一種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)及其測控方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)及其測控方法，該系統(tǒng)包括充電回路、放電回路和驅(qū)動(dòng)控制電路；所述充電回路包括：線性直流恒壓源，以及依次連接在線性直流恒壓源正極和負(fù)極之間的第一二極管、第一電阻、充電控制開關(guān)、第二二極管和電容組；所述放電回路包括放電控制開關(guān)，點(diǎn)火線圈、電壓探頭和點(diǎn)火電極、PC機(jī)、示波器和電流探頭；所述驅(qū)動(dòng)控制電路通過PC機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號，通過串口模塊實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，從而控制充電控制開關(guān)與放電控制開關(guān)的相應(yīng)通斷，從而完成每一次點(diǎn)火。本發(fā)明在每一次點(diǎn)火過程中，能準(zhǔn)確地測量出每一次點(diǎn)火過程的點(diǎn)火能量大小，并得到EC-EI曲線，從而通過改變電容組的儲(chǔ)能大小來控制點(diǎn)火能量的大小。
【專利說明】-種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)及其測控方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及點(diǎn)火測控系統(tǒng)，具體地指一種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)及其測控方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 點(diǎn)火能量是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要影響因素之一，影響著火核的形成過程與燃料初期 火焰的傳播速度。利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架可W開展關(guān)于不同點(diǎn)火能量對于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性 與排放的研究，利用定容燃燒彈系統(tǒng)則可W研究不同點(diǎn)火能量對于火焰初期傳播過程的影 響。因此開展點(diǎn)火能量方面的研究便具有十分重要的意義，可W為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與控制提供理論依據(jù)。
[0003] 最小點(diǎn)火能量是指引燃一定濃度可燃物或爆炸所需要的最低能量值，是用來衡量 可燃?xì)怏w或液體蒸汽的爆炸危險(xiǎn)性的重要參數(shù)，也是靜電安全的重要技術(shù)參數(shù)。測量不同 燃料的最小點(diǎn)火能量，既可W為可燃?xì)怏w或液體的安全儲(chǔ)運(yùn)提供參考，也可W為發(fā)動(dòng)機(jī)的 點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供相關(guān)參數(shù)依據(jù)。因此測定不同燃料的最小點(diǎn)火能量具有重要意義。利用 定容燃燒彈可W測定不同燃料（氣體燃料與部分液體燃料）的最小點(diǎn)火能量。
[0004] 目前公開的可變能量點(diǎn)火系統(tǒng)中，大部分是通過控制影響變能量的參數(shù)定性地 控制點(diǎn)火能量的變化，例如電感式點(diǎn)火系統(tǒng)中，通過控制充電時(shí)間實(shí)現(xiàn)變能量。借助于模擬 負(fù)載手段近似標(biāo)定點(diǎn)火能量的大小，不能做到實(shí)時(shí)得到每一次點(diǎn)火過程的點(diǎn)火能量大小。 由于放電過程中電極間負(fù)載比較復(fù)雜，使得標(biāo)定的點(diǎn)火能量大小與實(shí)際的點(diǎn)火能量存在一 定差異。
[0005] 常用的最小點(diǎn)火能量測量裝置所采用的點(diǎn)火系統(tǒng)，一般是通過直流電源提供萬伏 高壓對電容充電，然后通過讓電容放電完成點(diǎn)火。點(diǎn)火能量則認(rèn)為是電容的儲(chǔ)能值。該種 點(diǎn)火系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于電源的輸出電壓過大，對于線路中元件耐壓要求較高，降低 了系統(tǒng)的使用壽命，在操作過程中具有一定的危險(xiǎn)性。同時(shí)由于存在線路損耗，使得實(shí)際的 點(diǎn)火能量小于電容儲(chǔ)存能量值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)及 其測控方法，該點(diǎn)火測控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)火過程中點(diǎn)火能量的可調(diào)與可測，既可W根據(jù)需 要改變點(diǎn)火能量，且能準(zhǔn)確地測量出每一次點(diǎn)火過程的點(diǎn)火能量大小。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)，包括充電回路、 放電回路、W及控制所述充電回路、放電回路進(jìn)行充電和放電的驅(qū)動(dòng)控制電路、電壓探頭、 電流探頭、點(diǎn)火電極、示波器和PC機(jī)；
[000引所述充電回路包括；線性直流恒壓源，W及依次連接在線性直流恒壓源正極和負(fù) 極之間的第一二極管、第一電阻、充電控制開關(guān)、第二二極管和電容組；
[0009] 所述放電回路包括所述電容組、放電控制開關(guān)，點(diǎn)火線圈和點(diǎn)火電極，所述放電控 制開關(guān)的一端與第二二極管的陰極連接，另一端與點(diǎn)火線圈中初級線圈的一端連接，點(diǎn)火 電極的兩端分別與點(diǎn)火線圈中次級線圈的輸出端與電源負(fù)極連接；所述電壓探頭的測試端 和點(diǎn)火線圈中次級線圈輸出端相連接的電極相接，地線錯(cuò)與電極的另一端相連；電流探頭 接入電極線路中，電壓探頭和電流探頭的采集輸出端分別與示波器連接，示波器通過數(shù)據(jù) 線與PC機(jī)相連；
[0010] 所述驅(qū)動(dòng)控制電路包括5V直流電源、32V直流電源、光電禪合器、單片機(jī)系統(tǒng)、= 極管和穩(wěn)壓二極管，所述5V直流電源的正極經(jīng)過電阻R2,連接光電禪合器在發(fā)光二極管一 側(cè)的正極，發(fā)光二極管一側(cè)的負(fù)極與單片機(jī)系統(tǒng)所需的工作引腳PX相連；單片機(jī)系統(tǒng)通過 串口模塊與PC機(jī)連接；光電禪合器的輸出端的發(fā)射極與32V直流電源的負(fù)極相連，集電極 則與電阻R4相連，同時(shí)與S極管的基極相連；電阻R3與電阻R4串聯(lián)后與32V直流電源的 正極相連，=極管的發(fā)射極接在電阻R4與電阻R3之間，=極管集電極與充電控制開關(guān)W及 放電控制開關(guān)中的電磁線圈的任意輸入端kl相連，并與穩(wěn)壓二極管的負(fù)極相連；電磁線圈 另一輸入端k2與32V直流電源的負(fù)極相連，并與穩(wěn)壓二極管的正極相連。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，所述第一二極管D1的陽極與線性直流恒壓源1的正極相連， 第一二極管D1的陰極與第二二極管D2的陽極之間依次相連接第一電阻R1和充電控制開 關(guān)，第二二極管D2的陰極與電容組的一端連接，電容組的另一端與線性直流恒壓源的負(fù)極 連接。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，所述線性直流恒壓源輸出在0?400V之間變化的電壓；所述 電容組由不同容值的電容并聯(lián)而成，且每一個(gè)電容串聯(lián)一個(gè)選擇開關(guān)，用W調(diào)節(jié)電路中所 接電容的容值，所用電容為聚丙締電容，所用選擇開關(guān)為機(jī)械開關(guān)。
[0013] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)設(shè)于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上 時(shí)，所述線性直流恒壓源包括與汽車電瓶連接的升壓整流電路，W及用于控制升壓整流電 路中應(yīng)數(shù)比的調(diào)節(jié)開關(guān)；充電控制部分包括單向可控娃和用于控制單向可控娃的觸發(fā)電 路，所述觸發(fā)電路與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接；所述放電控制部分為固態(tài)繼電器W及固態(tài)繼電器連 接的驅(qū)動(dòng)控制電路，所述驅(qū)動(dòng)控制電路與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接。
[0014] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)用于定容燃燒彈實(shí) 驗(yàn)臺(tái)架上時(shí)，所述的線性直流電源用于將市電轉(zhuǎn)換成所需的直流電壓；所述充電控制開關(guān) 和放電控制開關(guān)為與驅(qū)動(dòng)控制電路連接的大功率電磁繼電器，驅(qū)動(dòng)電路通過單片機(jī)進(jìn)行控 審IJ，單片機(jī)通過串口與PC機(jī)進(jìn)行連接。
[0015] 此外，本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)進(jìn)行測控的方法，該方 法包括W下步驟：
[0016] (1)當(dāng)PC機(jī)發(fā)出點(diǎn)火信號時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)控制充電控制開關(guān)2閉合一段時(shí)間，直至 完成對電容組的充電；使得電容組兩端的電壓等于電源輸出電壓，電容組充電完成后，充電 控制開關(guān)斷開，放電控制開關(guān)閉合，電容組放電，并在次級線圈L2輸出端產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高 壓，擊穿點(diǎn)火電極間的可燃混合氣，完成點(diǎn)火；
[0017] 似在點(diǎn)火過程中，電壓探頭與電流探頭分別采集點(diǎn)火電極間電壓與電流信號，并 將其傳入示波器中，完成對波形數(shù)據(jù)的采集與波形顯示；
[0018] (3) PC機(jī)通過數(shù)據(jù)線接收示波器的數(shù)據(jù)后，對放電時(shí)段上的電壓與電流進(jìn)行積分 運(yùn)算，進(jìn)而得到本次點(diǎn)火能量值；
[0019] (4)根據(jù)所需點(diǎn)火能量時(shí)，控制線性恒壓源的輸出電壓值與電容組的容值，從而實(shí) 現(xiàn)控制點(diǎn)火能量。
[0020] 進(jìn)一步地，對放電時(shí)間內(nèi)電極間的電壓與電流數(shù)據(jù)做積分計(jì)算，得到點(diǎn)火能量值， 點(diǎn)火能量的計(jì)算公式為：
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)，其特征在于：包括充電回路、放電回路、以及控制所述 充電回路、放電回路進(jìn)行充電和放電的驅(qū)動(dòng)控制電路、電壓探頭、電流探頭、點(diǎn)火電極、示波 器和PC機(jī)； 所述充電回路包括：線性直流恒壓源，以及依次連接在線性直流恒壓源正極和負(fù)極之 間的第一二極管、第一電阻、充電控制開關(guān)、第二二極管和電容組； 所述放電回路包括所述電容組、放電控制開關(guān)，點(diǎn)火線圈和點(diǎn)火電極，所述放電控制開 關(guān)的一端與第二二極管的陰極連接，另一端與點(diǎn)火線圈中初級線圈的一端連接，點(diǎn)火電極 的兩端分別與點(diǎn)火線圈中次級線圈的輸出端與電源負(fù)極連接；所述電壓探頭的測試端和點(diǎn) 火線圈中次級線圈輸出端相連接的電極相接，地線鉗與電極的另一端相連；電流探頭接入 電極線路中，電壓探頭和電流探頭的采集輸出端分別與示波器連接，示波器通過數(shù)據(jù)線與 PC機(jī)相連； 所述驅(qū)動(dòng)控制電路包括5V直流電源、32V直流電源、光電耦合器、單片機(jī)系統(tǒng)、三極管 和穩(wěn)壓二極管，所述5V直流電源的正極經(jīng)過電阻R2,連接光電耦合器在發(fā)光二極管一側(cè)的 正極，發(fā)光二極管一側(cè)的負(fù)極與單片機(jī)系統(tǒng)所需的工作引腳PX相連；單片機(jī)系統(tǒng)通過串口 模塊與PC機(jī)連接；光電耦合器的輸出端的發(fā)射極與32V直流電源的負(fù)極相連，集電極則與 電阻R4相連，同時(shí)與三極管的基極相連；電阻R3與電阻R4串聯(lián)后與32V直流電源的正極 相連，三極管的發(fā)射極接在電阻R4與電阻R3之間，三極管集電極與充電控制開關(guān)以及放電 控制開關(guān)中的電磁線圈的任意輸入端kl相連，并與穩(wěn)壓二極管的負(fù)極相連；電磁線圈另一 輸入端k2與32V直流電源的負(fù)極相連，并與穩(wěn)壓二極管的正極相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)，其特征在于：所述第一二極管D1的陽 極與線性直流恒壓源1的正極相連，第一二極管D1的陰極與第二二極管D2的陽極之間依 次相連接第一電阻R1和充電控制開關(guān)，第二二極管D2的陰極與電容組的一端連接，電容組 的另一端與線性直流恒壓源的負(fù)極連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)，其特征在于：所述線性直流恒壓源輸 出在0?400V之間變化的電壓；所述電容組由不同容值的電容并聯(lián)而成，且每一個(gè)電容串 聯(lián)一個(gè)選擇開關(guān)，用以調(diào)節(jié)電路中所接電容的容值，所用電容為聚丙烯電容，所用選擇開關(guān) 為機(jī)械開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)，其特征在于：所述點(diǎn)火測 控系統(tǒng)設(shè)于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上時(shí)，所述線性直流恒壓源包括與汽車電瓶連接的升壓整流電路， 以及用于控制升壓整流電路中匝數(shù)比的調(diào)節(jié)開關(guān)；充電控制部分包括單向可控硅和用于控 制單向可控硅的觸發(fā)電路，所述觸發(fā)電路與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接；所述放電控制部分為固態(tài)繼 電器以及固態(tài)繼電器連接的驅(qū)動(dòng)控制電路，所述驅(qū)動(dòng)控制電路與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)，其特征在于：所述點(diǎn)火測 控系統(tǒng)用于定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上時(shí)，所述的線性直流電源用于將市電轉(zhuǎn)換成所需的直流 電壓；所述充電控制開關(guān)和放電控制開關(guān)為與驅(qū)動(dòng)控制電路連接的大功率電磁繼電器，驅(qū) 動(dòng)電路通過單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)通過串口與PC機(jī)進(jìn)行連接。
6. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)的測控方法，其特征在于包括以下 步驟： (1)當(dāng)PC機(jī)發(fā)出點(diǎn)火信號時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)控制充電控制開關(guān)2閉合一段時(shí)間，直至完成 對電容組的充電；使得電容組兩端的電壓等于電源輸出電壓，電容組充電完成后，充電控制 開關(guān)斷開，放電控制開關(guān)閉合，電容組放電，并在次級線圈L2輸出端產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓，擊 穿點(diǎn)火電極間的可燃混合氣，完成點(diǎn)火； ⑵在點(diǎn)火過程中，電壓探頭與電流探頭分別采集點(diǎn)火電極間電壓與電流信號，并將其 傳入示波器中，完成對波形數(shù)據(jù)的采集與波形顯示； (3) PC機(jī)通過數(shù)據(jù)線接收示波器的數(shù)據(jù)后，對放電時(shí)段上的電壓與電流進(jìn)行積分運(yùn)算， 進(jìn)而得到本次點(diǎn)火能量值； (4) 根據(jù)所需點(diǎn)火能量時(shí)，控制線性恒壓源的輸出電壓值與電容組的容值，從而實(shí)現(xiàn)控 制點(diǎn)火能量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)的測控方法，其特征在于： 對放電時(shí)間內(nèi)電極間的電壓與電流數(shù)據(jù)做積分計(jì)算，得到點(diǎn)火能量值，點(diǎn)火能量的計(jì) 算公式為：
式中屯為點(diǎn)火能量，h為點(diǎn)火開始的時(shí)刻，t2為點(diǎn)火結(jié)束的時(shí)刻，U為點(diǎn)火期間的電 壓值，I為點(diǎn)火期間的電流值； 由于示波器實(shí)際采集的信號是在某一時(shí)長內(nèi)的離散點(diǎn)，因此上述公式變形為：
式中屯為點(diǎn)火能量，h為點(diǎn)火開始的時(shí)刻，t2為點(diǎn)火結(jié)束的時(shí)刻，u為點(diǎn)火期間采集 各時(shí)刻的電壓值，i為點(diǎn)火期間采集各時(shí)刻的電流值，At為示波器的采樣率周期； 通過多次測量，得到電容的儲(chǔ)能與點(diǎn)火能量間的關(guān)系，進(jìn)而可以得到曲線，當(dāng)需 要某一點(diǎn)火能量時(shí)，根據(jù)匕-氏曲線，粗調(diào)電容的儲(chǔ)能值，使點(diǎn)火能量接近需要能量值；通過 測得的實(shí)際點(diǎn)火能量值，再細(xì)調(diào)電容的儲(chǔ)能值，從而使實(shí)際點(diǎn)火能量近似趨近為所需點(diǎn)火 能量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述變能量的點(diǎn)火測控系統(tǒng)的測控方法，其特征在于所述步驟 (1)中單片機(jī)系統(tǒng)控制充電控制開關(guān)和放電控制開關(guān)的具體步驟如下： PC機(jī)通過串口發(fā)出點(diǎn)火信號給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)接收到該點(diǎn)火信號后，根據(jù)設(shè) 定程序完成工作引腳PX的電位變化；當(dāng)工作引腳PX由高電位變?yōu)榈碗娢粫r(shí)，光電耦合器的 發(fā)光二極管接通，使得光耦內(nèi)部輸出端的三極管飽和導(dǎo)通，此時(shí)三極管的基極由高電勢變 為低電勢，通過匹配電阻R3與R4的阻值，使得三極管飽和導(dǎo)通，并使電磁線圈兩個(gè)輸入端 間的電壓等于其額定工作電壓，此時(shí)電磁繼電器吸合，充電控制開關(guān)或放電控制開關(guān)閉合； 反之，單片機(jī)系統(tǒng)的工作引腳PX為高電勢時(shí)，光電耦合器關(guān)斷，三極管截止，使得電磁繼電 器輸入端間的電壓為〇，充電控制開關(guān)或放電控制開關(guān)斷開。
【文檔編號】F02P17/00GK104481773SQ201410742400
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】張尊華, 田淋元, 梁俊杰, 李格升, 楊銳, 譚戩 申請人:武漢理工大學(xué)