CN2771504Y - 天然气发动机高能直接顺序点火控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种天然气发动机高能直接顺序点火控制装置，包括点火基准测量装置、点火控制器、点火驱动电路。其中点火基准测量装置由信号盘和霍尔传感器组成，点火控制器包含点火时序比较模块和初级线圈的开始通电基准判别模块。本实用新型能够实现天然气发动机的高能直接点火，实现正确的点火时序判断和进行顺序点火，并能根据转速确定通电初级线圈与缸号的对应关系，保证了天然气发动机的点火可靠性和准确性，集成型IGBT驱动电路的采用使驱动电路结构大为简化，体积减小，可靠性提高。

Description

天然气发动机高能直接顺序点火控制装置

技术领域

本实用新型涉及发动机点火控制装置，尤其是一种天然气发动机的点火控制装置。

背景技术

电控点火系统可分为模拟电子控制点火系统、微机有分电器电子点火系统和微机无分电器电子点火系统等。目前国内的汽油机点火系统采用较多的是无微处理器的模拟电子控制点火系统，但采用微处理器控制的电控点火系统在新型车用发动机中处于上升趋势，而取消分电器的微处理器控制直接点火系统的国产发动机目前还较少，仍处于研究阶段。国内目前有个别专门针对天然气发动机的点火控制装置，例如，在2002年公告号为CN2545381，名称为“天然气发动机无触点高能点火装置”的实用新型专利中公开了一种天然气发动机点火装置，其特点是带有机械式无触点分电器，这种带分电器的点火装置会由于分电器配电部分的磨损和能量损失，使得电磁能量得不到充分的利用，且不利于提高次级线圈的电流，因而在线圈体积和匝数比有限的情况下点火能量的提高受到限制。另外目前的点火控制装置，对于不同的转速，确定初级线圈开始通电时刻的基准采用同一基准，造成某些转速下，初级线圈通电时间不足或者初级线圈不能在相应的点火时刻及时断开，影响点火可靠性和准确性。另外，点火驱动电路一般采用3级甚至4级驱动，驱动电路使用很多的分立元件，造成驱动模块体积大，可靠性不高。针对上述问题，本实用新型为天然气发动机的高能点火提供了采用微处理器控制的高能直接顺序点火控制装置，并且采用了新型的点火驱动电路，保证了点火可靠性和准确性。

发明内容

本实用新型所解决的技术问题是针对天然气发动机实现高能点火控制，点火系统不再采用分电器，而是由微控制器控制各气缸直接顺序点火，在不同转速下都能保证天然气发动机点火的准确性和可靠性。

本实用新型采用的技术方案是：

天然气发动机高能直接顺序点火控制装置包括点火基准测量装置、点火控制器以及点火驱动电路。点火基准测量装置由信号盘和霍耳传感器组成，信号盘安装在凸轮轴上。点火控制器实现点火线圈通断、点火时刻的精确控制；点火控制器包含一个点火时序比较模块和一个初级线圈开始通电基准判别模块，其中点火时序比较模块根据点火基准测量装置产生的同步信号进行缸序判别，控制点火时序，实现顺序点火，初级线圈开始通电基准判别模块用于在当前缸的点火控制周期下，确定通电初级线圈对应的缸号。点火驱动电路将控制装置的输出信号放大到能够驱动点火执行机构。点火执行机构包括点火线圈、高压线以及火花塞。

本实用新型采用直接顺序点火方式，每缸的火花塞由一个独立的点火线圈供电。由于微控制器输出管脚无法直接驱动点火线圈，所以必须进行功率放大。现有的点火驱动电路一般采用多级三级管或三极管加MOSFET管，这种电路分立元件多，体积大，而且可靠性不高。在本装置中点火驱动放大电路采用了新型的集成型IGBT模块，微控制器的输出管脚可以直接驱动该模块，而该模块又可直接驱动点火初级线圈。微控制器IGBT模块的开关作用代替传统点火系中的断电器触点，控制初级线圈中电流的导通、截止，使初级电流不经过触点，这样可以增大初级电流的断开值，减少点火线圈低压绕组的匝数和低压电路电阻，从而提高点火电压。

由于采用了上述技术方案，本天然气发动机高能直接顺序点火控制装置性能可靠，能够实现天然气发动机的高能直接点火，实现正确的点火时序判断和进行顺序点火，并能根据转速确定通电初级线圈与缸号的对应关系，保证了天然气发动机的点火可靠性和准确性。新型驱动电路的采用使驱动电路结构大为简化，体积减小，可靠性提高。

附图说明

图1是高能直接顺序点火控制装置结构示意图，

图2是点火基准测量装置信号盘的结构示意图，

图3是点火基准测量装置的测量原理示意图，

图4是点火控制器中点火时序的气缸循环计数器计数值与点火时序的对应关系图，

图5是在1缸的点火控制周期中不同转速范围内通电初级线圈与缸号的对应关系示例图，

图6是点火驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

图1给出了天然气发动机高能直接顺序点火控制装置的结构示意图，包括点火基准测量装置、点火控制器以及点火驱动电路。点火驱动电路连接到点火执行机构中的点火线圈上。其中点火基准测量装置为点火控制器提供曲轴位置信号、判缸信号以及转速测量信号。点火控制器采用MC9S12DP256单片微处理器为核心，精确控制点火线圈的通断时刻，点火控制器通过点火时序比较模块确定点火时序，通过初级线圈开始通电基准判别模块实现在当前缸的点火控制周期下，确定通电初级线圈对应的缸号。点火控制器输出信号通过点火驱动电路控制点火初级线圈的通断，点火次级线圈通过高压线与火花塞相连进行点火。

点火基准测量装置由信号盘和霍耳传感器组成，信号盘的结构如图2所示。该信号盘安装于凸轮轴上，其外圆周被分为六等分，由于凸轮轴转一圈为720°CA(曲轴转角)，所以每等分代表的间隔为120°CA，每等分又包括一个信号齿和一个凹槽，各占60°CA；另外再将其中一个信号齿三等分，并将相对于该信号齿左边沿20～40°CA加工为凹槽，安装时将相对于该信号齿左边沿40°CA处的齿沿与第一缸的上止点对应。信号盘随凸轮轴转动，当霍耳传感器感应头接近信号盘的任意一个信号齿的齿顶时，将输出高电平信号“1”，当远离齿顶而与齿槽相对时，将输出低电平信号“0”，由此可得到如图3所示的曲轴位置信号和同步信号，图中40°BTDC表示上止点前40度，TDC#1表示1缸的压缩上止点。由图3可见，第一缸的信号有两个脉冲，其余各缸均为一个脉冲。霍尔传感器的信号输出端子通过导线与点火控制器的信号输入端子相连。第一缸的第二个脉冲被用做判缸同步信号，由于前两个脉冲的曲轴转角间隔为40度，而其他各脉冲的曲轴转角间隔为120度，所以可以根据脉冲间隔时间的长短来判定第一缸信号，我们称第一缸的第二个脉冲为判缸同步信号。除判缸同步信号的上升沿为一缸的上止点，其余各脉冲的上升沿为各缸的上止点前40°，该上升沿是点火定时控制的基准点，初级线圈开始通电时刻相对于上止点的曲轴角度以及点火开始时刻相对于上止点的曲轴角度都以该脉冲上升沿为基准进行计算。这样点火基准测量装置同时实现确定曲轴位置、转速计算以及进行缸序判别三重功能。

上述判缸同步信号用于气缸循环计数，以六缸天然气发动机为例，每当检测到判缸同步信号，气缸循环计数器都置1，在以后发动机完成一个工作循环的720°曲轴转角过程中，每检测到一次脉冲上升沿(即上止点前40°脉冲的上升沿)，气缸循环计数器增加一个单位，即从1到6依次增加。在点火控制器中，预先设定点火控制时序，并确定计数器各计数值与相应点火气缸的对应关系，如图4所示。这样点火控制器中通过对输入的气缸循环计数值信号进行判别后，输出正确的点火控制命令，实现顺序点火。

在每个点火控制周期中，除判缸同步信号外，必有一个缸的初级线圈通电，也必有一个缸的初级线圈断开(即开始点火)。在每个周期中，点火的线圈与指定缸对应，如在第一缸信号周期中断开的初级线圈为第一缸的点火线圈，但通电的初级线圈则不一定对应。如果这种对应关系采取统一的原则将会出现在某一点火控制间隔内，初级线圈通电时间不足或者初级线圈不能在相应的点火时刻及时断开，即当转速偏高时点火输出控制信号(初级线圈通电时间和断开时刻)没有足够的时间去执行或者信号发生重叠，造成点火能量不足甚至不能正常点火。针对上述问题，本天然气发动机高能直接顺序点火控制装置根据发动机的转速确定每个点火控制周期中通电初级线圈对应的缸号。但如果每计算一次转速，都对该转速下线圈的通电时间和相应控制周期的关系计算比较进而确定通电线圈的缸号具体对应哪一缸的缸号，将会延长判断过程，影响控制的实时性。为此本控制装置在点火控制过程中将发动机的转速分成五个状态：低速状态、低速过渡状态、中速状态、中速过渡状态、高速状态。采用按转速分段的方法进行控制。以公交用六缸天然气发动机为例，根据其最大转速一般在2300r/min左右，假定点火能量要求达到120mJ以上的高能，那么在低速或低速过渡状态时通电线圈的缸号和当前周期所在的缸号对应，在中速或中速过渡状态时通电线圈的缸号和下一缸(按点火顺序排列，这里设定的点火顺序为1-5-3-6-2-4)的缸号对应，在高速时通电线圈的缸号与再下一缸的缸号对应。图5给出了在一缸的点火控制周期中不同转速范围内通电线圈与缸号的对应关系，在低速或低速过渡状态时对应的通电线圈为一缸的点火线圈，在中速或中速过渡状态时对应的通电线圈是第五缸的点火线圈，在高速时对应的通电线圈是第三缸的点火线圈。这样通过在点火控制器中建立一个不同转速范围通电初级线圈与缸号对应关系的判别模块不但可以提高控制效率，而且可以提高点火的准确性。由于不同类型的车辆其低、中、高速的划分范围不同，所以针对不同车型在上述五个转速状态的划分下通电线圈对应的具体缸号会有所不同，但基本原理是一样的。

点火驱动电路采用的新型IGBT模块的型号为BTS2140，是Infineon公司开发提供的，其电路原理见图6。微控制器输出信号接输入极Gate端，点火初级线圈的负极接集电极Collector端，发射极Emittor端接地。该模块具有过流保护和过热保护等功能，而且它的使得对于点火线圈的驱动简化为2级驱动。

Claims (2)

1.天然气发动机高能直接顺序点火控制装置，包括点火基准测量装置、点火控制器、点火驱动电路，其特征在于点火基准测量装置由信号盘和霍耳传感器组成，信号盘安装在凸轮轴上，其外圆周被分为六等分，每等分包括一个信号齿和一个凹槽，各占60°曲轴转角，其中一个信号齿再被分为三等分，并将相对于该信号齿左边沿从20-40°曲轴转角的外圆上加工为凹槽，安装时将相对于该信号齿左边沿40°曲轴转角处的齿沿与第一缸的上止点对应，霍耳传感器安装在发动机机体上，其感应头正对并靠近信号盘的外圆周，霍尔传感器的信号输出端子通过导线与点火控制器的信号输入端子相连。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机高能直接顺序点火控制装置，其特征在于点火驱动放大电路采用集成型IGBT模块BTS2140，BTS2140的输入极端接微控制器的点火信号输出管脚，集电极端接点火初级线圈的负极，发射极端接地。

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