CN101718242A - 火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了两种火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，分别应用于磁电机点火系统和蓄电池点火系统，属于火花点火发动机性能监测领域。这两种采集系统的结构均包括磁环互感器(4)、信号采集调理电路(5)、微控制器单元(7)、串口通信模块(8)、PC机(9)和电压转换模块(18)，应用于蓄电池点火系统时的结构还包括退耦滤波电路(20)。本发明是利用采集发动机点火线圈初级信号，经信号调理后获得发动机的曲轴位置转角信号，从而获得转速信号，再将曲轴位置转角信号与同步采集的上止点输入信号的相对角度位置比较，经运算处理后获得发动机点火提前角参数。本发明结构简单，同步性能好，为发动机改装或试验提供了便利。

Description

火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统

技术领域

本发明涉及发动机的信号采集系统，尤其涉及火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，属于火花点火发动机性能监测领域。

背景技术

目前，现有火花点火发动机的转速信号主要是采集来自曲轴(或凸轮轴)相位传感器的信号或磁电机内部的触发线圈信号。

发动机的点火提前角也是影响发动机动力和排放性能的一个主要指标，而现有的发动机很少有对点火提前角参数进行监测的功能，这给发动机的改装或者试验带来很大的不便，特别是对发动机建模时，由于往往得不到点火提前角参数，通常假设点火提前角在某一范围内为固定值，这与发动机的实际运行状况相背离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对磁电机点火系统和蓄电池点火系统，分别提出相应的结构简单准确性高、且能同时获得点火提前角及转速信号的采集监测系统。

本发明的一种火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，包括：磁环互感器、信号采集调理电路、微控制器单元、串口通信模块、PC机和电压转换模块，其中：磁环互感器与信号采集调理电路连接，信号采集调理电路的输出端依次串接微控制器单元、串口通信模块后连接PC机的输入端，点火系统中的蓄电池通过电压转换模块分别给信号采集调理电路、微控制器单元和串口通信模块供电。

本发明的另一种火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，包括：磁环互感器、信号采集调理电路、微控制器单元、串口通信模块、PC机、电压转换模块和退耦滤波电路，其中：磁环互感器与信号采集调理电路连接，信号采集调理电路的输出端依次串接微控制器单元、串口通信模块后连接PC机的输入端，点火系统中的蓄电池依次通过退耦滤波电路和电压转换模块后分别给信号采集调理电路、微控制器单元和串口通信模块供电。

所述微控制器单元还接入点火系统的上止点输入信号。

所述磁环互感器套在点火系统中的点火线圈的初级端上。

所述信号采集调理电路包括信号整流滤波电路、整形电路、脉冲延时展宽电路和光电隔离电路，信号整流滤波电路、整形电路、脉冲延时展宽电路、光电隔离电路依次相连接。

所述退耦滤波电路采用电解电容和无感电容的并联结构。

所述信号采集调理电路中的整形电路采用施密特整形电路。

本发明针对发动机点火瞬间电压较高的问题，采用了降压处理和滤波的方式，对毛刺信号进行较好的滤除和整形；针对放电瞬间时间很短的问题，采用脉冲延时展宽电路对波形进行展宽，有利于微控制器进行采集，使采集的信号更稳定，更准确的获得转速信号，不至于漏掉脉冲。本发明所采集的信号都可以作为电子转速计的信号，结构简单，性能可靠，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明是在现有的火花点火发动机基础上，增加了点火线圈初级信号采集调理电路，能很好的获得发动机的曲轴位置转角信号，进而得到转速输出信号；

(2)将发动机的曲轴位置转角信号与同步采集的上止点输入信号进行对比运算，从而获得发动机的点火提前角信号；对点火提前角信号进行监控，给发动机的改装或试验带来便利，并有利于测试发动机在不同工况下的点火提前角参数。

附图说明

图1是本发明应用于磁电机点火系统的点火提前角及转速信号采集系统应用结构示意图。

图2是本发明应用于蓄电池点火系统的点火提前角及转速信号采集系统应用结构示意图。

图1和图2中标号名称：1为发动机；2为火花塞；3为点火线圈；4为磁环互感器；5为信号采集调理电路；6为发动机自带的点火控制单元；7为微控制器单元；8为串口通信模块；9为PC机；10为蓄电池；11为熄火开关；12为点火触发单元；13为磁电机；14为整流模块；15为上止点输入信号；16为RCD吸收单元；17为点火开关；18为电压转换模块；19为开关管；20为退耦滤波电路。

图3是信号采集调理处理(磁环互感器、信号采集调理电路及微控制器)电路原理图，图中：L1为磁环互感器；U1为施密特整形电路；U2为脉冲延时展宽电路(单稳态电路)；U3为光电隔离电路；U4为微控制器。

图4是退耦滤波电路原理图，图中：JP1为插座1；JP2为插座2。

图5是电压转换模块的电路原理图，图中：U5为电源电压转换芯片；JP1为插座1；JP3为插座3。

图6是微控制器与PC机之间串口通信模块的电路原理图，图中：U6为RS232电平转换芯片。

具体实施方式

由于发动机的点火信号通常是与发动机转速相对应的，当活塞由下止点往上止点运动时，运动到接近上止点即将点火的某一时刻，电控单元(ECU)发送一个脉冲信号，发动机点火线圈次级的火花塞产生火花放电，通过采集点火线圈初级的点火信号可以准确获得发动机的曲轴位置转角信号，从而可获得转速信号，再将曲轴位置转角信号与同步采集的上止点信号进行运算分析可获得点火提前角的大小。由于发动机在运行过程中可能存在失火现象，根据实验验证分析，即使点火时火花塞出现失火故障，点火线圈初级能够产生瞬间的点火时刻波形，通过互感器将信号进行感应，从而产生脉冲电压，通过调理得到相应的输出信号。

如图1所示是应用于磁电机点火系统的点火提前角及转速信号采集系统应用结构示意图。图中包含了发动机本身所具有的点火系统。其中本发明的结构包括：磁环互感器4、信号采集调理电路5、微控制器单元7、串口通信模块8、PC机9和电压转换模块18，磁环互感器4与信号采集调理电路5连接，信号采集调理电路5的输出端依次串接微控制器单元7、串口通信模块8后连接PC机9的输入端，点火系统中的蓄电池10通过电压转换模块18分别给信号采集调理电路5、微控制器单元7和串口通信模块8供电。点火系统由磁电机13给发动机自带的点火控制单元6提供电压，点火触发单元12在发动机上止点前的某个位置提供一个触发信号，使点火控制单元6中的开关管导通，电容迅速放电，点火线圈3次级端产生高压，使火花塞2产生高压放电；另外，磁电机13通过整流模块14不断给蓄电池10提供充电电流，闭合熄火开关11，发动机1熄火。本发明中利用磁环互感器4采集点火瞬间的信号，通过信号采集调理电路5处理后，由微控制器单元7进行捕捉，同时也捕捉上止点输入信号15，经分析处理得到点火提前角的大小及转速信号，然后通过串口通信模块8将数据送至PC机9进行保存和显示，完成监控功能；由于蓄电池10供电电压为12V，而信号采集调理电路5、微控制器单元7和串口通信模块8的供电电压为5V，所以通过电压转换模块18来完成降压。

如图2所示是应用于蓄电池点火系统的点火提前角及转速信号采集系统应用结构示意图。图中包含了发动机本身所具有的点火系统。其中本发明的结构包括：磁环互感器4、信号采集调理电路5、微控制器单元7、串口通信模块8、PC机9、电压转换模块18和退耦滤波电路20，磁环互感器4与信号采集调理电路5连接，信号采集调理电路5的输出端依次串接微控制器单元7、串口通信模块8后连接PC机9的输入端，点火系统中的蓄电池10依次通过退耦滤波电路20和电压转换模块18后分别给信号采集调理电路5、微控制器单元7和串口通信模块8供电。点火系统由蓄电池10提供点火信号开启点火开关17，蓄电池10通过发动机自带的点火控制单元6输出高电平给开关管19，使点火线圈3初级端蓄能，并且在发动机上止点前的某个位置提供一个触发信号使开关管19关断，点火线圈3次级端产生高压，使火花塞2产生高压放电，蓄电池10的充电电流由另外的发电机提供，RCD吸收单元16用来减少开关管19的损耗。本发明中利用磁环互感器4采集点火瞬间的信号，通过信号采集调理电路5处理后，由微控制器单元7进行捕捉，同时也捕捉上止点输入信号15，经分析处理得到点火提前角的大小及转速信号，然后通过串口通信模块8将数据送至PC机9进行保存和显示，完成监控功能；由于蓄电池10供电电压为12V，而信号采集调理电路单元5、微控制器单元7和串口通信模块8的供电电压为5V，所以通过电压转换模块18来完成降压。由于点火线圈3初级端是与微控制器单元7共用同一电源，点火时刻的瞬间尖峰电压会影响到微控制器的正常运行，所以采用了退耦滤波电路20来解决该问题。

如图3所示信号采集调理处理电路原理图。针对点火初级线圈脉冲信号幅值较高(可达150V)的问题，所采用的电路为隔离式。磁环互感器L1套在点火初级线圈上，当发动机运行时，在每周的上止点前的某个角度会产生一个点火信号，通过互感器L1采集到，然后经过限流电阻R1和整流二极管D1，再通过稳压二极管D2和滤波电容C1，对信号存在的一些小的毛刺信号进行滤除，然后利用施密特整形电路U1(74HC14)对信号进行整形；针对脉冲宽度非常窄的问题，利用脉冲延时展宽电路U2(NE555，单稳态电路)对脉冲进行展宽，以便后续电路能进行较好的采集；为了提高信号的抗干扰能力，采用光电隔离电路U3进行隔离，然后将信号送至微控制器U4处理，微控制器U4连续捕捉该电平信号，计算时间差得出发动机具体转速大小。为了测出发动机在该转速下的点火提前角信号，微控制器U4需同步采集上止点输入信号进行计算分析，计算出在该转速下曲轴所转过的角度，即为点火提前角(点火时刻曲轴对应的角度与上止点的角度之差)。微控制器U4采用Freescale公司的MC9S12DP512，其输出转速信号以及向上位PC机输出数据信息。

如图4所示是退耦滤波电路原理图。由于蓄电池点火系统中点火所需的信号也是由蓄电池提供的，为了抑制电源的干扰和由点火引起的强电磁干扰，采用电解电容和无感电容并联组合的退耦滤波电路对系统进行处理，保证了微控制器电压的稳定，使其能稳定可靠地工作。

如图5所示是电压转换模块的电路原理图。由于蓄电池提供的电压是12V，而信号采集处理电路、微控制器单元及串口通信模块所需的电源电压是5V，所以采用电压转换模块来完成电压转换功能，电源电压转换芯片U5采用LM2931S-5。

如图6所示是串口通信模块的电路原理图。微控制器U4所采集的数据经过RS232电平转换后送至PC机，然后显示所得到的发动机转速大小和点火提前角度数，RS232电平转换芯片U6采用MC145407。

Claims (7)

1.一种火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：包括磁环互感器(4)、信号采集调理电路(5)、微控制器单元(7)、串口通信模块(8)、PC机(9)和电压转换模块(18)，其中：磁环互感器(4)与信号采集调理电路(5)连接，信号采集调理电路(5)的输出端依次串接微控制器单元(7)、串口通信模块(8)后连接PC机(9)的输入端，点火系统中的蓄电池(10)通过电压转换模块(18)分别给信号采集调理电路(5)、微控制器单元(7)和串口通信模块(8)供电。

2.一种火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：包括磁环互感器(4)、信号采集调理电路(5)、微控制器单元(7)、串口通信模块(8)、PC机(9)、电压转换模块(18)和退耦滤波电路(20)，其中：磁环互感器(4)与信号采集调理电路(5)连接，信号采集调理电路(5)的输出端依次串接微控制器单元(7)、串口通信模块(8)后连接PC机(9)的输入端，点火系统中的蓄电池(10)依次通过退耦滤波电路(20)和电压转换模块(18)后分别给信号采集调理电路(5)、微控制器单元(7)和串口通信模块(8)供电。

3.根据权利要求1或2所述的火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：所述微控制器单元(7)还接入点火系统的上止点输入信号。

4.根据权利要求1或2所述的火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：所述磁环互感器(4)套在点火系统中的点火线圈(3)的初级端上。

5.根据权利要求1或2所述的火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：所述信号采集调理电路(5)包括信号整流滤波电路、整形电路、脉冲延时展宽电路和光电隔离电路，信号整流滤波电路、整形电路、脉冲延时展宽电路、光电隔离电路依次相连接。

6.根据权利要求2所述的火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：所述退耦滤波电路(20)采用电解电容和无感电容的并联结构。

7.根据权利要求5所述的火花点火发动机点火提前角及转速信号采集系统，其特征在于：所述整形电路采用施密特整形电路。

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