能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火控制方法及装置 一、所属领域
本发明涉及一种汽油机的点火装置，特别涉及一种能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火控制方法及其装置，该控制方法及其装置可以控制发动机在各种运行工况时的点火提前角，特别是通过对怠速运行时的点火提前角进行自适应控制，来调节发动机的怠速转速，使汽油机怠速运行时的转速更加稳定，有害气体的排放量更低。二、背景技术
目前小型汽油机的点火系统中多采用模拟点火器，点火提前角是发动机转速的单一函数，尤其在怠速运行时点火提前角是固定值，由于没有对点火提前角进行自适应调节的功能，当发动机的运行状态发生变化时，例如发动机缸体温度变化时，发动机的怠速会发生变化。另外一种尚在开发中的数字点火系统，该系统至少使用了节气门位置传感器和曲轴位置传感器，点火提前角是发动机曲轴位置和转速的二元函数，这种点火系统具有能根据发动机转速和负荷合理控制点火提前角的优点，但至少有两个缺点：一是至少多用了一个节气门位置传感器，而使系统结构复杂，控制器成本也增加，整个系统地成本增加，该系统不适合在小型汽油机上使用，二是整个发动机工作的转速和节气门开度范围点火提前角是发动机节气门位置和转速的二元函数，采用是开环控制的方式，没有强调对怠速状态的点火提前角进行自适应控制，以调节发动机转速，因而对发动机怠速的稳定性没有特别的改善。三、发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于提供一种能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火自适应控制方法，本发明的另一个目的在于提供一种能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火装置，本发明制作的数字点火装置结构简单，成本较低，特别适合小型汽油机，改进目前小型汽油机广泛使用模拟点火器控制点火提前角的工作方式，特别是该点火器具有怠速调节功能，使发动机的怠速更稳定，有害排放更低。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，一种调节怠速转速的小型化油器汽油机数字点火方法，其特点是，该方法通过调节怠速点火提前角来调节汽油机怠速转速，使发动机以目标怠速运行，即根据汽油机的实际运行怠速转速与目标怠速转速的差值调节点火提前角，当差值为正值时，相应地减小点火提前角，当差值为负值时，相应地增加点火提前角，当控制过程经过一段时间后，发动机转速便会围绕某一平均转速波动，该平均转速为目标转速，此时自适应控制达到稳定状态，发动机以目标怠速稳定运转。
上述调节怠速转速的小型化油器汽油机数字点火方法，其特点是，在发动机处于怠速运行状态时点火提前角按以下所述自适应控制过程进行：
1)测量计算当前一转或者几转的平均转速NE；
2)确定目标转速NE0，目标转速NE0为设计事先确定；
3)计算平均转速NE与目标转速NE0的差值ΔNE；
ΔNE＝NE-NE0
4)计算点火提前角的修正值Δθ；
Δθ＝KΔNE
5)计算输出点火提前角θi+1＝θi-Δθ，其中：i＝0，1，2，3…为点火提前角调整次数或序号，θi和θi+1分别为改变点火提前角前后的值，其中i＝0时的值为点火提前角自适应控制初值，该值通过预先存储在微处理器存储器中的用于开环控制的NE-θ表而确定，K为比例系数。
实现能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火方法的装置，包括汽油机7的点火装置的由曲轴位置信号发生装置1，曲轴位置传感器2，点火器3，点火线圈4和火花塞5等部件组成，其特点是：所述点火装置还具有一与汽油机负荷调节阀8连动的怠速开关6和输入信号处理电路9，所述点火器3根据此开关开合的状态，而分别进行怠速与非怠速运行点火提前角控制；
所述点火器3由输入信号处理电路9，一微处理器10，和输出电路11组成，当曲轴位置信号发生装置1转动时，在曲轴位置传感器2中产生的信号和怠速开关6的状态信号送到与之相连的输入信号处理电路9，变成为微处理器10能接受的数字信号，微处理器根据所接受的数字信号进行处理，产生控制信号，并送到输出电路11进行功率放大，以推动点火线圈4产生高电压，由火花塞5实施点火。
本发明的怠速运行的点火提前角控制为自适应控制的方法，即根据汽油机的实际运行怠速转速与目标怠速转速的差值调节点火提前角，当差值为正值时，相应的减小点火提前角，当差值为负值时，相应地增加点火提前角，当控制过程经过一些时间后，发动机转速便会围绕某一平均转速波动，该平均转速为目标转速，此时自适应控制达到稳定状态，发动机以目标怠速稳定运转。本发明制作简单，成本较低，特别适合小型汽油机，适合改进目前小型汽油机广泛使用模拟点火器控制点火提前角的工作方式，特别是该点火器具有怠速调节功能，使发动机的怠速更稳定，有害排放更低。四、附图说明
图1是本发明的能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火装置方框图；
图2是发动机点火提前角随发动机转速变化的单值函数图；图中纵坐标CABTDC意义为上死点前曲轴角度，NE(r/min)意义为发动机转速(转/分)。
图3是汽油机中燃料燃烧过程能量转化效率、发动机转速与点火提前角的关系原理示意图；
图4是本发明的数字点火装置中微处理器工作的流程图。
图5是本发明提供的数字点火装置的构造和工作原理方框图。五、具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
依本发明的技术方案，一种调节怠速转速的小型化油器汽油机数字点火方法，该方法通过调节怠速点火提前角来调节汽油机怠速转速，使发动机以目标怠速运行，即根据汽油机的实际运行怠速转速与目标怠速转速的差值调节点火提前角，当差值为正值时，相应地减小点火提前角，当差值为负值时，相应地增加点火提前角，当控制过程经过一段时间后，发动机转速便会围绕某一平均转速波动，该平均转速为目标转速，此时自适应控制达到稳定状态，发动机以目标怠速稳定运转。
上述地调节怠速转速的小型化油器汽油机数字点火方法，在发动机处于怠速运行状态时点火提前角按以下所述自适应控制过程进行：
1)测量计算当前一转或者几转的平均转速NE；
2)确定目标转速NE0，目标转速NE0为设计事先确定；
3)计算平均转速NE与目标转速NE0的差值ΔNE；
ΔNE＝NE-NE0
4)计算点火提前角的修正值Δθ；
Δθ＝KΔNE
5)计算输出点火提前角θi+1＝θi-Δθ，其中：i＝0，1，2，3…为点火提前角调整次数或序号，θi和θi+1分别为改变点火提前角前后的值，其中i＝0时的值为点火提前角自适应控制初值，该值通过预先存储在微处理器存储器中的用于开环控制的NE-θ表而确定，K为比例系数，为设计事先确定；
实现本发明的能调节怠速的小型化油器汽油机数字点火装置参见图1所示，汽油机的点火系统由曲轴位置信号发生装置1，曲轴位置传感器2，点火器3，点火线圈4和火花塞5等部件组成，点火装置还设有一与汽油机负荷调节阀8连动的怠速开关6，所述点火器3根据此开关开合的状态，而分别进行怠速与非怠速运行点火提前角控制。
点火器3由输入信号处理电路9，微处理器10，和输出信号处理电路11组成，当曲轴位置信号发生装置1转动时，在曲轴位置传感器2中产生的信号和怠速开关6的状态信号送到与之相连的输入信号处理电路9，变成为微处理器10能接受的数字信号，微处理器10根据所接受的数字信号进行处理，产生控制信号，并送到输出电路11进行功率放大，以推动点火线圈4产生高电压，由火花塞5实施点火。
对于非怠速运行状态的点火提前角控制方式，本发明无特定限制，例如可以采用点火提前角为发动机转速的单值函数的开环控制的方式来进行控制。例如图2所示的发动机点火提前角随发动机转速变化的单值函数图，该图是一种常见的排量为125毫升四冲程汽油机点火提前角随发动机转速变化函数图。
怠速运行的点火提前角控制方法为自适应控制的方法，即根据汽油机的实际运行怠速转速与目标怠速转速的差值调节点火提前角，当差值为正值时，相应的减小点火提前角，当差值为负值时，相应地增加点火提前角。这一工作原理的可行性基于存在于附图3所示的汽油机中燃料燃烧过程能量转化效率与点火提前角的关系示意曲线302。如附图3所示，在点火提前角小于最佳点火提前角时，增加点火提前角使能量转化效率增加，反之减小点火提前角使能量转化效率减小。而能量转化效率会影响到发动机的转速，在发动机负载和油门开度保持不变的条件下，存在附图3中所示的发动机转速随点火提前角变化的关系曲线301。如附图3中所示的当点火提前角变化量为Δθ时，引起的转速变化量为图中的ΔNE，这样便可以利用改变点火提前角，来调节发动机的转速。
图4是本发明的数字点火装置中微处理器的工作流程图，其过程如下：
首先是初始化，设定点火提前角调整次数或序号i＝0，并测量计算发动机转速NE，并测试怠速开关状态，判断怠速开关是否闭合？若怠速开关闭合，则判断是否i＝0，即点火提前角的初值是否确定？若i＝0，表示点火提前角的初值未确定，则查表θ＝f(NE)以确定点火提前角初值θ0，并根据θ或θi+1计算定时器的时间常数，即此时根据θ0计算定时器的时间常数产生点火控制信号；若否，表示已确定点火提前角初值，则进行正常的点火提前角自适应控制过程，即：确定目标怠速NE0，计算当前转速与目标怠速的差值：ΔNE＝NE-NE0，根据此差值确定点火提前角调整量Δθ＝KΔNE，并确定点火提前角θi+1＝θi+Δθ，然后再根据θ或θi+1(此时为θi+1)计算定时器的时间常数，产生点火控制信号；若怠速开关没有闭合，表示发动机目前不在怠速状态，则进行开环控制，即查表θ＝f(NE)以确定开环控制点火提前角θ，并使i＝0，为下一次怠速开关闭合后进行怠速控制时获得点火提前角初值作准备，最后根据θ或θi+1(此时为θ)计算定时器的时间常数，产生点火控制信号。
实施例：为了进一步说明本发明提供数字点火装置的构造和工作原理，以下结合排量为125cc的单缸摩托车发动机点火系统加以说明，如图5所示。
发动机磁电机的磁性飞轮501转动时，在磁电传感器502中产生脉冲信号，该信号的正、负脉冲A、B经过整形电路504整形后分别成为标准的逻辑信号C和D，分别送到型号为89C51的单片机(微处理器)的外部中断输入端INT0和INT1，并由定时器T0计时测量发动机的循环转速NE，并作为输出点火提前角的曲轴位置基准。若测得前后两C信号或两D信号之间得时间为T，则发动机得转速可以通过公式NE＝1/T计算得到。点火时刻也可以由单片机以信号C或D为基准，由定时器T1定时输出。与油门连动有一开关503，在本装置中称为怠速开关，在负荷调节手柄(油门)松开时，发动机处于怠速运行状态，此时此开关闭合接通，当油门稍微拉起时，此开关断开，此开关断开以后发动机的怠速运行状态为非怠速运行状态。此开关一端与地(发动机机体)连接，另一端与与点火器的输入信号处理电路相连，进行电平转换或消抖处理，然后送到微处理器89C51的端口P1.7，89C51根据P1.7电平的高低判断怠速开关的开合。在发动机处于怠速运行状态时点火提前角按以下所述自适应控制过程进行：
1 测量计算当前一转或者几转的平均转速NE；
2 确定目标转速NE0，NE0为设计事先确定，例如NE0＝1300转/分。
3 计算平均转速NE与目标转速NE0的差值ΔNE；
ΔNE＝NE-NE0
4 计算点火提前角的修正值Δθ；
Δθ＝KΔNE
5 计算输出点火提前角θi+1＝θi+Δθ，其中：i＝0，1，2，3…，θi和θi+1分别为改变点火提前角前后的值，其中i＝0时的值为点火提前角自适应控制初值，该值通过预先存储在微处理器存储器中的用于开环控制的NE-θ表而确定，K为比例系数，为设计事先确定，例如设计K为常数，K＝1/10(单位：曲轴转角/转/分)。
6 根据点火提前角θi+1计算定时器T1的定时时间常数，并在在INT0或INT1的中断服务程序中使定时器T1开始定时。
当控制过程经过一些时间后，发动机转速便会围绕某一平均转速波动，该平均转速为目标转速。
在发动机处于非怠速运行状态时，点火提前角是发动机转速的单值函数，即θ＝f(NE)，该函数预先以表格的形式存储在微处理器存储器中，即NE-θ表，这是开环控制方式。附图2所示是发动机点火提前角随发动机转速变化的单值函数图，图中曲线是一种常见的排量为125毫升四冲程汽油机点火提前角随发动机转速变化图。开环控制过程如下：
1 测量计算当前1转或者2转的平均转速NE。
2 根据NE查NE-θ表，以得到此转速下的点火提前角θ。
3 根据θ计算定时器T1的定时时间常数，并在INT0或INT1的中断服务程序中使定时器T1开始定时。
由微处理器89C51定时器T1定时产生的信号送到点火器的功率放大电路507，该功率放大电路可以推动点火线圈508产生高电压，由火花塞实施点火。该功率放大电路507可以为电容放电点火方式(CDI)的电容储能电路，或者电感储能点火方式的晶体管开关电路。
本发明的点火装置的应用范围是单气缸排量不超过250毫升的1缸和2缸汽油机，对怠速运行时的点火提前角进行自适应控制，其制作简单，成本较低，特别适合小型汽油机，适合改进目前小型汽油机广泛使用模拟点火器控制点火提前角的工作方式，由于该点火器具有怠速调节功能，使发动机的怠速更稳定，有害排放更低。