一种汽油机点火提前角检测与调整装置

摘要

本发明公开了一种汽油机点火提前角检测与调整装置。本发明中曲轴信号采集电路输入端接汽油机的58X曲轴位置传感器信号，输出端连接单片机控制单元；点火信号提取电路输入端接汽油机ECU的一、四缸点火信号，输出端连接单片机控制单元；点火输出驱动电路输入端连接单片机控制单元，输出端连接发动机点火器；人机交互模块包括：用户输入、LED1显示、LED2显示、运行模式显示。其中用户输入连接单片机控制单元，输入用户所需的控制信号，LED1显示、LED2显示和运行模式显示分别连接单片机控制单元，用于显示点火提前角信号及本装置运行模式。试验结果表明，本发明点火提前角检测准确，点火控制输出可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测装置，尤其涉及一种汽油机点火提前角检测与调整装置。

背景技术

随着技术的进步，电喷汽油机已经取代了传统的化油器式汽油机。电喷汽油机通过各路传感器采集到的汽油机工况信息，经电子控制单元（ECU）分析处理后，由ECU控制汽油机的喷油、点火，使汽油机始终运行在最有效的区域，从而可以有效的降低汽油机排放、提高其动力性和经济性。

汽油机工作时，从点火时刻起到活塞到达上止点这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。点火提前角对汽油机的动力性、经济性和排放性能都有重要的影响，是汽油机电控系统中十分重要的一个控制参数，点火提前角的变化会对汽油机运行状态产生重大的影响。汽油机运行过程中，存在一个最佳的点火提前角，这个角度下能使汽油机的各项性能达到最优，其值随汽油机工况和状态的变化而变化。为了使学生对汽油机台架试验有较全面、系统的理解，加深学生对汽油机性能的直观体验，掌握汽油机扭矩、功率、转速、油耗等参数的测试方法，提高学生的科研实践能力，目前在国内很多高校车辆工程专业都设有汽油机点火提前角调整实验，加深学生对汽油机点火提前角的直观认识。随着电喷汽油机应用的普及，在台架试验中，传统的化油器式汽油机也必将被电喷汽油机所替代。

传统的化油器式汽油机可以通过分电器对点火提前角进行调整，而电喷汽油机由于其点火提前角由储存于汽油机ECU中的程序控制，外部无法对其进行直接干预。对于电喷汽油机点火提前角调整，市场上应用的大部分为自主开发的点火系统，其点火提前角可以由开发者自行设定，从而实现对点火提前角的控制，但该方式需要改变原汽油机点火系统结构，实现较为复杂，使用成本较高。目前还没有专门的产品可以在不改变原汽油机点火系统结构的情况下，实现对汽油机点火提前角检测与调整。

发明内容  

本发明可以在不改变原汽油机点火系统结构情况下，有效解决其点火系统无法手动干预或调整点火提前角的问题，以满足高校汽油机台架试验教学需要，同时，本装置也可应用于其他需要检测、调整汽油机点火提前角的相关领域，具有较大的应用价值。

本发明解决技术问题所采取的技术方案：

一种汽油机点火提前角检测与调整装置包括曲轴信号采集电路、点火信号提取电路，单片机控制单元，点火输出驱动电路和人机交互模块。

曲轴信号采集电路输入端接汽油机的58X曲轴位置传感器信号，输出端连接单片机控制单元；点火信号提取电路输入端接汽油机ECU的一、四缸点火信号，输出端连接单片机控制单元；点火输出驱动电路输入端连接单片机控制单元，输出端连接发动机点火器；人机交互模块包括：用户输入、LED1显示、LED2显示、运行模式显示。其中用户输入连接单片机控制单元，输入用户所需的控制信号，LED1显示、LED2显示和运行模式显示分别连接单片机控制单元，用于显示点火提前角信号及本装置运行模式。

本装置具有如下有益效果：

1. 本装置能检测当前汽油机实际点火提前角和存储于汽油机ECU中实时工况下的最佳点火提前角，并通过高亮数码管显示，从而可以将汽油机当前的点火提前角和最佳点火提前角进行对比，较为直观地理解点火提前角对汽油机运行状态的影响。

    2. 本装置具有检测汽油机点火闭合角功能，点火控制时点火能量按原机闭合角值输出，点火稳定，可以实现对汽油机点火提前角的精确控制。

3. 本装置具有工作和待机两种模式，两种模式可随意切换。工作模式下，汽油机点火提前角由本装置控制；待机模式下，汽油机点火提前角由汽油机ECU控制，本装置不影响原机运行。

4. 本装置采用双ECU控制点火方案，不需要对原机点火系统进行任何改动，仅需将本装置串入原汽油机ECU和点火系统之间。

5. 本装置结构简单，体积小，成本低廉，使用方便，工作可靠。

试验结果表明，本装置点火提前角检测准确，点火控制输出可靠，完全满足系统设计要求，可以实现预期功能。

附图说明

图1 系统原理图；

图2 曲轴信号采集电路；

图3 点火信号提取电路；

图4 单片机控制单元；

图5点火输出驱动电路；

图6 人机交互模块。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的一种汽油机点火提前角检测与调整装置包括曲轴信号采集电路1，点火信号提取电路2，单片机控制单元3，点火输出驱动电路4，人机交互模块5组成。

曲轴信号采集电路1输入端接汽油机的58X曲轴位置传感器信号A，输出端连接单片机控制单元3；点火信号提取电路2输入端接汽油机ECU的1、4缸点火信号（ECU）B，输出端连接单片机控制单元3；点火输出驱动电路4输入端连接单片机控制单元3，输出端连接发动机点火器C；人机交互模块5包括：用户输入①、LED1显示②、LED2显示③、运行模式显示④。其中用户输入①连接单片机控制单元3，输入用户所需的控制信号，LED1显示②、LED2显示③和运行模式显示④分别连接单片机控制单元3，用于显示点火提前角信号及本装置运行模式。

曲轴信号采集电路1如图2所示，由低通滤波和迟滞比较电路组成，包括差动比较器LM2903，电阻R1,电阻R2，电阻R3，电阻R4，电阻R5，电阻R6，电容C1，电容C2。

58X曲轴位置传感器信号A分两路，一路连接电容C1一端，另一路接差动比较器LM2903第2脚，电容C1另一端接地；差动比较器LM2903第3脚分两路，一路接电阻R3,另一路接电阻R4；电阻R4另一端分两路，一路接电阻R6，另一路接电阻R5；电阻R6另一端接地；电阻R5另一端接VCC电源；电阻R3另一端分三路，一路接差动比较器LM2903第1脚，另一路接电阻R1，第三路接电阻R2；电阻R1另一端接VCC电源；电阻R2另一端分两路，一路接电容C2，另一路接单片机控制单元3的单片机MC9S12XEP100的PT2脚；电容C2另一端接地；差动比较器LM2903第4脚接地，第8脚接12V电源。

点火信号提取电路2如图3所示，包括光耦隔离器4N25（U1）、发光二极管D1，电阻R7。将来自汽油机的1、4缸点火信号（ECU）B接在光耦隔离器4N25（U1）第1脚，光耦隔离器4N25（U1）第2、4脚接地，光耦隔离器4N25（U1）第5脚分两路，一路与发光二极管D1相连，另一路接单片机控制单元3单片机MC9S12XEP100的PT4脚，发光二极管D1另一端接电阻R7，电阻R7另一端接VCC电源。汽油机的1、4缸点火信号（ECU）B为方波信号，1、4缸点火信号（ECU）B为高电平时光耦隔离器4N25（U1）原边二极管导通，使副边三极管导通，光耦隔离器4N25（U1）第五脚输出低电平；汽油机ECU的1、4缸点火信号为低电平时，光耦隔离器4N25（U1）原边二极管截至，使副边三极管截至，光耦隔离器4N25（U1）第五脚输出高电平。

单片机控制单元3如图4所示,包括单片机MC9S12XEP100，10M晶振Y1，BDM Header，二极管D2，电阻R8,电阻R9，电阻R10，电阻R11,电阻R12，电容C3，电容C4，电容C5，电容C6，电容C7，电容C8，电容C9，电容C10，电容C11，电容C12，电容C13，电容C14，电容C15，电容C16，电容C17，电容C18，电容C19，电容C20,电感L1,电感L2,电感L3,电感L4,开关S1。

曲轴信号采集电路1输出端连接单片机MC9S12XEP100的PT2脚；点火信号提取电路2输出端连接单片机MC9S12XEP100的PT4脚；单片机MC9S12XEP100的PT5、PT6脚连接点火输出驱动电路4的输入端；单片机MC9S12XEP100的PB0、PB5、PB6、PB7、PH0、PP7、PJ0脚与人机交互模块5相连。

单片机MC9S12XEP100的VSS1、PE7、VSSX2、VSS3、VSSPLL、VSS2、VSSA1、VRL、TEST、VSSX1脚直接接地；单片机MC9S12XEP100的VDDF脚接电容C5一端，电容C5另一端接地；单片机MC9S12XEP100的PE6脚接电阻R10，电阻R10另一端接地；单片机MC9S12XEP100的PE5脚接电阻R11，电阻R11的另一端接地；单片机MC9S12XEP100的VDDX2分四路，一路接电容C11,一路接电容C10，一路接电容C9，一路接电感L3，电容C11、电容C10、电容C9的另一端接地，电感L3的另一端接VCC电源；单片机MC9S12XEP100的VDDR脚分四路，一路接电容C13，一路接电容C14，一路接电容C15，一路接电感L4，电容C13、电容C14、电容C15另一端接地，电感L4另一端接VCC电源；单片机MC9S12XEP100的EXTAL脚分三路，一路接电阻R12，一路接10M晶振Y1，一路接电容C17，单片机MC9S12XEP100的XTAL脚分三路，一路接电阻R12的另一端，一路接10M晶振的另一端，一路接电容C18，电容C17、电容C18的另一端接地；单片机MC9S12XEP100的VDDPLL接电容C16，电容C16的另一端接地；单片机MC9S12XEP100的VDD脚接电容C12，电容C12的另一端接地；单片机MC9S12XEP100的VRH分五路，一路接单片机MC9S12XEP100的VDDA1脚，一路接电容C6，一路接电容C7，一路接电容C8，一路接电感L2，电容C6、电容C7、电容C8另一端接地，电感L2另一端接VCC电源；单片机MC9S12XEP100的VDDX1脚分四路，一路接电容C20，一路接电容C3，一路接电容C4，一路接电感L1，电容C20、电容C3、电容C4另一端接地，电感L1另一端接VCC电源；单片机MC9S12XEP100的BKGD脚分两路，一路接电阻R8，另一路接BDM HEADER的第1脚，电阻R8另一端接电阻R9，电阻R9另一端分四路，一路接BDM HEADER的第4脚，一路接开关S1，一路接电容C19，一路接二极管D2；开关S1、电容C19另一端接地，二极管D2另一端接单片机MC9S12XEP100的M RESET脚，BDM HEADER的第3、5脚悬空，第2脚接地，第6脚接VCC电源。

点火输出驱动电路4如图5所示。两组驱动电路分别对汽油机1、4缸，2、3缸进行点火控制，点火输出驱动电路4包括光耦隔离器4N25（U2）, 光耦隔离器4N25（U3）,电阻R13,电阻R14,电阻R15,电阻R16,发光二极管D3，发光二极管D4。

单片机MC9S12XEP100的PT5脚连接光耦隔离器4N25（U2）的第2脚，光耦隔离器4N25（U2）的第1脚接电阻R13，电阻R13另一端接VCC电源，光耦隔离器4N25（U2）的第4脚接地，光耦隔离器4N25（U2）的第5脚分两路，一路接发光二极管D3,另一路接汽油机1、4缸点火器，发光二极管D3另一端接电阻R14，电阻R14另一端接VCC电源；单片机MC9S12XEP100的PT6脚接光耦隔离器4N25（U3）的第2脚，光耦隔离器4N25（U3）的第1脚接电阻R15，电阻R15另一端接VCC电源，光耦隔离器4N25（U3）的第4脚接地，光耦隔离器4N25（U3）的第5脚分两路，一路接发光二极管D4,另一路接汽油机2、3缸点火器，发光二极管D4另一端接电阻R16，电阻R16另一端接VCC电源。当单片机MC9S12XEP100的PT5脚输出高电平时，光耦隔离器4N25（U3）原边二极管截至，光耦隔离器4N25（U3）副边三极管截至，光耦隔离器4N25（U3）第5脚输出高电平；当单片机MC9S12XEP100的PT5脚输出低电平时，光耦隔离器4N25（U3）原边二极管导通，光耦隔离器4N25（U3）副边三极管导通，光耦隔离器4N25（U3）第五脚输出低电平。

人机交互模块5如图6所示，包括用户输入①、LED1显示②、LED2显示③、运行模式显示④。

用户输入①包括开关S2，开关S3，开关S4，电阻R17，电阻R18，电阻R19，电容C21，电容C22，电容C23。VCC电源接电阻R17，电阻R17另一端分三路，一路接开关S2，一路接电容C21，一路接单片机MC9S12XEP100的PP7脚，开关S2、电容C21的另一端接地；VCC电源接电阻R18，电阻R18另一端分三路，一路接开关S3，一路接电容C22，一路接单片机MC9S12XEP100的PH0脚，开关S3、电容C22的另一端接地；VCC电源接电阻R19，电阻R19另一端分三路，一路接开关S4，一路接电容C23，一路接单片机MC9S12XEP100的PJ0脚，开关S4、电容C23的另一端接地。

LED1显示②、LED2显示③包括MAX7219芯片，4位7段数码管SMG4（U4）, 4位7段数码管SMG4（U5）,电阻R21，电容C24。单片机MC9S12XEP100的PB5脚连接MAX7219芯片的第1脚，单片机MC9S12XEP100的PB6脚连接MAX7219芯片的第13脚，单片机MC9S12XEP100的PB7脚连接MAX7219芯片的第12脚；MAX7219芯片第2脚连接4位7段数码管SMG4（U4）第1脚，MAX7219芯片第3脚连接4位7段数码管SMG4（U5）第1脚，MAX7219芯片第4脚接地，MAX7219芯片第5脚连接4位7段数码管SMG4（U5）第5脚，MAX7219芯片第6脚连接4位7段数码管SMG4（U4）第5脚，MAX7219芯片第7脚连接4位7段数码管SMG4（U4）第12脚，MAX7219芯片第8脚连接4位7段数码管SMG4（U5）第12脚，MAX7219芯片第9脚接地，MAX7219芯片第10脚连接4位7段数码管SMG4（U5）第4脚，MAX7219芯片第11脚连接4位7段数码管SMG4（U4）第4脚，MAX7219芯片第14脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第2脚相连，MAX7219芯片第15脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第3脚相连，MAX7219芯片第16脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第6脚相连，MAX7219芯片第17脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第11脚相连，MAX7219芯片第18脚接电阻R21，电阻R21另一端接地，MAX7219芯片第19脚分两路，一路接VCC电源，一路接电容C24，电容C24另一端接地，MAX7219芯片第20脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第10脚相连，MAX7219芯片第21脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第7脚相连，MAX7219芯片第22脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第9脚相连，MAX7219芯片第23脚与4位7段数码管SMG4（U4）、4位7段数码管SMG(U5)的第8脚相连，MAX7219芯片第24脚悬空。

运行模式显示④包括电阻R20，发光二极管D5。单片机MC9S12XEP100的PB0脚连接电阻R20，电阻R20另一端接发光二极管D5，发光二极管D5另一端接地。

本发明的一种汽油机点火提前角检测与调整装置工作原理如下：

58X曲轴位置传感器信号A经过曲轴信号采集电路处理后输入单片机MC9S12XEP100的PT2脚，单片机MC9S12XEP100的PT2脚中断模式设置为上升沿输入捕捉（Imput Capture）中断。当汽油机起动时，单片机MC9S12XEP100将陆续记录下接收到的上升沿时刻，并实时求出每相邻两个上升沿之间的时间间隔，进行比较。当相邻时间间隔满足缺齿条件，则认为缺齿已找到，将当前齿编号改为1，以后每捕捉到上升沿，齿编号加1。由于脉冲盘与曲轴相对位置固定，同步过程结束后根据当前齿编号就可以确定目前各缸活塞所处位置。

点火信号提取电路主要完成点火信号采集，闭合角和点火提前角的计算等功能。将单片机MC9S12XEP100的PT4脚输入捕捉设置成捕捉跳变沿，当汽油机启动时，将持续记录汽油机1、4缸点火信号（ECU）B的跳变时刻。当汽油机1、4缸点火信号（ECU）B下降沿跳变时，两个点火信号跳变中曲轴转过的角度即为闭合角。从点火时刻开始至曲轴到达上止点的时曲轴所转过的角度即为点火提前角。

点火输出驱动电路由单片机MC9S12XEP100的输出比较（Output Compare）模块实现。用户先对输出通道TC寄存器赋初值，当自由计数器运行至与TC值相等时，相应通道便产生设定的输出动作。由程序记录充电齿编号，当曲轴信号中的齿编号和充电齿编号相等时，单片机MC9S12XEP100按照充电时刻与充电齿到来时刻的差值建立上升沿输出比较。充电时刻到来后，单片机ECT模块按照闭合角的计数值建立下降沿输出比较。

本发明有待机和工作两种运行模式，可由“状态”开关进行切换。待机模式下，单片机MC9S12XEP100内部通过ECT 模块输入捕捉曲轴信号和点火信号，计算出其点火时刻和闭合角，然后将此值由单片机MC9S12XEP100建立输出比较，带动点火输出驱动电路，实现汽油机点火。此时相当于汽油机点火模块直接由汽油机ECU控制。同时，点火提前角由单片机MC9S12XEP100的I/O口驱动LED1显示和LED2显示。此时LED1 和LED2 显示相同的值，都为汽油机ECU 计算的最佳点火提前角。工作模式下，单片机MC9S12XEP100计算出的点火信息只传递给I/O口驱动LED2显示。此时实际的点火时刻和闭合角输出比较值由用户输入值决定。同时，汽油机实际的点火信息传递给单片机MC9S12XEP100的I/O口驱动LED1显示。