尼桑K25燃氣發(fā)動機點火系統(tǒng)的設(shè)計

葉健，王紅琴（.華中科技大學自動化學院，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燃氣發(fā)動機點火系統(tǒng)的設(shè)計

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

文章主要對尼桑K25燃氣發(fā)動機的點火系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)。依據(jù)尼桑K25機型的具體參數(shù)與特性，確定點火控制系統(tǒng)的方案。由34齒曲軸信號與1齒凸輪軸方波信號產(chǎn)生順序四缸點火信號，并在實驗臺架上對該點火方案進行驗證，實驗表明了該方案的可行性。

燃氣發(fā)動機；點火系統(tǒng)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.045

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

引言

燃氣發(fā)動機具有低排放、使用經(jīng)濟性好等特點，因而已成為我國發(fā)動機研究領(lǐng)域的熱點。對其研究的一個重要問題就是如何精確控制點火提前角，提高點火能量以保證燃氣發(fā)動機的動力性、降低排溫，進一步改善排放與經(jīng)濟性［1］。

1、總體分析

1.1點火模塊工作原理

本系統(tǒng)以飛思卡爾 MC9S12單片機為核心進行設(shè)計。MC9S12單片機作為汽車電子方面的芯片，片內(nèi)集成閃速存儲器，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，并且內(nèi)部還嵌有協(xié)處理器，工作主頻是CPU的兩倍，同時具有豐富的外設(shè)。點火模塊由電源電路、輸入信號濾波電路、驅(qū)動電路與驅(qū)動保護電路等構(gòu)成。點火模塊硬件結(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，通過凸輪軸與曲軸的相位方波信號計算當前燃氣發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角位置，同時通過判斷當前發(fā)動機運行工況以及采集進氣溫度、節(jié)氣門位置等信號計算當前最佳點火提前角，利用單片機內(nèi)部輸出比較功能控制點火線圈的通斷電來控制火花塞發(fā)火時序。

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械安裝位置及對應(yīng)的相位關(guān)系。凸輪軸有一凸齒，曲軸共有34齒：包括32個小齒，2個大齒。由信號齒盤的安裝相位與傳感器的安裝位置關(guān)系，可實時獲得發(fā)動機相位信息及運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.3點火線圈勵磁時間

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

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

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

1.4點火時序

本系統(tǒng)實驗機型為尼桑K25燃氣發(fā)動機，直列四缸機，點火時序的控制以曲軸和凸輪軸方波信號為依據(jù)，圖4為一缸點火控制時序示意圖。曲軸信號通過安裝于飛輪上的霍爾傳感器測量得到，曲軸每旋轉(zhuǎn)一圈有34個方波信號，小齒對應(yīng)的相鄰兩方波上升沿信號間隔10°曲軸轉(zhuǎn)角，大齒對應(yīng)的相鄰兩方波上升沿間隔信號間隔20°曲軸轉(zhuǎn)角，每次檢測到曲軸大齒信號，更新當前點火缸號Ign_Num并對曲軸齒數(shù)Gear_Num清零，當檢測到曲軸小齒信號時，Gear_Num加1；凸輪軸信號通過安裝于凸輪上霍爾傳感器測量得到，凸輪軸每旋轉(zhuǎn)一圈有一個方波信號，檢測到凸輪軸的方波信號判定當前點火缸號為一缸，當檢測到曲軸大齒信號后，則置當前點火缸號為四缸，依據(jù)發(fā)動機的1、4、3、2點火順序，通過曲軸大齒信號，更新當前點火缸號。

在圖4中θ3為最佳點火提前角，θ2為點火線圈勵磁角度，θ1為點火線圈通電開啟前延時角度。當檢測到當前曲軸轉(zhuǎn)角角度與點火線圈通電開啟時刻θ1＜10°時，依據(jù)發(fā)動機當前轉(zhuǎn)速計算Tθ1與Tθ2，并開啟延時輸出比較功能，經(jīng)過Tθ1點火線圈開始通電，通電經(jīng)過勵磁時間Tθ2，點火線圈斷電次級線圈點火，使得在當前點火缸號壓縮上止點前θ3點火。

1.5點火提前角的控制

由于天然氣的辛烷值較汽油的辛烷值高，故在本系統(tǒng)中未進行爆震的控制。為使得發(fā)動機獲得最佳的動力性、經(jīng)濟性和最佳排放性，需要對發(fā)動機的點火提前角進行控制。點火提前角由初始點火提前角、基本點火提前角以及修正量組成，如式2所示。

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

2、軟件設(shè)計

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負荷，可使得CPU有更多的空閑時間執(zhí)行其他的事件。CPU接收協(xié)處理器的中斷請求對點火提前角進行計算，協(xié)處理器依據(jù)點火時序?qū)λ母走M行獨立點火控制。主程序通過燃氣發(fā)動機當前的轉(zhuǎn)速、進氣壓力、節(jié)氣門開度判定當前發(fā)動機工作工況。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、實驗

實驗機型為尼桑K25燃氣發(fā)動機，為四沖程直列四缸水冷機型，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，工作主頻40MHz。

點火控制模塊在硬件上采用 CAN總線與上位機軟件進行通訊，使燃氣發(fā)動機運行在不同的穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況下，通過上位機軟件改變點火提前角，標定出最優(yōu)點火MAP圖使得燃氣發(fā)動機在動力性能、經(jīng)濟性能與排放性達能到最佳。如圖7所示為燃氣發(fā)動機在1500r/min時的負載特性，可以看出隨著負載的增大，發(fā)動機氣耗隨之減小，排溫增大。燃氣發(fā)動機工作在高負荷時能有效的降低氣耗率。

4、結(jié)論

實驗表明本文所開發(fā)的點火系統(tǒng)滿足尼桑K25燃氣發(fā)動機對點火控制的要求，實現(xiàn)了尼桑K25燃氣發(fā)動機的四缸順序點火，通過配套相應(yīng)的上位機標定系統(tǒng)，對點火提前角實現(xiàn)了在線標定。

[]吳本成,孫仁云,陳林林.YH465Q-1E改為天然氣發(fā)動機的電控系統(tǒng)的研制[J].西華大學學報(自然科學版).2006(01).

[2]王明文,唐嵐,甘海云,劉俊剛,王康康.電控天然氣發(fā)動機點火控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].西華大學學報(自然科學版).2009(03).

[3]林峰,楊強,王瓊,吳文龍.天然氣發(fā)動機點火系統(tǒng)研發(fā)的理論與實踐(上)[J].現(xiàn)代車用動力.2014(02).

[4]王曉斌.天然氣發(fā)動機點火系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究[D].哈爾濱工程大學.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自動化學院。

王紅琴，就職于寧波市金榜汽車電子有限公司。