CN106438155A - 具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法 - Google Patents
具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106438155A CN106438155A CN201610857822.0A CN201610857822A CN106438155A CN 106438155 A CN106438155 A CN 106438155A CN 201610857822 A CN201610857822 A CN 201610857822A CN 106438155 A CN106438155 A CN 106438155A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ignition
- current
- circuit
- processing unit
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 21
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 41
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 17
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 15
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 6
- 101000711846 Homo sapiens Transcription factor SOX-9 Proteins 0.000 claims description 3
- 102100034204 Transcription factor SOX-9 Human genes 0.000 claims description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 3
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
- F02P3/00—Other installations
- F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
- F02P3/04—Layout of circuits
- F02P3/05—Layout of circuits for control of the magnitude of the current in the ignition coil
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
- F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
- F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
- F02P3/00—Other installations
- F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
- F02P3/04—Layout of circuits
- F02P3/055—Layout of circuits with protective means to prevent damage to the circuit, e.g. semiconductor devices or the ignition coil
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
本发明涉及一种具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于：中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）设定点火电流阈值，将设定好的电流值对应的电压值提供给D/A转换电路转换为模拟电压量，提供点火电流对应的阈值电压，进而控制点火电流；中央处理器根据反馈信号计算并调节下一次点火电流达到设定值所需要的充电时间，实现点火能量自适应调节功能。其根据当前电流反馈值信号判断每次点火能量是否达到设定值，计算并调节下一次点火电流达到设定电流所需要的充电时间。达到既保证每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞的使用寿命的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法，特别是发动机电控点火系统的驱动与控制，属于汽车电子领域。
背景技术
发动机电控技术已经发展为综合性的发动机管理系统，其主要包括进气、电控燃油喷射、电控点火等。其中，电控点火系统由发动机电子控制单元根据安装在发动机不同部位上的传感器信号，实时判断发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量、点火提前角使点火线圈点火，从而改善发动机的燃烧和排放。
点火系统对发动机性能和排放有非常重要的影响，当车辆在不同的工况下，对点火能量的需求也是不同的。发动机正常工作时，由于混合气压缩终了的温度接近其自然温度，仅需要1～5mJ的点火能量。但是在混合气过浓或过稀时，发动机起动、怠速或节气门急剧打开时，则需要较高的点火能量，且随着发动机对经济和排放净化要求的提高，都迫切需要提高点火能量。因此为保证可靠点火，点火系统一般需要40～70mJ的点火能量，起动工况条件下需要更高的点火能量，在一些苛刻的工况下，需要的火花能量将高达100mJ。
图1是一种现有的电控点火系统原理示意图，点火电路由驱动电路、电流采样、限流保护电路构成。点火线圈采用变压器结构，包括缠绕在铁芯上的初级线圈和次级线圈；次级线圈的一端接地，另一端连接火花塞的一个电极，火花塞的另一个电极接地。所述的点火电路是发动机电子控制单元内的一部分电路，发动机电子控制单元内部设有中央处理器、开关器件和驱动电路。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为点火系统的开关器件。中央处理器的一个时间处理单元输出端通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极，开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端，点火线圈初级的第二端连接车载直流电源，开关器件IGBT的源极通过电流采样电路接地。
点火系统不工作时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出低电平，开关器件IGBT处于关断状态，此时相当于一个断开的开关。
点火系统工作时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出高电平，开关器件IGBT处于导通状态，此时相当于一个闭合的开关。车载直流电源接通初级线圈给初级线圈，通过初级线圈的电流即初级电流将从零开始增长到一个稳定值，该稳定值由限流保护电路决定。随着初级电流增长，初级线圈产生的电磁能量存储在铁芯中，此过程称为点火线圈的充电过程。当初级电流达到一定值（该一定值≤稳定值）时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出高电平变为低电平，开关器件IGBT由导通变为关断，使初级线圈回路瞬间断开。初级线圈回路的电场突变造成初级线圈的磁场迅速衰减，从而在次级线圈的两端感应出高压电动势，此过程称为点火线圈的放电过程。该高压电动势击穿火花塞的两个电极之间的间隙，产生电弧以点燃混合气。
现有的发动机点火系统对点火线圈的控制是开环控制，只对初级线圈的充电时间进行控制，对点火时刻（放电时刻）的电流值即对应点火能量没有监控。如图1所示，发动机电子控制单元根据发动机的运行工况，计算出点火能量，通过中央处理器的一个时间处理单元（TPU）输出端口控制初级线圈的充电时间和点火时刻，从而控制初级线圈的充电电流。由于对点火电流的控制为开环控制，所以不能判断每一次点火能量是否达到预期的点火能量。为了保证点火能量达到预期值，对点火线圈的充电时间控制的精确性提出了较高的要求。但是，点火线圈的电源取自车载直流电源，当车载直流电源出现波动时，点火能量将会产生误差。尤其是当点火线圈出现老化等问题时，点火系统对点火能量的控制将会出现较大的偏差，影响点火系统的控制精度，进而影响到发动机的动力性、经济性和排放。
为了保证发动机每一次点火时，将发动机各个气缸内的混合气完全燃烧，现有的解决方案是通过提高点火能量（提高点火线圈的充电时间）来实现。由于现有的解决方案是开环控制，不能保证每一次点火能量控制在一定的范围内，通常会出现点火系统提供的点火能量过多的情况，过多的点火能量对混合气的燃烧效果并没有提高，并且会导致
火花塞的温度上升，加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法，其能够根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，根据当前电流反馈值信号判断每次点火能量是否达到设定值，计算并调节下一次点火电流达到设定电流所需要的充电时间，实现点火能量闭环自适应调节功能。达到既保证每一次点火时气缸内的混合气完全燃烧，又不至于提供过多的点火能量加速火花塞电极的烧蚀，降低火花塞的使用寿命的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：具有点火能量自适应调节功能的点火系统，由点火线圈，车载直流电源，火花塞和点火电路组成；点火电路是发动机电子控制单元内的一部分电路，发动机电子控制单元内部设有中央处理器、开关器件和驱动电路；IGBT为点火系统的开关器件，中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；其特征在于：点火电路由D/A转换电路、驱动电路，电流采样电路、限流保护电路、电流反馈电路构成；中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）设定点火电流阈值，将设定好的电流值对应的电压值提供给D/A转换电路转换为模拟电压量，提供点火电流对应的阈值电压，进而控制点火电流；点火电流经过电流采样电路将电流值转换为电压值，并提供给电流反馈电路，电流反馈电路将判断点火电流是否达到设定的点火电流阈值，并将反馈信号提供给中央处理器的时间处理单元通道，由此形成一个闭合的控制环；中央处理器根据反馈信号计算并调节下一次点火电流达到设定值所需要的充电时间，实现点火能量自适应调节功能。
所述的D/A转换电路包括：十位低功耗数字模拟转换器MAX5711AUT的同步串行外部设备接口 、SCLK和DIN连接对应的中央处理器的同步串行外部设备接口；数字模拟转换器MAX5711AUT的DAC输出端OUT输出电压基准“VREF”，连接所述的电流反馈电路。
所述的驱动电路包括：来自中央处理器的点火控制信号“IGN_CMD1”连接倒相器U2A的输入端；PNP型三极管Q1的发射极作为驱动电路的供电电源端，连接限流保护电路的输出端“V_DRV_POWER”，集电极为驱动电路的输出端，连接NPN型三极管Q2的集电极和开关器件IGBT的栅极；三极管Q2的发射极接地；四个串联的匹配电阻R1、R2、R3和R4的五个结点分别连接三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极，倒相器U2A的输出端，三极管Q2的基极和三极管Q2的发射极。
所述的电流采样包括：采样电阻RS1串连在点火系统开关器件IGBT的发射极“IGBT_E”和地之间；采样电阻RS1将点火线圈的初级电流转换为电压信号，输出采样电压“V_SAMPLE”；经过由电阻R5和电容C2构成的一阶低通滤波电路后连接到限流保护电路和电流反馈电路。
所述的限流保护电路包括：所述的电流采样电路输出的采样电压“V_SAMPLE”通过串联电阻R7连接到构成误差放大器的运算放大器U3A的反相输入端；运算放大器U3A的同相输入端连接直流供电电源VDD5经过分压电阻R10、R11分压得到一个参考电压 “Vref1”；由串连的电阻R6和电容C4并联电容C3构成负反馈网络，连接运算放大器U3A的反相输入端和输出端；两个相反方向串连的5.1V稳压DZ1、DZ2连接运算放大器U1的反相输入端和输出端；运算放大器U1的输出端通过串联电阻R8连接NPN型三极管Q3的基极；三极管Q3的集电极接6V直流供电电源VDD6，基极和发射极两端连接电阻R9，发射极为限流保护电路的输出端“V_DRV_POWER”，连接到所述驱动电路的供电电源端。
所述的电流反馈电路包括：电压比较器U4A的反相输入端通过电阻R15连接电流采样电路输出的采样电压“V_SAMPLE”，同相输入端通过电阻R17连接电压基准电路输出的电压基准“VREF”；反馈电阻Rf连接电压比较器U4A的反相输入端和输出端；电压比较器U4A的输出端通过上拉电阻R12连接到直流供电电源VDD5，并连接到电压比较器U4B的反相输入端；电压比较器U4B的同相输入端连接到直流供电电源VDD5经过分压电阻R13、R16分压得到的直流参考电压；电压比较器U4B的输出端通过上拉电阻R14连接到直流供电电源VDD5，并连接到中央处理器的一路时间处理单元通道；电压比较器U4B的输出端输出点火电流反馈信号 “IMON_FD”。
所述的中央处理器控制何时给点火线圈提供充电电流以及何时点火，保证发动机在各种工况下可靠、准确点火。
具有点火能量自适应调节功能的点火系统的控制方法的具体步骤如下：D/A转换电路输出电压基准“VREF”和电流采样电路输出的采样电压“V_SAMPLE”分别连接电流反馈电路中电压比较器U4A的同相输入端和反相输入端。当采样电压“V_SAMPLE”低于电压基准“VREF”时，电流反馈电路输出的点火电流反馈信号“IMON_FD”为低电平，否则输出高电平状态。中央处理器从开关器件IGBT的栅极发送控制信号使其导通开始计时，直至点火电流反馈信号“IMON_FD”由低电平改为高电平停止计时，所得的计时时长为，为点火电流从零上升到设定点火电流的时间。在点火线圈正常工作的条件下，中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）和D/A转换电路设定点火电流阈值；根据当前点火电流反馈值信号“IMON_FD”判断每次点火电流是否达到设定值，计算并调节下一次点火电流达到设定点火电流所需要的充电时间，实现点火能量自适应脉宽调节功能。
如果在点火线圈在当前周期设定的充电时间内，没有检测到电流反馈值信号“IMON_FD”即点火电流没有达到设定值；则下一次点火线圈的充电时间调节为。其中，为点火线圈的开环标定充电时间，根据查表得到；为点火线圈充电自适应调节时间步长。
如果在点火线圈在当前周期设定的充电时间内，检测到电流反馈值信号“IMON_FD”，即点火电流达到设定值，记录点火电流从零上升到设定点火电流的时间；则下一次点火线圈的充电时间调节为。其中，为点火线圈充电自适应调节时间裕量。
所述的点火电流反馈值信号“IMON_FD”连接的中央处理器的时间处理单元通道具有自适应脉宽调节功能，在每次点火充电时间的周期内监控点火电流从零上升到设定点火电流阈值所需的时间，并保证下一次点火充电时间具有恰当的充电时间裕量。
所述的自适应脉宽调节对单个发动机气缸独立适用，其调整的充电时间宽度适用于其对应的某个发动机缸，每个气缸需要单独的调节时间和诊断保护数据。
所述的自适应调节是根据当前周期内的点火电流的从零上升到设定点火电流的时间来计算下一次点火线圈充电的脉宽；当前点火周期的点火时刻，由上一周期检测到的充电时间决定，不受当前电流反馈值信号“IMON_FD”影响；下一点火周期的点火充电时间被调整后，应当调整的是点火充电起始时刻，而点火时刻始终应当保证在正确的曲轴相位。
本发明积极效果如下：
1. 中央处理器根据当前电流反馈值信号“IMON_FD”判断每次点火电流是否达到设定值，实现闭环反馈功能。
2. 中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，设定不同的点火电流阈值（0～12A），满足车辆在不同的工况下，对不同的点火能量（0～150mJ）的需求。
3. 点火电路有限流保护功能，当点火控制的脉冲宽度过大时，点火电流将稳定在一定的电流值（12A）不在上升，达到保护点火线圈的目的。
4. 通过中央处理器的同步串行外部设备接口和D/A转换电路设定的点火电流阈值范围很宽（0～12A 连续可调），可以适用不同的点火线圈。
5. 自适应脉宽调节对单个发动机气缸独立适用，每个发动机气缸需要单独的调节时间和诊断保护数据，当检测到某一发动机气缸故障时，其余的发动机气缸仍然可以正常工作。
6. 自适应调节是根据当前周期内的点火电流的从零上升到设定点火电流的时间来计算下一次点火线圈充电的脉宽，下一次点火周期的点火充电时间被调整后，调整的是点火充电起始时刻，可以保证点火时刻始终在正确的曲轴相位。
附图说明
图1是现有点火系统的结构框图。
图2是本发明的点火系统的结构框图。
图3是本发明的D/A转换电路的原理图。
图4是本发明的驱动电路的原理图。
图5是本发明的电流采样电路的原理图。
图6是本发明的限流保护电路的原理图。
图7是本发明的电流反馈电路的原理图。
图8是中央处理器部分的原理图。
图9是点火控制信号、初级线圈的电压和电流波形。
图10是本发明的点火线圈的充电时间和充电电流的定义。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的电路结构和控制方法作进一步说明。
如图2所示，具有点火能量自适应调节功能的点火系统，由点火线圈，车载直流电源，火花塞和点火电路组成；所述的点火电路是发动机电子控制单元内的一部分电路，发动机电子控制单元内部设有中央处理器、开关器件和驱动电路。IGBT为点火系统的开关器件。中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；其特征在于：点火电路由D/A转换电路1、驱动电路2，电流采样电路3、限流保护电路4、电流反馈电路5构成。点火线圈为变压器结构，包括缠绕在铁芯上的初级线圈和次级线圈；次级线圈的一端接地，另一端连接火花塞的一个电极，火花塞的另一个电极接地。点火系统不工作时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出低电平，开关器件IGBT处于关断状态，此时相当于一个断开的开关。点火系统工作时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出高电平，开关器件IGBT处于导通状态，此时相当于一个闭合的开关。车载直流电源接通初级线圈给初级线圈，通过初级线圈的电流即初级电流将从零开始增长到一个稳定值，该稳定值由限流保护电路4决定。随着初级电流增长，初级线圈产生的电磁能量存储在铁芯中，此过程称为点火线圈的充电过程。当初级电流达到一定值（该一定值≤稳定值）时，中央处理器向开关器件IGBT的栅极输出高电平变为低电平，开关器件IGBT由导通变为关断，使初级线圈回路瞬间断开，即初级线圈充电结束，充电结束的时刻就是点火时刻。初级线圈回路的电场突变造成初级线圈的磁场迅速衰减，从而在次级线圈的两端感应出高压电动势，此过程称为点火线圈的放电过程。该高压电动势击穿火花塞的两个电极之间的间隙，产生电弧以点燃混合气。
中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）设定点火电流阈值，将设定好的电流值对应的电压值提供给D/A转换电路1转换为模拟电压量，提供点火电流对应的阈值电压，进而控制点火电流；点火电流经过电流采样电路3将电流值转换为电压值，并提供给电流反馈电路5，电流反馈电路5将判断点火电流是否达到设定的点火电流阈值，并将反馈信号提供给中央处理器的时间处理单元通道，由此形成一个闭合的控制环；中央处理器根据反馈信号计算并调节下一次点火电流达到设定值所需要的充电时间，实现点火能量自适应调节功能。
如图3所示，所述的D/A转换电路1包括：十位低功耗数字模拟转换器MAX5711AUT的同步串行外部设备接口、SCLK和DIN连接对应的中央处理器的同步串行外部设备接口；数字模拟转换器MAX5711AUT的DAC输出端OUT输出电压基准“VREF”，连接所述的电流反馈电路5。
如图4所示，所述的驱动电路2是一个推挽结构的驱动电路，包括：来自中央处理器的点火控制信号“IGN_CMD1”连接倒相器U2A的输入端；PNP型三极管Q1的发射极作为驱动电路2的供电电源端，连接限流保护电路4的输出端“V_DRV_POWER”，集电极为驱动电路2的输出端，连接NPN型三极管Q2的集电极和开关器件IGBT的栅极；三极管Q2的发射极接地；四个串联的匹配电阻R1、R2、R3和R4的五个结点分别连接三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极，倒相器U2A的输出端，三极管Q2的基极和三极管Q2的发射极。其中， 倒相器U2A的型号为MC74HC14。
如图5所示，所述的电流采样3包括：采样电阻RS1串连在点火系统开关器件IGBT的发射极“IGBT_E”和地之间；采样电阻RS1将点火线圈的初级电流转换为电压信号，输出采样电压“V_SAMPLE”；经过由电阻R5和电容C2构成的一阶低通滤波电路后连接到限流保护电路4和电流反馈电路5。
如图6所示，所述的限流保护电路4包括：：所述的电流采样电路3输出的采样电压“V_SAMPLE”通过串联电阻R7连接到构成误差放大器的运算放大器U3A的反相输入端；运算放大器U3A的同相输入端连接直流供电电源VDD5经过分压电阻R10、R11分压得到一个参考电压 “Vref1”；由串连的电阻R6和电容C4并联电容C3构成负反馈网络，连接运算放大器U3A的反相输入端和输出端；两个相反方向串连的5.1V稳压DZ1、DZ2连接运算放大器U1的反相输入端和输出端；运算放大器U1的输出端通过串联电阻R8连接NPN型三极管Q3的基极；三极管Q3的集电极接6V直流供电电源VDD6，基极和发射极两端连接电阻R9，发射极为限流保护电路4的输出端“V_DRV_POWER”，连接到所述驱动电路2的供电电源端。
如图7所示，所述的电流反馈电路5包括：电压比较器U4A的反相输入端通过电阻R15连接电流采样电路3输出的采样电压“V_SAMPLE”，同相输入端通过电阻R17连接电压基准电路1输出的电压基准“VREF”；反馈电阻Rf连接电压比较器U4A的反相输入端和输出端；电压比较器U4A的输出端通过上拉电阻R12连接到直流供电电源VDD5，并连接到电压比较器U4B的反相输入端；电压比较器U4B的同相输入端连接到直流供电电源VDD5经过分压电阻R13、R16分压得到的直流参考电压；电压比较器U4B的输出端通过上拉电阻R14连接到直流供电电源VDD5，并连接到中央处理器的一路时间处理单元通道；电压比较器U4B的输出端输出点火电流反馈信号 “IMON_FD”。
如图8所示，所述的中央处理器（最小系统）包括：中央处理器由32位单片机SPC5634MF0MLUA8构成，中央处理器U10:1的10脚、12脚、31脚、41脚、55脚、74脚、95脚、110脚、125脚和138脚接直流供电电源VDD5；15脚、29脚、43脚、57脚、72脚、90脚、96脚、108脚、115脚、127脚、133脚和140脚接地；电容C37、C38、C39、C40、C41、C43、C44、C45和C46连接VDD5和地，作为中央处理器10脚、12脚、31脚、41脚、55脚、74脚、95脚、110脚、125脚和138脚的去耦电容；中央处理器U10:1的13脚、16脚、119脚接直流供电电源V3.3；电容C20、C21、C22连接V3.3和地，作为中央处理器13脚、16脚、119脚的去耦电容；调整管Q20的集电极连接直流供电电源VDD5，基极连接中央处理器的11脚和电容C27的一端；电容C27另一端接地；Q20的发射极连接中央处理器的33脚、62脚、103脚和149脚，并输出1.2V的直流供电电源V1.2；直流供电电源V1.2连接中央处理器的45脚、132脚和176脚；电容C30、C31、C32、C33、C34、C35和C36连接V1.2和地，作为中央处理器33脚、62脚、103脚、149脚、45脚、132脚和176脚的去耦电容；中央处理器的92脚和93脚接有匹配晶振Y20和电阻R20，并通过匹配电容C23和C24接地；中央处理器的97脚通过上拉电阻R22连接直流供电电源VDD5，并连接复位信号“MC_RST”；97脚、130脚、123脚、128脚、116脚、131脚和121脚连接程序下载插件P20；中央处理器的111脚、106脚和113脚是同步外部设备接口，连接所述D/A转换电路1中的数字模拟转换器MAX5711AUT的同步串行外部设备接口、SCLK和DIN；36脚、37脚、38脚和39脚输出点火控制信号。中央处理器控制何时给点火线圈提供充电电流以及何时点火，保证发动机在各种工况下可靠、准确的点火。
如图9所示，点火系统中开关器件IGBT的控制信号、初级线圈的电压和电流波形。来自中央处理器的点火控制信号控制点火线圈的充电时间。当点火控制信号由低电平变为高电平（有效电平）时，开关器件IGBT处于导通状态，初级线圈电流（即点火电流）将从零开始增长，随着初级线圈电流的增长，初级线圈产生的电磁能量存储在铁芯中，此过程即为点火线圈的充电过程。当初级线圈电流达到一定值（点火电流I），中央处理器发出的点火控制信号由高电平变为低电平时，开关器件IGBT由导通状态变为关断状态，使初级线圈回路瞬间断开。开关器件IGBT通过其内部钳位电路在集电极端产生约420V高电压即点火线圈初级的第一端的电压，其维持为时间为。初级线圈回路的电场突变造成初级线圈的磁场迅速衰减，从而在次级线圈的两端感应出10000～20000V高压电动势，该高压电动势击穿火花塞的两个电极之间的间隙，产生电弧（火花）以点燃发动机气缸内的混合气。点火电路可以提供420V、10A的能量给初级点火线圈。
点火能量的计算公式为：
式中，E为点火能量；u为车载直流电源电压；i为初级线圈的充电电流；L为初级线圈的电感；I为初级线圈关断时的电流；t为点火线圈的充电时间；
从上式可知，要控制点火能量，可通过控制初级线圈的充电时间来实现点火能量的开路控制。
点火线圈的充电时间和充电电流的定义如图10所示，“IMON_FD”为点火电流反馈信号，上升沿有效；当点火电流达到设定电流时，反馈信号“IMON_FD”监控信号产生上升沿。点火电流达到设定电流的时刻为IMON时刻，反馈给中央处理器的一路时间处理单元通道；通过点火电流反馈信号“IMON_FD”信号实现每次点火，每个点火线圈达到设定点火电流所需要的充电时间调整量。
所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统的控制方法是：D/A转换电路1输出电压基准“VREF”和电流采样电路3输出的采样电压“V_SAMPLE”分别连接电流反馈电路5中电压比较器U4A的同相输入端和反相输入端。当采样电压“V_SAMPLE”低于电压基准“VREF”时，电流反馈电路5输出的点火电流反馈信号“IMON_FD”为低电平，否则输出高电平状态。中央处理器从开关器件IGBT的栅极发送控制信号使其导通开始计时，直至点火电流反馈信号“IMON_FD”由低电平改为高电平停止计时，所得的计时时长为，为点火电流从零上升到设定点火电流的时间。在点火线圈正常工作的条件下，中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）和D/A转换电路1设定点火电流阈值；根据当前点火电流反馈值信号“IMON_FD”判断每次点火电流是否达到设定值，计算并调节下一次点火电流达到设定点火电流所需要的充电时间，实现点火能量自适应脉宽调节功能。
由于点火系统初级线圈采用车载直流电源供电，车载直流电源电压的大小对初级线圈充电时间有很大的影响。以马歇尔汽车电器有限公司型号为GDQ195X3的点火线圈为例，当点火电流要求为8A时（对应点火能量为80mJ)，中央处理器根据电源电压Vbat的电压值设定首次点火线圈充电时间。
如果在点火线圈在当前周期设定的充电时间内，没有检测到电流反馈值信号“IMON_FD”即点火电流没有达到设定值；则下一次点火线圈的充电时间调节为。其中，为点火线圈的开环标定充电时间，根据查表得到；为点火线圈充电自适应调节时间步长，设定为0.1ms。
如果在点火线圈在当前周期设定的充电时间内，检测到电流反馈值信号“IMON_FD”，即点火电流达到设定值，记录点火电流从零上升到设定点火电流的时间；则下一次点火线圈的充电时间调节为。其中，为点火线圈充电自适应调节时间裕量。
所述的点火电流反馈值信号“IMON_FD”连接的中央处理器的时间处理单元通道具有自适应脉宽调节功能，在每次点火充电时间的周期内监控点火电流从零上升到设定点火电流阈值所需的时间，并保证下一次点火充电时间具有适当的充电时间裕量。
所述的自适应脉宽调节对单个发动机气缸独立适用，其调整的充电时间宽度适用于其对应的某个发动机缸，每个气缸需要单独的调节时间和诊断保护数据。
所述的自适应调节是根据当前周期内的点火电流的从零上升到设定点火电流的时间来计算下一次点火线圈充电的脉宽；当前点火周期的点火时刻，由上一周期检测到的充电时间决定，不受当前电流反馈值信号“IMON_FD”影响；下一点火周期的点火充电时间被调整后，应当调整的是点火充电起始时刻，而点火时刻始终应当保证在正确的曲轴相位。
Claims (10)
1.具有点火能量自适应调节功能的点火系统，由点火线圈，车载直流电源，火花塞和点火电路组成；点火电路是发动机电子控制单元内的一部分电路，发动机电子控制单元内部设有中央处理器、开关器件和驱动电路；IGBT为点火系统的开关器件；中央处理器的一个时间处理单元通道通过开关器件IGBT的驱动电路连接开关器件IGBT的栅极；开关器件IGBT的集电极连接点火线圈初级的第一端；点火线圈初级的第二端连接车载直流电源；其特征在于：点火电路由D/A转换电路、驱动电路，电流采样电路、限流保护电路、电流反馈电路构成；中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）设定点火电流阈值，将设定好的电流值对应的电压值提供给D/A转换电路转换为模拟电压量，提供点火电流对应的阈值电压，进而控制点火电流；点火电流经过电流采样电路将电流值转换为电压值，并提供给电流反馈电路，电流反馈电路将判断点火电流是否达到设定的点火电流阈值，并将反馈信号提供给中央处理器的时间处理单元通道，由此形成一个闭合的控制环；中央处理器根据反馈信号计算并调节下一次点火电流达到设定值所需要的充电时间，实现点火能量自适应调节功能。
2.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的D/A转换电路包括：十位低功耗数字模拟转换器MAX5711AUT的同步串行外部设备接口、SCLK和DIN连接对应的中央处理器的同步串行外部设备接口；数字模拟转换器MAX5711AUT的DAC输出端OUT输出电压基准“VREF”，连接所述的电流反馈电路。
3.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的驱动电路包括：来自中央处理器的点火控制信号“IGN_CMD1”连接倒相器U2A的输入端；PNP型三极管Q1的发射极作为驱动电路的供电电源端，连接限流保护电路的输出端“V_DRV_POWER”，集电极为驱动电路的输出端，连接NPN型三极管Q2的集电极和开关器件IGBT的栅极；三极管Q2的发射极接地；四个串联的匹配电阻R1、R2、R3和R4的五个结点分别连接三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极，倒相器U2A的输出端，三极管Q2的基极和三极管Q2的发射极。
4.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的电流采样包括：采样电阻RS1串连在点火系统开关器件IGBT的发射极“IGBT_E”和地之间；采样电阻RS1将点火线圈的初级电流转换为电压信号，输出采样电压“V_SAMPLE”；经过由电阻R5和电容C2构成的一阶低通滤波电路后连接到限流保护电路和电流反馈电路。
5.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的限流保护电路包括：所述的电流采样电路输出的采样电压“V_SAMPLE”通过串联电阻R7连接到构成误差放大器的运算放大器U3A的反相输入端；运算放大器U3A的同相输入端连接直流供电电源VDD5经过分压电阻R10、R11分压得到一个参考电压 “Vref1”；由串连的电阻R6和电容C4并联电容C3构成负反馈网络，连接运算放大器U3A的反相输入端和输出端；两个相反方向串连的5.1V稳压DZ1、DZ2连接运算放大器U1的反相输入端和输出端；运算放大器U1的输出端通过串联电阻R8连接NPN型三极管Q3的基极；三极管Q3的集电极接6V直流供电电源VDD6，基极和发射极两端连接电阻R9，发射极为限流保护电路的输出端“V_DRV_POWER”，连接到所述驱动电路的供电电源端。
6.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的电流反馈电路包括：电压比较器U4A的反相输入端通过电阻R15连接电流采样电路输出的采样电压“V_SAMPLE”，同相输入端通过电阻R17连接电压基准电路输出的电压基准“VREF”；反馈电阻Rf连接电压比较器U4A的反相输入端和输出端；电压比较器U4A的输出端通过上拉电阻R12连接到直流供电电源VDD5，并连接到电压比较器U4B的反相输入端；电压比较器U4B的同相输入端连接到直流供电电源VDD5经过分压电阻R13、R16分压得到的直流参考电压；电压比较器U4B的输出端通过上拉电阻R14连接到直流供电电源VDD5，并连接到中央处理器的一路时间处理单元通道；电压比较器U4B的输出端输出点火电流反馈信号 “IMON_FD”。
7.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的中央处理器控制何时给点火线圈提供充电电流以及何时点火，保证发动机在各种工况下可靠、准确点火；具有点火能量自适应调节功能的点火系统的控制方法的具体步骤如下：D/A转换电路输出电压基准“VREF”和电流采样电路输出的采样电压“V_SAMPLE”分别连接电流反馈电路中电压比较器U4A的同相输入端和反相输入端；当采样电压“V_SAMPLE”低于电压基准“VREF”时，电流反馈电路输出的点火电流反馈信号“IMON_FD”为低电平，否则输出高电平状态；中央处理器从开关器件IGBT的栅极发送控制信号使其导通开始计时，直至点火电流反馈信号“IMON_FD”由低电平改为高电平停止计时，所得的计时时长为，为点火电流从零上升到设定点火电流的时间；在点火线圈正常工作的条件下，中央处理器根据发动机的运行工况，计算出最合理的点火能量，通过中央处理器的同步串行外部设备接口（SPI）和D/A转换电路设定点火电流阈值；根据当前点火电流反馈值信号“IMON_FD”判断每次点火电流是否达到设定值，计算并调节下一次点火电流达到设定点火电流所需要的充电时间，实现点火能量自适应脉宽调节功能；
如果在点火线圈在当前周期设定的充电时间内，没有检测到电流反馈值信号“IMON_FD”即点火电流没有达到设定值；则下一次点火线圈的充电时间调节为；其中，为点火线圈的开环标定充电时间，根据查表得到；为点火线圈充电自适应调节时间步长；
如果在点火线圈在当前周期设定的充电时间内，检测到电流反馈值信号“IMON_FD”，即点火电流达到设定值，记录点火电流从零上升到设定点火电流的时间；则下一次点火线圈的充电时间调节为；其中，为点火线圈充电自适应调节时间裕量。
8.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的点火电流反馈值信号“IMON_FD”连接的中央处理器的时间处理单元通道具有自适应脉宽调节功能，在每次点火充电时间的周期内监控点火电流从零上升到设定点火电流阈值所需的时间，并保证下一次点火充电时间具有恰当的充电时间裕量。
9.根据权利要求1中所述的具有点火能量自适应调节功能的点火系统，其特征在于所述的自适应脉宽调节对单个发动机气缸独立适用，其调整的充电时间宽度适用于其对应的某个发动机缸，每个气缸需要单独的调节时间和诊断保护数据。
10.所述的自适应调节是根据当前周期内的点火电流的从零上升到设定点火电流的时间来计算下一次点火线圈充电的脉宽；当前点火周期的点火时刻，由上一周期检测到的充电时间决定，不受当前电流反馈值信号“IMON_FD”影响；下一点火周期的点火充电时间被调整后，应当调整的是点火充电起始时刻，而点火时刻始终应当保证在正确的曲轴相位。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610857822.0A CN106438155A (zh) | 2016-09-28 | 2016-09-28 | 具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610857822.0A CN106438155A (zh) | 2016-09-28 | 2016-09-28 | 具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106438155A true CN106438155A (zh) | 2017-02-22 |
Family
ID=58170609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610857822.0A Pending CN106438155A (zh) | 2016-09-28 | 2016-09-28 | 具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106438155A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107291996A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-10-24 | 南京航空航天大学 | 一种煤油发动机点火能量的动态扰动自学习算法 |
| CN110230566A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-09-13 | 昆山凯迪汽车电器有限公司 | 智能点火驱动模块及其电路 |
| CN111042973A (zh) * | 2018-10-15 | 2020-04-21 | 半导体元件工业有限责任公司 | 用于线圈电流控制的电路和方法 |
| CN111188713A (zh) * | 2018-11-15 | 2020-05-22 | 联合汽车电子有限公司 | 一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法 |
| CN111412100A (zh) * | 2019-01-08 | 2020-07-14 | 联合汽车电子有限公司 | 采集igbt电流的电路及点火线圈寿命预估方法 |
| CN113374612A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-10 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种点火线圈充电时长修正方法及装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4638785A (en) * | 1985-02-11 | 1987-01-27 | Nippondenso Co., Ltd. | Ignition system for internal combustion engines |
| US4774925A (en) * | 1986-01-28 | 1988-10-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Ignition control device |
| CN1184942A (zh) * | 1996-11-26 | 1998-06-17 | 大宇电子株式会社 | 诊断和确定火花塞的劣化/更换的方法和装置 |
| JPH11241670A (ja) * | 1998-02-26 | 1999-09-07 | Kokusan Denki Co Ltd | 内燃機関用点火装置 |
| US6204693B1 (en) * | 1997-04-04 | 2001-03-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Apparatus for regulating the flow of current through a load |
-
2016
- 2016-09-28 CN CN201610857822.0A patent/CN106438155A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4638785A (en) * | 1985-02-11 | 1987-01-27 | Nippondenso Co., Ltd. | Ignition system for internal combustion engines |
| US4774925A (en) * | 1986-01-28 | 1988-10-04 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Ignition control device |
| CN1184942A (zh) * | 1996-11-26 | 1998-06-17 | 大宇电子株式会社 | 诊断和确定火花塞的劣化/更换的方法和装置 |
| US6204693B1 (en) * | 1997-04-04 | 2001-03-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Apparatus for regulating the flow of current through a load |
| JPH11241670A (ja) * | 1998-02-26 | 1999-09-07 | Kokusan Denki Co Ltd | 内燃機関用点火装置 |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107291996A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-10-24 | 南京航空航天大学 | 一种煤油发动机点火能量的动态扰动自学习算法 |
| CN111042973A (zh) * | 2018-10-15 | 2020-04-21 | 半导体元件工业有限责任公司 | 用于线圈电流控制的电路和方法 |
| CN111042973B (zh) * | 2018-10-15 | 2022-05-27 | 半导体元件工业有限责任公司 | 用于线圈电流控制的电路和方法 |
| CN111188713A (zh) * | 2018-11-15 | 2020-05-22 | 联合汽车电子有限公司 | 一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法 |
| CN111188713B (zh) * | 2018-11-15 | 2022-06-24 | 联合汽车电子有限公司 | 一种控制系统、点火系统以及点火充电控制方法 |
| CN111412100A (zh) * | 2019-01-08 | 2020-07-14 | 联合汽车电子有限公司 | 采集igbt电流的电路及点火线圈寿命预估方法 |
| CN111412100B (zh) * | 2019-01-08 | 2022-04-05 | 联合汽车电子有限公司 | 采集igbt电流的电路及点火线圈寿命预估方法 |
| CN110230566A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-09-13 | 昆山凯迪汽车电器有限公司 | 智能点火驱动模块及其电路 |
| WO2020244005A1 (zh) * | 2019-06-03 | 2020-12-10 | 昆山凯迪汽车电器有限公司 | 智能点火驱动模块及其电路 |
| CN113374612A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-10 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种点火线圈充电时长修正方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106438155A (zh) | 具有点火能量自适应调节功能的点火系统及控制方法 | |
| JP6430049B2 (ja) | 内燃機関のための多火花点火システムを制御する方法および装置 | |
| CN106286072B (zh) | 发动机点火系统火花持续时间监测电路 | |
| US10844825B2 (en) | Method and apparatus to control an ignition system | |
| US10330071B2 (en) | Electronic ignition system for an internal combustion engine and driving method of the same | |
| KR102600304B1 (ko) | 점화 시스템을 제어하는 방법 및 장치 | |
| JPS62107272A (ja) | 内燃機関用点火装置 | |
| EP3374627B1 (en) | Method and apparatus to control an ignition system | |
| CN107624146B (zh) | 用于内燃机的电子点火系统和所述电子点火系统的控制方法 | |
| US10443559B2 (en) | Electronic ignition system for an internal combustion engine and control method for said electronic ignition system | |
| US11473549B2 (en) | Ignition apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |