汽车发动机点火性能测试仪设计

汽车发动机的点火系统包括上百种电气和机械零部件，生产线分布较广，因此分布式间接监控方式在点火系统的监测与故障诊断系统中得到广泛应用。发动机点火性能测试仪通过测量发动机的闭合角与分火角，对其分电器和点火器性能进行分析。

　　闭合角、分火角与点火提前角的关系

　　闭合角

　　以汽油机四冲程发动机为例，活塞往复四个单程完成一个工作周期，四个冲程包括进气、压缩、做功和排气冲程。在一个工作循环中，发动机凸轮轴转过一周共360°。

　　在点火系统中，点火线圈初级绕组的电流从截止到导通再到截止这一周期中，多缸发动机每缸所占的凸轮转角称为闭合角。在一个完整的工作周期中，初级电流共经历4次由截止到导通再到截止的过程，产生4个点火脉冲，4个汽缸各有一次点火。如图1所示，四冲程的4缸发动机一个工作周期T为

T=(a1+a2+a3+a4+b1+b2+b3+b4)；

　　式中，ai(i=1，2，3，4)为初级电流在工作周期T中第i次导通的时间，bi(i=1，2，3，4)为初级电流在工作周期T中第i次截止的时间。

　　第1缸的闭合角α1为
α1=a1×360°／T；
第2缸的闭合角α2为
α2=a2×360°／T；
第3缸和第4缸依此类推。

　　如果闭合角小，闭合时间短，初级电流增长不到需要的数值，会造成点火能量不足。若闭合角太大，对触点式点火系统而言，说明触点间隙小，会使触点发生电弧放电，反而减弱了点火能量，不利于正常点火，且触点闭合时间过长，初级电流增长到最大值以后继续通电，还会使点火线圈发热。闭合角相同时，转速高所占的时间短，转速低所占的时间长。闭合角随转速而变化是最好的情况。一般8缸机的闭合角为29°～32°，6缸机为 38°～42°，4缸机为43°～47°，3缸机为63°～67°。

　　分火角

　　观察分火角均匀度是汽车发动机点火性能测试的关键环节之一。这里1缸分火角β1为
βl=(al+b1)×360°／T；
2缸分火角β2为
β2=(a2+b2)×360°／T；
第3缸和第4缸依此类推。

　　点火提前角

　　汽油发动机吸入汽缸中的混合气，并需要一定时间燃烧。为使活塞到达上止点时混合气已充分燃烧，以达到最大功率，应使火花塞在活塞到达上止点前跳火。从点火开始到活塞到达上止点这段时间曲轴转过的角度为点火提前角。 点火过早，加速时会出现爆震，发出类似金属敲击的声音，活塞上行受阻，效率降低，磨损加剧。点火过迟，气体做功效率低，则发动机不易起动，提速慢，还会出现排气管放炮、发动机过热的现象。因此，点火过早或过迟，都会影响转速的提升。

　　影响点火提前角的最大因素是转速。随着转速的上升，转过同样角度的时间会变短。因此最佳点火提前角可根据发动机闭合角和分火角进行调整。调整的目的就是在各种不同状况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程，实现效率最高，振动最小，温升最低。 理论上最小点火提前角为0°，但为了防止在进气行程点燃进气，往往设为5°以上，一般不超过60°。

　　电路设计

　　点火性能测试仪包括电源模块、测量与控制模块、显示模块等，其电路原理框图如图2所示。

电源模块将220V交流电源转换成5V直流电提供给其他模块。测量与控制模块对点火信号进行采集和限幅处理后，输入单片机89C52进行闭合角及分火角的测量和计算，得出的角度值送显示模块，依照汽缸的点火次序依次显示角度值。

　　测量和控制模块设计

　　测量和控制模块的功能主要由预处理电路和单片机实现，如图3所示。预处理电路将输入的点火信号进行限幅和整形处理，抑制干扰信号，尤其是抑制可能产生的过电压或负电压。限幅和整形主要由运算放大器集成芯片LM324结合二极管的导通截止特性完成。LM324输出的方波信号经反向器74LS14，输出两路互为反相的信号，其中与点火信号的反相信号接入89C52的引脚P1.0和INT0，另一路则接入P1.1和INT1。

　　89C52 单片机是测量和控制模块的核心芯片。测试中的点火周期信号频率较低，因此由信号的逻辑控制计数器的工作，信号输入端为高电平时计数，为低电平时停止计数。通过软件设置控制位TR0和GATE均为1，并选择计数器0工作方式为模式1，则TH0+TL0是否计数取决于INT0引脚的信号，当INT0由0变1 时，开始计数，INT0由1变0时，停止计数。计数过程中用查询方式测试I／O口P1.0信号的电平，高电平时，由计数器自动计数；测试到低电平时，表明计数结束，单片机可以取计数值并计算计数结果。这样，INT0端信号的高电平脉宽可由计数器0计数得出。这种设计方式有效地保证了计数的速度和精度。同样，INT1端信号的低电平脉宽时可由计数器1计数得出。计数器0和1的计数值，经软件计算，得出点火的闭合角和分火角，与角度值相应的数据串行输出，送 LED显示模块显示。 此外，P1.0和P1.1用于对计数的状态进行查询，若P1.0口状态变为"0"，表明计数器0的计数完成，此时便可获取计数器0的计数值。P1.1与计数器1的工作与此相同。由于P1.0与P1.1测试的是反相信号，因此可以得到一个周期信号的两个半波计数值。经过处理可计算出对应角度值。不存在延时误差或采用中断方式的中断误差。
 

电路中设计了键盘输入人机接口S1和S2。S1为输入功能键，S2为系统启动键。S1有两个功能：汽车汽缸数选择功能和汽缸数复位功能。按键S1与 89C52的P1.2相连，每按一次，缸数加1。选定缸数后，按下与P1.3相连的测试按键S2即开始测试，为减少按键设计，任何状态下，只要长按S1键就可立刻回到初始状态，缸数选择步骤重新选择缸数。

　　显示模块设计

　　在实际测量中，由于角度值以度为单位，不会超过百位，且精确到十分位，因此用4个数码管LED即可显示一路汽缸的点火闭合角，级联后可显示多路多缸的点火闭合角。本系统采用串行工作方式，使用4路LED数码管进行显示。

　　89C52 的数据串行输入到显示模块。移位时钟脉冲CLOCK和清零信号CLEAR均由软件控制。显示模块中采用了TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入并行输出，直接驱动共阴极八段LED数码管。此外，使用89C52的3个I／O引脚连接发光二极管L4～L6进行工作时的状态显示。当L4点亮时，表示当前正在显示的是闭合角角度，当L5点亮时，表示当前正在显示的是分火角角度。当测试的汽缸数大于4缸时，L6将点亮作为提示，如图4所示。

初始化时，按S1、LED数码管显示需要测试的气缸数。按S2后进入工作状态，以4缸发动机为例，在每一轮的显示中，4路LED显示模块先同时显示4缸闭合角的角度，同时L4点亮，持续3秒钟后换成L5点亮，LED板显示分火角的角度。为提高七段数码管的利用率，本设计针对缸数较多的发动机，采用了角度值翻页显示的方法。例如8缸发动机仍可以只采用4路LED显示模块，第一轮显示的只是前4缸的角度值，第二轮才显示后4缸的角度值，当显示的是后4缸角度时，L6会点亮作为提示。

　　软件设计

　　点火信号经过一定的预处理后传送给89C52单片机，完成测量、计算和相应显示。主程序的软件流程图如图5所示。软件设计主要包括缸数选择、计数器计数测量、中断服务、角度计算和显示等模块。

　缸数选择模块程序设计

　　测试仪的面板上设有缸数选择按键S1，每按一次，缸数加1。选定缸数后，按下按键S2即开始测试。此外，程序中设有多处对按键S2的查询，如果在测试仪工作过程中要重新选择缸数，可以随时按下S2不松开，时间稍长就一定会被查询到，程序会重新进入缸数选择阶段。

　　计数器计数与中断服务程序设计

　　当转速超出测试仪标定的范围时，将产生计数器0或1溢出中断，此时LED显示"E"，意为"ERROR"，只需实时调整转速就可以重新进入计数程序，开始测量。

　　角度显示程序设计

　　在计算出闭合角或分火角的角度值后，通过译码程序将二进制形式的角度值转换成BCD码暂存在累加器中，累加器将角度数据串行传输至74LS164，然后送到八段数码管以显示当前BCD编码的十进制角度值。

　　结语

　　本文在SUPERIMAGE-3000开发环境下完成基于89C52的汽车点火性能测试仪的硬件和软件开发，实验数据和装车测试结果均稳定可靠、精度达标，可有效地作为分析发动机分电器和点火器质量的指标，对于调整高效的点火正时和点火提前角具有重要意义。