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技术领域

本实用新型涉及点火测控系统，具体地指一种变能量的点火测控系统。

背景技术

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。利用发动机台架可以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以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，可以为优化发动机点火系统的设计与控制提供理论依据。

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，既可以为可燃气体或液体的安全储运提供参考，也可以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。利用定容燃烧弹可以测定不同燃料(气体燃料与部分液体燃料)的最小点火能量。

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。

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。这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

本实用新型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，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，既可以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。

实现本实用新型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、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和电源负极连接；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k1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。

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。

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。

作为本实用新型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，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。

作为本实用新型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制，单片机通过串口与PC机进行连接。

本实用新型工作过程如下：

当充电控制开关闭合时，完成对电容组的充电。电容组充电完成后，充电控制开关断开，放电控制开关闭合，此时电容组、放电控制开关与点火线圈构成另一个回路。放电控制开关闭合时，电容组完成放电，电流流过点火线圈的初级线圈，使得在次级线圈上产生一个瞬时高压。由于电极 的一端与点火线圈的次级线圈输出端相连，一端与电源负极相连，使得电极间产生瞬时高压，击穿电极间的气体，从而完成点火。

本实用新型在点火过程中，电压探头与电流探头分别用来采集点火过程中电极间的电压信号与电流信号，并将其送入示波器中完成数据采集与波形显示，再将采集到的两个波形数据传入计算机中完成相关计算，计算得到点火能量值。

此外，本实用新型还能够通过改变电路中电容组的容值C与充电后电容组两端的电压U的大小，来改变电容组储能的大小。本实用新型在每一次点火过程中，点火能量的大小能够通过改变电容组的储能大小来实现。

附图说明

图1为本实用新型变能量的点火测控系统的电路图。

图2为充、放电控制开关的驱动控制电路图。

图中标号如下：

1-线性直流电源(A+线性直流电源正极 A-线性直流电源负极)

D1  二极管

D2  二极管

D3  稳压二极管

R1  电阻

R2  电阻

R3  电阻

R4  电阻

2   充电控制开关

3   放电控制开关

4   点火线圈

5   电压探头

6   点火电极

7   PC机

8   示波器

9   电流探头

10  放电回路

11  电容组

12  充电回路

J1  选择开关

J2  选择开关

J3  选择开关

J4  选择开关

J5  选择开关

J10 选择开关

C1  电容

C2  电容

C3  电容

C4  电容

C5  电容

C10 电容

L1  初级线圈

L2  次级线圈

13  5V直流电源正极

14  32V直流电源正极

15  光电耦合器

16  9012型三极管

17  32V直流电源负极

18  单片机系统(PX为单片机工作引脚)

K1  电磁线圈输入端

K2  电磁线圈输入端

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型变点火能量的点火测控系统包括充电回路12和放电回路10，其中，

充电回路包括线性直流恒压源1，以及依次连接在线性直流恒压源1正极和负极之间的第一二极管D1、第一电阻R1、充电控制开关2、第二二极管D2和电容组11，具体地，第一二极管D1的阳极与线性直流恒压源1的正极A+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2，第二二极管D2的阴极与电容组11的 一端连接，电容组11的另一端与线性直流恒压源1的负极连接。

本实施例中，线性直流恒压源1为输出在0～400V之间变化的电压。电容组11由不同容值的电容(C1、C2、C3、C4、C5…C10)并联而成，每一个电容串联一个选择开关(J1、J2、J3、J4、J5…J10)，用以调节电路中所接电容的容值，所用电容采用聚丙烯电容(CBB电容)，选择开关采用机械开关，能够进行手动操作。

放电回路包括电容组11、放电控制开关3，点火线圈4、电压探头5和点火电极6、PC机7、示波器8和电流探头9，放电控制开关3的一端与第二二极管D2的阴极连接，另一端与点火线圈4中初级线圈L1的一端连接。点火电极6的两端分别与点火线圈4中次级线圈L2的输出端和电源负极连接，电压探头5的测试端与和次级线圈输出端相连接的电极相接，地线钳与另一端相连。电流探头9接入电极线路中，电压探头5和电流探头9采集输出端与示波器8连接，示波器8通过数据线与PC机7相连。

本实用新型所用充电控制开关2和放电控制开关3均为电磁继电器开关，采用图2所示的驱动控制电路进行开闭控制。

图2所示的驱动控制电路中，5V直流电源正极13经过电阻R2，连接光电耦合器15在发光二极管正极，发光二极管的负极与单片机系统18的工作引脚PX相连。单片机系统18通过串口模块与PC机7连接。

光电耦合器15的输出端的发射极与32V直流电源的负极17相连，集电极则与电阻R4相连，同时与9012型三极管16的基极相连。将电阻R3与电阻R4串联后与32V直流电源的正极14相连，9012型三极管16的发射极接在电阻R4与电阻R3之间，并将三极管16集电极与电磁线圈的任意输入端k1相连，并与稳压二极管D3的负极相连。将电磁线圈另一输入端k2与32V直流电源的负极17相连，并与稳压二极管D3的正极相连。稳压二极管D3的稳压值与继电器线圈额定工作电压值相同。

上述驱动控制电路对充电控制开关2或放电控制开关3进行开闭控制的过程如下：

根据每一次点火要求，PC机7通过串口发出点火信号给单片机系统18， 单片机系统18接受到该点火信号后，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(+5V)变为低电位时(0V)，光电耦合器15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9012型三极管16的基极由高电势变为低电势，通过合理匹配电阻R3与R4的阻值，使得9012型三极管16饱和导通，并使电磁线圈两个输入端(K1与K2之间)间的电压等于其额定工作电压，此时电磁继电器吸合，控制开关闭合。反之，单片机系统18的工作引脚PX为高电势时，光电耦合器15关断，9012型三极管16截止，使得电磁继电器输入端(K1与K2之间)间的电压为0，控制开关断开。

将本实用新型适用于发动机台架时，直流恒压电源1可采用通过一个升压整流电路，可将电瓶电压转换成一个直流恒压输出，通过调节开关控制升压线路中的匝数比，实现输出的电压值在一定范围内变化，调节开关可以采用机械开关。充电控制开关2可采用单向可控硅，通过触发电路实现可控硅的导通，电容组11充电结束后，电流过零实现可控硅的自动关断。可以根据发动机的实际工作要求，通过ECU控制触发时刻，从而完成对电容组11的充电控制。电容可采用不同容值的聚丙烯电容(CBB电容)，通过并联构成电容组。放电控制开关3可以采用固态继电器，通过ECU控制驱动电路来实现固态继电器的通断，从而完成电容组11放电，实现缸内点火。当本实用新型应用于定容燃烧弹实验台架时，直流恒压源1可以采用成品的线性直流电源，可将220V(50Hz)交流电转换成一定范围内的直流恒压输出。充电控制开关与放电控制开关可以采用与发动机上采用的充、放电控制开关相同的类型，也可以采用大功率电磁继电器。在定容燃烧弹实验台架中，可以通过PC机发出触发信号，通过串口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，完成每一次点火。

本实用新型的电容组11是由不同容值的电容并联而成，每个电容串联一个选择开关，选择开关的类型可以采用普通机械开关。根据电容的储能公式：

E C = 1 2 CU 2 ]]>

其中：E_C—电容储能C—电容的容值U—电容充电后两端电压

改变电路中电容的容值C与电容两端的电压U，从而可以改变电容储能的大小。本实用新型在每一次点火过程中，点火能量的大小，可以通过改变电容组的储能大小来实现。当点火趋于稳定时，电容组的储能越多，在每一次点火中的点火能量越大，反之，则越小。本实用新型所采用的技术方案是使系统满足台架要求的前提下，保证电容组的充电时间足够长，使得电容组两端的电压等于电源电压。因此电容组的储存能量可以通过改变高压电源的输出电压值与电容组的容值实现。本实用新型中可以通过闭合或断开相应的选择开关，实现电容组的容值变化。本实用新型在发动机上，输出高电压的变化可以通过调节升压电路的匝数比实现；在定容燃烧弹系统中，采用线性直流电源可以实现电压在某一范围内的线性输出。本实用新型采用点火线圈完成升压点火，降低了对于直流恒压电源输出电压的要求。一般输出电压大于100V，即可满足点火要求。

本实用新型在每一次点火过程中，通过电压探头5和电流探头6，采集放电过程中电极间的电压与电流信号。电压探头5可以采用高压无源探头，其测量端与次级线圈的输出端相连，将地线钳与电极另一端相连。电流探头6接入次级线圈与电极构成的回路。将两个探头采集输出端与示波器联接，通过数据线将示波器8与PC机7相联。每一次点火过程中，采集电极间电压与电流信号，通过示波器呈现波形，并将电压与电流信号在采集时长内随时间的变化数据传入计算机，通过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：

E I = ∫ t 1 t 2 UIdt ]]>

式中：E_I为点火能量，t₁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，因此上述公式可以变型为：

E I = Σ i = t 1 t 2 uiΔt ]]>

式中：E_I为点火能量，t₁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，Δt为示波器的采样率周期；

通过多次测量后，得到电容的储能与点火能量间的关系，进而得到E_C-E_I曲线，完成对本实用新型的标定。当需要某一点火能量时，根据E_C-E_I曲线，可以粗调电容的储能值，使点火能量接近需要值。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。通过上述技术方案既可以实现变能量点火，也可以按需要调节点火能量的大小，进而用于测量燃料的最小点火能量。

本实用新型可变点火能量的点火测控系统的工作过程如下：

通过编写控制程序，实现单片机控制完成如下过程：当PC机7发出点火信号时，单片机系统18执行相应程序，实现充电控制开关2闭合一段时间，完成对电容组11的充电。电容组11充电完成后，充电控制开关2断开，放电控制开关3闭合，电容组11完成放电，并在次级线圈L2输出端产生一个瞬时高压，击穿点火电极6间的可燃混合气，完成点火。

每一次点火过程中，电压探头5与电流探头9分别采集点火电极6间电压与电流的模拟信号，并将其传入示波器8中，完成对波形数据的采集与波形显示。通过数据线将示波器8存储的数据传入PC机7，PC机7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。根据采集波形的需要，调节示波器8纵向视窗的显示幅值范围与横向视窗的记录时间长度，保证每一次采集数据的完整。

作为本实用新型的一种优选实施方式，在每一次点火之前，可以配合调节线性直流恒压源1的电压输出与电容组11的容值，实现电容组储能的变化。线性直流恒压源1的电压调节可以采用其自带的调节旋钮进行线性调节，电容组11的容值可以通过选择开关(J1、J2、J3、J4、J5……J10)的开闭进行调整。当只有第一选择开关J1与第二选择开关J2闭合时，电路中的电容容值为第一电容C1与第二电容C2的容值之和。以此类推，可以根据要求，闭合相应电容的选择开关，从而控制电路中电容的容值大小。需要较高点火能量时，可以增大线性恒压源1的输出电压值与电容组11的 容值，提高电容的储能值，从而实现点火能量升高。每一次点火过程中，通过调节电容储能值，实现点火能量的变化，根据实时采集与计算得到的点火能量的大小，进而可以实现在定容燃烧弹台架上研究点火能量对燃烧特性的影响。

电容的储能控制在某一恒定值，通过多次点火，点火能量会趋于某一稳定范围内，进而可以对本点火系统完成一个标定，得到电容的储能与点火能量的变化关系。通过这一关系曲线，可以根据需要粗调电容的储能大小，并通过实时计算得到的点火能量值，细调电容的储能大小，从而使得点火能量趋于所需能量值，可以利用定容燃烧弹台架测量燃料的最小点火能量。

经实验得出：调节线性恒压源1的输出电压为100V，电容组11的容值为0.978uF，经过多次点火测量后，计算得到点火能量的大小趋于2.3mJ。调节线性恒压源1的输出电压为200V，电容组11的容值为0.978uF，经过多次点火测量后，计算得到点火能量的大小趋于7.4mJ。调节线性恒压源1的输出电压为300V，电容组11的容值为0.978uF，经过多次点火测量后，计算得到点火能量的大小趋于15.6mJ。调节线性恒压源1的输出电压为400V，电容组11的容值为0.978uF，经过多次点火测量后，计算得到点火能量的大小趋于25.5mJ。由此得出，通过改变电容储能值大小，可以实现点火能量的调节，且在特定的电容储能值下点火能量趋于某一个特定值。