劉丕蓮 李清礪 王見 宋雙

摘要：伴隨著能源短缺的情況愈演愈烈，我國對于車輛排放的相關(guān)規(guī)則也逐漸變得嚴格起來，在法律法規(guī)上添加了許多新的內(nèi)容，倡導(dǎo)著大家要保護好環(huán)境。同時也在要求著相關(guān)企業(yè)要注重汽車發(fā)動機性能的提高，從而節(jié)約能源，起到保護環(huán)境的作用。在發(fā)動機當(dāng)中，其點火系統(tǒng)的性能如何將會對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性起到非常大的影響。因此在探討如何提高發(fā)動機性能的時候，首先需要對其點火系統(tǒng)進行相應(yīng)的改進，優(yōu)化點火系統(tǒng)，從而改善發(fā)動機。

Abstract： With the growing energy shortage， China's relevant rules on vehicle emission have gradually become strict， adding many new contents to laws and regulations， advocating that we should protect the environment. At the same time， it also requires relevant enterprises to pay attention to the improvement of automobile engine performance， so as to save energy and protect the environment. In the engine， the performance of its ig- nition system will have a great impact on the power and economy of the engine. Therefore， when discussing how to improve engine performance， we first need to improve its ignition system and optimize the ignition system， so as to improve the engine.

關(guān)鍵詞：單缸汽油機;點火系統(tǒng);創(chuàng)新設(shè)計

Key words： single cylinder gasoline engine;ignition system;innovative design

中圖分類號：TK412+.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0024-03

0 ?引言

在汽車的發(fā)動機運行的時候發(fā)動機內(nèi)部的點火提前角的控制是否足夠準(zhǔn)確，將會對發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性起到一定的影響。當(dāng)點火提前角過小，則容易導(dǎo)致活塞下行的時候，發(fā)動機內(nèi)部仍然在繼續(xù)燃燒著，從而導(dǎo)致發(fā)動機的動力性受到影響。而且當(dāng)燃燒時活塞下行，燃燒氣體接觸到發(fā)動機的缸壁時，其接觸的面積會逐漸增大，從而加大燃氣熱量的損失，繼而影響到整體的經(jīng)濟性能下降。如果點火提前角過大，活塞沒有到達壓縮上指點的時候，缸內(nèi)的壓力就已經(jīng)是最大值的，而此時活塞向上運行阻力會變大，消耗的功率也在增加，最終影響到發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性。因此分析與研究發(fā)動機點火系統(tǒng)，優(yōu)化點火系統(tǒng)能夠有助于提高發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性。

1 ?單缸汽油機點火控制技術(shù)現(xiàn)狀研究

單缸汽油發(fā)動機點火技術(shù)在我國已經(jīng)發(fā)展了非常長的一段時間，而且我國對于單缸汽油發(fā)動機點火技術(shù)也有著非常深的研究。從最早的有觸點式的點火系統(tǒng)開始，后來發(fā)展到?jīng)]有觸點，接著再到如今的數(shù)字式點火系統(tǒng)等?？梢园l(fā)現(xiàn)每個階段的點火控制技術(shù)都有著質(zhì)的飛躍，但同時每個階段的點火技術(shù)，其本身也依然存在著一些缺陷，需要等待完善。

1.1 觸點式點火系統(tǒng)

1.1.1 蓄電池觸點式點火系統(tǒng)

這種觸點式點火系統(tǒng)一般采用的是直流的方式，其主要是通過機械的手段來達到發(fā)動機點火的提前調(diào)整。在該點火系統(tǒng)當(dāng)中，其內(nèi)部的設(shè)備主要有離心輪和進氣歧管等。而在實際作業(yè)過程當(dāng)中，該點火系統(tǒng)的驅(qū)動主要由離心輪和進氣歧管共同來完成，對點火提前角進行改變，從而使其與當(dāng)前的情況相匹配，最終起到改善發(fā)動機排放量的效果，如圖1。

1.1.2 磁電機觸點式交流點火系統(tǒng)

在該點火系統(tǒng)當(dāng)中，其飛輪有專門的發(fā)動機曲軸和凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動，然后來控制斷路器的閉合與斷開。當(dāng)斷路器處于閉合觸電的狀態(tài)當(dāng)中，其點火線圈充電接通;如果斷路器斷開則點火電源線圈中的能量會流過點火線圈，從而導(dǎo)致點火線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓會被送到火花塞當(dāng)中。最后火花塞的電弧會點燃混合氣體，活塞進行運動，并且促進燃燒，保持發(fā)動機的持續(xù)運行。一旦點火線圈斷開發(fā)動機運轉(zhuǎn)就位，立即停止下來。

這種磁電機點火系統(tǒng)，其設(shè)備組成較少，結(jié)構(gòu)簡單。但是這種磁電機點火系統(tǒng)在點火的時候非常依賴感應(yīng)電壓，當(dāng)電壓較低的時候，則會導(dǎo)致點火線圈的能量存在不足，從而造成系統(tǒng)處于低速時，點火能量存在不足的情況。燈系統(tǒng)處于高速運轉(zhuǎn)的時候，則感應(yīng)電壓會相對的增大，從而滿足點火能量。

1.1.3 觸點式點火系統(tǒng)的缺陷

首先觸點式點火系統(tǒng)的點火能量普遍較弱，而且其改善的空間非常有限。在當(dāng)前，隨著技術(shù)的發(fā)展，對于點火能量的要求越來越高，在一般情況下，點火所需要的時間應(yīng)當(dāng)在1毫秒左右。而采用觸點式點火系統(tǒng)在一開始并不具備足夠的能量存儲，確保其能夠在一毫秒內(nèi)完成點火。其次在觸點式點火系統(tǒng)當(dāng)中，其火花塞在使用的過程中極為容易存在積碳的情況，并且隨著時間的增加，最終會導(dǎo)致點火能量不斷的在下降。因此，隨著人們的要求越高，以及對環(huán)境保護的意識越來越強，使用觸點式點火系統(tǒng)顯然無法達到當(dāng)前的要求。

1.2 無觸點式電子點火系統(tǒng)

對于觸點式點火系統(tǒng)，如果想要在其基礎(chǔ)之上進行優(yōu)化，是一件非常困難的事情。因此相關(guān)設(shè)計人員開發(fā)了全新的系統(tǒng)，也就是無觸點式電子點火系統(tǒng)。而最早使用這種技術(shù)的是在1960年，當(dāng)時晶體管技術(shù)面世，有相關(guān)設(shè)計人員把晶體管技術(shù)結(jié)合到了發(fā)動機點火系統(tǒng)當(dāng)中，從而研發(fā)出了無觸點式電子點火系統(tǒng)。

1.2.1 電容放電式點火系統(tǒng)

電容放電式點火系統(tǒng)分為了交流與直流兩種形式。其中交流式點火系統(tǒng)又可以分為觸發(fā)兼點火、外觸發(fā)和內(nèi)觸發(fā)三種點火系統(tǒng)。交流點火系統(tǒng)其優(yōu)點較多，不僅價格便宜，而且結(jié)構(gòu)簡單。但是在實際使用的過程當(dāng)中，由于該點火系統(tǒng)的電源是專門有磁電機來進行負責(zé)，這就會導(dǎo)致發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會影響到點火的能量。當(dāng)在不同速度的工況當(dāng)中，該電容器的充電時間有的時候會出現(xiàn)不足的情況，尤其是在高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)當(dāng)中極有可能發(fā)生點火能量不足的情況。

而直流電容放電點火系統(tǒng)是在交流式點火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行了相應(yīng)的優(yōu)點，從而避免了交流點火系統(tǒng)當(dāng)中的不足之處。在直流電容放電式點火系統(tǒng)當(dāng)中，其增加了升壓電路，而且電壓也得到了提高，電容器充電電壓提高了以后，能夠根據(jù)不同的速度實現(xiàn)部分點火控制，提高了發(fā)動機的點火性能。通過統(tǒng)計和研究發(fā)現(xiàn)使用直流電容放電式點火系統(tǒng)，其性能得到了顯著的提升，可以節(jié)約將近百分之二十的燃油而且還能有效的減少汽車的尾氣排放。

1.2.2 電感放電式點火系統(tǒng)

電感放電式點火系統(tǒng)，其原理是當(dāng)電源接通的時候。晶體管處于導(dǎo)通的狀態(tài)，其內(nèi)部的點火線圈會開始進行能量的儲存，等到發(fā)動機進行旋轉(zhuǎn)的時候，一旦達到了點火正時，電感器就會產(chǎn)生交變電壓信號，如圖2。當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的時候，電感線圈當(dāng)中的電流處于切斷的狀態(tài)，然后會產(chǎn)生高電壓，從而在火花塞處產(chǎn)生點火電弧。因此電感應(yīng)式點火系統(tǒng)其能量充足，而且放電時間極為充分，不過電感放電式點火系統(tǒng)在點火線圈上有著較高的開發(fā)要求，而且其外形也較大，因此這種點火系統(tǒng)大多用于排量較大的發(fā)動機上，普及率相對來說比較低，實際有使用到這種點火系統(tǒng)的并不多。

1.3 集成電路與微控制點火系統(tǒng)

電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，目前集成電路的實際應(yīng)用以及開發(fā)需要較高的成本，然而通過在優(yōu)化以及改善后，成本逐步降低。設(shè)計者首先在技術(shù)應(yīng)用中，將單氣缸汽油發(fā)動機點火技術(shù)作為重點，在集成電路中設(shè)置更為高級的功能，主要是為了適應(yīng)不同工況的使用，同時對點火正時展開調(diào)整。

在實際應(yīng)用中，電子技術(shù)已經(jīng)與汽車技術(shù)相融合。同時，單缸汽油發(fā)動機目前具有較強的功能，在實際使用中可以提高其工作效率，尤其是設(shè)計人員，在研究中應(yīng)該將重點放在數(shù)字控制技術(shù)當(dāng)中，同時要充分融合電腦控制技術(shù)。針對于點火系統(tǒng)在工作中出現(xiàn)的不同問題進行分析，其缺點主要來自于點火問題，在點火后能量不足以及提前點火等情況出現(xiàn)精確度不準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)問題，設(shè)計合理的解決方案。

2 ?點火系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計

針對點火系統(tǒng)展開分析以及研究，本文主要采用了發(fā)動機型號為K157FMI的設(shè)備進行研究，此發(fā)動機設(shè)置為單缸四沖程，其排量可達到120ml。

在點火系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)，本文利用了當(dāng)前最為前沿的技術(shù)微機控制點火系統(tǒng)，這種微機控制點火系統(tǒng)能夠把傳統(tǒng)點火當(dāng)中的提前角的機械調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)換為電子控制方式，達到了很好提高發(fā)動機能夠精準(zhǔn)獲得最佳點火時刻。通過使用這種微機控制點火系統(tǒng)，能夠有效的使發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性得到提高。此點火系統(tǒng)控制主要由點火提前角控制和通電時間控制等組成。

2.1 硬件設(shè)計

本次設(shè)計的微機控制點火系統(tǒng)，其組成包含傳感器等。傳感器會將發(fā)動機在運行時的參數(shù)及時進行傳送，達到單片機時，通過單片機所提供的數(shù)據(jù)來展開點火提前角的計算以及控制。電子控制單元也會及時接收到發(fā)動機在運行時的數(shù)據(jù)。同時根據(jù)數(shù)據(jù)來進行判斷，此時可獲得最佳的點火提前角。點火執(zhí)行器中包含單片機所傳送的信息，時電流過長，會達到一定的數(shù)值，并且單片機會對其進行控制，將初級線圈斷開。刺激線圈此時已經(jīng)感應(yīng)到高壓，為將信息傳送到火花塞，此時發(fā)動機可點燃。

2.1.1 轉(zhuǎn)速傳感器

傳感器在工作中，可以監(jiān)測發(fā)動機運行的狀況，同時將數(shù)據(jù)以及參數(shù)，傳送到發(fā)動機位置。按照監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析，其中有發(fā)動機的轉(zhuǎn)速以及所出現(xiàn)的負荷。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器在工作時，這種傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常簡單，主要使用磁電機上所產(chǎn)生的磁性去觸發(fā)線圈，最終組成了磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。發(fā)動機在正常工作的狀態(tài)下，在觸發(fā)線圈時導(dǎo)致感應(yīng)的出現(xiàn)，形成電動勢，電動勢的頻率主要來自于觸發(fā)凸，以及觸發(fā)線圈所產(chǎn)生的變化率。電動勢此時會出現(xiàn)頻率波動，會出現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系電動勢的頻率，也可作為轉(zhuǎn)速信號來提供發(fā)動機在轉(zhuǎn)動時的信息。磁電機此時的轉(zhuǎn)動速度與傳感器信號匹配，同時也會形成轉(zhuǎn)動時的信號。轉(zhuǎn)速傳感器會形成模擬波形，并且在單片機中模擬波形可以及時識別。但此時還需要有模擬轉(zhuǎn)換電路的支持。以目前的形式為主，模擬信號再進行轉(zhuǎn)換后，最后會變成數(shù)字信號，此時再繼續(xù)轉(zhuǎn)換后，可以到達發(fā)動機。系統(tǒng)正常點火后開始計算，信號再進行調(diào)整之后，目前已成為重要依據(jù)。

2.1.2 電子控制單元

電子控制單元可以當(dāng)做接收轉(zhuǎn)換信號的工具，在接受信號時，可對其展開分析，同時通過計算，得到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。在選擇點火提前角以及閉合角做到了科學(xué)合理，并且能將信號進行迅速輸出。電子控制單元包含電源以及主控模塊。

2.1.3 點火執(zhí)行器

點火執(zhí)行器能夠接收電子控制單元所產(chǎn)生的閉合性，從而實現(xiàn)對線路的閉合。在選擇到合適的機會后，可及時切斷初級線圈，此時刺激線圈能夠感應(yīng)到高電壓的出現(xiàn)，最終實現(xiàn)火花塞點火。火花塞、點火線圈以及點火驅(qū)動模塊共同構(gòu)成點火執(zhí)行器。

①點火驅(qū)動模塊。

單片機在進行輸出時，電流會比較小，從而無法正常連接驅(qū)動點火線圈，因此需要添加專門的驅(qū)動模塊用于點火。點火驅(qū)動模塊主要的作用是將點火線圈及時切斷，使其斷電，在刺激線圈中會出現(xiàn)高電壓，此時火花塞可以點火。

②點火線圈。

點火線圈當(dāng)中主要是由初級與次級線圈共同構(gòu)成。

③火花塞。

次線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢是由火花塞接受的，也會接受中心電極和測電極所產(chǎn)生的火花，同時點火氣缸內(nèi)會產(chǎn)生混合氣體。

2.1.4 系統(tǒng)工作原理

電子控制單元接通電源時，電源模塊和主模塊便會出現(xiàn)等待狀態(tài)。此時發(fā)動機如果是正常運行，在其內(nèi)部磁電機會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器也會發(fā)出轉(zhuǎn)速信號，該信號通過模擬后形成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，最終達到電子控制單元。此外，電子控制單元里面有主控制模板、單片機，此時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號，對其進行采集，根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)展開分析，在此工況之下，閉合角以及點火提前角會達到最佳狀態(tài)，將所有的指令最終傳送到點火控制器模塊。

點火控制模塊首先接收到單片機發(fā)送的指令后，能夠?qū)c火線圈和初級線圈進行控制，比如導(dǎo)通和截止。電路在導(dǎo)通狀態(tài)下，點火線圈便會有電流產(chǎn)生，點火能量在存儲的時候，會以磁場的形式展開。初級線圈如果被切斷，此時會產(chǎn)生電流，也會出現(xiàn)感應(yīng)電動勢，此時火花塞中的電極之間由于電動勢的作用，會出現(xiàn)電火花，在燃氣缸內(nèi)，所存在的混合氣體被點燃，最終發(fā)動機可正常點火。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 最佳閉合角的選擇

在發(fā)動機啟動的時候，如果沒有達到怠速轉(zhuǎn)速，此時電子控制單元會默認一個閉合角，進而對初級線圈進行閉合。

當(dāng)發(fā)動機達到怠速轉(zhuǎn)速以上時，電子控制單元便會根據(jù)轉(zhuǎn)換后的信號進行計算，并且得出需要的閉合角區(qū)間。

2.2.2 點火提前角的計算

在發(fā)動機正式啟動時，如果沒有達到怠速轉(zhuǎn)速，電子控制單元會默認一個點火提前角。在達到怠速轉(zhuǎn)速以上時，電子控制單元會根據(jù)轉(zhuǎn)換后的信號進行計算，得出需要的點火提前角區(qū)間，最后從單片機的數(shù)據(jù)當(dāng)中讀取到合適的點火提前角。

3 ?結(jié)論

在單缸汽油機點火控制技術(shù)當(dāng)中，最早的是觸點式點火系統(tǒng)，這類點火系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，而且研發(fā)成本不高。但是這類點火系統(tǒng)的點火能量普遍較弱，而且無法在該基礎(chǔ)之上進行較大的改善。后來人們開始使用起了無觸點式點火系統(tǒng)，雖然與觸點式點火系統(tǒng)有了較大的提升，然而這類點火系統(tǒng)，在實際應(yīng)用的過程中，仍然存在著很多的問題，直到隨著電子技術(shù)的發(fā)展，有研究者把集成電路技術(shù)應(yīng)用到了單元缸的汽油發(fā)動機點火控制技術(shù)當(dāng)中，研發(fā)出了集成電路與微控制點火系統(tǒng)。而本文的點火系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計，也是基于微控制點火系統(tǒng)的理念之上進行設(shè)計的。通過引入微控制點火系統(tǒng)，能夠更加有效的控制點火提前角，從而有效的提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。

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