式轉速傳感器，電子控制單元采用工作可靠并且具有一定計算處理能力和速度的AT89S52單片機，點火執行機構采用原有的點火驅動模塊，加大點火線圈次級線圈匝數以提高次級電壓，并將火花塞更換為NGK鉑金火花塞，使點火能量更集中，使用壽命更長。

3.2軟件設計

發動機轉速信號通過模數轉換模塊送入到單片機中，單片機接收該轉速信號后對發動機轉速進行判斷，從單片機數據表列中選擇對應的點火提前角，并根據轉速對初級線圈閉合角進行判斷，使初級線圈提前閉合，同時以磁感應式轉速傳感器信號發生時刻為初始時刻，進行計時，當發動機轉動到相應角度時，發出點火信號驅動點火模塊控制初級線圈斷電，從而使次級線圈感應產生高電壓，擊穿火花塞電極之間的間隙，產生火花，點燃可燃混合氣。因此程序算法框圖如圖2所示。

圖2 點火系統程序框圖

系統中的數據通過建立發動機模型進行計算，作為初始數據，通過實驗得到發動機最佳點火提前角數據。

4. 系統測試

將該系統安裝于賽車發動機上進行負荷特性實驗，因該賽車工作轉速范圍小于4000r/min，因此實驗中發動機轉速小于該轉速。以發動機3000r/min時為例，獲得最佳點火提前角為30°CA，如圖3所示。可以看出發動機功率較低的情況下，油耗率和原機幾乎持平，但隨著發動機功率的上升，油耗率逐漸比原機要低，說明此時獲得的最佳點火提前角在油耗率方面優于原機。

圖3 發動機轉速為3000r/min時負荷特性

通過大量實驗，得到了發動機轉速和最佳點火提前角的關系，如圖4所示。

可以看出，發動機的最佳點火提前角比原機略大，高速情況下能有效降低燃油消耗率，由于點火提前角的增大，同時使低速的燃油消耗率在低轉速情況下較原機有所上升。

圖4 試驗獲得的最佳點火提前角與原機的點火提前角

但是賽車比賽中的主要運轉區域在2000-3000r/min，因此該點火系統可以有效的降低發動機燃油消耗率。

5. 結論

（1）節能賽車發動機的節能效果直接影響到比賽成績，原有發動機的點火系統不能滿足改變壓縮比之后的發動機工作要求；

（2）參考汽車發動機微機控制的點火系統，設計節能賽車點火系統為三個部分，即傳感器、單片機和執行部分，編寫執行程序；

（3）將該系統安裝于發動機進行負荷特性實驗，獲得最佳點火提前角，有效降低發動機燃油消耗率。

［1］尤曉萍，胥布工，郭國坤.四沖程汽油機點火裝置的設計與實現［J］.小型內燃機與摩托車，2012（02）.

［2］吳正權.現代摩托車電噴系統的發展新動向（2）［J］.摩托車技術，2012（03）.

［3］王存磊，殷承良，王磊.BOOST發動機建模及其在混合動力仿真中的應用［J］.上海交通大學學報，2011（06）.

［4］趙雪峰，于秀敏，周驥，馬君，齊萬強.基于直噴式汽油機電控系統硬件開發與試驗研究［J］.內燃機工程，2011（02）.

石玉華（1989—），男，河南人，大學本科，現就讀于天津職業技術師范大學汽車與交通學院汽車維修工程教育專業。

孔超（1983—），男，山東人，碩士，講師，現供職于天津職業技術師范大學，主要研究方向：發動機工作過程分析。

鐘海濤（1995—），男，大學本科，現就讀于天津職業技術師范大學汽車與交通學院汽車維修工程教育專業。

（1）2013年國家級“大學生創新創業訓練計劃”項目：“濱海號”節能車的設計與制作（項目號：20131066016）；指導教師：孔超。（2）2016年天津市“大學生創新創業訓練計劃”項目：本田節能車發動機雙點火系統設計與開發（項目號：201610066058）；指導教師：孔超。