專利名稱：天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及發動機點火控制裝置，尤其是一種天然氣發動機的點火控制裝置。
背景技術：
電控點火系統可分為模擬電子控制點火系統、微機有分電器電子點火系統和微機無分電器電子點火系統等。目前國內的汽油機點火系統采用較多的是無微處理器的模擬電子控制點火系統，但采用微處理器控制的電控點火系統在新型車用發動機中處于上升趨勢，而取消分電器的微處理器控制直接點火系統的國產發動機目前還較少，仍處于研究階段。國內目前有個別專門針對天然氣發動機的點火控制裝置，例如，在2002年公告號為CN2545381，名稱為“天然氣發動機無觸點高能點火裝置”的實用新型專利中公開了一種天然氣發動機點火裝置，其特點是帶有機械式無觸點分電器，這種帶分電器的點火裝置會由于分電器配電部分的磨損和能量損失，使得電磁能量得不到充分的利用，且不利于提高次級線圈的電流，因而在線圈體積和匝數比有限的情況下點火能量的提高受到限制。另外目前的點火控制裝置，對于不同的轉速，確定初級線圈開始通電時刻的基準采用同一基準，造成某些轉速下，初級線圈通電時間不足或者初級線圈不能在相應的點火時刻及時斷開，影響點火可靠性和準確性。另外，點火驅動電路一般采用3級甚至4級驅動，驅動電路使用很多的分立元件，造成驅動模塊體積大，可靠性不高。針對上述問題，本實用新型為天然氣發動機的高能點火提供了采用微處理器控制的高能直接順序點火控制裝置，并且采用了新型的點火驅動電路，保證了點火可靠性和準確性。
發明內容
本實用新型所解決的技術問題是針對天然氣發動機實現高能點火控制，點火系統不再采用分電器，而是由微控制器控制各氣缸直接順序點火，在不同轉速下都能保證天然氣發動機點火的準確性和可靠性。
本實用新型采用的技術方案是天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置包括點火基準測量裝置、點火控制器以及點火驅動電路。點火基準測量裝置由信號盤和霍耳傳感器組成，信號盤安裝在凸輪軸上。點火控制器實現點火線圈通斷、點火時刻的精確控制；點火控制器包含一個點火時序比較模塊和一個初級線圈開始通電基準判別模塊，其中點火時序比較模塊根據點火基準測量裝置產生的同步信號進行缸序判別，控制點火時序，實現順序點火，初級線圈開始通電基準判別模塊用于在當前缸的點火控制周期下，確定通電初級線圈對應的缸號。點火驅動電路將控制裝置的輸出信號放大到能夠驅動點火執行機構。點火執行機構包括點火線圈、高壓線以及火花塞。
本實用新型采用直接順序點火方式，每缸的火花塞由一個獨立的點火線圈供電。由于微控制器輸出管腳無法直接驅動點火線圈，所以必須進行功率放大。現有的點火驅動電路一般采用多級三級管或三極管加MOSFET管，這種電路分立元件多，體積大，而且可靠性不高。在本裝置中點火驅動放大電路采用了新型的集成型IGBT模塊，微控制器的輸出管腳可以直接驅動該模塊，而該模塊又可直接驅動點火初級線圈。微控制器IGBT模塊的開關作用代替傳統點火系中的斷電器觸點，控制初級線圈中電流的導通、截止，使初級電流不經過觸點，這樣可以增大初級電流的斷開值，減少點火線圈低壓繞組的匝數和低壓電路電阻，從而提高點火電壓。
由于采用了上述技術方案，本天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置性能可靠，能夠實現天然氣發動機的高能直接點火，實現正確的點火時序判斷和進行順序點火，并能根據轉速確定通電初級線圈與缸號的對應關系，保證了天然氣發動機的點火可靠性和準確性。新型驅動電路的采用使驅動電路結構大為簡化，體積減小，可靠性提高。
圖1是高能直接順序點火控制裝置結構示意圖，圖2是點火基準測量裝置信號盤的結構示意圖，圖3是點火基準測量裝置的測量原理示意圖，圖4是點火控制器中點火時序的氣缸循環計數器計數值與點火時序的對應關系圖，圖5是在1缸的點火控制周期中不同轉速范圍內通電初級線圈與缸號的對應關系示例圖，圖6是點火驅動電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。
圖1給出了天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置的結構示意圖，包括點火基準測量裝置、點火控制器以及點火驅動電路。點火驅動電路連接到點火執行機構中的點火線圈上。其中點火基準測量裝置為點火控制器提供曲軸位置信號、判缸信號以及轉速測量信號。點火控制器采用MC9S12DP256單片微處理器為核心，精確控制點火線圈的通斷時刻，點火控制器通過點火時序比較模塊確定點火時序，通過初級線圈開始通電基準判別模塊實現在當前缸的點火控制周期下，確定通電初級線圈對應的缸號。點火控制器輸出信號通過點火驅動電路控制點火初級線圈的通斷，點火次級線圈通過高壓線與火花塞相連進行點火。
點火基準測量裝置由信號盤和霍耳傳感器組成，信號盤的結構如圖2所示。該信號盤安裝于凸輪軸上，其外圓周被分為六等分，由于凸輪軸轉一圈為720°CA(曲軸轉角)，所以每等分代表的間隔為120°CA，每等分又包括一個信號齒和一個凹槽，各占60°CA；另外再將其中一個信號齒三等分，并將相對于該信號齒左邊沿20～40°CA加工為凹槽，安裝時將相對于該信號齒左邊沿40°CA處的齒沿與第一缸的上止點對應。信號盤隨凸輪軸轉動，當霍耳傳感器感應頭接近信號盤的任意一個信號齒的齒頂時，將輸出高電平信號“1”，當遠離齒頂而與齒槽相對時，將輸出低電平信號“0”，由此可得到如圖3所示的曲軸位置信號和同步信號，圖中40°BTDC表示上止點前40度，TDC#1表示1缸的壓縮上止點。由圖3可見，第一缸的信號有兩個脈沖，其余各缸均為一個脈沖。霍爾傳感器的信號輸出端子通過導線與點火控制器的信號輸入端子相連。第一缸的第二個脈沖被用做判缸同步信號，由于前兩個脈沖的曲軸轉角間隔為40度，而其他各脈沖的曲軸轉角間隔為120度，所以可以根據脈沖間隔時間的長短來判定第一缸信號，我們稱第一缸的第二個脈沖為判缸同步信號。除判缸同步信號的上升沿為一缸的上止點，其余各脈沖的上升沿為各缸的上止點前40°，該上升沿是點火定時控制的基準點，初級線圈開始通電時刻相對于上止點的曲軸角度以及點火開始時刻相對于上止點的曲軸角度都以該脈沖上升沿為基準進行計算。這樣點火基準測量裝置同時實現確定曲軸位置、轉速計算以及進行缸序判別三重功能。
上述判缸同步信號用于氣缸循環計數，以六缸天然氣發動機為例，每當檢測到判缸同步信號，氣缸循環計數器都置1，在以后發動機完成一個工作循環的720°曲軸轉角過程中，每檢測到一次脈沖上升沿(即上止點前40°脈沖的上升沿)，氣缸循環計數器增加一個單位，即從1到6依次增加。在點火控制器中，預先設定點火控制時序，并確定計數器各計數值與相應點火氣缸的對應關系，如圖4所示。這樣點火控制器中通過對輸入的氣缸循環計數值信號進行判別后，輸出正確的點火控制命令，實現順序點火。
在每個點火控制周期中，除判缸同步信號外，必有一個缸的初級線圈通電，也必有一個缸的初級線圈斷開(即開始點火)。在每個周期中，點火的線圈與指定缸對應，如在第一缸信號周期中斷開的初級線圈為第一缸的點火線圈，但通電的初級線圈則不一定對應。如果這種對應關系采取統一的原則將會出現在某一點火控制間隔內，初級線圈通電時間不足或者初級線圈不能在相應的點火時刻及時斷開，即當轉速偏高時點火輸出控制信號(初級線圈通電時間和斷開時刻)沒有足夠的時間去執行或者信號發生重疊，造成點火能量不足甚至不能正常點火。針對上述問題，本天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置根據發動機的轉速確定每個點火控制周期中通電初級線圈對應的缸號。但如果每計算一次轉速，都對該轉速下線圈的通電時間和相應控制周期的關系計算比較進而確定通電線圈的缸號具體對應哪一缸的缸號，將會延長判斷過程，影響控制的實時性。為此本控制裝置在點火控制過程中將發動機的轉速分成五個狀態低速狀態、低速過渡狀態、中速狀態、中速過渡狀態、高速狀態。采用按轉速分段的方法進行控制。以公交用六缸天然氣發動機為例，根據其最大轉速一般在2300r/min左右，假定點火能量要求達到120mJ以上的高能，那么在低速或低速過渡狀態時通電線圈的缸號和當前周期所在的缸號對應，在中速或中速過渡狀態時通電線圈的缸號和下一缸(按點火順序排列，這里設定的點火順序為1-5-3-6-2-4)的缸號對應，在高速時通電線圈的缸號與再下一缸的缸號對應。圖5給出了在一缸的點火控制周期中不同轉速范圍內通電線圈與缸號的對應關系，在低速或低速過渡狀態時對應的通電線圈為一缸的點火線圈，在中速或中速過渡狀態時對應的通電線圈是第五缸的點火線圈，在高速時對應的通電線圈是第三缸的點火線圈。這樣通過在點火控制器中建立一個不同轉速范圍通電初級線圈與缸號對應關系的判別模塊不但可以提高控制效率，而且可以提高點火的準確性。由于不同類型的車輛其低、中、高速的劃分范圍不同，所以針對不同車型在上述五個轉速狀態的劃分下通電線圈對應的具體缸號會有所不同，但基本原理是一樣的。
點火驅動電路采用的新型IGBT模塊的型號為BTS2140，是Infineon公司開發提供的，其電路原理見圖6。微控制器輸出信號接輸入極Gate端，點火初級線圈的負極接集電極Collector端，發射極Emittor端接地。該模塊具有過流保護和過熱保護等功能，而且它的使得對于點火線圈的驅動簡化為2級驅動。
權利要求1.天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置，包括點火基準測量裝置、點火控制器、點火驅動電路，其特征在于點火基準測量裝置由信號盤和霍耳傳感器組成，信號盤安裝在凸輪軸上，其外圓周被分為六等分，每等分包括一個信號齒和一個凹槽，各占60°曲軸轉角，其中一個信號齒再被分為三等分，并將相對于該信號齒左邊沿從20-40°曲軸轉角的外圓上加工為凹槽，安裝時將相對于該信號齒左邊沿40°曲軸轉角處的齒沿與第一缸的上止點對應，霍耳傳感器安裝在發動機機體上，其感應頭正對并靠近信號盤的外圓周，霍爾傳感器的信號輸出端子通過導線與點火控制器的信號輸入端子相連。
2.根據權利要求1所述的天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置，其特征在于點火驅動放大電路采用集成型IGBT模塊BTS2140，BTS2140的輸入極端接微控制器的點火信號輸出管腳，集電極端接點火初級線圈的負極，發射極端接地。
專利摘要本實用新型公開了一種天然氣發動機高能直接順序點火控制裝置，包括點火基準測量裝置、點火控制器、點火驅動電路。其中點火基準測量裝置由信號盤和霍爾傳感器組成，點火控制器包含點火時序比較模塊和初級線圈的開始通電基準判別模塊。本實用新型能夠實現天然氣發動機的高能直接點火，實現正確的點火時序判斷和進行順序點火，并能根據轉速確定通電初級線圈與缸號的對應關系，保證了天然氣發動機的點火可靠性和準確性，集成型IGBT驅動電路的采用使驅動電路結構大為簡化，體積減小，可靠性提高。
文檔編號F02P7/07GK2771504SQ200420009848
公開日2006年4月12日 申請日期2004年11月5日 優先權日2004年11月5日
發明者郭林福, 張欣, 李國岫, 李彩芬 申請人:北京交通大學