發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火控制技術(shù)設(shè)計(jì)

摘要：針對發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的性能要求，以MC9S12DP256微控制器為核心，通過分析點(diǎn)火時(shí)序控制方法，設(shè)計(jì)點(diǎn)火控制程序，結(jié)合外圍硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)了六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)。結(jié)果表明，利用MC9S12DP256微控制器的邏輯運(yùn)算能力和定時(shí)控制功能，六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)獲得了精確、可靠的點(diǎn)火時(shí)序控制性能，使發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)獲得了新發(fā)展。
關(guān)鍵詞：電子點(diǎn)火；時(shí)序控制；發(fā)動(dòng)機(jī)；控制技術(shù)

0 引言
    電子技術(shù)的發(fā)展對發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出更高要求，微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，使點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的控制更為精確。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中，采用無分電器各缸獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)，即高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)。采用高能直接點(diǎn)火可有效地增加點(diǎn)火線圈初級回路的儲(chǔ)能，減少點(diǎn)火能量的傳導(dǎo)損失，從而提高點(diǎn)火能量，滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒、增壓和使用代用燃料(如天然氣、酒精)等新技術(shù)的發(fā)展要求。針對六缸車用發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火控制系統(tǒng)的開發(fā)，進(jìn)行了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)
    六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

    系統(tǒng)由輸入信號傳感器、電子控制單元(ECU)及點(diǎn)火執(zhí)行器三部分組成。其中，點(diǎn)火執(zhí)行器包括每缸獨(dú)立的點(diǎn)火線圈和火花塞，共六組。點(diǎn)火線圈通過初次級繞組線圈之間進(jìn)行電磁感應(yīng)，將蓄電池的電壓升壓后用于激勵(lì)火花塞電極間產(chǎn)生電火花，使汽缸內(nèi)的混合氣點(diǎn)燃。由電子控制單元發(fā)出的控制信號經(jīng)過點(diǎn)火器中的功率三極管的放大為驅(qū)動(dòng)信號，用于對初級電路進(jìn)行通斷電控制。
    為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)需按點(diǎn)火順序、點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的控制要求，實(shí)現(xiàn)六個(gè)獨(dú)立點(diǎn)火線圈初級電路的適時(shí)通、斷電，即電子控制單元要完成多通道的復(fù)雜時(shí)序控制。

2 ECU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    適用于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    ECU以MC9S12DP256微控制器為核心，結(jié)合電源、輸入信號整形處理、輸出驅(qū)動(dòng)放大電路、通信接口電路等功能模塊構(gòu)成。
    結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，兩個(gè)定時(shí)通道設(shè)置為輸入捕捉功能，對經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集處理；另六個(gè)定時(shí)通道設(shè)置為輸出比較功能，用于六個(gè)汽缸的點(diǎn)火線圈初級電路的通斷電控制。

3 ECU的控制軟件設(shè)計(jì)
3．1 點(diǎn)火時(shí)序的控制方法
    六缸發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)在進(jìn)行點(diǎn)火時(shí)序控制的時(shí)候，以安裝于凸輪軸上的霍爾傳感器測量得到的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置信號為依據(jù)。
    曲軸位置信號與點(diǎn)火控制時(shí)序的關(guān)系如圖3所示，凸輪軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生七個(gè)脈沖信號，其中六個(gè)為發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的點(diǎn)火基準(zhǔn)信號，按1，5，3，6，2，4的缸號順序均勻排列，各基準(zhǔn)脈沖信號的上升沿沒置在對應(yīng)各缸壓縮行程上止點(diǎn)前40°，相鄰基準(zhǔn)信號間相差120°的曲軸轉(zhuǎn)角。另有一個(gè)附加脈沖信號在1號缸的基準(zhǔn)脈沖信號后，其上升沿對應(yīng)于1號缸的上止點(diǎn)，用于判定1號缸的位置，使點(diǎn)火系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作同步。
    MCU利用定時(shí)器輸入捕捉與輸出比較功能的配合，采用延時(shí)計(jì)數(shù)法進(jìn)行點(diǎn)火線圈初級電路通斷電時(shí)序控制。

3．2 點(diǎn)火控制程序設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)卜述點(diǎn)火時(shí)序控制功能，本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)火控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序等多個(gè)模塊組成。主程序的主要功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，通過邏輯運(yùn)算確定最優(yōu)的點(diǎn)火提前角及初級電路導(dǎo)通時(shí)間；中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)序控制的關(guān)鍵。點(diǎn)火控制主程序流程圖如圖4所示。ECU上電后，主程序首先執(zhí)行MCU的初始化操作，設(shè)置定時(shí)器計(jì)數(shù)周期、各輸入輸出功能和各中斷。初始化完成后，主程序進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，等待各中斷服務(wù)程序發(fā)生，檢測各輸入?yún)?shù)，進(jìn)行故障查詢和處理。如系統(tǒng)狀態(tài)正常，則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況確定最優(yōu)的點(diǎn)火提前角及初級電路導(dǎo)通時(shí)間。
    輸入捕捉和輸出比較的中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖5和圖6所示。

    利用定時(shí)器輸入捕捉與輸出比較功能的配合，采用延時(shí)計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火線圈初級電路通斷電時(shí)序控制。在進(jìn)入曲軸位置信號上升沿觸發(fā)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(jì)數(shù)值計(jì)算等工作。然后進(jìn)行點(diǎn)火線圈的通斷電延時(shí)控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，設(shè)置本缸的斷電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道，以及下一缸的通電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，設(shè)置本缸的通電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道，并且輸出比較中斷。當(dāng)進(jìn)入輸出比較中斷時(shí)，再以此中斷為基準(zhǔn)，設(shè)置本缸的斷電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道。

4 結(jié)論
    以MC9S12DP256微控制器為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)刻按發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行最優(yōu)調(diào)節(jié)，并且利用MCU的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了六缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的獨(dú)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(gè)點(diǎn)火線圈初級電路通斷電的復(fù)雜時(shí)序控制要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，在其工作范圍內(nèi)的各種轉(zhuǎn)速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)均能獲得可靠點(diǎn)火，無失火現(xiàn)象。與只有一個(gè)點(diǎn)火線圈的傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)相比，獲得較高點(diǎn)火能量。