發動機高能直接點火控制技術設計
2012-04-12 00:00:00李周平
現代電子技術 2012年13期
摘要：針對發動機電子點火系統的性能要求，以MC9S12DP256微控制器為核心，通過分析點火時序控制方法，設計點火控制程序，結合外圍硬件設備，設計了六缸發動機高能直接點火系統。結果表明，利用MC9S12DP256微控制器的邏輯運算能力和定時控制功能，六缸發動機高能直接點火系統獲得了精確、可靠的點火時序控制性能，使發動機電子點火系統獲得了新發展。
關鍵詞：電子點火; 時序控制; 發動機; 控制技術
中圖分類號：
TN71034; TK421.2
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)13
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收稿日期：20120312
0引言
電子技術的發展對發動機性能提出更高要求，微機控制的電子點火系統逐漸取代了傳統的發動機點火系統，使點火時刻和點火能量的控制更為精確。在發動機點火系統中，采用無分電器各缸獨立點火系統，即高能直接點火系統。采用高能直接點火可有效地增加點火線圈初級回路的儲能，減少點火能量的傳導損失，從而提高點火能量，滿足車用發動機稀薄燃燒、增壓和使用代用燃料(如天然氣、酒精)等新技術的發展要求。針對六缸車用發動機高能直接點火控制系統的開發，進行了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統設計［1］。
1六缸發動機高能直接點火系統
六缸發動機的高能直接點火系統電路設計原理圖如圖1所示。
系統由輸入信號傳感器、電子控制單元(ECU)及點火執行器三部分組成。其中，點火執行器包括每缸獨立的點火線圈和火花塞，共六組。點火線圈通過初次級繞組線圈之間進行電磁感應，將蓄電池的電壓升壓后用于激勵火花塞電極間產生電火花，使汽缸內的混合氣點燃。由電子控制單元發出的控制信號經過點火器中的功率三極管的放大為驅動信號，用于對初級電路進行通斷電控制［2］。
1-各種傳感器；2-電子控制單元；3-點火器(功率三極管，6個)；
4-點火開關；5-蓄電池；6-點火線圈(6個)；
7-火花塞(6個)；8-初級繞組；9-次級繞組。
為保證發動機的性能要求，六缸發動機高能直接點火系統需按點火順序、點火時刻和點火能量的控制要求［34］，實現六個獨立點火線圈初級電路的適時通、斷電，即電子控制單元要完成多通道的復雜時序控制。
2ECU的硬件結構設計
適用于六缸發動機高能直接點火系統的電子控制單元(ECU)結構如圖2所示。
ECU以MC9S12DP256微控制器為核心，結合電源、輸入信號整形處理、輸出驅動放大電路、通信接口電路等功能模塊構成［5］。
結構設計中，兩個定時通道設置為輸入捕捉功能，對經過整形處理后的曲軸位置信號和發動機轉速信號進行采集處理；另六個定時通道設置為輸出比較功能，用于六個汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制。
3ECU的控制軟件設計
3.1點火時序的控制方法
六缸發動機高能直接點火系統的電子控制單元(ECU)在進行點火時序控制的時候，以安裝于凸輪軸上的霍爾傳感器測量得到的發動機曲軸位置信號為依據。
曲軸位置信號與點火控制時序的關系如圖3所示，凸輪軸每轉一周，產生七個脈沖信號，其中六個為發動機各缸的點火基準信號，按1，5，3，6，2，4的缸號順序均勻排列，各基準脈沖信號的上升沿設置在對應各缸壓縮行程上止點前40°，相鄰基準信號間相差120°的曲軸轉角。另有一個附加脈沖信號在1號缸的基準脈沖信號后，其上升沿對應于1號缸的上止點，用于判定1號缸的位置，使點火系統與發動機的工作同步［6］。
MCU利用定時器輸入捕捉與輸出比較功能的配合，采用延時計數法進行點火線圈初級電路通斷電時序控制。
3.2點火控制程序設計
為了實現上述點火時序控制功能，本文設計的點火控制程序由主程序和中斷服務子程序等多個模塊組成。主程序的主要功能是根據發動機運行工況，通過邏輯運算確定最優的點火提前角及初級電路導通時間；中斷服務子程序負責系統輸入信號的采集與處理，而其中輸入捕捉和輸出比較中斷程序是實現點火時序控制的關鍵。點火控制主程序流程圖如圖4所示［7］。
ECU上電后，主程序首先執行MCU的初始化操作，設置定時器計數周期、各輸入輸出功能和各中斷。初始化完成后，主程序進入循環運行狀態，等待各中斷服務程序發生，檢測各輸入參數，進行故障查詢和處理。如系統狀態正常，則根據發動機運行工況確定最優的點火提前角及初級電路導通時間［8］。
輸入捕捉和輸出比較的中斷服務程序流程圖分別如圖5和圖6所示。
利用定時器輸入捕捉與輸出比較功能的配合，采用延時計數法實現點火線圈初級電路通斷電時序控制。在進入曲軸位置信號上升沿觸發的輸入捕捉中斷后，首先完成判缸信號拾取、工作缸號確定及控制周期計數值計算等工作。然后進行點火線圈的通斷電延時控制。當發動機轉速較高時，設置本缸的斷電延時和相應的輸出比較通道，以及下一缸的通電延時和相應的輸出比較通道；當發動機轉速較低時，設置本缸的通電延時和相應的輸出比較通道，并且輸出比較中斷。當進入輸出比較中斷時，再以此中斷為基準，設置本缸的斷電延時和相應的輸出比較通道［9］。
4結論
以MC9S12DP256微控制器為核心的發動機高能直接點火系統，可實現點火時刻按發動機工況進行最優調節，并且利用MCU的增強型捕捉定時器實現了六缸發動機點火的獨立通道控制。輸入捕捉與輸出比較功能相互配合，滿足了六個點火線圈初級電路通斷電的復雜時序控制要求。試驗結果表明，在其工作范圍內的各種轉速工況下，發動機均能獲得可靠點火，無失火現象。與只有一個點火線圈的傳統點火系統相比，獲得較高點火能量。
參考文獻
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作者簡介：
李周平男，1962年出生，陜西鳳翔人，副教授，高級工程師。主要從事電工、電子、機械工程等教學、研究。
