| 专利名称： | 基于闭环控制的CNG发动机点火提前器及控制方法 | ||
| 专利名称(英文)： | CNG (compressed natural gas) engine ignition advancer on basis of closed-loop control and method for controlling CNG engine ignition advancer | ||
| 专利号： | CN201510224151.X | 申请时间： | 20150505 |
| 公开号： | CN104948375A | 公开时间： | 20150930 |
| 申请人： | 华南农业大学 | ||
| 申请地址： | 510642 广东省广州市天河区五山路483号 | ||
| 发明人： | 吴伟斌; 洪添胜; 朱余清; 许棚搏; 宗其德; 林海明; 林泽森; 刘星雄; 张武坛 | ||
| 分类号： | F02P5/15 | 主分类号： | F02P5/15 |
| 代理机构： | 广州市华学知识产权代理有限公司 44245 | 代理人： | 黄磊 |
| 摘要： | 本发明公开了一种基于闭环控制的CNG发动机点火提前器及控制方法，点火提前角提前器包括点火提前角测算模块、曲轴位置信号调整模块、曲轴位置信号调理电路和点火脉冲信号调理电路；点火脉冲信号调理电路输入点火信号，点火脉冲信号调理电路输出的点火信号和节气门位置传感器输出的节气门位置信号分别输入到点火提前角测算模块，点火提前角测算模块输出信号输入到曲轴位置信号调整模块中，曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号经过曲轴位置信号调理电路处理后分别输入到曲轴位置信号调整模块和点火提前角测算模块中，曲轴位置信号调整模块输出信号到发动机的ECU中，本发明对两用燃料汽车点火提前角连续变化的控制，保证了天然气稳定燃烧。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a CNG (compressed natural gas) engine ignition advancer on the basis of closed-loop control and a method for controlling the CNG engine ignition advancer. The CNG engine ignition advancer which is an ignition angle advancer comprises an ignition advance angle measuring module, a crankshaft position signal modifying module, a crankshaft position signal conditioning circuit and an ignition pulse signal conditioning circuit. Ignition signals are inputted to the ignition pulse signal conditioning circuit, ignition signals outputted by the ignition pulse signal conditioning circuit and throttle valve position signals outputted by a throttle valve position sensor are respectively inputted to the ignition advance angle measuring module, signals outputted by the ignition advance angle measuring module are inputted to the crankshaft position signal modifying module, original crankshaft position signals outputted by a crankshaft position sensor are processed by the crankshaft position signal conditioning circuit and then are respectively inputted to the crankshaft position signal modifying module and the ignition advance angle measuring module, and signals outputted by the crankshaft position signal modifying module are inputted to an ECU (electronic control unit) of an engine. The CNG engine ignition advancer and the method have the advantages that continuous change of ignition advance angles of a dual-purpose fuel automobile can be controlled, and accordingly stable combustion of natural gas can be guaranteed. | ||
1.一种基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，安装在具有曲轴位置信 号传感器的车辆上，其特征在于，所述点火提前角提前器包括点火提前角测算 模块、曲轴位置信号调整模块、曲轴位置信号调理电路和点火脉冲信号调理电 路；所述点火脉冲信号调理电路输入发动机的点火信号，点火脉冲信号调理电 路输出的点火信号和发动机节气门位置传感器输出的节气门位置信号分别输入 到点火提前角测算模块，点火提前角测算模块输出信号输入到曲轴位置信号调 整模块中，曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号经过曲轴位置信号调理电路 处理后分别输入到所述曲轴位置信号调整模块和点火提前角测算模块中，曲轴 位置信号调整模块输出信号输入到发动机的ECU中，曲轴位置信号经提前后， 其包含的TDC信号也被提前，发动机ECU从曲轴位置信号调整模块输出的曲 轴位置信号中识别TDC信号后开始计时点火。
2.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述点火提前角测算模块包括PIC单片机及其最小系统，与曲轴位置 信号调理电路、点火脉冲调理电路和节气门位置传感器信号相连，点火提前角 测算模块根据输入的曲轴位置信号计算出转速，将节气门位置信号换算成节气 门开度，以这两者的值进行查点火提前角表得出目标点火提前角，表内的数据 由发动机仿真所得，测量曲轴位置信号中的TDC信号与点火信号IG各自相应 边沿之间的时间间隔t以及曲轴位置信号的方波周期T，计算得实际点火提前角， 根据目标点火提前角与实际点火提前角之差控制曲轴位置信号调整模块。
3.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述曲轴位置信号调整模块包括主单片机及其最小系统、从单片机及 其最小系统；所述主单片机及其最小系统与曲轴位置信号调理电路相连，能将 被曲轴位置信号调理电路处理后的曲轴位置信号提前3X度，其中X为1～10的 正整数，所述主单片机最小系统包括PIC单片机、振荡电路、复位电路；所述 振荡电路和复位电路均与PIC单片机相连，为PIC单片机提供基本的时钟信号； 所述复位电路，用于复位单片机程序；所述从单片机的输入信号引脚与主单片 机的输出信号引脚相连，能将主单片机处理后的信号再延迟1.5度；所述从单片 机端口RB2和RD2分别与主单片机端口RB7和RD2相连，此两位的电平由主 单片机的RB7和RD2控制，作为控制从单片机是否将主单片机处理后的信号延 迟1.5度的标志位。
4.根据权利要求3所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述曲轴位置信号调理电路包括滤波电路和轮速信号转换芯片 NCV1124，所述滤波电路与曲轴位置传感器相连，用于除去叠加在原曲轴位置 信号上的高频杂波；所述轮速信号转换芯片NCV1124与滤波电路和曲轴位置信 号调整模块的主单片机相连，用于将滤波后的正弦波曲轴位置信号转换为相同 频率的方波信号，供曲轴位置信号调整模块的主单片机处理。
5.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述点火脉冲调理电路包括运算放大器LM358构成的衰减电路、反相 器、555构成的施密特电路和非门，能将点火脉冲衰减后转变为标准的TTL电 平。
6.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，包括下述步骤： (1)点火提前器上电后，系统初始化； (2)发动机启动，提前器采集点火线圈初级绕组的点火脉冲、节气门位置 传感器和曲轴位置传感器的信号；曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号输入 到曲轴位置信号调理电路中，经曲轴位置信号调理电路调理后的曲轴位置信号、 经点火脉冲调理电路调理后的点火信号和节气门位置信号一起输入点火提前角 测算模块； (3)点火提前角测算模块测量曲轴位置信号中的TDC信号与点火信号IG 各自相应边沿之间的时间间隔t以及曲轴位置信号的方波周期T，计算得点火提 前角；根据输入曲轴位置信号的方波频率计算出转速，对节气门位置信号进行 AD转换，根据转速和节气门开度查点火提前角表确定目标点火提前角，与计算 所得的实际点火提前角作比较，比较后的偏差信号结果用于控制曲轴位置信号 调整模块调整曲轴位置信号； (4)曲轴位置信号调整模块的主单片机接收曲轴位置信号调理电路输出的 曲轴位置信号后，利用CCP模块的捕捉功能，对当前方波的周期进行计算，主 单片机设有一个变量G用于寄存点火提前角，当由点火提前角测算模块所给的 偏差信号为负时，点火提前角的值就自减1.5℃A，否则自增1.5℃A，若偏差 为小于等于1，则利用主单片机的上升沿捕捉和下降沿捕捉，复制曲轴位置信号 调理模块传送的曲轴位置信号后输出，若G等于3X度，X为整数，则利用双中 断复制输入的曲轴位置信号，根据G换算出来的新的缺齿位置的齿位进行去齿 操作，在原缺齿位置进行补齿操作，则能将曲轴位置信号进行提前相应度数； 若G等于(3X+1.5)度(X为整数)，则在主单片机提前3(X+1)度后，输送 标志位给从单片机，从单片机对其进行1.5度的延后，则最终输出的度数为 (3X+1.5)度； (5)曲轴位置信号调整模块输出的曲轴位置信号传送到ECU中，ECU根 据输入的曲轴位置信号确定发动机转速，同时识别出曲轴位置信号中的TDC信 号，开始计时点火。
7.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，步骤(4)中，曲轴位置信号调整模块利用主单片机内CCP 模块的捕捉功能，在每一转的第二齿的位置开启CCP模块的捕捉功能，第一次 捕捉设置为每个上升沿捕捉，在第一次捕捉的中断中，将主单片机内定时器1 清零，同时设置成捕捉每16个上升沿捕捉，下一次捕捉中断时，将主单片机内 CCP1H和CCP1L寄存器的值读出后除以16即可准确得到当前方波的周期，同 时将CCP模块关闭。
8.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，在步骤(4)中，去齿操作和补齿操作的具体方法为：每一 转确认缺齿位置后，命名缺齿位置后的第一个齿为一号齿，利用上升沿中断和 下降沿中断同步输出原曲轴位置信号，根据提前的角度在特定的位置不输出波 形，产生新的缺齿信号，然后在曲轴位置信号原来的缺齿位置上，把原缺齿分 为5等分，用定时器产生4次中断，将齿补全。
9.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，在步骤(3)中，曲轴位置信号中的TDC信号上升沿触发 点火提前角测算模块的CCP1捕捉，对CCP模块的时基TMR1清零，同时把CCP1 模块设置为对曲轴位置信号每16个上升沿捕捉，其后第一个IG信号的下降沿 触发CCP2捕捉当前TMR1的值，并存入CCPR2寄存器中，当曲轴位置信号16 次上升沿触发CCP1捕捉时，TMR1的值被存入CCPR1寄存器中，此时CCPR2 的值就是t，CCPR1的值就是16×T，点火提前角测算模块的模拟信号接收脚对 节气门位置信号进行采集并进行AD转换。
10.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，所述步骤(2)中，点火提前角表表内数据的确定是通过 MATLAB的Simulink工具箱建立发动机模型，设置以转速、负载、点火提前角 为变量设置798个工况点，分别以CNG燃料后仿真运行，得到发动机在各个工 况下的排放性能表；取工况表内同一转速、同一负载、不同提前角下HC、NOx、 CO的排放值，拟合出每种排放关于提前角的函数，归一化后建立评价函数求极 值，得出在燃烧CNG时，综合排放较好的点火提前角MAP，然后根据提前角 MAP得到点火提前角表。
1.一种基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，安装在具有曲轴位置信 号传感器的车辆上，其特征在于，所述点火提前角提前器包括点火提前角测算 模块、曲轴位置信号调整模块、曲轴位置信号调理电路和点火脉冲信号调理电 路；所述点火脉冲信号调理电路输入发动机的点火信号，点火脉冲信号调理电 路输出的点火信号和发动机节气门位置传感器输出的节气门位置信号分别输入 到点火提前角测算模块，点火提前角测算模块输出信号输入到曲轴位置信号调 整模块中，曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号经过曲轴位置信号调理电路 处理后分别输入到所述曲轴位置信号调整模块和点火提前角测算模块中，曲轴 位置信号调整模块输出信号输入到发动机的ECU中，曲轴位置信号经提前后， 其包含的TDC信号也被提前，发动机ECU从曲轴位置信号调整模块输出的曲 轴位置信号中识别TDC信号后开始计时点火。
2.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述点火提前角测算模块包括PIC单片机及其最小系统，与曲轴位置 信号调理电路、点火脉冲调理电路和节气门位置传感器信号相连，点火提前角 测算模块根据输入的曲轴位置信号计算出转速，将节气门位置信号换算成节气 门开度，以这两者的值进行查点火提前角表得出目标点火提前角，表内的数据 由发动机仿真所得，测量曲轴位置信号中的TDC信号与点火信号IG各自相应 边沿之间的时间间隔t以及曲轴位置信号的方波周期T，计算得实际点火提前角， 根据目标点火提前角与实际点火提前角之差控制曲轴位置信号调整模块。
3.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述曲轴位置信号调整模块包括主单片机及其最小系统、从单片机及 其最小系统；所述主单片机及其最小系统与曲轴位置信号调理电路相连，能将 被曲轴位置信号调理电路处理后的曲轴位置信号提前3X度，其中X为1～10的 正整数，所述主单片机最小系统包括PIC单片机、振荡电路、复位电路；所述 振荡电路和复位电路均与PIC单片机相连，为PIC单片机提供基本的时钟信号； 所述复位电路，用于复位单片机程序；所述从单片机的输入信号引脚与主单片 机的输出信号引脚相连，能将主单片机处理后的信号再延迟1.5度；所述从单片 机端口RB2和RD2分别与主单片机端口RB7和RD2相连，此两位的电平由主 单片机的RB7和RD2控制，作为控制从单片机是否将主单片机处理后的信号延 迟1.5度的标志位。
4.根据权利要求3所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述曲轴位置信号调理电路包括滤波电路和轮速信号转换芯片 NCV1124，所述滤波电路与曲轴位置传感器相连，用于除去叠加在原曲轴位置 信号上的高频杂波；所述轮速信号转换芯片NCV1124与滤波电路和曲轴位置信 号调整模块的主单片机相连，用于将滤波后的正弦波曲轴位置信号转换为相同 频率的方波信号，供曲轴位置信号调整模块的主单片机处理。
5.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，其特 征在于，所述点火脉冲调理电路包括运算放大器LM358构成的衰减电路、反相 器、555构成的施密特电路和非门，能将点火脉冲衰减后转变为标准的TTL电 平。
6.根据权利要求1所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，包括下述步骤： (1)点火提前器上电后，系统初始化； (2)发动机启动，提前器采集点火线圈初级绕组的点火脉冲、节气门位置 传感器和曲轴位置传感器的信号；曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号输入 到曲轴位置信号调理电路中，经曲轴位置信号调理电路调理后的曲轴位置信号、 经点火脉冲调理电路调理后的点火信号和节气门位置信号一起输入点火提前角 测算模块； (3)点火提前角测算模块测量曲轴位置信号中的TDC信号与点火信号IG 各自相应边沿之间的时间间隔t以及曲轴位置信号的方波周期T，计算得点火提 前角；根据输入曲轴位置信号的方波频率计算出转速，对节气门位置信号进行 AD转换，根据转速和节气门开度查点火提前角表确定目标点火提前角，与计算 所得的实际点火提前角作比较，比较后的偏差信号结果用于控制曲轴位置信号 调整模块调整曲轴位置信号； (4)曲轴位置信号调整模块的主单片机接收曲轴位置信号调理电路输出的 曲轴位置信号后，利用CCP模块的捕捉功能，对当前方波的周期进行计算，主 单片机设有一个变量G用于寄存点火提前角，当由点火提前角测算模块所给的 偏差信号为负时，点火提前角的值就自减1.5℃A，否则自增1.5℃A，若偏差 为小于等于1，则利用主单片机的上升沿捕捉和下降沿捕捉，复制曲轴位置信号 调理模块传送的曲轴位置信号后输出，若G等于3X度，X为整数，则利用双中 断复制输入的曲轴位置信号，根据G换算出来的新的缺齿位置的齿位进行去齿 操作，在原缺齿位置进行补齿操作，则能将曲轴位置信号进行提前相应度数； 若G等于(3X+1.5)度(X为整数)，则在主单片机提前3(X+1)度后，输送 标志位给从单片机，从单片机对其进行1.5度的延后，则最终输出的度数为 (3X+1.5)度； (5)曲轴位置信号调整模块输出的曲轴位置信号传送到ECU中，ECU根 据输入的曲轴位置信号确定发动机转速，同时识别出曲轴位置信号中的TDC信 号，开始计时点火。
7.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，步骤(4)中，曲轴位置信号调整模块利用主单片机内CCP 模块的捕捉功能，在每一转的第二齿的位置开启CCP模块的捕捉功能，第一次 捕捉设置为每个上升沿捕捉，在第一次捕捉的中断中，将主单片机内定时器1 清零，同时设置成捕捉每16个上升沿捕捉，下一次捕捉中断时，将主单片机内 CCP1H和CCP1L寄存器的值读出后除以16即可准确得到当前方波的周期，同 时将CCP模块关闭。
8.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，在步骤(4)中，去齿操作和补齿操作的具体方法为：每一 转确认缺齿位置后，命名缺齿位置后的第一个齿为一号齿，利用上升沿中断和 下降沿中断同步输出原曲轴位置信号，根据提前的角度在特定的位置不输出波 形，产生新的缺齿信号，然后在曲轴位置信号原来的缺齿位置上，把原缺齿分 为5等分，用定时器产生4次中断，将齿补全。
9.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，在步骤(3)中，曲轴位置信号中的TDC信号上升沿触发 点火提前角测算模块的CCP1捕捉，对CCP模块的时基TMR1清零，同时把CCP1 模块设置为对曲轴位置信号每16个上升沿捕捉，其后第一个IG信号的下降沿 触发CCP2捕捉当前TMR1的值，并存入CCPR2寄存器中，当曲轴位置信号16 次上升沿触发CCP1捕捉时，TMR1的值被存入CCPR1寄存器中，此时CCPR2 的值就是t，CCPR1的值就是16×T，点火提前角测算模块的模拟信号接收脚对 节气门位置信号进行采集并进行AD转换。
10.根据权利要求6所述的基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的控制 方法，其特征在于，所述步骤(2)中，点火提前角表表内数据的确定是通过 MATLAB的Simulink工具箱建立发动机模型，设置以转速、负载、点火提前角 为变量设置798个工况点，分别以CNG燃料后仿真运行，得到发动机在各个工 况下的排放性能表；取工况表内同一转速、同一负载、不同提前角下HC、NOx、 CO的排放值，拟合出每种排放关于提前角的函数，归一化后建立评价函数求极 值，得出在燃烧CNG时，综合排放较好的点火提前角MAP，然后根据提前角 MAP得到点火提前角表。
翻译：技术领域
本发明涉及CNG汽车点火技术，特别是一种能够降低汽车使用时的能量 消耗，使汽车燃料得到充分燃烧，降低发动机尾气排放，提高发动机动力，提 前进行点火的调节汽车点火提前角的CNG汽车点火提前器及控制方法。
背景技术
由于石油资源量减少，成本越来越高等问题，传统的以汽油或柴油作为主 要燃料的汽车越来越无法满足发展要求，而天然气作为一种清洁能源越来越受 到重视，以天然气为主要燃料，汽油作为辅助燃料的双燃料汽车以排放性能优 越、使用成本低、经济效果好的特点越来越多的得到了人们的重视和欢迎。
但是由于天然气的化学性质较稳定，相对于汽油而言，燃烧速度较低，爆 发压力也比较小，现有的汽油发动机，在使用天然气作为燃料时，会出现燃料 始点滞后，汽缸压力升高率低，燃烧温度低，传热损失增多，排温增高，热效 率降低等问题，最主要体现在汽车起步时，动力不足。
汽油发动机最佳点火提前角的确定依据，主要需要考虑燃料性质，发动机 转速，负荷，混合气浓度等因素。一般来说，点火提前角应随发动机转速升高 而增大；汽油发动机的负荷调节是通过节气门进行的调节，随着负荷的减小应 适当增大点火提前角；而汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可适当 增大以提高发动机的性能。
国内大部分CNG/汽油双燃料汽车的燃气电控系统仅仅注重对喷气控制策 略的设计，在燃气状态时对于点火提前使用硬件仿真器相对于汽油状态时固定 提前一定角度，只是依靠汽油点火控制策略来控制燃气点火时刻。这种控制策 略不可能适应燃气状态下各种工况对点火提前角的要求。
目前市场上已有的CNG点火提前器只能根据用户预先设定的点火提前角来 提前固定的6°、9°、12°或15°，提前的角度不能随着发动机工况的变化而 变化，不能适应不同工况下发动机的点火提前角度实时变化的需求，不能使发 动机在各种工况下均能达到较佳性能。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于闭环控 制的CNG发动机点火提前器，以保证天然气稳定燃烧，提高使用天然气时的发 动机的功率，实现对两用燃料汽车点火提前角连续变化的控制。
本发明的另一目的在于，提供一种基于闭环控制的CNG发动机点火提前器 的控制方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：一种基于闭环控制的 CNG发动机点火提前器，安装在具有曲轴位置信号传感器的车辆上，其特征在 于，所述点火提前角提前器包括点火提前角测算模块、曲轴位置信号调整模块、 曲轴位置信号调理电路和点火脉冲信号调理电路；所述点火脉冲信号调理电路 输入发动机的点火信号，点火脉冲信号调理电路输出的点火信号和发动机节气 门位置传感器输出的节气门位置信号分别输入到点火提前角测算模块，点火提 前角测算模块输出信号输入到曲轴位置信号调整模块中，曲轴位置传感器输出 的原曲轴位置信号经过曲轴位置信号调理电路处理后分别输入到所述曲轴位置 信号调整模块和点火提前角测算模块中，曲轴位置信号调整模块输出信号输入 到发动机的ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)中，曲轴位置信号经 提前后，其包含的TDC信号也被提前，发动机ECU从曲轴位置信号调整模块 输出的曲轴位置信号中识别TDC信号后开始计时点火。
优选的，所述点火提前角测算模块包括PIC单片机及其最小系统，与曲轴 位置信号调理电路、点火脉冲调理电路和节气门位置传感器信号相连，能根据 输入的曲轴位置信号计算出转速，将节气门位置信号换算成节气门开度，以这 两者的值进行查点火提前角表得出目标点火提前角，表内的数据由发动机仿真 所得，测量曲轴位置信号中的TDC信号与点火信号IG各自相应边沿之间的时 间间隔t以及曲轴位置信号的方波周期T，计算得实际点火提前角，根据目标点 火提前角与实际点火提前角之差控制曲轴位置信号调整模块。
优选的，所述曲轴位置信号调整模块包括主单片机及其最小系统、从单片 机及其最小系统；所述主单片机及其最小系统与曲轴位置信号调理电路相连， 能将被曲轴位置信号调理电路处理后的曲轴位置信号提前3X度，其中X为1～10 的正整数，所述主单片机最小系统包括PIC单片机、振荡电路、复位电路；所 述振荡电路和复位电路均与PIC单片机相连，为PIC单片机提供基本的时钟信 号；所述复位电路，用于复位单片机程序；所述从单片机的输入信号引脚与主 单片机的输出信号引脚相连，能将主单片机处理后的信号再延迟1.5度；所述从 单片机端口RB2和RD2分别与主单片机端口RB7和RD2相连，此两位的电平 由主单片机的RB7和RD2控制，作为控制从单片机是否将主单片机处理后的信 号延迟1.5度的标志位。
更进一步的，所述曲轴位置信号调理电路包括滤波电路和轮速信号转换芯 片NCV1124，所述滤波电路与曲轴位置传感器相连，用于除去叠加在原曲轴位 置信号上的高频杂波；所述轮速信号转换芯片NCV1124与滤波电路和曲轴位置 信号调整模块的主单片机相连，用于将滤波后的正弦波曲轴位置信号转换为相 同频率的方波信号，供主单片机处理。
优选的，所述点火脉冲调理电路包括运算放大器LM358构成的衰减电路、 反相器、555构成的施密特电路和非门，能将点火脉冲衰减后转变为标准的TTL 电平。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：基于上述闭环控制的 CNG发动机点火提前器的控制方法，包括下述步骤：
(1)点火提前器上电后，系统初始化；
(2)发动机启动，提前器采集点火线圈初级绕组的点火脉冲、节气门位置 传感器和曲轴位置传感器的信号；曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号输入 到曲轴位置信号调理电路中，经曲轴位置信号调理电路调理后的曲轴位置信号、 经点火脉冲调理电路调理后的点火信号和节气门位置信号一起输入点火提前角 测算模块；
(3)点火提前角测算模块测量曲轴位置信号中的TDC信号与点火信号IG 各自相应边沿之间的时间间隔t以及曲轴位置信号的方波周期T，计算得点火提 前角；根据输入曲轴位置信号的方波频率计算出转速，对节气门位置信号进行 AD转换，根据转速和节气门开度查点火提前角表确定目标点火提前角，与计算 所得的实际点火提前角作比较，比较后的偏差信号结果用于控制曲轴位置信号 调整模块调整曲轴位置信号；
(4)曲轴位置信号调整模块的主单片机接收曲轴位置信号调理电路输出的 曲轴位置信号后，利用CCP模块的捕捉功能，对当前方波的周期进行计算，主 单片机设有一个变量G用于寄存点火提前角，当由点火提前角测算模块所给的 偏差信号为负时，点火提前角的值就自减1.5°CA，否则自增1.5°CA，若偏差 为小于等于1，则利用主单片机的上升沿捕捉和下降沿捕捉，复制曲轴位置信号 调理模块传送的曲轴位置信号后输出，若G等于3X度，X为整数，则利用双中 断复制输入的曲轴位置信号，根据G换算出来的新的缺齿位置的齿位进行去齿 操作，在原缺齿位置进行补齿操作，则能将曲轴位置信号进行提前相应度数； 若G等于(3X+1.5)度(X为整数)，则在主单片机提前3(X+1)度后，输送 标志位给从单片机，从单片机对其进行1.5度的延后，则最终输出的度数为 (3X+1.5)度；
(5)曲轴位置信号调整模块输出的曲轴位置信号传送到ECU中，ECU根 据输入的曲轴位置信号确定发动机转速，同时识别出曲轴位置信号中的TDC信 号，开始计时点火。
优选的，步骤(4)中，曲轴位置信号调整模块利用主单片机内CCP模块的 捕捉功能，在每一转的第二齿的位置开启CCP模块的捕捉功能，第一次捕捉设 置为每个上升沿捕捉，在第一次捕捉的中断中，将主单片机内定时器1清零， 同时设置成捕捉每16个上升沿捕捉，下一次捕捉中断时，将主单片机内CCP1H 和CCP1L寄存器的值读出后除以16即可准确得到当前方波的周期，同时将CCP 模块关闭。
优选的，在步骤(4)中，去齿操作和补齿操作的具体方法为：每一转确认 缺齿位置后，命名缺齿位置后的第一个齿为一号齿，利用上升沿中断和下降沿 中断同步输出原曲轴位置信号，根据提前的角度在特定的位置不输出波形，产 生新的缺齿信号，然后在曲轴位置信号原来的缺齿位置上，把原缺齿分为5等 分，用定时器产生4次中断，将齿补全。
优选的，在步骤(3)中，TDC信号上升沿触发点火提前角测算模块的CCP1 捕捉，对CCP模块的时基TMR1清零，同时把CCP1模块设置为对曲轴位置信 号每16个上升沿捕捉，其后第一个IG信号的下降沿触发CCP2捕捉当前TMR1 的值，并存入CCPR2寄存器中，当曲轴位置信号16次上升沿触发CCP1捕捉 时，TMR1的值被存入CCPR1寄存器中，此时CCPR2的值就是t，CCPR1的值 就是16×T，点火提前角测算模块的模拟信号接收脚对节气门位置信号进行采集 并进行AD转换。
优选的，点火提前角的提前角度涉及自动智能选择，其选择提前的点火提 前角的依据为：在转速800rpm～4550rpm内，以250rpm为步长，等分为15个速 度点作为提前角表的X坐标；以5V为节气门开度全开值，并等分为4个电压 点作为提前角的Y坐标；主单片机采集转速和节气门开度后，跟提前角表内的 15个速度点和4个电压点作比较后，得出提前角内的X坐标和Y坐标，进而查 得表内预设的目标点火提前角值。
优选的，所述步骤(2)中，点火提前角表表内数据的确定是通过MATLAB 的Simulink工具箱建立发动机模型，设置以转速、负载、点火提前角为变量设 置798个工况点，分别以CNG燃料后仿真运行，得到发动机在各个工况下的排 放性能表；取工况表内同一转速、同一负载、不同提前角下HC、NOx、CO的 排放值，拟合出每种排放关于提前角的函数，归一化后建立评价函数求极值， 得出在燃烧CNG时，综合排放较好的点火提前角MAP，然后根据提前角MAP 得到点火提前角表。作为本发明控制燃气状态点火提前角的控制策略。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)点火提前角的闭环控制：目前市面上已有的点火提前角提前器，实质 上是曲轴位置信号偏移器，以T510为例，对曲轴位置信号的偏移只能是6°CA， 9°CA，12°CA，15°CA。而本发明将曲轴位置信号调整模块作为调整点火信 号的执行器，可以使曲轴位置信号在0°CA～30°CA范围内偏移，并以1.5° CA作为偏移的梯度。点火提前角测算模块根据发动机反馈的TDC信号和点火 信号计算实际点火提前角，与目标点火提前角作比较产生偏差信号控制曲轴位 置信号调整模块，而曲轴位置信号调整模块不断调整曲轴位置信号来改变作为 点火基准的TDC信号，直到认为目标点火提前角与实际点火提前角相等，达 到闭环控制点火提前角的目的。提高了使用天然气时的发动机的功率，实现对 两用燃料汽车点火提前角连续变化的控制。
(2)发动机点火提前角和转速的计算：现有点火提前器只是单纯将曲轴位 置信号提前固定角度，不涉及转速和点火提前角的计算，本发明计算转速和点 火提前角这两个量有助于点火提前角的控制。
(3)降低开发成本：本发明燃气状态点火提前角的控制策略通过 Matlab/Simulink建立发动机模型，按多目标优化为原则确定的，仿真结果表明 HC最大优化9％，CO最大优化4.7％，NOx最大优化1.2％，对比传统的发动 机台架标定，本发明标定方法能够节省开发周期和成本。
附图说明
图1为本发明提前器各组成部分连接示意图；
图2是本发明提前器的整体电路原理图。
图3a和3b分别为本发明点火提前角测算模块主程序和中断程序流程简图；
图4为本发明提前不同角度的曲轴位置信号的原理示意图；
图5为本发明应用于发动机后，原曲轴位置信号处理后的曲轴位置信号对 比图。
图6为本发明曲轴位置信号调整模块中断系统程序流程图；
图7为MABLAB建立的发动机模型；
图8为燃烧CNG时的点火提前角MAP图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。
本实施例一种基于闭环控制的CNG发动机点火提前器，安装在具有曲轴位 置传感器的车辆上，点火提前角提前器包括壳体、点火提前角测算模块、曲轴 位置信号调整模块、曲轴位置信号调理电路、点火脉冲信号调理电路，壳体设 置在车辆的驾驶室内，便于查看当前发动机的点火提前角；点火提前角测算模 块、曲轴位置信号调整模块、曲轴位置信号调理电路、点火脉冲信号调理电路 安装在同一块电路板上，电路板安装在在壳体内。如图1所示，提前器分别与 发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器和点火线圈初级绕组的负极相连。 点火脉冲信号调理电路输入发动机的点火信号，点火脉冲信号调理电路输出的 点火信号和发动机节气门位置传感器输出的节气门位置信号分别输入到点火提 前角测算模块，点火提前角测算模块输出信号输入到曲轴位置信号调整模块中， 曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号经过曲轴位置信号调理电路处理后分别 输入到所述曲轴位置信号调整模块和点火提前角测算模块中，曲轴位置信号调 整模块输出信号输入到发动机的ECU中，曲轴位置信号经提前后，其包含的TDC 信号也被提前，发动机ECU从曲轴位置信号调整模块输出的曲轴位置信号中识 别TDC信号后开始计时点火，实现点火提前。
如图2所示，为本实施例提前器的整体电路原理图中，其中点火提前角测 算模块包括PIC单片机U1及其最小系统，与曲轴位置信号调理电路、点火脉冲 调理电路和节气门位置传感器信号相连，在PIC单片机中输入曲轴位置信号调 理电路调理后的曲轴位置信号、点火脉冲调理电路处理后的点火信号以及节气 门位置信号，PIC单片机针对点火提前角的测量主程序流程简图如图3a所示， PIC单片机针对点火提前角测量的中断服务程序流程图如图3b所示，能根据输 入的曲轴位置信号的方波周期T计算出转速，将节气门位置信号换算成节气门 开度，以这两者的值通过对如表1所示的点火提前角表进行查表得出目标点火 提前角，其中表1内的数据由发动机仿真所得，测量曲轴位置信号中的TDC信 号(传感器装在上止点前某固定的角度)与点火信号IG各自相应边沿之间的时间 间隔t，计算得实际点火提前角，将目标点火提前角与实际点火提前角之差信号 输入到曲轴位置信号调整模块，以控制曲轴位置信号调整模块。
表1
本实施例中，如图2中所示，曲轴位置信号调整模块包括主单片机U2及其 最小系统、从单片机U3及其最小系统；所述主单片机及其最小系统与曲轴位置 信号调理电路输出端相连，能将被曲轴位置信号调理电路处理后的曲轴位置信 号提前3X度，其中X为1～10的正整数，所述主单片机最小系统包括PIC单片 机、振荡电路、复位电路；振荡电路和复位电路均与PIC单片机相连，为PIC 单片机提供基本的时钟信号；复位电路，用于复位单片机程序；从单片机U3的 输入信号引脚与主单片机的输出信号引脚相连，能将主单片机U2处理后的信号 再延迟1.5度；从单片机端口RB2和RD2分别与主单片机端口RB7和RD2相 连，此两位的电平由主单片机的RB7和RD2控制，此两位的电平由主单片机的 RB7、RD2控制，作为控制从单片机U3是否将主单片机U2处理后的信号延迟 1.5度的标志位，如图2所示，通过从单片机RB1端口输出曲轴位置信号调整模 块调整后的曲轴位置信号，并且传送到发动机的ECU中。
本实施例中，如图2所示，曲轴位置信号调理电路包括滤波电路和轮速信号 转换芯片NCV1124，滤波电路与曲轴位置传感器相连，用于除去叠加在原曲轴 位置信号上的高频杂波；轮速信号转换芯片NCV1124与滤波电路和曲轴位置信 号调整模块主单片机相连，用于将滤波后的正弦波曲轴位置信号转换为相同频 率的方波信号，如图2中所示，曲轴位置信号调理电路输出轮速信号转换芯片 NCV1124处理后的信号，输入到点火提前角测算模块的PIC单片机U1和曲轴 位置信号调整模块主单片机U2中。
本实施例中，如图2所示，点火脉冲调理电路包括运算放大器LM358构成 的衰减电路、反相器、555构成的施密特电路和非门，能将点火脉冲衰减后转变 为标准的TTL电平。
本实施例基于闭环控制的CNG发动机点火提前器的工作过程包括以下步 骤：
1)点火提前器上电后，系统初始化；
(2)发动机启动，提前器采集点火线圈初级绕组的点火脉冲、节气门位置 传感器和曲轴位置传感器的信号，经曲轴位置信号调理电路调理后的曲轴位置 信号、经点火脉冲调理电路调理后的点火信号和节气门位置信号一起输入点火 提前角测算模块，曲轴位置传感器输出的原曲轴位置信号输入到曲轴位置信号 调理电路中；
(3)点火提前角测算模块测量曲轴位置信号中的TDC信号(传感器装在上 止点前某固定的角度)与点火信号IG各自相应边沿之间的时间间隔t，计算得点 火提前角。根据输入曲轴信号的方波频率计算出转速，对节气门位置信号进行 AD转换，由转速和节气门开度查表确定目标点火提前角，与计算所得的实际点 火提前角作比较，比较后的偏差信号结果用于控制曲轴位置信号调整模块调整 曲轴位置信号。
(4)曲轴位置信号调整模块的主单片机接收曲轴位置信号调理电路输出的 曲轴位置信号后，利用CCP模块的捕捉功能，对当前方波的周期进行计算，主 单片机设有一个变量G用于寄存点火提前角，当由点火提前角测算模块所给的 偏差信号为负时，即在本实施例中偏差信号为0B00时，点火提前角的值就自减 1.5°CA，否则自增1.5°CA。若偏差信号为大于等于1时，即在本实施例中偏 差信号为0B01时，则点火提前角的值不再变化，利用主单片机的上升沿捕捉和 下降沿捕捉，曲轴位置信号调整模块复制曲轴位置信号调理模块传送的曲轴位 置信号后输出。若G等于3X度(X为整数)，则利用双中断复制输入的曲轴位 置信号，根据G换算出来的新的缺齿位置的齿位进行去齿操作，在原缺齿位置 进行补齿操作，则能将度数进行提前相应度数；若G等于(3X+1.5)度(X为 整数)，则在主单片机提前3(X+1)度后，输送标志位给子单片机，子单片机 对其进行1.5度的延后，则最终输出的度数为(3X+1.5)度；如图4所示，本步 骤中提前不同度数后曲轴位置信号的波形图。
(5)曲轴位置信号调整模块输出的曲轴位置信号传送到ECU中，ECU根 据输入的曲轴位置信号确定发动机转速，同时识别出曲轴位置信号中的TDC信 号，开始计时点火。本实施例曲轴位置信号调整模块输出的曲轴位置信号2与 原曲轴位置信号1对比如图5所示。
本实施例步骤(3)中，曲轴位置信号中的TDC信号上升沿触发点火提前 角测算模块的CCP1捕捉，对CCP模块的时基TMR1清零，同时把CCP1模块 设置为对曲轴位置信号每16个上升沿捕捉，其后第一个IG信号的下降沿触发 CCP2捕捉当前TMR1的值，并存入CCPR2寄存器中，当曲轴位置信号16次上 升沿触发CCP1捕捉时，TMR1的值被存入CCPR1寄存器中，此时CCPR2的 值就是t，CCPR1的值就是16×T，点火提前角测算模块的模拟信号接收脚对节 气门位置信号进行采集并进行AD转换。
本实施例步骤(4)中，曲轴位置信号调整模块中断系统的程序流程图如图 6所示，利用主单片机U2内CCP模块的捕捉功能，在每一转的第二齿的位置开 启CCP模块的捕捉功能，第一次捕捉设置为每个上升沿捕捉，在第一次捕捉的 中断中，将单片机内定时器1清零，同时设置成捕捉每16个上升沿捕捉，下一 次捕捉中断时，将单片机内CCP1H和CCP1L寄存器的值读出后除以16即可准 确得到当前方波的周期，同时将CCP模块关闭。其中图6中，曲轴位置信号调 整模块从单片机U3的RB1端口为曲轴位置信号的输出端口，B为提前角度换 算成的方波个数，G为提前的角度，n为齿号。
本实施例上述去齿操作和补齿操作的具体方法为：每一转确认缺齿位置后， 命名缺齿位置后的第一个齿为一号齿，利用上升沿中断和下降沿中断同步输出 原曲轴位置信号，根据提前的角度在特定的位置不输出波形，产生新的缺齿信 号，然后在曲轴位置信号原来的缺齿位置上，把原缺齿分为5等分，用定时器 产生4次中断，将齿补全。
本实施例点火提前角的提前角度涉及自动智能选择，其选择提前的点火提 前角的依据为：在转速800rpm～4550rpm内，以250rpm为步长，等分为15个速 度点作为提前角表的X坐标；以5V为节气门开度全开值，并等分为4个电压 点作为提前角的Y坐标；主单片机采集转速和节气门开度后，跟提前角表内的 15个速度点和4个电压点作比较后，得出提前角内的X坐标和Y坐标，进而查 得表内预设的目标点火提前角值。
本实施例中使用MATLAB的Simulink工具箱建立如图7的发动机模型，设 置以转速、负载、点火提前角为变量设置798个工况点，分别以CNG燃料后仿 真运行，得到发动机在各个工况下的排放性能表。取工况表内同一转速、同一 负载、不同提前角下HC、NOx、CO的排放值，拟合出每种排放关于提前角的 函数，归一化后建立评价函数求极值，得出在燃烧CNG时，综合排放较好的如 图8的点火提前角MAP，进一步把提前角MAP写成如表1所示的表格，并写 入点火提前角测算模块。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
