汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)包括上百種電氣和機(jī)械零部件，生產(chǎn)線分布較廣，因此分布式間接監(jiān)控方式在點(diǎn)火系統(tǒng)的監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能測試儀通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)的閉合角與分火角，對(duì)其分電器和點(diǎn)火器性能進(jìn)行分析。

　　閉合角、分火角與點(diǎn)火提前角的關(guān)系

　　閉合角

　　以汽油機(jī)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例，活塞往復(fù)四個(gè)單程完成一個(gè)工作周期，四個(gè)沖程包括進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣沖程。在一個(gè)工作循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)過一周共360°。

　　在點(diǎn)火系統(tǒng)中，點(diǎn)火線圈初級(jí)繞組的電流從截止到導(dǎo)通再到截止這一周期中，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)每缸所占的凸輪轉(zhuǎn)角稱為閉合角。在一個(gè)完整的工作周期中，初級(jí)電流共經(jīng)歷4次由截止到導(dǎo)通再到截止的過程，產(chǎn)生4個(gè)點(diǎn)火脈沖，4個(gè)汽缸各有一次點(diǎn)火。如圖1所示，四沖程的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作周期T為

T=(a1+a2+a3+a4+b1+b2+b3+b4)；

　　式中，ai(i=1，2，3，4)為初級(jí)電流在工作周期T中第i次導(dǎo)通的時(shí)間，bi(i=1，2，3，4)為初級(jí)電流在工作周期T中第i次截止的時(shí)間。

　　第1缸的閉合角α1為
α1=a1×360°／T；
第2缸的閉合角α2為
α2=a2×360°／T；
第3缸和第4缸依此類推。

　　如果閉合角小，閉合時(shí)間短，初級(jí)電流增長不到需要的數(shù)值，會(huì)造成點(diǎn)火能量不足。若閉合角太大，對(duì)觸點(diǎn)式點(diǎn)火系統(tǒng)而言，說明觸點(diǎn)間隙小，會(huì)使觸點(diǎn)發(fā)生電弧放電，反而減弱了點(diǎn)火能量，不利于正常點(diǎn)火，且觸點(diǎn)閉合時(shí)間過長，初級(jí)電流增長到最大值以后繼續(xù)通電，還會(huì)使點(diǎn)火線圈發(fā)熱。閉合角相同時(shí)，轉(zhuǎn)速高所占的時(shí)間短，轉(zhuǎn)速低所占的時(shí)間長。閉合角隨轉(zhuǎn)速而變化是最好的情況。一般8缸機(jī)的閉合角為29°～32°，6缸機(jī)為 38°～42°，4缸機(jī)為43°～47°，3缸機(jī)為63°～67°。

　　分火角

　　觀察分火角均勻度是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。這里1缸分火角β1為
βl=(al+b1)×360°／T；
2缸分火角β2為
β2=(a2+b2)×360°／T；
第3缸和第4缸依此類推。

　　點(diǎn)火提前角

　　汽油發(fā)動(dòng)機(jī)吸入汽缸中的混合氣，并需要一定時(shí)間燃燒。為使活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)混合氣已充分燃燒，以達(dá)到最大功率，應(yīng)使火花塞在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前跳火。從點(diǎn)火開始到活塞到達(dá)上止點(diǎn)這段時(shí)間曲軸轉(zhuǎn)過的角度為點(diǎn)火提前角。 點(diǎn)火過早，加速時(shí)會(huì)出現(xiàn)爆震，發(fā)出類似金屬敲擊的聲音，活塞上行受阻，效率降低，磨損加劇。點(diǎn)火過遲，氣體做功效率低，則發(fā)動(dòng)機(jī)不易起動(dòng)，提速慢，還會(huì)出現(xiàn)排氣管放炮、發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的現(xiàn)象。因此，點(diǎn)火過早或過遲，都會(huì)影響轉(zhuǎn)速的提升。

　　影響點(diǎn)火提前角的最大因素是轉(zhuǎn)速。隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)過同樣角度的時(shí)間會(huì)變短。因此最佳點(diǎn)火提前角可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)閉合角和分火角進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的目的就是在各種不同狀況下使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程，實(shí)現(xiàn)效率最高，振動(dòng)最小，溫升最低。 理論上最小點(diǎn)火提前角為0°，但為了防止在進(jìn)氣行程點(diǎn)燃進(jìn)氣，往往設(shè)為5°以上，一般不超過60°。

　　電路設(shè)計(jì)

　　點(diǎn)火性能測試儀包括電源模塊、測量與控制模塊、顯示模塊等，其電路原理框圖如圖2所示。

電源模塊將220V交流電源轉(zhuǎn)換成5V直流電提供給其他模塊。測量與控制模塊對(duì)點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行采集和限幅處理后，輸入單片機(jī)89C52進(jìn)行閉合角及分火角的測量和計(jì)算，得出的角度值送顯示模塊，依照汽缸的點(diǎn)火次序依次顯示角度值。

　　測量和控制模塊設(shè)計(jì)

　　測量和控制模塊的功能主要由預(yù)處理電路和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。預(yù)處理電路將輸入的點(diǎn)火信號(hào)進(jìn)行限幅和整形處理，抑制干擾信號(hào)，尤其是抑制可能產(chǎn)生的過電壓或負(fù)電壓。限幅和整形主要由運(yùn)算放大器集成芯片LM324結(jié)合二極管的導(dǎo)通截止特性完成。LM324輸出的方波信號(hào)經(jīng)反向器74LS14，輸出兩路互為反相的信號(hào)，其中與點(diǎn)火信號(hào)的反相信號(hào)接入89C52的引腳P1.0和INT0，另一路則接入P1.1和INT1。

　　89C52 單片機(jī)是測量和控制模塊的核心芯片。測試中的點(diǎn)火周期信號(hào)頻率較低，因此由信號(hào)的邏輯控制計(jì)數(shù)器的工作，信號(hào)輸入端為高電平時(shí)計(jì)數(shù)，為低電平時(shí)停止計(jì)數(shù)。通過軟件設(shè)置控制位TR0和GATE均為1，并選擇計(jì)數(shù)器0工作方式為模式1，則TH0+TL0是否計(jì)數(shù)取決于INT0引腳的信號(hào)，當(dāng)INT0由0變1 時(shí)，開始計(jì)數(shù)，INT0由1變0時(shí)，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)過程中用查詢方式測試I／O口P1.0信號(hào)的電平，高電平時(shí)，由計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)數(shù)；測試到低電平時(shí)，表明計(jì)數(shù)結(jié)束，單片機(jī)可以取計(jì)數(shù)值并計(jì)算計(jì)數(shù)結(jié)果。這樣，INT0端信號(hào)的高電平脈寬可由計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)得出。這種設(shè)計(jì)方式有效地保證了計(jì)數(shù)的速度和精度。同樣，INT1端信號(hào)的低電平脈寬時(shí)可由計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)得出。計(jì)數(shù)器0和1的計(jì)數(shù)值，經(jīng)軟件計(jì)算，得出點(diǎn)火的閉合角和分火角，與角度值相應(yīng)的數(shù)據(jù)串行輸出，送 LED顯示模塊顯示。 此外，P1.0和P1.1用于對(duì)計(jì)數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行查詢，若P1.0口狀態(tài)變?yōu)?0"，表明計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)完成，此時(shí)便可獲取計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值。P1.1與計(jì)數(shù)器1的工作與此相同。由于P1.0與P1.1測試的是反相信號(hào)，因此可以得到一個(gè)周期信號(hào)的兩個(gè)半波計(jì)數(shù)值。經(jīng)過處理可計(jì)算出對(duì)應(yīng)角度值。不存在延時(shí)誤差或采用中斷方式的中斷誤差。
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電路中設(shè)計(jì)了鍵盤輸入人機(jī)接口S1和S2。S1為輸入功能鍵，S2為系統(tǒng)啟動(dòng)鍵。S1有兩個(gè)功能：汽車汽缸數(shù)選擇功能和汽缸數(shù)復(fù)位功能。按鍵S1與 89C52的P1.2相連，每按一次，缸數(shù)加1。選定缸數(shù)后，按下與P1.3相連的測試按鍵S2即開始測試，為減少按鍵設(shè)計(jì)，任何狀態(tài)下，只要長按S1鍵就可立刻回到初始狀態(tài)，缸數(shù)選擇步驟重新選擇缸數(shù)。

　　顯示模塊設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際測量中，由于角度值以度為單位，不會(huì)超過百位，且精確到十分位，因此用4個(gè)數(shù)碼管LED即可顯示一路汽缸的點(diǎn)火閉合角，級(jí)聯(lián)后可顯示多路多缸的點(diǎn)火閉合角。本系統(tǒng)采用串行工作方式，使用4路LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

　　89C52 的數(shù)據(jù)串行輸入到顯示模塊。移位時(shí)鐘脈沖CLOCK和清零信號(hào)CLEAR均由軟件控制。顯示模塊中采用了TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入并行輸出，直接驅(qū)動(dòng)共陰極八段LED數(shù)碼管。此外，使用89C52的3個(gè)I／O引腳連接發(fā)光二極管L4～L6進(jìn)行工作時(shí)的狀態(tài)顯示。當(dāng)L4點(diǎn)亮?xí)r，表示當(dāng)前正在顯示的是閉合角角度，當(dāng)L5點(diǎn)亮?xí)r，表示當(dāng)前正在顯示的是分火角角度。當(dāng)測試的汽缸數(shù)大于4缸時(shí)，L6將點(diǎn)亮作為提示，如圖4所示。

初始化時(shí)，按S1、LED數(shù)碼管顯示需要測試的氣缸數(shù)。按S2后進(jìn)入工作狀態(tài)，以4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在每一輪的顯示中，4路LED顯示模塊先同時(shí)顯示4缸閉合角的角度，同時(shí)L4點(diǎn)亮，持續(xù)3秒鐘后換成L5點(diǎn)亮，LED板顯示分火角的角度。為提高七段數(shù)碼管的利用率，本設(shè)計(jì)針對(duì)缸數(shù)較多的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了角度值翻頁顯示的方法。例如8缸發(fā)動(dòng)機(jī)仍可以只采用4路LED顯示模塊，第一輪顯示的只是前4缸的角度值，第二輪才顯示后4缸的角度值，當(dāng)顯示的是后4缸角度時(shí)，L6會(huì)點(diǎn)亮作為提示。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　點(diǎn)火信號(hào)經(jīng)過一定的預(yù)處理后傳送給89C52單片機(jī)，完成測量、計(jì)算和相應(yīng)顯示。主程序的軟件流程圖如圖5所示。軟件設(shè)計(jì)主要包括缸數(shù)選擇、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測量、中斷服務(wù)、角度計(jì)算和顯示等模塊。

　缸數(shù)選擇模塊程序設(shè)計(jì)

　　測試儀的面板上設(shè)有缸數(shù)選擇按鍵S1，每按一次，缸數(shù)加1。選定缸數(shù)后，按下按鍵S2即開始測試。此外，程序中設(shè)有多處對(duì)按鍵S2的查詢，如果在測試儀工作過程中要重新選擇缸數(shù)，可以隨時(shí)按下S2不松開，時(shí)間稍長就一定會(huì)被查詢到，程序會(huì)重新進(jìn)入缸數(shù)選擇階段。

　　計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)與中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)轉(zhuǎn)速超出測試儀標(biāo)定的范圍時(shí)，將產(chǎn)生計(jì)數(shù)器0或1溢出中斷，此時(shí)LED顯示"E"，意為"ERROR"，只需實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速就可以重新進(jìn)入計(jì)數(shù)程序，開始測量。

　　角度顯示程序設(shè)計(jì)

　　在計(jì)算出閉合角或分火角的角度值后，通過譯碼程序?qū)⒍M(jìn)制形式的角度值轉(zhuǎn)換成BCD碼暫存在累加器中，累加器將角度數(shù)據(jù)串行傳輸至74LS164，然后送到八段數(shù)碼管以顯示當(dāng)前BCD編碼的十進(jìn)制角度值。

　　結(jié)語

　　本文在SUPERIMAGE-3000開發(fā)環(huán)境下完成基于89C52的汽車點(diǎn)火性能測試儀的硬件和軟件開發(fā)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和裝車測試結(jié)果均穩(wěn)定可靠、精度達(dá)標(biāo)，可有效地作為分析發(fā)動(dòng)機(jī)分電器和點(diǎn)火器質(zhì)量的指標(biāo)，對(duì)于調(diào)整高效的點(diǎn)火正時(shí)和點(diǎn)火提前角具有重要意義。