专利名称：汽油机能量平衡点火电路及平衡控制方法
技术领域：
本方案属于内燃机点火技术领域，尤其涉及汽油机CDI直流点火电路。
背景技术：
点火器应在恰当时机以适当能量给发动机点火。⑶I点火电路的发展已经历三代，第一代交流充电加机械控制提前角，第二代交或直流充电加电路控制提前角，第三代利用单片机使提前角的控制更准确，已可准确控制提前角即点火时机，并改进了点火能量均衡性。点火能量来自储能电路，储能电路主要是一个电容，储能电路电压或储能电压指该电容的电压。点火电压指储能电压经高压包后至火化塞的电压。本文或对点火电压和点火能量及与之对应的储能电压或能量不作区分，以方便叙述。
现有CDI直流点火电路在每个点火周期产生的点火能量是由转速，直流升压电路 的工作状态和电池状态决定的。当发动机转速高时，充电时间缩短，点火密度加大，需要直流升压电路提高输出功率以保证每次提供储能电路的电能达到点火要求。而电池电压下降时，若不加调节，升压电路每周期输出即给每次点火提供的能量就会下降。因此，为保证不利条件下仍能提供足够的点火能量，直流升压电路的输出功率必被设计得较大，以满足低电压及较高转速不利条件下的点火能量要求。而当电池及转速处于常态或有利于升压时，直流升压电路输出能量就必然大幅偏高合理的点火能量需要，以致需要依靠最大电压限制电路防止电压进一步升高。实际上，如摩托车电池，从使用初期至后期，平均电压可以有3v降低，而日常又会有3v波动。还需加上转速变化的影响。由此可见，必须对升压电路的工作状态依据整车设备及运行状态作在线调节，否则，点火电压或点火电路所提供的能量必与点火需求不符。现有技术也可以采用测量电池电压和转速的方法通过控制储能电容电压修正点火电压，但因没有以恒压技术为基础，也没有对储能电路和升压电路采用好的定量控制手段，恒压点火和按工况调节点火能量的技术尚未成熟。
发明内容
迄今为止，无论是否结合有单片机，直流CDI点火器每周期输出能量尚不能较好地据发动机转速或设备状态及发动机其他工况变化引起的需求变化作出调节。直流点火器的每周期产生的点火能量与实际点火所需能量常不一致即能量供需不平衡。储能电压则会因转速和电池电压变化有高达70V以上的非期望波动。不利于燃烧及减排，还导致电子电路负荷大，可靠性降低。有鉴于此，新一代点火电路应在现有技术基础上实现点火能量按需准确提供即点火能量平衡控制，改变现有技术对能量控制的粗放。本方案主要解决现有汽油机点火电压不均衡及点火能量不能与变工况匹配引起的问题。通过实时监测储能电路电压，及时调节升压电路工作状态，实现点火电压恒定或在此基础上依发动机工况需求提供点火能量，总称为能量供需平衡控制或能量平衡。新技术改善燃烧，提高效率，降低排放，降低器件温升。提高点火电路运行的可靠性。电路组成方案见图I，包括控制电路，点火电路，储能电路，驱动电路，升压电路，控制电路的一个输出端连接点火电路的控制端，点火电路的一个功率端连接储能电路，点火电路另一个功率端接地。点火电路闭合时经功率端释放储能电路电能并使外接高压包经历电流，火花塞放电。控制电路另一个输出端连接驱动电路的输入端，该驱动电路的输出端连接升压电路的控制端，升压电路的高压输出端连接储能电路，在升压电路工作时向储能电路充电。方案的特征是还设置有测量电路，其输入端连接储能电路，其模拟信号输出端连接控制电路的数据转换输入端或经数据转换后的逻辑信号输出接控制电路的输入端。控制电路通常为单片机或单片机与其它电路的集合，可以接受一至多路点火信号，点火信号反映发动机或摩托车上磁电机的运动状态，提示点火时机。控制电路向驱动电路输出具有占空比的信号，控制升压电路升压速率，或输出简单的开关信号，驱动升压电路的启停。升压电路可以有多种形式，常用的有占空比控制式升压电路及变压器振荡式升压电路。升压电路作为局部功能电路，本案不限制其构造形式，但要得到最高控制效果，需在周期内向储能电路输出足够的点火能量及便于计算机控制。在升压电路运行时，储能电压在一定的范围内持续升高，升压电路停止运行时，储能电压停止上升。 通过测量电路实时测量储能电压的大小，控制电路据测量信息操控升压电路，使其在周期内点火前向储能电路输出的能量与点火需求或据需求统一设定的值平衡。因此对点火能量或点火电压的控制实际是对储能电路蓄存能量或电压的控制。测量电路配置有取样电路，对储能电路电压构成分压采样，经模拟比较器转换为开关量后向单片机输出。模拟比较器也可以集成在单片机内。升压电路可以由控制电路控制其状态，至少是通断控制，是输出状态可调升压电路。经发动机需求等因素统一设计，确定点火电压或点火能量的恒定值，对应的储能电路电压称储能电压达标值或达标电压。确定取样的分压比及模拟比较器基准值，当储能电压达标时模拟比较器输出变化，使控制电路得到中断信号。升压电路应能在周期内为储能电路提供所需能量。控制电路在每个充电周期的起始持续检测，一但来自测量电路的中断发生，即从口线输出控制信号，停止直流升压电路工作，即停止本周期该电路的能量输出，储能电压不再上升。调节过程克服电池电压，转速变化及升压电路自身性能因素，储能电压点火前升至达标电压，实现恒压点火。达标电压是统一考虑了点火所需能量确定的，因此以达标电压为目标值的储能电压恒压控制也是点火能量一种重要的供需调节，是能量平衡控制方式之一。完全解决了现有技术点火电压波动的问题。采用A/D转换或查询法测量储能电压，只需将检测中断信号改为检测储能电压或其分压的A/D转换值，或模拟比较器转换逻辑值。控制信号占空比可以辅助调节升压电路输出。若升压至点火时刻到来未出现储能电压达标，直流升压电路本次能量输出低于点火需求。直流升压电路周期内已最大限度利用升压时间，可增加升压控制波形的占空比一个单位。能量输出增加，与点火需求趋于平衡。如果储能电压在充电周期内过早达到，如早至周期的1/4，说明直流升压电路可提供的输出大于点火需求较多，可降低升压转换波形的占空比一个单位，使升压转换电路工作在额定功率的中心，保持其较高的转换效率。升压电路中的电子开关元件，可采用双极型晶体管，场效应管，IGBT (绝缘栅双极型晶体管)及组合，且不限于所列举并应配置相应的驱动电路。控制电路连接点火信号，从点火脉冲信号获得发动机和磁电机的运动状态信息。点火信号可为TTL电平或其他电平，采用非控制电路兼容的信号电平时，通常需经信号整形电路，控制电路自身也可以包含该类整形电路。点火信号，包括摩托车点火触发信号，汽车凸轮轴，曲轴位置及转角或转速信号等，提供发动机运动状态信息。控制电路以中断接收一至多路点火信号。作最佳提前角运算处理后，在点火时刻到来时点火，将储能电路的能量经外接高压包及火花塞放电，完成一个点火周期。本案采用现有提前角修正技术或最佳点火提前角技术，但不对此作出改进，叙述简略。如上所述，恒压点火技术包含一种储能电压恒压控制方法周期开始，控制电路启动升压电路，并持续监测储能电路电压，在电压达标后，停止升压电路运行，等待点火时刻到来后实施点火。控制电路可以包括其他电路，扩大控制电路的范围，则形成更简单的恒压控制点火电路形式。新形成的电路方案包括控制电路，点火电路，储能电路，升压电路，控制电路的一个输出端连接点火电路的控制端，该点火电路的一个功率端连接储能电路，其另一个功 率端接地。控制电路另一个输出端连接升压电路的控制端，升压电路的高压输出端连接储能电路。控制电路还连接储能电路，测量储能电路电压有否达到设计的达标值，即监测有否发生内部比较器中断。当储能电路电压达标时停止升压电路运行。根据这种形式，还可以形成汽油机点火恒压控制专用单片机。驱动电路增强控制电路对升压电路的驱动，该电路也可以包含在控制电路或升压电路中，某些升压电路可能由控制电路直接驱动。发动机的工况因素，使发动机对点火能量的需求有较大变化。燃烧好坏，发动机效率，温升，排放等性能会随点火能量需求与提供的平衡情况变化。点火能量的需求因素有多个，即可以是多因素补偿。考虑工况因素作能量平衡控制，简称能量平衡或工况平衡。现有技术也可有工况因素补偿点火电压或储能电压，不过是在没有取得储能电路恒压的基础上或不是在确定的储能电压的基础上进行，补偿的确定性降低。也没有对升压电路或储能电压的定量控制技术。因此现有技术的多因素补偿是定性控制，不属于本案所称能量平衡控制。工况平衡，是在储能电路已获得确知的能量即恒压控制的基础上按工况实施定量补偿，补偿作用确定，形成储能电压准确的定量，逐周期按发动机工况提供对应的点火能量。工况平衡控制是调节点火电压或点火能量，考虑工程经验，工况平衡控制技术只需以储能电压为控制目标。恒压控制与工况平衡控制都是点火能量的定量控制技术，后者为点火能量最优控制，总称能量平衡控制，是新一代完全成熟的汽油机点火电路及控制方法。设计储能电路基本达标电压，该储能电压可满足具较低能量需求的工况。设计测量电路的取样电阻分压或比较器基准等，在储能电压升至基本达标电压后，检测电路发出基本达标信号。而对于能量需求大的发动机工况，需在基本达标信号后，再保持升压电路一定的运行时值，才使储能电压达到要求。这为能量平衡控制获得各种影响因素对点火能量需求适配的空间，使点火能量可以与不同的工况需求平衡。工况因素包括加速度，转速，缸体温度或冷却水温，节气门开度或燃气流量等。增加一至多路相关因素检测电路，统称辅助检测电路，各自连接控制电路，传感信号可为电压，电流或数字信号及通信信号。控制电路测量工况因素参数值，修正补偿量(或直接确定所需储能电压)，即修正基本达标信号后升压电路运行的角度或时值。修正规律遵循由工程经验获得的补偿曲线或表格等。例如辅助检测电路检测出缸体温度很高时，点火能量或点火电压的补偿值可以减小，即在基本达标信号后较早地停止升压电路的运行，使储能电路电压在达标信号后较少上升或不再上升，反之亦然。补偿开始前控制电路得到基本达标电压信号，储能电压已达某一定值，随后又依据工况参数和补偿模型给出确定的补偿量，其值等于该工况值下所需点火电压减去达标电压。各种补偿因素可以一定规律迭加或选择最高补偿。补偿的实现可参照已知的升压曲线。如以直线作为上升曲线，可以简单地据所需补偿的电压及速率，在基本达标电压对应的基本达标时刻之后，延续升压电路运行时间，完成补偿。升压电路在周期内为储能电路提供足够的能量及采用恒压控制技术后，转速不成为影响能量提供的因素，但转速仍可作为一种工况因素，转速信号从点火信号中获得。升压电路的升压充电速率与电池电压有关，这在本案与恒压控制的效果无关，但影响工况平衡中补偿所需时间即升压电路为平衡工况需求在基本达标电压达到后所需运 行时间。工况平衡可以考虑这一影响因素。储能电压从初始上升至基本达标电压需要的时间，称基本达标时间，在其它因素不变的情况下，该时间由电池电压决定。测量该时间，将该因素加入到前述的补偿运算中，可提高升压电路的定量控制技术即工况平衡控制。周期开始，启动升压电路，即开始测量本次基本达标时间，直至基本达标电压到达后完成测量。期间用基本达标电压和上一周期通过检测得到的基本达标时间，计算储能电压实际上升斜率。可将包括电池电压在内各种对储能电压升压速率的影响消除。在储能电压基本达标前，还测量工况参数，计算对应的储能电压，再根据所需补偿量即基本达标电压至工况所对应储能电压及升压斜率，计算出为工况补偿，升压电路所需继续运行的时间即补偿所需时间。也可以再设置储能电压测量电路，即增加另一个中断检测，运行中标定出补偿段的斜率，则补偿更准确。二次中断间的电压差除以对应的时间，得到补偿段斜率。在储能电压基本达标信号后开始延续补偿所需时间，延时完成后停止升压电路，补偿完成。由此产生一种利用达标电压测量计算储能电压上升速率的方法，步骤是启动升压电路，开始计时，待储能电压达到达标电压，得出其经历的时间，计算出升压速率。这种测量计算不需要每个周期进行。依据升压速率，可以如前述方法对工况因素进行补偿。或直接控制储能电压，而最终储能电压可以高于或低于达标电压。采用A/D转换测量储能电压，常是可行的。将测量电路的输出经滤波使上升稳定。测量电路模拟值输出接控制电路A/D转换输入端，采用高速A/D转换。在升压电路启动后持续监测储能电压，即在每次转换结束后判断有否到达标电压或工况参数值对应的点火电压，用中断或查询判断转换是否完成。若未完成，立即重新启动转换，到所需电压后停止升压电路，可将储能电压控制到所需值。工况平衡则将工况所需点火电压作为储能电压控制目标值。无需考虑升压曲线的测量计算。采用A/D转换测量储能电压，有可能受储能电压上升的干扰。发明一种用A/D转换法测量储能电压上升速率的方法，不受干扰。周期开始，启动升压电路，在一定时间如2ms后停止升压。启动A/D转换测量此时的储能电压值。可以计算出储能电压上升速率。在获得升压速率后，利用升压速率控制储能电压，其过程是启动升压电路，开始升压计时，同时测量工况参数，计算对应的储能电压并利用已知速率计算储能电压上升到工况对应值所需时间，如为恒压控制则以恒压值和速率计算时间。在升压时间到达后，停止升压电路。无论是否采用能量平衡技术，升压电路的功率对点火需求往往是富裕或大大富裕的，能量平衡控制会使升压电路早早地停止运行，减少升压电路运行时间。这离点火时刻往往会达半个点火周期的时间或以上。可以推迟点火周期开始后升压电路运行，使升压结束时刻与点火时刻衔接。这消除储能电压经测量电路或其他漏电路径泄漏，保持储能电压，也能大大降低储能电路平均乘受电压。控制升压电路升压的起始时刻，称最优启动时刻控制。周期开始后升压电路适当延迟或不延时启动，并持续检测达标电压和监视点火时亥|J。若储能电压先达标，则使升压电路在下一周期延迟一个时间单位启动。若点火时刻先到达，则在下一周期提前一个单位启动。本发明是在现有汽油机直流点火电路的基础上，设置测量电路，测量储能电压，控制升压电路，使储能电压与点火需求逐个周期取得平衡，实现恒压点火及逐周期按工况需 求点火。现有技术各种适用的电路，及一定的改进变化，与本案电路特征或方法特征结合，都在本发明的范围之内。后续有限的实例仅为其中几个优选。
有益效果恒压控制技术完全解决了汽油机CDI点火长期存在的点火电压不均衡的重大技术难题。在一定电池电压如8-10V以上，转速每分钟10，000转以下，保持点火电压恒为设计值，或波动小于3%。储能电压与转速及电池电压无关并消除升压电路性能的离散性。在运行条件偏离较大时，则大大减小点火电压波动。工况平衡控制在恒压控制的基础上跟随发动机工况变化，点火能量逐周期按工况需求定量提供，完全解决了汽油机点火，点火能量不能按工况准确配置长久的技术难题。储能电压按工况需求，波动小于5%，即实现定量控制。在现有最优点火提前角技术的基础上，能量平衡实现了恒压及最优点火能量控制，完善了汽油机点火电路功能。
改善发动机燃烧，发动机能效提高5%以上，利于节能减排，降低污染排放5%以上，使汽油机排放易于达到新标准。发动机易于在低温下启动，高温下降低气缸温度，动力增强，力口速有力，运行平稳。点火电路能效提高，器件发热及承压降低，可靠性提高。
图I方案简图。图2实例1，占空比信号控制升压摩托车恒压点火电路。图3实例2，带限流驱动占空比信号控制升压恒压点火电路。图4实例3，变压器振荡升压摩托车恒压及缸温补偿点火电路。图5实例4，占空比控制升压摩托车恒压及多因素补偿点火电路。图6实例5，汽车或多缸发动机能量平衡点火电路。图7实例6专用单片机式摩托车能量平衡点火电路。图8不同平衡状态下，改变运行时值作能量平衡控制各参数或信号时序示意图。图9不同平衡状态下，改变占空比作能量平衡控制各参数或信号时序示意图。
图10双路输出的脉冲整形电路图。图11有无升压起始时刻控制的储能电压曲线对比示意图。图12温度因素补偿储能电压原理图。图13储能电压恒压控制程序流程图。图14包含控制信号占空比调整的储能电压恒压控制程序流程图。图15储能电压工况平衡控制程序流程图。图16升压电路最优启动时刻控制程序流程图。 图17 A/D转换测量储能电压恒压及工况平衡控制程序流程图。
具体实施例方式实例I:见图2，占空比信号控制升压摩托车恒压点火电路。包括控制电路，点火电路，储能电路，驱动电路，升压电路，测量电路。其中点火电路，储能电路，控制电路均采用标准或常用电路，相关电路图从简，叙述从简或从略。控制电路为单片机或单片机与其它电路的集合，控制电路也可以在无单片机的条件下，用数字电路模仿单片机实现相近功能。本例控制电路采用89C52，采用占空比控制式升压电路。Pl. O连接驱动电路。综合考虑发动机不同工况，统一确定点火所需电压或能量对应的储能电压称达标电压及比较器电路参数。控制电路发出具有一定占空比的控制信号，经驱动电路即电阻，三极管T2至IJ达升压电路的控制端，使升压电路的电子开关Kl通断，断续地使连接电池的变压器BI的初级接通电流。变压器次级感应出高压，经二极管Dl向储能电路充电，储能电压逐渐升高，直至达标电压，比较器输出翻转，控制电路检测到达标信号。该升压电路应有足够大的输出功率，使储能电路在点火周期内获得达标电压。单片机在接收到达标信号后，停止升压电路的升压转换即停止向储能电路充电，储能电压被控制在设计的达标电压。单片机优选以中断方式接收达标信号。测量电路的作用是信号变换，将储能电路的高压变换为控制电路兼容的模拟或逻辑信号。本例测量电路连接储能电路和控制电路的中断输入口 P3. 3，并自带模拟比较器。有分压电路对储能电压采样后接入模拟比较器的反向端，其同向端设有基准电压。通过设计确定达到点火要求时的储能电压，分压比及比较器基准，使得当升压电路开始升压后，储能电压达到设计要求即达标电压时，比较器翻转，控制电路产生中断。如上所述，检测到中断发生后，控制电路经驱动停止升压电路运行，储能电压停止上升，并直至下一周期才再启动。该调节过程使储能电压在点火时刻前上升为恒定的达标值。点火时刻的产生及点火的执行原理，继承现有技术，其工作原理独立于能量平衡控制的原理。P3. 2连接TTL电平的点火触发信号，从中获得发动机或磁电机运动状态信息，作最佳点火提前角修正后，适时经端口 Pl. 2，控制点火电路点火，并向外接高压包输出电流，使其连接的火花塞放电。TTL触发信号来自摩托车点火触发器，并经脉冲整形电路。整形电路可参考例2的图3。现有技术惯用使脉冲整形电路产生双路输出，二路信号分别取自点火触发脉冲的正负半波。控制电路二个端口连接触发信号。控制电路的P3. 4可连接这另一路信号，参考附图10。控制电路接受点火信号的方式及通道数也与本案的平衡控制原理无关，各种信号处理及连接技术均可应用于本发明。升压电路，除启停方式外，还可用控制信号占空比辅助调整其输出。
单片机P3.3 口经测量电路对储能电容电压作持续检测。储能电压达到设计确定的达标电压，经分压取样，比较器电路，使单片机产生中断。单片机随即改变输出控制信号，停止可控升压转换即停止本周期该电路的能量输出，储能电压停止上升。若在整个充电周期或接近周期末未检测到储能电压达标，说明升压电路能量输出可能低于点火需求，可控升压电路因已满周期或近满周期工作，控制电路无以增加该电路的周期内运行时值，便可增加升压转换波形的占空比一个单位，使升压电路输出增加，与点火需求趋于平衡。而如果比较器中断在充电周期内过早发生，如早至周期的1/4，说明直流升压电路输出功率远大于点火需求功率较多，单片机会降低升压转换波形的占空比一个单位，使升压转换电路输出功率降低，保持其较高的转换效率，同时储能电压及点火电压保持恒定。图8是不同平衡状态下，改变运行时值作能量平衡控制即恒压控制各参数或信号时序示意图。可调升压电路受电池电压影响，其开路输出即所示充电脉冲幅度会有变化，对储能电路充电速度也相应变化。并列的A，B，C三幅小图分别表示不同升压电路状态下，恒压控制或能量平衡过程中，各参数或信号的时序。横坐标为周期或磁电机旋转角，以r表示，纵坐标为电压。各图中，储能电路电压逐渐升高至200V后，各自对应的取样电压也相应提高，分别至Ka，Kb, Kc三点，取样电路的分压值都到了设定的模拟比较器翻转阀值电平 2.5V，而对应的磁电机转角ra, rb, rc,因升压电路状态不同而不同，表不不同的充电速度下，可调升压电路的工作时值不同，但都在储能电路达标值即本图例中的200V到达后即停止运行，储能电压恒定。向上的箭头表示，储能电路电压到达标值后，经一系列的反馈使自身停止上升的过程在储能电路电压升高，使取样电压至设定的2. 5V后，单片机的升压控制信号停止，致可调升压电路停运，充电脉冲消失，储能电路电压停止上升。待单片机发出点火控制信号后，储能电路能量释放，电压消失，点火周期完成一周360度，进入下一个点火周期。图9是不同升压电路状态下，改变占空比辅助恒压控制各参数或信号时序示意图。不同升压电路状态下，储能电路电压到达目标值即A，B，C各图中200V位置所需时间或磁电机旋转角是不同的，在A，B, C各小图中分别是ra，rb, rc。小图B，因充电脉冲电压高，其脉冲的占空比降低。小图C，其充电脉冲电压低，相比于A，提高了占空比。充电脉冲占空比的改变来自控制电路，均使储能电路电压可能的偏离得以补偿。可以采用升压电路最优启动时刻的控制。延时值指控制周期起始至升压电路启动的时间间隔。在周期开始经一定延时或不延时，启动升压电路，同时持续监测模拟比较器中断，等待达标信号，并同时等待点火时刻到来。若在等待期收到达标信号，则进入中断程序，将延时值加一个单位后退出中断，等待点火时刻，而下一周期的将使延时增大，升压电路运行时值缩短。反之，若直到点火时刻仍没有收到模拟比较器中断，表示储能电压没有在点火前升至达标电压，应将延时值减一个单位，下一周期会缩短延时。同时停止升压电路运行，执行点火，本点火周期结束。图11是有无升压起始时刻控制的储能电压曲线对比示意图。分为上半幅A，无启动时刻控制的储能电压曲线。下半福B，起始时刻控制下的储能电压曲线。A显示，不同达标电压下升压过程分别在M，N时刻结束，与点火时刻有距离。引起储能电压在充电完毕后的损耗。图B则显示，不同达标电压下，起始时刻分别变为P，Q，使结束时刻均与点火时刻衔接。
升压电路最优启动时刻的控制使储能电压在充电完毕后避免漏电损耗，保持平衡控制成果，提高平衡控制技术指标，可作平衡控制的辅助手段。还提高点火电路效率，大大降低器件承受的平均电压。本例其余解释见后续各例。实例2 :参考图3，带限流驱动占空比信号控制升压恒压点火电路。包括控制电路，点火电路，储能电路，驱动电路，升压电路，测量电路及脉冲整形电路。控制电路采用PIC12F615，采用占空比信号控制升压电路。单片机的INT端连接脉冲整形电路的输出，GP5连接驱动电路的输入，其输出接升压电路的升压控制端TIP122的控制端。驱动电路包含电阻及二极管各一个，还有升压变压器初级电流限制电路，由Rl对初级电流取样，三极管Tl反馈到驱动侧。
测量电路为一对分压电阻，其分压输出接单片机的CINO-端，即模拟比较反向输入端。单片机内的模拟比较器将信号转变为逻辑值。分压比及内部模拟比较器基准的设置 与设计储能电压或称达标电压有关。 单片机可以用中断方式测量点火脉冲信号及内部模拟比较器输出，点火周期开始，升压电路启动，储能电压上升。当周期内储能电路电压到达一次点火所需的达标电压，模拟比较器输出逻辑值变化，比较器中断发生。控制电路的GP5端保持输出低电平，升压电路停止运行，储能电压停止上升。待点火时刻到来后，GP4端输出高电平，点火开关电路闭合，储能电路释能，高压包经外接的火花塞放电。以点火时刻为起讫的本点火周期结束，是为恒压点火电路。采用其他单片机电路，只需用相同功能的口线代替PIC12F615的口线。INT端用中断输入口代替，GP4, GP5用通用输出口，CINO-用片内模拟比较器输入端，正反向可居单片机特性选择。本图点火电路接在储能电路和高压包之间，储能电路即储能电容的另一端接地。点火时电流从储能电路经点火电路流向高压包初级线圈入地，高压包次级高压经火花塞点火，点火原理与例I相同。但图2常用。将CINO-端口设置为A/D转换输入，可在测量电路输出插入简单滤波电路。在升压电路启动后持续监测储能电压。每次转换结束后判断有否到达标电压，若未到，立即重新启动转换，到所需电压后停止升压电路，可将储能电压控制到恒压值。或按本案方法测出升压速率，按升压速率控制储能电压到所需值。增设辅助检测电路，连接ANO端，测量工况参数如冷却水温，空燃比等，扩展为工况平衡点火电路，参见后续实例。实例3 :变压器振荡升压摩托车恒压及缸温补偿点火电路。参考图4，控制电路为MC9S08JM60/32系列。电路包含具相应功能的之前所述各局部电路及连接原则。选用了一个中断输入口 KBIP7，二个输出口 PTB4，PTB5，一个AD转换输入端ADP2及一个模拟比较器输入端ACMP-。该单片机口线资源丰富，各端口可据外设功能需要调整。采用其他单片机电路，用相同功能的口线代替。采用变压器振荡式升压电路，其输出经二极管Dl接储能电路。控制电路的PTB5发出高电平控制信号，经驱动电路即电阻到达升压电路的控制端，使升压电路发生振荡，变压器次级感应出高压，经二极管Dl向储能电路充电，储能电压逐渐升高，直至达标电压，经测量电路，ACMP-检测到达标信号。该升压电路应有足够大的输出功率，使储能电路在点火周期内获得达标电压。单片机在接收到达标信号后，停止升压电路的升压转换即停止向储能电路充电，储能电压被控制在设计的达标电压。单片机以KBIP7连接点火信号，优选从PBIP7端以中断方式接收兼容的达标信号。单片机的KBIP7端连接TTL触发信号，该信号来自点火信号触发装置经脉冲整形电路的输出。PTB5连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出接升压电路的升压控制端。PTB5高电平启动升压电路。电路振荡使连接变压器BI的晶体管通断，该晶体管也可以采用达林顿管，以增大电流。BI初级电流在次级感应出电压并形成振荡。次级输出经二极管D1，向储能电路即其内的储能电容充电。电阻R1，二极管D2提高驱动，使升压电路输出增强。一种可选的值是；R1为200 Ω，R2为5K Ω，需经调整后确定。PTB4连接点火电路。模拟比较输入端ACMP-接测量电路。其余连接及工作原理参考各例。升压电路只有启停二种状态，并以此调节储能电压。升压电路可以有更多形式，并配以相应的驱动电路。调整取样电阻分压比和模拟比较器基准电压，测量电路的模拟值输出也可以直接 连接控制电路的逻辑电平输入口如中断输入口，如本例单片机的KBIP6。利用单片机的数字电路特性，以模拟信号驱动数字电路。这种用法，有时可行，属简易应用。该逻辑电平输入口，担当了模拟比较器输入端即信号转换输入端的功能。本例增加了 ADP2 口连接的辅助检测电路即来自缸温的冷却水温测温电路。测温电阻输出电压信号，代表发动机冷却水温度。控制电路通过测量电压计算温度，据温度值修正所需点火电压，修正规律遵循由工程经验获得的水温一储能电压曲线或表格等。符合工况所需点火电压对应的储能电压由二部分迭加，即基本达标电压和补偿电压。在基本达标信号后，增加升压电路的运行时值来产生补偿电压。应先设定储能电路基本达标电压，其值对应较低的点火能量需求。测量电路取样分压比及控制电路内部比较器基准电压的设计，使储能电路电压高于基本达标电压后，比较器输出变化，发出基本达标信号，引起比较器中断。在基本达标电压形成后，再产生补偿电压。其值据工程规律计算。当温度检测电路检测出冷却水温很高时，点火能量或点火电压的补偿值可以减小，即在基本达标信号后，较早地停止升压电路的运行，使储能电压在基本达标信号后较少上升或不再上升，反之亦然。因补偿开始前控制电路得到基本达标电压信号，储能电压已达某一确定值，随后又依据补偿参数和补偿模型给出确定的补偿量，这种补偿具有准确的定量意义。检测补偿因素的辅助检测电路可以有多路，各种补偿因素可以迭加，检测方式不限。基本达标电压大小既定，不必考虑电池电压和转速，但储能电压上升速率与电池电压有关，影响补偿准确度。补偿也可以考虑这一影响因素。储能电压上升至基本达标电压是需要时间的，在其它因素不变的情况下，该时间由电池电压决定。测量该时间，就能将电池电压补偿因素加入到前述的补偿运算中，可提高多因素补偿效果。以冷却水温补偿为例。进入点火新一周期，启动升压电路开始对储能电路充电并开始测量本次达基本达标电压所需时间，直至基本达标时刻到来，基本达标时间测量完成。期间测量当前温度值，并进行以下多个计算，目的是产生本次补偿所需时间。利用温度测量值并查表或用公式计算当前温度下在基本达标电压基础上所需补偿的储能电压值。其值等于由工程经验确定的当前温度下所需储能电压值减去基本达标电压值。在多因素补偿时则迭加其它因素影响。
利用存储的最近一次基本达标电压充电时间称基本达标时间及基本达标电压计算储能电压上升斜率，并用该斜率及所需补偿的储能电压值计算本次补偿所需时间。在基本达标信号后结束时间累计计算，产生本次基本达标时间，为下周期所用，并开始计减本次补偿时间即延时本次补偿所需时间。在延时完成后关闭升压电路等待点火时刻。在点火时刻到达后执彳丁点火。结束本点火周期。若考虑在收到点火信号及作提前角处理后补偿延时仍未完成，则只需在点火时刻到后，停止升压电路，执行点火。结束本点火周期。通过测量储能电压上升速率控制储能电压，适用于储能电压需要高于或低于基本达标电压的工况平衡控制。因为不是每次点火储能电压都会经历基本达标电压，所以这种控制是由二种方法组成的。I.利用达标电压测量计算储能电压上升速率(斜率)的方法周期开始后，启动升压电路，在储能电压到达标电压后，测出其经历的时间，计算出升压速率。2.利用已知升压速率控制储能电压的方法周期开始，累积升压时间，测量工况参数，在新的工况参数点计算出对应的储能电压，再据升压速率计算出储能电压从零升到工况对应值所需时间，在时间到达后停止升压。图12是温度补偿的原理图，用简化和图示的方法解释工况因素补偿储能电压的原理，并进一步说明该补偿技术不同于现有技术，具有准确的定量意义。横坐标为时间，二个纵坐标分别表示储能电压和冷却水温。其中温度坐标上升方向朝下。图中当水温为100°c时，对应的储能电压只需120V。余类推，其中0°C以下对应的点火电压为200v或更高。储能电压上升曲线，其斜率为K，曲线方程v=kt。图中所标数值只用于示意，上升曲线也简化为直线。实用应依实际曲线作简化。以储能电压120V为基本达标电压。当储能电压上升到120v时，模拟比较器中断发生。设冷却水温侧得为50°C，所对应的点火电压为160v尚需补偿40V，将曲线从P点延至Q点。图中曲线从原点至R点为直线。只需测量原点至P点的斜率，用于计算储能电压从P点补偿到Q点所需时间，本图该时间值Τ0=Ν-Μ。其中N，M为储能电压升至160v和120v对应的时刻。升压电路继续运行该时间值，补偿完成，补偿具有定量特性。通过测量上升时间确定斜率K，还消除了器件离散性，时间环境等影响因素。比测量电池电压补偿斜率更准确可靠，使点火能量按工况定量提供更准确。恒压控制和储能电压按工况因素定量补偿即工况平衡，都属于点火能量平衡控制。储能电压定量补偿技术包含工程经验的运用，但不能用所述的控制方法避免需由工程实际归纳得出的补偿模型。当储能电压为非直线上升时，据达标段后储能电压上升规律补偿，但仍是以达标电压为基础的定量补偿。而且仍可参考前段的上升斜率，发挥能量平衡技术的优势。也可以再设计一个测量电路，在达标或基本达标电压之上产生中断。按前述原理，测量其与基本达标电压中断之间的储能电压上升参数，可以使补偿定量更为准确。用测量电池电压补偿电池电压变化对补偿时间的影响，仍是可用的方法，方法易于理解，不再说明。将测量电路的输出接A/D转换输入端ADP3，采用高速A/D转换，在升压电路启动后持续监测储能电压，在每次转换结束后判断有否到达标电压或工况参数值对应的储能电压，若未到，立即重新启动转换。在无工况测量支持的条件下，到达标电压后停止升压电路，实现恒压控制。工况平衡则将储能电压控制到工况对应的电压后，停止升压电路，等待点火信号及提前角处理后点火时刻到达，实施点火。用A/D转换测量储能电压，须有高速采样和转换，并通过滤波使数据平滑。但测量仍可能受储能电压上升的干扰。因此可以用以下方法，实现A/D转换法测量控制储能电压。周期开始，启动升压电路，在一定时间如2ms后停止升压，记下升压对应时间值。启动A/D转换测量此时的储能电压值。可以计算出储能电压上升速率。在获得升压速率后，利用升压速率控制储能电压，其过程是启动升压电路，开始升压计时，同时测量工况参数，计算对应的储能电压并计算储能电压所需上升时间，如为恒压控制则以恒压值和速率计算时间。在升压时间到达后，停止升压电路。实例4 :占空比控制升压摩托车恒压及多因素补偿点火电路，参考图5。控制电路·为MC9S08JM60/32。本例升压电路中采用场效应管作电子开关K1，为占空比信号控制式升压电路，构成和连接参照本图及前后各例，不再赘述。驱动电路主要为一个电阻。增加了电池电压检测，可选择测量电池电压辅助补偿。单片机也可能直接驱动场效应管，可看作驱动电路的功能并入了控制电路或开关电路，电路方案仍未变。采用单通道触发脉冲信号，可用最近二个脉冲的间隔计算发动机转速。在本周期触发脉冲到来后据转速作提前角处理。现有技术为限制储能电压最高值，从变压器次级抽头，经二极管，电阻，稳压管与电阻分压，分压点接控制电路的中断输入。当储能电压上升，稳压管状态变化，分压比变化，引起控制电路中断，停止升压电路。设计好各参数，也可以用作恒压控制的测量电路。该电路原有应用作为可靠性措施，用于限制储能电路最高电压，而对正常的储能电压无控制作用。而作为恒压控制，是将每周期的储能电压控制在所希望的电压上。该电路可作为简易应用，非优选。实例5 :参考图6，汽车或多缸发动机能量平衡点火电路。控制电路为MC9S08JM60/32。升压电路采用低电压驱动场效应管作电子开关或用IGBT，占空比信号控制式升压。辅助检测电路包括冷却水温，节气门开度或位置，图示简化。控制电路的KBIP7和KBIP6或其他中断输入口线分别连接二种点火信号即位置信号和转角信号，图中为霍尔传感器发出的TTL电平信号，用于指示发动机状态。采用来自电磁器件的非TTL电平信号如电磁脉冲信号，则可经脉冲整形电路后连接控制电路。光电信号等可经相应电路连接控制电路。PTB5，PTB4F分别接点火电路和驱动电路。ACMP-接测量电路的模拟输出。ADP2，ADP3分别接所需工况参数测量电路即冷却水温和节气门开度。转角信号，位置信号包含曲轴转速及曲轴特定位置。二者通称点火信号，或可能合为一路。作为恒压控制，周期开始，PTB4输出一定的占空比信号，并在测量电路的输出指示储能电压达到设计的达标电压后，控制电路停止升压电路运行，等待点火时刻。作工况平衡控制，测量各路工况参数冷却水温，节气门开度，控制储能电压到相应值，等待点火时刻。
点火提前角由点火信号及最佳提前角修正确定。控制电路在接收点火信号后，经提前角处理，适时点火。点火动作则由PTB5输出电平信号，使点火电路导通，释放储能电路能量，经分电器使所连接的火花塞放电。其余解释见前后各例。实例6:参考图7，专用单片机式摩托车能量平衡点火电路。控制电路为专用单片机，至少具有通用中断输入口 IN1，带模拟比较器转换功能的模拟量输入口 IN2，可连接300V或更高的模拟电压。另有通用输出口 OUTl，0UT2。
INl接点火触发信号，检测发动机运动状态信息，如转速，点火标志位等。0UT2接点火电路控制端。OUTl接升压电路控制端。IN2接储能电路，测量其电压。所有口线均可扩展数量。控制电路的内部构造方案参照本案已有的电路。PIC16F636单片机为核心结合能 量平衡点火电路的部分电路组成控制电路。单片机的中断输入端RA2 (INT)连接脉冲整形电路的输出端，脉冲整形电路的输入端作为INl连接外部触发脉冲。输出端RC2端作为控制电路的0UT2端，RC3连接原驱动电路的输入端，原驱动电路输出端作为控制电路的一个输出端0UT1，连接升压电路的控制端。单片机模拟比较器反向输入端C2IN-连接原有测量电路的模拟输出端，原测量电路的输入端作为控制电路的模拟输入IN2连接储能电路。增加单片机A/D转换功能和工况检测电路，扩展为工况平衡点火电路。本方案使摩托车能量平衡点火电路硬件构造简化，可靠性进一步提高。控制电路可包含应用程序，使新一代点火技术易于产业化。其余解释见之前各例。本案各例的局部电路可以对应地移植借鉴，对各例中器件及局部电路的不同选择或改变。局部电路功能的合并，移出，电路的添加后产生的电路，均属本发明范围内的变化。
权利要求
1.一种汽油机恒压控制点火电路，包括控制电路(2)，点火电路(3)，储能电路(5)，驱动电路(7)，升压电路(8)，所述控制电路的一个输出端连接所述点火电路的控制端，该点火电路的一个功率端连接所述储能电路，其另一个功率端接地或连接外部高压包，所述控制电路另一个输出端连接所述驱动电路的输入端，该驱动电路的输出端连接所述升压电路的控制端，该升压电路的高压输出端连所述接储能电路，其特征是还有测量电路(6)，其输入端连所述接储能电路，其模拟信号输出端接所述控制电路的信号转换输入端或经数据转换后的输出接所述控制电路的输入端。
2.一种汽油机恒压及工况平衡点火电路，包括控制电路(2)，点火电路(3)，储能电路(5)，驱动电路(7)，升压电路(8)，所述控制电路的一个输出端连接所述点火电路的控制端，该点火电路连接所述储能电路，所述控制电路另一个输出端连接所述驱动电路的输入端，该驱动电路的输出端连接所述升压电路的控制端，该升压电路的高压输出端连所述接储能电路，其特征是还有测量电路(6)，其输入端连所述接储能电路，其模拟信号输出端连接所述控制电路的数据转换输入端或经数据转换后的逻辑信号输出接所述控制电路的输入端，另有辅助检测电路(9 )，其输出连接所述控制电路。
3.一种储能电压恒压控制方法，其特征在于包括以下步骤 启动升压电路，持续测量储能电压， 若储能电压达标，停止升压电路。
4.一种储能电压工况平衡控制的方法，其特征包括以下步骤 启动升压电路，开始从零累积基本达标时间； 持续测量储能电压； 测量当前工况参数值； 计算储能电压所需补偿的电压值 计算储能电压上升速率； 计算本次所需补偿时间； 若储能电压达到基本达标电压，基本达标时间累积停止； 开始按本次补偿时间延时； 若补偿延时完成，关闭升压电路。
5.一种据上升速率实现储能电压工况平衡控制的方法，其特征在于包括以下步骤 启动升压电路开始对储能电路充电； 持续测量储能电压； 测量当前工况参数值； 计算储能电压所需补偿的电压值； 计算本次补偿时间； 若储能电压达到基本达标电压，开始补偿延时； 若补偿延时完成，关闭升压电路。
6.一种升压电路最优启动时刻的控制方法，其特征是还包括以下步骤 启动升压电路； 周期开始，执行延时，等待延时结束； 若延时结束，启动升压电路；等待储能电压达标及点火时刻；若储能电压先达标，关闭升压电路，加延时值一个单位；若点火时刻先到达，关闭升压电路，减延时值一个单位。
7.利用达标电压测量计算储能电压上升速率的方法，其特征是包括以下步骤启动升压电路，开始计时；若储能电压到达标电压，得出其经历的时间；计算升压速率。
8.一种用A/D转换法测量储能电压上升速率的方法，其特征在于包括以下步骤周期开始，启动升压电路；在一定时间如2ms后停止升压；启动A/D转换测量储能电压值；计算储能电压上升速率。
9.利用升压速率控制储能电压的方法，其特征是包括以下步骤启动升压电路，开始升压计时；测量工况参数，计算对应的储能电压；计算储能电压所需上升时间；若上升时间到，停止升压电路。
全文摘要
现有汽油机CDI点火技术存在点火能量供需不平衡，点火电路输出能量不能据发动机需求准确提供。基本平衡技术恒压点火，点火能量的供需平衡由控制电路通过测量储能电路电压并据以输出升压控制信号经驱动电路控制升压电路的运行状态，使点火电压恒定在达标电压。检测随发动机工况变化的点火能量需求因素，如缸温，节气门位置等，计算相应储能电压。在恒压控制基础上，测量升压参数，逐周期对点火能量作定量补偿，实现工况平衡控制。恒压和工况平衡技术总称能量平衡控制，是能量定量点火技术，是新一代成熟的点火技术。对制作良好的直流点火器采用能量平衡技术，在一定电池电压和转速范围内，点火电压或对应的储能电压恒为设计值或按工况所需定量提供的值。
文档编号F02P9/00GK102865175SQ20121023130
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月5日 优先权日2011年7月7日
发明者曹杨庆 申请人:曹杨庆