葉健，王紅琴（.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.寧波市金榜汽車電子有限公司，浙江 寧波 35040）

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尼桑K25燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉健1，王紅琴2*
（1.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.寧波市金榜汽車電子有限公司，浙江 寧波 315040）

文章主要對(duì)尼桑K25燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。依據(jù)尼桑K25機(jī)型的具體參數(shù)與特性，確定點(diǎn)火控制系統(tǒng)的方案。由34齒曲軸信號(hào)與1齒凸輪軸方波信號(hào)產(chǎn)生順序四缸點(diǎn)火信號(hào)，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)該點(diǎn)火方案進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明了該方案的可行性。

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)；點(diǎn)火系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.045

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-138-03

引言

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)具有低排放、使用經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，因而已成為我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。對(duì)其研究的一個(gè)重要問題就是如何精確控制點(diǎn)火提前角，提高點(diǎn)火能量以保證燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、降低排溫，進(jìn)一步改善排放與經(jīng)濟(jì)性［1］。

1、總體分析

1.1點(diǎn)火模塊工作原理

本系統(tǒng)以飛思卡爾 MC9S12單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。MC9S12單片機(jī)作為汽車電子方面的芯片，片內(nèi)集成閃速存儲(chǔ)器，容量大，讀寫速度快，應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并且內(nèi)部還嵌有協(xié)處理器，工作主頻是CPU的兩倍，同時(shí)具有豐富的外設(shè)。點(diǎn)火模塊由電源電路、輸入信號(hào)濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路與驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路等構(gòu)成。點(diǎn)火模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

微處理器使用內(nèi)部IOC捕獲模塊捕獲凸輪軸、曲軸方波信號(hào)，通過凸輪軸與曲軸的相位方波信號(hào)計(jì)算當(dāng)前燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角位置，同時(shí)通過判斷當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況以及采集進(jìn)氣溫度、節(jié)氣門位置等信號(hào)計(jì)算當(dāng)前最佳點(diǎn)火提前角，利用單片機(jī)內(nèi)部輸出比較功能控制點(diǎn)火線圈的通斷電來控制火花塞發(fā)火時(shí)序。

1.2齒盤安裝相位

圖2所示為尼桑K25凸輪軸與曲軸齒盤結(jié)構(gòu)、曲軸傳感器與凸輪軸傳感器的機(jī)械安裝位置及對(duì)應(yīng)的相位關(guān)系。凸輪軸有一凸齒，曲軸共有34齒：包括32個(gè)小齒，2個(gè)大齒。由信號(hào)齒盤的安裝相位與傳感器的安裝位置關(guān)系，可實(shí)時(shí)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)相位信息及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.3點(diǎn)火線圈勵(lì)磁時(shí)間

為保證足夠的點(diǎn)火能量與次級(jí)線圈輸出點(diǎn)火電壓，又不至于使點(diǎn)火線圈發(fā)熱，需要使得點(diǎn)火線圈工作在合適的狀態(tài)下。如式1所示L1為初級(jí)線圈電感，Ip為初級(jí)線圈斷開電流。

為保證線圈工作在合適的狀態(tài)下，需要選擇合適的Ip，即通過控制點(diǎn)火線圈的勵(lì)磁時(shí)間便可控制Ip值的大小。

本點(diǎn)火系統(tǒng)采用 DQG127A 干式點(diǎn)火線圈與博世火花塞。如圖3為勵(lì)磁電流Ip=6A的條件下，測(cè)量在不同的電壓下的勵(lì)磁時(shí)間關(guān)系圖，在該條件下，次級(jí)線圈輸出點(diǎn)火電壓高達(dá)32KV。

1.4點(diǎn)火時(shí)序

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)機(jī)型為尼桑K25燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，直列四缸機(jī)，點(diǎn)火時(shí)序的控制以曲軸和凸輪軸方波信號(hào)為依據(jù)，圖4為一缸點(diǎn)火控制時(shí)序示意圖。曲軸信號(hào)通過安裝于飛輪上的霍爾傳感器測(cè)量得到，曲軸每旋轉(zhuǎn)一圈有34個(gè)方波信號(hào)，小齒對(duì)應(yīng)的相鄰兩方波上升沿信號(hào)間隔10°曲軸轉(zhuǎn)角，大齒對(duì)應(yīng)的相鄰兩方波上升沿間隔信號(hào)間隔20°曲軸轉(zhuǎn)角，每次檢測(cè)到曲軸大齒信號(hào)，更新當(dāng)前點(diǎn)火缸號(hào)Ign_Num并對(duì)曲軸齒數(shù)Gear_Num清零，當(dāng)檢測(cè)到曲軸小齒信號(hào)時(shí)，Gear_Num加1；凸輪軸信號(hào)通過安裝于凸輪上霍爾傳感器測(cè)量得到，凸輪軸每旋轉(zhuǎn)一圈有一個(gè)方波信號(hào)，檢測(cè)到凸輪軸的方波信號(hào)判定當(dāng)前點(diǎn)火缸號(hào)為一缸，當(dāng)檢測(cè)到曲軸大齒信號(hào)后，則置當(dāng)前點(diǎn)火缸號(hào)為四缸，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的1、4、3、2點(diǎn)火順序，通過曲軸大齒信號(hào)，更新當(dāng)前點(diǎn)火缸號(hào)。

在圖4中θ3為最佳點(diǎn)火提前角，θ2為點(diǎn)火線圈勵(lì)磁角度，θ1為點(diǎn)火線圈通電開啟前延時(shí)角度。當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前曲軸轉(zhuǎn)角角度與點(diǎn)火線圈通電開啟時(shí)刻θ1＜10°時(shí)，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速計(jì)算Tθ1與Tθ2，并開啟延時(shí)輸出比較功能，經(jīng)過Tθ1點(diǎn)火線圈開始通電，通電經(jīng)過勵(lì)磁時(shí)間Tθ2，點(diǎn)火線圈斷電次級(jí)線圈點(diǎn)火，使得在當(dāng)前點(diǎn)火缸號(hào)壓縮上止點(diǎn)前θ3點(diǎn)火。

1.5點(diǎn)火提前角的控制

由于天然氣的辛烷值較汽油的辛烷值高，故在本系統(tǒng)中未進(jìn)行爆震的控制。為使得發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最佳的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和最佳排放性，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角進(jìn)行控制。點(diǎn)火提前角由初始點(diǎn)火提前角、基本點(diǎn)火提前角以及修正量組成，如式2所示。

初始點(diǎn)火提前角為固定點(diǎn)火提前角，基本點(diǎn)火提前角通過查找進(jìn)氣壓力與轉(zhuǎn)速二維MAP表獲得，修正量包括水溫、節(jié)氣門位置等對(duì)點(diǎn)火角的補(bǔ)償。

2、軟件設(shè)計(jì)

在軟件中，采用CPU與協(xié)處理器交互式處理的模式。通過協(xié)處理器可以大大減輕CPU負(fù)荷，可使得CPU有更多的空閑時(shí)間執(zhí)行其他的事件。CPU接收協(xié)處理器的中斷請(qǐng)求對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行計(jì)算，協(xié)處理器依據(jù)點(diǎn)火時(shí)序?qū)λ母走M(jìn)行獨(dú)立點(diǎn)火控制。主程序通過燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門開度判定當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)工作工況。下圖圖5為協(xié)處理器與CPU曲軸軟件中斷處理流程圖，圖6為協(xié)處理器輸出比較中斷處理流程圖。

3、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)型為尼桑K25燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，為四沖程直列四缸水冷機(jī)型，自然吸氣，工作轉(zhuǎn)速范圍：800rpm～2200rpm。系統(tǒng)主控芯片采用MC9S12單片機(jī)，工作主頻40MHz。

點(diǎn)火控制模塊在硬件上采用 CAN總線與上位機(jī)軟件進(jìn)行通訊，使燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同的穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況下，通過上位機(jī)軟件改變點(diǎn)火提前角，標(biāo)定出最優(yōu)點(diǎn)火MAP圖使得燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能與排放性達(dá)能到最佳。如圖7所示為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在1500r/min時(shí)的負(fù)載特性，可以看出隨著負(fù)載的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)氣耗隨之減小，排溫增大。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工作在高負(fù)荷時(shí)能有效的降低氣耗率。

4、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明本文所開發(fā)的點(diǎn)火系統(tǒng)滿足尼桑K25燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)火控制的要求，實(shí)現(xiàn)了尼桑K25燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的四缸順序點(diǎn)火，通過配套相應(yīng)的上位機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)點(diǎn)火提前角實(shí)現(xiàn)了在線標(biāo)定。

[]吳本成,孫仁云,陳林林.YH465Q-1E改為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)的研制[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006(01).

[2]王明文,唐嵐,甘海云,劉俊剛,王康康.電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2009(03).

[3]林峰,楊強(qiáng),王瓊,吳文龍.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)研發(fā)的理論與實(shí)踐(上)[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力.2014(02).

[4]王曉斌.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工程大學(xué).2013.

The Design of Nissan K25 gas engine ignition system

Ye Jian1,Wang Hongqin2*
(1.institute of automation of wuhan huazhong university of science and technology,Hubei Wuhan 430074; 2.Ningbo jinbang automotive electronics co.,LTD.Zhejiang Ningbo 315040)

This paper mainly discusses the development of Nissan K25 gas engine ignition system.According to the specific parameters and characteristics of Nissan K25,determine the ignition control system scheme.Through the 34 teeth of crankshaft signal and 1 teeth of camshaft signal generate four cylinder ignition signal,and validating the ignition scheme on the experimental bench，experimental results show the feasibility of the scheme.

gas engine; ignition system

U464

A

1671-7988（2016）08-138-03

葉健，男，就讀于華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院。

王紅琴，就職于寧波市金榜汽車電子有限公司。