CN1043369A - 内燃机点火提前变化控制系统 - Google Patents

Abstract

内燃机点火提前变化控制系统包括：两个传感器，一个用来产生最大提前位置信号，另一个产生“上死点”位置信号，最大提前位置信号经过一延迟器延迟后触发触发器工作，形成点火时刻，同时触发模拟燃烧时间信号发生器，使其输出一个前沿与实际点火时间一致，脉宽为模拟燃烧时间的脉冲信号，该脉冲信号和实际燃烧时间脉冲信号相比较，将误差量送给一延迟控制器，变换充电电流的大小，控制延迟时间，使其达到最佳点火时间。

Description

本发明内燃机点火提前变化控制系统涉及内燃机点火技术，特别是适用于汽车类发动机的点火提前变化系统。

目前广泛应用在汽车上的点火系统，俗称“分电器”。其电火花的产生依靠触点（俗称“白金”）的开闭，切断电流而感应高压，它的点火提前角的调整是由机械重块离心和气动机构两种方式共同作用完成的。最大点火提前角度小，不能满足需要。另外这种系统还存在调整困难、触点烧蚀、油污等问题。

自七十年代以来出现了许多采用电子控制模块的无触点点火系统，如美国的台尔柯系统、克莱斯勒系统、福特系统等。上述系统共同之处是取消了白金触点，采用传感器和电子部件来驱动点火线圈，但是它们也都保留了机械重块离心和气动相结合的机械提前角调整方式，点火提前角仍较小，不能满足要求。

近年来有完全采用电路部件完成上述两项功能的系统，它们被称为“完整型”。电火花发生和提前角调整均由电子控制模块完成。意大利发明专利申请85106245号公开的就是这样一种系统。它采用由CPU、存贮器和计数器组成的微处理器来实现上述功能。存贮器内含有CPU运算程序和提前角数据，根据传感器送来的最大提前角信号和最小提前角信号经运算后向发动机提供合适的点火提前信号。虽然它能够对提前角变化做出完全响应，但在实际上仍有许多问题。如系统的构成庞大复杂，造价较高，元器件数量较多，使系统工作的可靠性得不到保证。

本发明的目的就是根据上述技术上的不足而提出一种结构简单，可控制燃烧时间的完整型的点火时间提前变化控制系统。

本发明设置了两个传感器位置信号，一个是最大提前信号φm。φm的设置是为了能预先得到一个提前量，使后级电路能对它处理后得到点火时刻。由于φm必须满足发动机的最大点火提前量的要求，因此φm在时域上比发动机实际需要的最大提前信号更为提前一些。另一个传感信号是“上死点”信号，它与活塞运行到“上死点”的时刻在时域上是一致的，“上死点”信号的设置使的本发明控制燃烧时间Ts有了时间基准，本发明的点火时刻发生在“上死点”信号前T时刻，例如当某一发动机燃烧时间Ts为3ms，则本发明输出一个以“上死点”信号为后沿，宽度为3ms的点火脉冲，脉冲前沿即为点火时刻，因此与点火提前角调整系统不同，本发明控制的是燃烧时间而不是点火提前角。显然这比提前角控制方式更符合发动机燃烧机理。

如前所述本发明设置了两个活塞运行位置传感信号，本发明采用将最大提前信号φm直接延迟得到点火时刻的方式，使电路变的简单。

在时域上，最大提前信号φm运行到“上死点”的时间为Tm＝f（n）是速度的函数，若我们要求在“上死点”前Ts时刻点燃混合气，则只需对Tm施以定量延迟即可得到Ts时刻，延迟量t＝Tm-Ts，仍为速度的单值函数，本发明采用由时基电路构成的延迟器实施延迟，而延迟量t的控制则采用速度电压转换电路得到，使经t时间延迟的Tm信号距“上死点”时刻保持在Ts时间，很明显“上死点”前Ts时刻即为点火时刻。

如前所述，本发明控制的是燃烧时间Ts，但在实际上发动机的燃烧时间Ts是变化的，系统实际输出的燃烧时间T也会由于元器件参数的变化而和Ts不一致，为此本发明设置了模拟燃烧时间Ts变化的电路，以反映发动机燃烧时间的变化，设置了闭环反馈校正电路以使实际输出T与模拟信号T_D相一致。

当发动机的负载状况、节流阀开度大小发生变化时模拟电路的传感装置均能将这些变化反映在信号脉宽上来，即增大或减小模拟燃烧时间信号T_D，使系统按照预定的变化曲线向系统提供模拟基准燃烧时间信号T_D，改变模拟网络的参数即可适应不同型式的发动机的要求，当模拟燃烧时间信号T_D发生变化或系统输出T由于参数变化而偏离正常值时，本发明的反馈校正电路会自动的将输出T钳制在T_D的值上，具体的做法是将模拟燃烧时间信号T_D和系统实际输出信号T进行比较，误差δ＝T-T_D为一极性和脉宽均可变的脉冲序列，再将其转换成误差电压函数，即可用于校正系统的延迟控制量，从而降低系统的控制误差和实现对模拟燃烧时间信号T_D的跟随。

下面将结合附图对本发明做进一步的描述。

附图一是本发明的电路框图。

附图二是附图一装置中各点的电压波形图。

附图三是本发明实施例电原理图。

图中，1、2是传感器，3是装置传感器的园盘，4是延迟器，5是模拟燃烧时间信号发生器，6是触发器，7是单稳态电路，8是点火输出电路，9是点火线圈，10是脉宽比较器，11是积分器，12是积分器，13是延迟控制器。

本发明的工作原理及连接关系如下：

传感器1、2与装在传感器园盘3上的转动部分相配合，检测内燃机的活塞运行位置，输出负极性脉冲，传感器1、2分别提供两个传感信号A与B。传感器1输出的是最大提前信号φm。（见附图二波形A）。传感器2输出同一活塞的“上死点”信号，见波形B，内燃机的点火时刻即在0～Tm之间。A经延迟器4延迟后得到信号C，见附图二波形C，C的下降沿即为点火发生时刻。高电平持续时间是延迟量t的脉宽。

信号C分为两路，一路送到触发器6，触发触发器6使其翻转输出高电平，形成实际燃烧时间信号T的前沿。传感器2输出的传感信号B送到触发器6的 R端使其复位，输出低电平，形成了实际燃烧时间脉冲T的后沿，至此整个燃烧时间T脉冲形成，见附图二波形D，D的上升沿是点火时刻，它驱动单稳电路7输出脉宽恒定的点火脉冲E，见附图二波形E，E驱动点火输出电路8点火线圈9形成电火花，完成点火。

由图二波形D可以看出，D的前沿是点火时刻，后沿是“上死点”，宽度为T，因此点火发生在“上死点”前T时刻。

信号C的另一路送到模拟燃烧时间T_D发生器5。C的下降沿触发5使其输出一个前沿与点火时刻一致，宽度为模拟燃烧时间T_D的正脉冲。波形见图二波形F。T_D的宽度是该型发动机在当时工况下的理想燃烧时间Ts的模拟信号，它和实际燃烧时间T都是由同一下降沿C触发的，因此两者的前沿是对齐的，后沿的差别即是控制误差δ＝T-T_D。

模拟燃烧时间T_D信号也分为两路，一路送到脉宽比较器10，于此同时，实际燃烧时间信号T也送到脉宽比较器10，两者在比较器10中比较脉冲宽度，输出误差电压Vδ＝K（T-T_D），波形见图二G，Vδ再被送到积分器11中，经积分后输出平均误差电压 Vδ，波形见图二H， Vδ再送到延迟控制器中，对系统控制量进行校正。直到T的脉宽接近T_D，使系统输出的误差压缩在一个较小的范围内为止。

模拟燃烧时间信号T_D的另一路送到积分器13，用来形成系统的延迟控制量，积分电路13将T_D的脉冲序列积分转换成为速度电压函数值 V_D＝K·Vcc·n·T_D，由式中可以看出，电压函数值反映了速度n和T_D的变化，可直接用做延迟量的控制，波形见图二I， V_D直接送到延迟控制器12的同相输入端，转换成延迟器4所需要的电流函数值 I_D＝gm·V_D，波形见图二J，I_D反映了速度n和模拟燃烧时间T_D的变化，用它作为延迟器的控制量，即能使系统输出非常接近理想燃烧时间Ts的实际燃烧时间信号T。

延迟器4由Ic₁、D₁、R₁、R₂、R₃、R₄、C₁组成。

最大点火提前传感器1与Ic₁的 S端相连，R₃、R₄的作用是将 S端的置位电平钳制在一个合适的数值，使Ic₁能被传感器1送来的下降沿脉冲可靠触发置位，Ic₁为时基电路555，C₁、R₁组成了Ic₁的定时网络，时间常数τ₁＝C₁·R₁，D₁是放电二极管，用来加快C₁的放电过程，当内燃机压缩冲程开始，活塞运行到最大点火提前量φm位置时，传感器1送来的负极性脉冲的前沿使Ic₁置位，输出Q端变为高电平，R端是高阻，由延迟控制器12送来的控制电流I_D开始对C₁充电，当C₁上端的电位Uc₁上升到2/3Vcc时，Ic₁翻转，输出Q端变为低电平，下降沿即是点火时刻，是系统实际输出的燃烧时间T的前沿。

当Ic₁的Q端变为低电平后，电容C₁上贮存的电荷经Ic₁的放电端Q′、放电二极管D₁释放，在一个较短的时间内放电完毕。Q端低电平期间，控制电流I_D被短路，延迟器4处于准备状态等待下一次触发脉冲到来。

由延迟器4的工作过程可以看出，整个电路延迟量t的大小仅取决于充电电流I_D的大小，I_D越大，t越小，反之则反，控制I_D的大小即可控制延迟量t，使实际燃烧时间T的脉宽发生变化。

Ic₁的Q端分别与模拟燃烧时间T_D信号发生电路5的 S端以及触发器6的 S端相连。

当Ic₁的Q端输出脉冲下降沿时，触发器6被置位，Q端变为高电平，形成实际燃烧时间T的前沿，这个上升沿再触发单稳电路7，点火输出电路8及点火线圈9形成电火花。

触发器6的 R端与“上死点”传感器2的输出端相连，当活塞运行到上死点位置，传感器2输出的负极性脉冲的下降沿使触发器6复位，Q端变为低电平，至此在触发器6的Q端上形成了一个完整的以点火时刻为前沿，以上死点为后沿的实际燃烧时间信号T，见波形D。

模拟燃烧时间T_D信号发生器5，由时基电路Ic₂、电容C₂、C₃电阻R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀组成。R₅、R₆、C₃形成脉冲微分电路，将延迟器4输出来脉冲C微分成负极性尖脉冲，利用其下降沿来触发Ic₂，Ic₁的Q端经微分电容C₃接至Ic₂的 S端，当点火时刻到来，经微分后的负极性尖脉冲使Ic₂置位，Q端变为高电平，形成T_D脉冲的前沿，定时回路开始工作。

R₇、R₈、R₉、C₂组成了Ic₂的定时回路，时间常数为τ₂。当内燃机负载状态发生变化，传感装置作用于R₇上，使其阻值发生变化，由R₇、R₈、R₉组成的网络的等效阻值发生变化，从而改变了T_D的脉冲宽度T_D＝1.1τ2。

当Ic₂置位后，电源Vcc经R₇、R₈、R₉对定时电容C₂充电，C₂上的电压Uc₂逐渐上升，当电压充至Uc₂≥2/3Vcc时，Ic₂翻转，Ic₂输出Q端变为低电平，形成了模拟燃烧时间T_D脉冲的后沿。

Ic₂Q端输出的T_D脉冲分两路分别接至积分器13的输入端，脉冲比较器10的反相输入端。

积分器13将宽度为T_D、周期Tw为一个工作循环的脉冲序列，积分变换成平均直流电压 V_D，V_D＝Vcc·T_D/Tw＝Vcc·n·T_D，为速度负载函数， V_D作为延迟控制器12的主控制量送到延迟控制器12的同相输入端。

Ic₂的输出Q端还与脉冲比较器10的反相输入端相连，将T_D脉冲与送到脉冲比较器同相输入端的T脉冲相比较。

脉冲比较器10由运算放大器Ic₃反馈电阻R₁₇同相输入电阻R₁₈反相输入电阻R₁₉组成。

当T_D和T两个脉冲都输入到脉冲比较器10后，在两脉冲共同持续期间，Ic₃为共模输入，无输出，当两脉冲中其中一个结束，而另一个尚未结束时，出现两种情况;若T脉冲结束，T_D脉冲尚未结束，则输出一个负脉冲δ，宽度为两脉冲宽度差;当T_D脉冲结束，而T脉冲尚未结束，则Ic₃输出一个正极性脉冲δ，脉宽也等于两脉冲宽度差。

Ic₃的输出端接到积分器11的输入端，Ic₃输出的控制误差脉冲δ，经积分器11积分变换后，成为平均直流误差电压 Vδ＝Vcc·δ/Tw，积分器11输出端接至延迟控制器13的反相输入端，使误差电压参加对系统的校正。

延迟控制器13是由运放Ic₄，三极管BG₁，二极管D₂、电阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆组成。稳压二极管D₂和电阻R₁₂一起组成一个基准电压源，将恒流三极管BG₁的基极钳位在一个稳定的数值上，适当的选取BG₁的射极电阻R₁₁，即可确定电路输出电流I_D的最大值，BG₁的发射极还接有分流电阻R₁₃，它由BG₁的射极上分出了电流Ic，延迟控制器13的输出电流I_D＝Ie-Ic。

运放Ic₄和R₁₄、R₁₅、R₁₆一起构成了一个控制放大器，当同相输入电压V_D增加时，即发动机速度增加时， V_D增加，Ic₄的输出Vo也增加，分流电流Ic减小，（Ic＝（Ve-Vo）/R₁₃），输出电流I_D增大，从而造成延迟量t减小，保证燃烧时间T不随转速上升而减小。

当系统输出的实际燃烧时间脉冲T小于或大于模拟燃烧时间脉冲T_D时，在延迟控制器的反相输入端得到一个误差电压 Vδ从而使I_D发生变化，使t发生变化，从而使系统输出的实际燃烧时间脉冲T接近理想值T_D。

Claims (2)

1、一种内燃机点火提前变化控制系统，包括有传感器、触发器、单稳态电路、点火输出电路及点火线圈，其特征是所说的传感器有两个，一个传感器输出的是最大提前信号，另一个传感器输出的是同一活塞的“上死点”信号，最大提前信号经一延迟器延迟，延迟后的信号分两路、一路是送到触发器，形成实际燃烧时间脉冲信号的前沿，另一路送到一模拟燃烧时间信号发生器，使其输出一个前沿与实际点火时刻一致，脉宽为模拟燃烧时间的脉冲信号，“上死点”信号送至触发器使其复位，形成实际燃烧时间脉冲信号的后沿，模拟燃烧时间的脉冲信号也分两路：一路送至一脉宽比较器，与触发器送来的实际燃烧时间信号进行比较，两者在比较器中比较脉冲宽度，输出误差电压进入一积分器，积分变换成为平均直流误差电压，模拟燃烧时间的脉冲信号另一路送到另一积分器中积分变换成为平均直流电压，两积分后的电压信号送入一延迟控制器，转换成延迟器所需的电流，作为延迟器的控制量，校正延迟时间。

2、按照权力要求1所说的内燃机点火提前变化控制系统，其特征是所说的延迟器可由IC₁、D₁、R₁、R₂、R₃、R₄及C₁构成，IC₁为时基电路555，其 S端与传感器1相连，C₁与R₁组成IC₁的定时网络，IC₁的输出端Q与触发器的 S相连，所说的模拟燃烧时间信号发生器可由集成电路IC₂、电容C₂、C₃、电阻R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀组成，IC₂为时基路555，R₅、R₆及C₃组成脉冲微分电路，C₃的一端接IC₁的Q端，另一端接IC₂的 S端，R₇、R₈、R₉、C₂为IC₂的定时回路，所说的脉冲信号比较器可由运算放大器IC₃、电阻R₁₇、R₁₈、R₁₉组成，IC₂的输出Q端与脉冲比较器的反相输入端相连，触发器的输出Q端与同相输入端相连，脉冲比较器的输出端G与积分器相连接，所说的延迟控制器可由运放IC₄、三极管BG₁、稳压二极管D₂电阻R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆组成，稳压二管D₂和电阻R₁₂搭成一个基准电压源，将恒流三极管BG₁的基极钳位在一个稳定的数值上，适当选取BG₁的射极电阻R₁₁，即可确定充电电流的最大值。

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