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基于虚拟仪器技术的汽油发动机点火提前角测试系统
作者： 吴伟斌 洪添胜 李震 职务： 研究生 教授 研究生 单位名称： 华南农业大学工程学院
应用领域 产品测试
使用的产品： LabVIEW 7.0 PDS专业开发版，PCI-6602 32位80MHz定时/计数卡
挑战： 为适应现代汽车汽油发动机点火系统发展的要求，需要在尽可能短的开发周期内建立一个高效实时的测量和监控发动机点火提前角的系统，突破传统测量方法中的不足，包括正时灯测量人工读数、无法夹在高压线、长时间连续使用容易坏等。
应用方案： 应用NI公司的虚拟仪器软件开发平台LabVIEW及PCI-6602 32位80MHz定时/计数卡，构建了功能强大的测量汽油发动机点火提前角的PC机系统，突破了传统测量的局限。
介绍： 汽油发动机点火提前角的超前或滞后都将影响发动机的性能、寿命和排放[1,2]。因此，发动机无论是出厂时，还是经过修理后，其点火提前角都需要测试、调整和校准。 图1 测试原理示意图
正文： 1 系统原理及特性分析 1.1 系统原理 从点火提前角[3]定义可知，点火信号和曲轴参照位置信号是必不可少的。 点火信号可以从高压缸位线通过磁感应线圈获得，该方法被绝大多数正时灯采用，但局限于有高压线的点火系统；本系统的点火信号通过点火初级线圈负极及ECU发出的点火信号获得，因为它们均存在于所有的点火系统中。其中，本系统主要利用ECU发出的信号，因为该信号调理成本较低，而点火初级线圈负极的点火信号用于辅助测试，如驱动闪光灯装置等。 曲轴参照位置信号可通过原装发动机位置传感器（上止点TDC传感器/缸位信号CYP传感器/凸轮轴位置CMP传感器）获得。其测量的原理是：测量曲轴位置传感器信号与点火信号各自相应边沿之间的时间间隔t以及通过TDC或IG的周期T，获得发动机的转动周期，进而经过计算得到点火提前角，如1图所示。根据原理，制作出有缸位判别功能以及兼容各类点火系统的点火提前角测试系统。
1.2 系统特性分析 系统由传感器、汽车发动机、信号调理模块、数据采集卡、个人计算机（PC机）、闪光装置组成。系统结构图如图2所示。 图2 测试系统结构图
信号调理模块是自行设计的，包括比较器LM393、施密特触发器CD40106等电路组成。实现传感器输出信号如各种类型的点火信号和曲轴位置信号的增益或衰减、滤波、整形等功能，以满足NI数据采集卡的测量范围和数据要求。 数据采集卡为PCI型计数/定时卡PCI-6602，含8个32位晶振80 MHz的计数/定时器，晶振稳定性为50 ppm。该卡比一般的计数/定时器卡多了一种辅助触发功能，能直接测量两个不同触发源之间的时间差。 数据由PＣ机处理，PC机主频为1.7 GHz。其结果显示在PC机的显示器上并存入硬盘。 闪光装置属于可选择的扩展功能，用于正时时刻的辅助参考，便于现场观测发动机的运转状态是否稳定。闪光装置是自行设计的，由变压器、触发线圈、可控硅、闪光管等组成。触发信号为调理后的点火信号。
2 系统软件设计 2.1 编程思想 软件编写的目的是实现任意点火系统不同车型的点火提前角测量。首先选择车型、点火系统类型、缸数、缸位顺序、传感器类型、点火信号输入方式等参数，凭密码输入登陆，然后运行主程序，实现数据采集、处理、显示。 2.2 软件编程实现 利用简易、图形化的虚拟仪器软件LabVIEW编写操作界面。操作界面分为控制和显示两个区，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括曲轴转速、点火提前角等显示，超过极限亮灯显示并且发出鸣叫声音（声音类型可选），变化趋势显示，日期时间显示等；控制部分包括控制开关、存储数据频率、极限值、初始值等设置，主操作界面见图3所示。 主程序按功能分为主操作 界面模块、数据储存模块、报表显示打印模块、历史回访模块、重要参数修改模块（需要输入密码才可见参数值）、数据统计分析模块（显示最大值、最小值和平均值等）。 功能模块分页显示，每个模块可独立使用，测试单个内容。当信号采集完成后，可以进行数据保存（直接存入EXCEL，格式为日期、时间、转速、各缸点火提前角）、图表打印（当没有连接打印机时，图表打印到.mdi文档中）等操作。监控参数出现异常时，实现报警。 序最后生成.EXE的文件，脱离LabVIEW运行，此时用户将看不见程序界面，有利于安全操作。
3 试验分析和应用
3.1 无分电器的点火系统 实验在广州东风本田发动机有限公司进行，对象为本田2.4i发动机试验台。室内环境为26.3℃、相对湿度45.1％、大气压1.015×105 Pa。HDS及经过标定的本田正时灯系统的点火提前角测量误差分别为±0.5°和±1°。 实验步骤如下：启动发动机，怠速运转，让冷却水温上升到85℃后，用电涡流测功机控制转速（绝对精度为±2 r·min-1），加速到1400 r·min-1，以100 r·min-1为增量，增加到2000 r·min-1，进行实验。 本测试系统与HDS测量比较，速度绝对误差为±5 r·min-1，相对误差为±0.5％；点火提前角的绝对误差绝对值平均为0.3°，相对误差绝对值平均为1.2%。本田正时灯系统与HDS测量比较，点火提前角的绝对误差绝对值平均为0.9°，相对误差绝对值平均为3.2%。本测试系统各测量值（包括平均值）精度均高于本田正时灯系统。由于本田正时灯系统绝对精度为±1°，可以推断本测试系统绝对精度高于±1°。 3.2 有分电器的点火系统 实验在华南农业大学汽车实验室内进行，室内环境为27℃、相对湿度50％、大气压1.01×105 Pa。 实验步骤如下：启动发动机，怠速运转，让冷却水温上升到85℃后，加速到2000 r·min-1，运行2 min，之后，回到怠速，然后才开始实验。 试验对象是风神蓝鸟2.0iSLA整车。系统与博世MOT-240发动机分析仪测量（转速分辨率为10 r·min-1，正时灯分辨率为0.1°）比较，转速的绝对误差平均值8.1 r·min-1、相对误差平均值0.5%；点火提前角的绝对误差平均值为0.4°、相对误差平均值3.1%。与元征X431ME解码器比较，转速的绝对误差绝对值平均为8.0 r·min-1、相对误差绝对值平均值为0.4%；点火提前角的绝对误差绝对值平均为0.5°、相对误差绝对值平均为3.2%。 以上试验说明，基于虚拟仪器技术开发的该测试系统能够很好的满足汽油发动机点火提前角测量的要求。
4 结论 系统可直接测量的参数有曲轴转速、点火提前角。系统能兼容独立点火及有分电器的发动机点火系统，且同时显示、存储多缸信号。 PC机系统在本田雅阁2.4i发动机台架上试验，与已标定的HDS、本田正时灯系统测量比较，提前角测量绝对误差为±1°，转速绝对误差为±5 r·min-1；在风神蓝鸟EQ7200-Ⅱ轿车上试验，与博世MOT-240发动机分析仪、元征X431ME解码器为参照，点火提前角的绝对误差绝对值平均为0.5°，相对误差绝对值平均为3.2%。 系统开发时间为一个月，进行连续近一个月的试验，运行情况良好。系统应用反映了系统操作界面友好直观方便，响应快、稳定性高，数据直接读入EXCEL，硬盘储存。 系统扩展容易，可同时测量3～4台发动机。在调试程序时，能进行多通道比较、监控，反映了系统的灵活性。系统性价比高，数据采集卡为专用计数/定时卡，没有多余的模拟量输入输出。
参考文献 [1]肖江，俞国胜，贺永珍等. 汽油发动机正时分析仪的研制. 北京林业大学学报，1997，19(3):52～55 [2]邵千钧，何文华电控LPG发动机点火提前角标定与优化的研究. 农业机械学报，2004，35(3)：34～37 [3]陈家瑞. 汽车构造. 北京：人民交通出版社，2000. [4]吴伟斌，洪添胜. 基于虚拟仪器技术的柴油发动机测控系统. 电子技术应用， 2005，31(5)：36～39
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