一种变能量的点火测控系统及其测控方法
【专利摘要】本发明涉及一种变能量的点火测控系统及其测控方法，该系统包括充电回路、放电回路和驱动控制电路；所述充电回路包括：线性直流恒压源，以及依次连接在线性直流恒压源正极和负极之间的第一二极管、第一电阻、充电控制开关、第二二极管和电容组；所述放电回路包括放电控制开关，点火线圈、电压探头和点火电极、PC机、示波器和电流探头；所述驱动控制电路通过PC机发出触发信号，通过串口模块实现与单片机的通信，从而控制充电控制开关与放电控制开关的相应通断，从而完成每一次点火。本发明在每一次点火过程中，能准确地测量出每一次点火过程的点火能量大小，并得到EC-EI曲线，从而通过改变电容组的储能大小来控制点火能量的大小。
【专利说明】-种变能量的点火测控系统及其测控方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及点火测控系统，具体地指一种变能量的点火测控系统及其测控方法。
【背景技术】
[0002] 点火能量是发动机性能的重要影响因素之一，影响着火核的形成过程与燃料初期 火焰的传播速度。利用发动机台架可W开展关于不同点火能量对于发动机动力性、经济性 与排放的研究，利用定容燃烧弹系统则可W研究不同点火能量对于火焰初期传播过程的影 响。因此开展点火能量方面的研究便具有十分重要的意义，可W为优化发动机点火系统的 设计与控制提供理论依据。
[0003] 最小点火能量是指引燃一定浓度可燃物或爆炸所需要的最低能量值，是用来衡量 可燃气体或液体蒸汽的爆炸危险性的重要参数，也是静电安全的重要技术参数。测量不同 燃料的最小点火能量，既可W为可燃气体或液体的安全储运提供参考，也可W为发动机的 点火系统设计提供相关参数依据。因此测定不同燃料的最小点火能量具有重要意义。利用 定容燃烧弹可W测定不同燃料（气体燃料与部分液体燃料）的最小点火能量。
[0004] 目前公开的可变能量点火系统中，大部分是通过控制影响变能量的参数定性地 控制点火能量的变化，例如电感式点火系统中，通过控制充电时间实现变能量。借助于模拟 负载手段近似标定点火能量的大小，不能做到实时得到每一次点火过程的点火能量大小。 由于放电过程中电极间负载比较复杂，使得标定的点火能量大小与实际的点火能量存在一 定差异。
[0005] 常用的最小点火能量测量装置所采用的点火系统，一般是通过直流电源提供万伏 高压对电容充电，然后通过让电容放电完成点火。点火能量则认为是电容的储能值。该种 点火系统虽然结构简单，但由于电源的输出电压过大，对于线路中元件耐压要求较高，降低 了系统的使用寿命，在操作过程中具有一定的危险性。同时由于存在线路损耗，使得实际的 点火能量小于电容储存能量值。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种变能量的点火测控系统及 其测控方法，该点火测控系统能够实现点火过程中点火能量的可调与可测，既可W根据需 要改变点火能量，且能准确地测量出每一次点火过程的点火能量大小。
[0007] 实现本发明目的采用的技术方案是一种变能量的点火测控系统，包括充电回路、 放电回路、W及控制所述充电回路、放电回路进行充电和放电的驱动控制电路、电压探头、 电流探头、点火电极、示波器和PC机；
[000引所述充电回路包括；线性直流恒压源，W及依次连接在线性直流恒压源正极和负 极之间的第一二极管、第一电阻、充电控制开关、第二二极管和电容组；
[0009] 所述放电回路包括所述电容组、放电控制开关，点火线圈和点火电极，所述放电控 制开关的一端与第二二极管的阴极连接，另一端与点火线圈中初级线圈的一端连接，点火 电极的两端分别与点火线圈中次级线圈的输出端与电源负极连接；所述电压探头的测试端 和点火线圈中次级线圈输出端相连接的电极相接，地线错与电极的另一端相连；电流探头 接入电极线路中，电压探头和电流探头的采集输出端分别与示波器连接，示波器通过数据 线与PC机相连；
[0010] 所述驱动控制电路包括5V直流电源、32V直流电源、光电禪合器、单片机系统、= 极管和稳压二极管，所述5V直流电源的正极经过电阻R2,连接光电禪合器在发光二极管一 侧的正极，发光二极管一侧的负极与单片机系统所需的工作引脚PX相连；单片机系统通过 串口模块与PC机连接；光电禪合器的输出端的发射极与32V直流电源的负极相连，集电极 则与电阻R4相连，同时与S极管的基极相连；电阻R3与电阻R4串联后与32V直流电源的 正极相连，=极管的发射极接在电阻R4与电阻R3之间，=极管集电极与充电控制开关W及 放电控制开关中的电磁线圈的任意输入端kl相连，并与稳压二极管的负极相连；电磁线圈 另一输入端k2与32V直流电源的负极相连，并与稳压二极管的正极相连。
[0011] 在上述技术方案中，所述第一二极管D1的阳极与线性直流恒压源1的正极相连， 第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极之间依次相连接第一电阻R1和充电控制开 关，第二二极管D2的阴极与电容组的一端连接，电容组的另一端与线性直流恒压源的负极 连接。
[0012] 在上述技术方案中，所述线性直流恒压源输出在0?400V之间变化的电压；所述 电容组由不同容值的电容并联而成，且每一个电容串联一个选择开关，用W调节电路中所 接电容的容值，所用电容为聚丙締电容，所用选择开关为机械开关。
[0013] 作为本发明的一种优选实施方式，所述变能量的点火测控系统设于发动机台架上 时，所述线性直流恒压源包括与汽车电瓶连接的升压整流电路，W及用于控制升压整流电 路中应数比的调节开关；充电控制部分包括单向可控娃和用于控制单向可控娃的触发电 路，所述触发电路与发动机ECU连接；所述放电控制部分为固态继电器W及固态继电器连 接的驱动控制电路，所述驱动控制电路与发动机ECU连接。
[0014] 作为本发明的一种优选实施方式，所述变能量的点火测控系统用于定容燃烧弹实 验台架上时，所述的线性直流电源用于将市电转换成所需的直流电压；所述充电控制开关 和放电控制开关为与驱动控制电路连接的大功率电磁继电器，驱动电路通过单片机进行控 审IJ，单片机通过串口与PC机进行连接。
[0015] 此外，本发明还提供一种根据上述变能量的点火测控系统进行测控的方法，该方 法包括W下步骤：
[0016] (1)当PC机发出点火信号时，单片机系统控制充电控制开关2闭合一段时间，直至 完成对电容组的充电；使得电容组两端的电压等于电源输出电压，电容组充电完成后，充电 控制开关断开，放电控制开关闭合，电容组放电，并在次级线圈L2输出端产生一个瞬时高 压，击穿点火电极间的可燃混合气，完成点火；
[0017] 似在点火过程中，电压探头与电流探头分别采集点火电极间电压与电流信号，并 将其传入示波器中，完成对波形数据的采集与波形显示；
[0018] (3) PC机通过数据线接收示波器的数据后，对放电时段上的电压与电流进行积分 运算，进而得到本次点火能量值；
[0019] (4)根据所需点火能量时，控制线性恒压源的输出电压值与电容组的容值，从而实 现控制点火能量。
[0020] 进一步地，对放电时间内电极间的电压与电流数据做积分计算，得到点火能量值， 点火能量的计算公式为：
[0021]
【权利要求】
1. 一种变能量的点火测控系统，其特征在于：包括充电回路、放电回路、以及控制所述 充电回路、放电回路进行充电和放电的驱动控制电路、电压探头、电流探头、点火电极、示波 器和PC机； 所述充电回路包括：线性直流恒压源，以及依次连接在线性直流恒压源正极和负极之 间的第一二极管、第一电阻、充电控制开关、第二二极管和电容组； 所述放电回路包括所述电容组、放电控制开关，点火线圈和点火电极，所述放电控制开 关的一端与第二二极管的阴极连接，另一端与点火线圈中初级线圈的一端连接，点火电极 的两端分别与点火线圈中次级线圈的输出端与电源负极连接；所述电压探头的测试端和点 火线圈中次级线圈输出端相连接的电极相接，地线钳与电极的另一端相连；电流探头接入 电极线路中，电压探头和电流探头的采集输出端分别与示波器连接，示波器通过数据线与 PC机相连； 所述驱动控制电路包括5V直流电源、32V直流电源、光电耦合器、单片机系统、三极管 和稳压二极管，所述5V直流电源的正极经过电阻R2,连接光电耦合器在发光二极管一侧的 正极，发光二极管一侧的负极与单片机系统所需的工作引脚PX相连；单片机系统通过串口 模块与PC机连接；光电耦合器的输出端的发射极与32V直流电源的负极相连，集电极则与 电阻R4相连，同时与三极管的基极相连；电阻R3与电阻R4串联后与32V直流电源的正极 相连，三极管的发射极接在电阻R4与电阻R3之间，三极管集电极与充电控制开关以及放电 控制开关中的电磁线圈的任意输入端kl相连，并与稳压二极管的负极相连；电磁线圈另一 输入端k2与32V直流电源的负极相连，并与稳压二极管的正极相连。
2. 根据权利要求1所述变能量的点火测控系统，其特征在于：所述第一二极管D1的阳 极与线性直流恒压源1的正极相连，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极之间依 次相连接第一电阻R1和充电控制开关，第二二极管D2的阴极与电容组的一端连接，电容组 的另一端与线性直流恒压源的负极连接。
3. 根据权利要求1所述变能量的点火测控系统，其特征在于：所述线性直流恒压源输 出在0?400V之间变化的电压；所述电容组由不同容值的电容并联而成，且每一个电容串 联一个选择开关，用以调节电路中所接电容的容值，所用电容为聚丙烯电容，所用选择开关 为机械开关。
4. 根据权利要求1?3任一项所述变能量的点火测控系统，其特征在于：所述点火测 控系统设于发动机台架上时，所述线性直流恒压源包括与汽车电瓶连接的升压整流电路， 以及用于控制升压整流电路中匝数比的调节开关；充电控制部分包括单向可控硅和用于控 制单向可控硅的触发电路，所述触发电路与发动机ECU连接；所述放电控制部分为固态继 电器以及固态继电器连接的驱动控制电路，所述驱动控制电路与发动机ECU连接。
5. 根据权利要求1?3任一项所述变能量的点火测控系统，其特征在于：所述点火测 控系统用于定容燃烧弹实验台架上时，所述的线性直流电源用于将市电转换成所需的直流 电压；所述充电控制开关和放电控制开关为与驱动控制电路连接的大功率电磁继电器，驱 动电路通过单片机进行控制，单片机通过串口与PC机进行连接。
6. -种根据权利要求1所述变能量的点火测控系统的测控方法，其特征在于包括以下 步骤： (1)当PC机发出点火信号时，单片机系统控制充电控制开关2闭合一段时间，直至完成 对电容组的充电；使得电容组两端的电压等于电源输出电压，电容组充电完成后，充电控制 开关断开，放电控制开关闭合，电容组放电，并在次级线圈L2输出端产生一个瞬时高压，击 穿点火电极间的可燃混合气，完成点火； ⑵在点火过程中，电压探头与电流探头分别采集点火电极间电压与电流信号，并将其 传入示波器中，完成对波形数据的采集与波形显示； (3) PC机通过数据线接收示波器的数据后，对放电时段上的电压与电流进行积分运算， 进而得到本次点火能量值； (4) 根据所需点火能量时，控制线性恒压源的输出电压值与电容组的容值，从而实现控 制点火能量。
7. 根据权利要求6所述变能量的点火测控系统的测控方法，其特征在于： 对放电时间内电极间的电压与电流数据做积分计算，得到点火能量值，点火能量的计 算公式为：
式中屯为点火能量，h为点火开始的时刻，t2为点火结束的时刻，U为点火期间的电 压值，I为点火期间的电流值； 由于示波器实际采集的信号是在某一时长内的离散点，因此上述公式变形为：
式中屯为点火能量，h为点火开始的时刻，t2为点火结束的时刻，u为点火期间采集 各时刻的电压值，i为点火期间采集各时刻的电流值，At为示波器的采样率周期； 通过多次测量，得到电容的储能与点火能量间的关系，进而可以得到曲线，当需 要某一点火能量时，根据匕-氏曲线，粗调电容的储能值，使点火能量接近需要能量值；通过 测得的实际点火能量值，再细调电容的储能值，从而使实际点火能量近似趋近为所需点火 能量。
8. 根据权利要求6或7所述变能量的点火测控系统的测控方法，其特征在于所述步骤 (1)中单片机系统控制充电控制开关和放电控制开关的具体步骤如下： PC机通过串口发出点火信号给单片机系统，单片机系统接收到该点火信号后，根据设 定程序完成工作引脚PX的电位变化；当工作引脚PX由高电位变为低电位时，光电耦合器的 发光二极管接通，使得光耦内部输出端的三极管饱和导通，此时三极管的基极由高电势变 为低电势，通过匹配电阻R3与R4的阻值，使得三极管饱和导通，并使电磁线圈两个输入端 间的电压等于其额定工作电压，此时电磁继电器吸合，充电控制开关或放电控制开关闭合； 反之，单片机系统的工作引脚PX为高电势时，光电耦合器关断，三极管截止，使得电磁继电 器输入端间的电压为〇，充电控制开关或放电控制开关断开。
【文档编号】F02P17/00GK104481773SQ201410742400
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】张尊华, 田淋元, 梁俊杰, 李格升, 杨锐, 谭戬 申请人:武汉理工大学