发动机高能直接点火控制技术设计

摘要：针对发动机电子点火系统的性能要求，以MC9S12DP256微控制器为核心，通过分析点火时序控制方法，设计点火控制程序，结合外围硬件设备，设计了六缸发动机高能直接点火系统。结果表明，利用MC9S12DP256微控制器的逻辑运算能力和定时控制功能，六缸发动机高能直接点火系统获得了精确、可靠的点火时序控制性能，使发动机电子点火系统获得了新发展。
关键词：电子点火；时序控制；发动机；控制技术

0 引言
    电子技术的发展对发动机性能提出更高要求，微机控制的电子点火系统逐渐取代了传统的发动机点火系统，使点火时刻和点火能量的控制更为精确。在发动机点火系统中，采用无分电器各缸独立点火系统，即高能直接点火系统。采用高能直接点火可有效地增加点火线圈初级回路的储能，减少点火能量的传导损失，从而提高点火能量，满足车用发动机稀薄燃烧、增压和使用代用燃料(如天然气、酒精)等新技术的发展要求。针对六缸车用发动机高能直接点火控制系统的开发，进行了以MC9S12DP256微控制器为核心的电子控制单元的软硬件系统设计。

1 六缸发动机高能直接点火系统
    六缸发动机的高能直接点火系统电路设计原理图如图1所示。

    系统由输入信号传感器、电子控制单元(ECU)及点火执行器三部分组成。其中，点火执行器包括每缸独立的点火线圈和火花塞，共六组。点火线圈通过初次级绕组线圈之间进行电磁感应，将蓄电池的电压升压后用于激励火花塞电极间产生电火花，使汽缸内的混合气点燃。由电子控制单元发出的控制信号经过点火器中的功率三极管的放大为驱动信号，用于对初级电路进行通断电控制。
    为保证发动机的性能要求，六缸发动机高能直接点火系统需按点火顺序、点火时刻和点火能量的控制要求，实现六个独立点火线圈初级电路的适时通、断电，即电子控制单元要完成多通道的复杂时序控制。

2 ECU的硬件结构设计
    适用于六缸发动机高能直接点火系统的电子控制单元(ECU)结构如图2所示。

    ECU以MC9S12DP256微控制器为核心，结合电源、输入信号整形处理、输出驱动放大电路、通信接口电路等功能模块构成。
    结构设计中，两个定时通道设置为输入捕捉功能，对经过整形处理后的曲轴位置信号和发动机转速信号进行采集处理；另六个定时通道设置为输出比较功能，用于六个汽缸的点火线圈初级电路的通断电控制。

3 ECU的控制软件设计
3．1 点火时序的控制方法
    六缸发动机高能直接点火系统的电子控制单元(ECU)在进行点火时序控制的时候，以安装于凸轮轴上的霍尔传感器测量得到的发动机曲轴位置信号为依据。
    曲轴位置信号与点火控制时序的关系如图3所示，凸轮轴每转一周，产生七个脉冲信号，其中六个为发动机各缸的点火基准信号，按1，5，3，6，2，4的缸号顺序均匀排列，各基准脉冲信号的上升沿没置在对应各缸压缩行程上止点前40°，相邻基准信号间相差120°的曲轴转角。另有一个附加脉冲信号在1号缸的基准脉冲信号后，其上升沿对应于1号缸的上止点，用于判定1号缸的位置，使点火系统与发动机的工作同步。
    MCU利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合，采用延时计数法进行点火线圈初级电路通断电时序控制。

3．2 点火控制程序设计
    为了实现卜述点火时序控制功能，本文设计的点火控制程序由主程序和中断服务子程序等多个模块组成。主程序的主要功能是根据发动机运行工况，通过逻辑运算确定最优的点火提前角及初级电路导通时间；中断服务子程序负责系统输入信号的采集与处理，而其中输入捕捉和输出比较中断程序是实现点火时序控制的关键。点火控制主程序流程图如图4所示。ECU上电后，主程序首先执行MCU的初始化操作，设置定时器计数周期、各输入输出功能和各中断。初始化完成后，主程序进入循环运行状态，等待各中断服务程序发生，检测各输入参数，进行故障查询和处理。如系统状态正常，则根据发动机运行工况确定最优的点火提前角及初级电路导通时间。
    输入捕捉和输出比较的中断服务程序流程图分别如图5和图6所示。

    利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合，采用延时计数法实现点火线圈初级电路通断电时序控制。在进入曲轴位置信号上升沿触发的输入捕捉中断后，首先完成判缸信号拾取、工作缸号确定及控制周期计数值计算等工作。然后进行点火线圈的通断电延时控制。当发动机转速较高时，设置本缸的断电延时和相应的输出比较通道，以及下一缸的通电延时和相应的输出比较通道；当发动机转速较低时，设置本缸的通电延时和相应的输出比较通道，并且输出比较中断。当进入输出比较中断时，再以此中断为基准，设置本缸的断电延时和相应的输出比较通道。

4 结论
    以MC9S12DP256微控制器为核心的发动机高能直接点火系统，可实现点火时刻按发动机工况进行最优调节，并且利用MCU的增强型捕捉定时器实现了六缸发动机点火的独立通道控制。输入捕捉与输出比较功能相互配合，满足了六个点火线圈初级电路通断电的复杂时序控制要求。试验结果表明，在其工作范围内的各种转速工况下，发动机均能获得可靠点火，无失火现象。与只有一个点火线圈的传统点火系统相比，获得较高点火能量。