尼桑K25燃气发动机点火系统的设计

叶健，王红琴（.华中科技大学自动化学院，湖北 武汉 430074；2.宁波市金榜汽车电子有限公司，浙江 宁波 35040）



尼桑K25燃气发动机点火系统的设计

叶健1，王红琴2*
（1.华中科技大学自动化学院，湖北 武汉 430074；2.宁波市金榜汽车电子有限公司，浙江 宁波 315040）

文章主要对尼桑K25燃气发动机的点火系统进行设计开发。依据尼桑K25机型的具体参数与特性，确定点火控制系统的方案。由34齿曲轴信号与1齿凸轮轴方波信号产生顺序四缸点火信号，并在实验台架上对该点火方案进行验证，实验表明了该方案的可行性。

燃气发动机；点火系统

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.045

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-138-03

引言

燃气发动机具有低排放、使用经济性好等特点，因而已成为我国发动机研究领域的热点。对其研究的一个重要问题就是如何精确控制点火提前角，提高点火能量以保证燃气发动机的动力性、降低排温，进一步改善排放与经济性［1］。

1、总体分析

1.1点火模块工作原理

本系统以飞思卡尔 MC9S12单片机为核心进行设计。MC9S12单片机作为汽车电子方面的芯片，片内集成闪速存储器，容量大，读写速度快，应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性，具有可靠性高，抗干扰能力强，并且内部还嵌有协处理器，工作主频是CPU的两倍，同时具有丰富的外设。点火模块由电源电路、输入信号滤波电路、驱动电路与驱动保护电路等构成。点火模块硬件结构示意图如图1所示。

微处理器使用内部IOC捕获模块捕获凸轮轴、曲轴方波信号，通过凸轮轴与曲轴的相位方波信号计算当前燃气发动机曲轴转角位置，同时通过判断当前发动机运行工况以及采集进气温度、节气门位置等信号计算当前最佳点火提前角，利用单片机内部输出比较功能控制点火线圈的通断电来控制火花塞发火时序。

1.2齿盘安装相位

图2所示为尼桑K25凸轮轴与曲轴齿盘结构、曲轴传感器与凸轮轴传感器的机械安装位置及对应的相位关系。凸轮轴有一凸齿，曲轴共有34齿：包括32个小齿，2个大齿。由信号齿盘的安装相位与传感器的安装位置关系，可实时获得发动机相位信息及运转状态。

1.3点火线圈励磁时间

为保证足够的点火能量与次级线圈输出点火电压，又不至于使点火线圈发热，需要使得点火线圈工作在合适的状态下。如式1所示L1为初级线圈电感，Ip为初级线圈断开电流。

为保证线圈工作在合适的状态下，需要选择合适的Ip，即通过控制点火线圈的励磁时间便可控制Ip值的大小。

本点火系统采用 DQG127A 干式点火线圈与博世火花塞。如图3为励磁电流Ip=6A的条件下，测量在不同的电压下的励磁时间关系图，在该条件下，次级线圈输出点火电压高达32KV。

1.4点火时序

本系统实验机型为尼桑K25燃气发动机，直列四缸机，点火时序的控制以曲轴和凸轮轴方波信号为依据，图4为一缸点火控制时序示意图。曲轴信号通过安装于飞轮上的霍尔传感器测量得到，曲轴每旋转一圈有34个方波信号，小齿对应的相邻两方波上升沿信号间隔10°曲轴转角，大齿对应的相邻两方波上升沿间隔信号间隔20°曲轴转角，每次检测到曲轴大齿信号，更新当前点火缸号Ign_Num并对曲轴齿数Gear_Num清零，当检测到曲轴小齿信号时，Gear_Num加1；凸轮轴信号通过安装于凸轮上霍尔传感器测量得到，凸轮轴每旋转一圈有一个方波信号，检测到凸轮轴的方波信号判定当前点火缸号为一缸，当检测到曲轴大齿信号后，则置当前点火缸号为四缸，依据发动机的1、4、3、2点火顺序，通过曲轴大齿信号，更新当前点火缸号。

在图4中θ3为最佳点火提前角，θ2为点火线圈励磁角度，θ1为点火线圈通电开启前延时角度。当检测到当前曲轴转角角度与点火线圈通电开启时刻θ1＜10°时，依据发动机当前转速计算Tθ1与Tθ2，并开启延时输出比较功能，经过Tθ1点火线圈开始通电，通电经过励磁时间Tθ2，点火线圈断电次级线圈点火，使得在当前点火缸号压缩上止点前θ3点火。

1.5点火提前角的控制

由于天然气的辛烷值较汽油的辛烷值高，故在本系统中未进行爆震的控制。为使得发动机获得最佳的动力性、经济性和最佳排放性，需要对发动机的点火提前角进行控制。点火提前角由初始点火提前角、基本点火提前角以及修正量组成，如式2所示。

初始点火提前角为固定点火提前角，基本点火提前角通过查找进气压力与转速二维MAP表获得，修正量包括水温、节气门位置等对点火角的补偿。

2、软件设计

在软件中，采用CPU与协处理器交互式处理的模式。通过协处理器可以大大减轻CPU负荷，可使得CPU有更多的空闲时间执行其他的事件。CPU接收协处理器的中断请求对点火提前角进行计算，协处理器依据点火时序对四缸进行独立点火控制。主程序通过燃气发动机当前的转速、进气压力、节气门开度判定当前发动机工作工况。下图图5为协处理器与CPU曲轴软件中断处理流程图，图6为协处理器输出比较中断处理流程图。

3、实验

实验机型为尼桑K25燃气发动机，为四冲程直列四缸水冷机型，自然吸气，工作转速范围：800rpm～2200rpm。系统主控芯片采用MC9S12单片机，工作主频40MHz。

点火控制模块在硬件上采用 CAN总线与上位机软件进行通讯，使燃气发动机运行在不同的稳态工况和瞬态工况下，通过上位机软件改变点火提前角，标定出最优点火MAP图使得燃气发动机在动力性能、经济性能与排放性达能到最佳。如图7所示为燃气发动机在1500r/min时的负载特性，可以看出随着负载的增大，发动机气耗随之减小，排温增大。燃气发动机工作在高负荷时能有效的降低气耗率。

4、结论

实验表明本文所开发的点火系统满足尼桑K25燃气发动机对点火控制的要求，实现了尼桑K25燃气发动机的四缸顺序点火，通过配套相应的上位机标定系统，对点火提前角实现了在线标定。

[]吴本成,孙仁云,陈林林.YH465Q-1E改为天然气发动机的电控系统的研制[J].西华大学学报(自然科学版).2006(01).

[2]王明文,唐岚,甘海云,刘俊刚,王康康.电控天然气发动机点火控制系统的开发[J].西华大学学报(自然科学版).2009(03).

[3]林峰,杨强,王琼,吴文龙.天然气发动机点火系统研发的理论与实践(上)[J].现代车用动力.2014(02).

[4]王晓斌.天然气发动机点火系统设计及实验研究[D].哈尔滨工程大学.2013.

The Design of Nissan K25 gas engine ignition system

Ye Jian1,Wang Hongqin2*
(1.institute of automation of wuhan huazhong university of science and technology,Hubei Wuhan 430074; 2.Ningbo jinbang automotive electronics co.,LTD.Zhejiang Ningbo 315040)

This paper mainly discusses the development of Nissan K25 gas engine ignition system.According to the specific parameters and characteristics of Nissan K25,determine the ignition control system scheme.Through the 34 teeth of crankshaft signal and 1 teeth of camshaft signal generate four cylinder ignition signal,and validating the ignition scheme on the experimental bench，experimental results show the feasibility of the scheme.

gas engine; ignition system

U464

A

1671-7988（2016）08-138-03

叶健，男，就读于华中科技大学自动化学院。

王红琴，就职于宁波市金榜汽车电子有限公司。