基于無觸點(diǎn)式單缸小型汽油機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳興宇

摘 要：文章在傳統(tǒng)汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，設(shè)計(jì)了基于無觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)原理的單缸小型汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)?？偨Y(jié)市場(chǎng)上現(xiàn)有的汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的成熟技術(shù)，并對(duì)市場(chǎng)上的產(chǎn)品做了調(diào)研，作者基于現(xiàn)有的成熟的理論，對(duì)技術(shù)落后的單缸小型汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，使其在成本增加不大的基礎(chǔ)之上，性能有一定的提升，具有明顯的技術(shù)進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；無觸點(diǎn)式；點(diǎn)火系統(tǒng)

引言

從內(nèi)燃機(jī)問世至今已有一百多年的歷史，在這一百多年的歷史之中，內(nèi)燃機(jī)對(duì)人類的發(fā)展起到了不可替代的作用，廣泛用于各國人民的國民生產(chǎn)之中。在這當(dāng)中，內(nèi)燃機(jī)更是作為最有效的動(dòng)力源為人類提供服務(wù)。20世紀(jì)末期，隨著人類對(duì)內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)要求的不斷提高，內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)有了革命性的變化。在不斷追求動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放性能及可靠性能等要求下，各種多學(xué)科多領(lǐng)域的新技術(shù)被用于內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)之中，其中電子技術(shù)的應(yīng)用，使得內(nèi)燃機(jī)有了革命性的變化，使得內(nèi)燃機(jī)由傳統(tǒng)的機(jī)械化的產(chǎn)品變?yōu)榱藱C(jī)電混合的產(chǎn)品。不論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)，正是因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用，才使得后期的新技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)成為了可能。

汽油機(jī)和柴油機(jī)同為內(nèi)燃機(jī)，盡管有很多相似之處，但又有各自的技術(shù)特點(diǎn)。其中最為顯著的區(qū)別之一即為汽油機(jī)獨(dú)有的點(diǎn)火系統(tǒng)。汽油機(jī)獨(dú)有的點(diǎn)火系統(tǒng)，在汽油機(jī)的發(fā)展歷史之中，從最初的純機(jī)械結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火系統(tǒng)，發(fā)展到今天的電子點(diǎn)火系統(tǒng)，其中經(jīng)歷了多次的更新?lián)Q代及設(shè)計(jì)升級(jí)改良。可以說正是由于電子技術(shù)的大發(fā)展，才有了今天這種近乎完美的車用點(diǎn)火系統(tǒng)。

由于內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的發(fā)展及電子技術(shù)的進(jìn)步，車用汽油機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)在今天已經(jīng)有了完整的理論依據(jù)和技術(shù)支持，早已做到產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)。但是在如今的市場(chǎng)之中，車用汽油機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，絕大多數(shù)都是由外資企業(yè)來掌握，可以毫不夸張的形容，市場(chǎng)上所有的車用汽油機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)，幾乎全部都由（Bosch、Delphi、Continental、UAES、DENSO）這樣的外資技術(shù)巨頭來掌握。在某些特殊的汽油機(jī)之中，點(diǎn)火系統(tǒng)甚至還是傳統(tǒng)的機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)，例如摩托車用汽油機(jī)，小型航空器用汽油機(jī)等。所以我們有必要來研發(fā)具有自主技術(shù)水平的汽油機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)。

文章對(duì)現(xiàn)有的已經(jīng)成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行分析，介紹了點(diǎn)火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，著重剖析了電子技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)方案，并以此為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)了單缸小型汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)背景、對(duì)象、方案的選擇

1.1 設(shè)計(jì)背景

通過前文的論述，作者詳細(xì)分析了點(diǎn)火系統(tǒng)的歷史發(fā)展，對(duì)三種點(diǎn)火系統(tǒng)從組成結(jié)構(gòu)、工作原理、各自優(yōu)缺點(diǎn)這三個(gè)方向進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述和分析。在此之上著手設(shè)計(jì)點(diǎn)火系統(tǒng)。

1.2 設(shè)計(jì)對(duì)象

作者對(duì)市場(chǎng)中汽油機(jī)進(jìn)行了調(diào)查，汽油機(jī)主要使用在乘用車量、少數(shù)商用車輛之中，在這兩個(gè)領(lǐng)域中汽油機(jī)的使用量是最大的，因此技術(shù)也特別完善，點(diǎn)火系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)已經(jīng)完全商業(yè)化，技術(shù)上相當(dāng)成熟先進(jìn)。但在某些特殊的領(lǐng)域，汽油機(jī)依然有一定的市場(chǎng)，如各種摩托車量，農(nóng)具（割草機(jī)、抽水機(jī)等）、小型航空器材等，在這些領(lǐng)域，汽油機(jī)是絕對(duì)的主力產(chǎn)品，但由于市場(chǎng)的份額相對(duì)乘用車輛和商用車輛來說，所占的市場(chǎng)份額太小，所以此領(lǐng)域的汽油機(jī)在技術(shù)上相對(duì)落后，多年來沒有大的發(fā)展進(jìn)步，特別是點(diǎn)火系統(tǒng)，幾乎還是采用傳統(tǒng)的蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)（機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)），因此在技術(shù)上有很大的提升空間。故本設(shè)計(jì)方案，主要的設(shè)計(jì)使用對(duì)象即為這些領(lǐng)域所使用的單缸小型汽油機(jī)。

1.3 設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)在使用的蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)（機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)）有明顯缺點(diǎn)，作者要在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)改良。作者通過論證有觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)、無觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)、微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)基于無觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)方案是最適合的設(shè)計(jì)方案。其原因如下：

（1）有觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)盡管在蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)（機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)）的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)改良繼承性好，但是觸電的限制問題（前文有述），至使設(shè)計(jì)改良后在技術(shù)上、性能上、壽命上的提升空間不大，故不適宜采用此類設(shè)計(jì)方案。

（2）微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)，雖然在理論上、技術(shù)上很先進(jìn)，且廣泛用于車用汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。但是其設(shè)計(jì)復(fù)雜（需要加入一系列的傳感器、執(zhí)行器、控制單元），僅僅有基礎(chǔ)的硬件還不夠，必須依靠大量的控制程序、軟件、數(shù)據(jù)進(jìn)行支持。且開發(fā)過程之中，必須進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)（進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定），之后才能設(shè)計(jì)定型，過程繁雜周期長(zhǎng)。從開發(fā)成本的角度來看，此類開發(fā)，開發(fā)成本高，而使用對(duì)象所用的小型單缸機(jī)本身制造成本就有嚴(yán)格的控制（產(chǎn)品成本低），微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)可能成本上就占據(jù)了產(chǎn)品成本的一半，故不宜采用此類設(shè)計(jì)方案。

（3）無觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)在蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)（機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)）的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)改良繼承性好，且沒有有觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)中觸點(diǎn)的問題。整個(gè)系統(tǒng)雖然仍然有機(jī)械性的部分，但在純機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)之上，已經(jīng)做了大幅度的電子化改進(jìn)，技術(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)比較先進(jìn)，且設(shè)計(jì)成本低較微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)而言大幅度降低。

（4）由于單缸小型汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的使用對(duì)象多為各種摩托車量，農(nóng)具（割草機(jī)、抽水機(jī)等）、小型航空器材等。這些對(duì)象所使用的汽油機(jī)不會(huì)像車用汽油機(jī)那樣需要適應(yīng)很復(fù)雜的工況（車用汽油機(jī)所需適應(yīng)匹配的為面工況，而割草機(jī)、抽水機(jī)等可能僅僅需要適應(yīng)匹配點(diǎn)工況、線工況即可），這樣的話，由于適應(yīng)匹配的工況不復(fù)雜，因此不會(huì)對(duì)點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火閉合角的調(diào)整提出苛刻的要求，原有的機(jī)械式的點(diǎn)火提前調(diào)節(jié)裝置不必改變。

綜上所述，選擇了基于無觸點(diǎn)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)方案。

2 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本工作原理

在原有的單缸機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)【蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)（機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)）】的上進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的基本工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)的高電壓產(chǎn)生原理依靠變壓器原理，即點(diǎn)火線圈為一個(gè)固定匝數(shù)的變壓器。當(dāng)點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組充電時(shí)，點(diǎn)火線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)；斷電時(shí)，磁場(chǎng)變化消失，次級(jí)繞組之上高壓電動(dòng)勢(shì)由此感應(yīng)而來，高壓電流通過后續(xù)電路傳遞到火花塞上，最終在閉合回路之中跳火形成火核。

低壓電路（初級(jí)電路）的通斷由圖中點(diǎn)火器來進(jìn)行控制，點(diǎn)火器的實(shí)質(zhì)是一系列的三極管控制電路組成（具體組成后文有詳細(xì)的論述），而點(diǎn)火器的觸發(fā)依靠點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器來完成。這里選用磁電式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器，來產(chǎn)生信號(hào)源，觸發(fā)點(diǎn)火器。

點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械式的，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸來帶動(dòng)，這樣就可以源源不斷地產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)了，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠順利運(yùn)行。由于此機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)主要側(cè)重電路部分，這里具體結(jié)構(gòu)就不論述了。

點(diǎn)火提前調(diào)節(jié)裝置仍然使用蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)（機(jī)械式點(diǎn)火系統(tǒng)）中的真空式和離心式兩套點(diǎn)火提前調(diào)節(jié)裝置，具體的結(jié)構(gòu)在實(shí)際中不用變化，這里就不具體闡述了。

3 磁電式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)產(chǎn)生原理

磁電式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脈沖信號(hào)產(chǎn)生原理的示意圖

由于設(shè)計(jì)的對(duì)象為單缸小型汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅只有一個(gè)氣缸，故信號(hào)轉(zhuǎn)子之上只有一個(gè)凸齒。永磁鐵中的磁通，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)子之上的凸齒和線圈圍繞的鐵芯構(gòu)成了回路。當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子由凸輪軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)之時(shí)，凸齒和線圈圍繞的鐵芯間的空氣間隙發(fā)生了改變，磁通量改變，交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由此在線圈上產(chǎn)生。

傳感器產(chǎn)生的脈沖如圖3所示。

圖3 產(chǎn)生的脈沖信號(hào)示意圖

4 本設(shè)計(jì)的硬件電路及電路工作原理

4.1 本設(shè)計(jì)的硬件電路及說明

圖4是本設(shè)計(jì)的具體的硬件電路。

在圖4中，電容器C1是對(duì)電源（蓄電池和發(fā)電機(jī)）進(jìn)行濾波的電容；穩(wěn)壓管VD1和電阻R1共同對(duì)電源（蓄電池和發(fā)電機(jī)）產(chǎn)生的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)控；防止因電源（蓄電池和發(fā)電機(jī)）電壓的不穩(wěn)定（如發(fā)電機(jī)供電電壓波動(dòng)）對(duì)整個(gè)點(diǎn)火電路的工作狀態(tài)的穩(wěn)定進(jìn)行干擾。

穩(wěn)壓管VD4與三極管VT4的電路并聯(lián)，這樣設(shè)計(jì)的目的在于，切斷低壓電路時(shí)，瞬時(shí)的感應(yīng)高壓，會(huì)破壞擊穿三極管VT4，采用并聯(lián)穩(wěn)壓管的方式保護(hù)。

對(duì)于信號(hào)源電路的處理（即磁電式脈沖信號(hào)發(fā)生器的電路），這里設(shè)計(jì)為用電容器C2進(jìn)行信號(hào)濾波；用兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管并聯(lián)于信號(hào)源脈沖產(chǎn)生的電路上，這樣做的目的是為了防止過高的正負(fù)脈沖電壓信號(hào)對(duì)整個(gè)電路的沖擊，造成電路硬件上的損壞。

4.2 硬件電路的工作原理

打開點(diǎn)火開關(guān)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，磁電式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的帶動(dòng)下不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)磁電式點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器將不斷地產(chǎn)生正負(fù)信號(hào)脈沖。

當(dāng)正的信號(hào)脈沖產(chǎn)生時(shí)，觸發(fā)信號(hào)的正向高信號(hào)電壓將通過二極管VD5作用于三極管VT1的基極之上，三極管VT1開啟（基極達(dá)到了夠開啟的電壓）。

由于三級(jí)管VT1的開啟，使得三極管VT2的基極電位被拉低，致使三極管VT2由原先的開啟狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。

三極管VT2的截止，使得三極管VT3的基極電位上升，三極管VT3的基極作用于開啟電壓后，三極管VT3開啟。

正是由于三極管VT3開啟后，電路中有電流流過，加之鉗位電阻R6的作用，使得三極管VT4基極為高電位，三極管VT4導(dǎo)通。三極管VT4的導(dǎo)通，使得點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組的低壓電路（初級(jí)電路）接通，點(diǎn)火線圈充電，產(chǎn)生磁場(chǎng)。

當(dāng)負(fù)的信號(hào)脈沖產(chǎn)生時(shí)，由于二極管VD5的單向?qū)ㄗ饔?，致使觸發(fā)信號(hào)被阻隔。三極管VT1基極由于沒有觸發(fā)高電壓，致使三極管VT1無法導(dǎo)通。

三極管VT1的截止，使得三極管VT2的基極電位升高，使得三極管VT2開啟。三極管VT2的開啟，致使三極管VT3的基極電位降低，三極管VT3截止。

三極管VT3截止，使得三極管VT4基極無電流，從而使得三極管VT4截止。

三極管VT4的截止，使得點(diǎn)火線圈的初級(jí)繞組的低壓電路（初級(jí)電路）斷開，點(diǎn)火線圈中的磁場(chǎng)發(fā)生變化，磁場(chǎng)減弱消失，次級(jí)繞組處于變化的磁場(chǎng)之中，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，次級(jí)電路中的感應(yīng)電流在感應(yīng)高壓電動(dòng)勢(shì)的作用下，最終通過后續(xù)電路傳遞到火花塞上，由火花塞完成跳火，至此一次點(diǎn)火完成。