摩托車CDI雙優點火器

曹楊慶

(中煤科工集團杭州研究院 浙江杭州 311201)

引言

點火器輸出提前角和點火能量，二者對發動機的運行同等重要，都應與發動機工況匹配。在采用計算機技術后，因為原理簡單，提前角的優化變得非常容易。但在能量輸出上，由于技術復雜，迄今國內外尚無法在發動機全工況范圍，做到供需適配。而低溫，低電池電壓及啟動工況，點火器只能提供所需能量的不足1/10。因點火能量不匹配而導致發動機效率降低、排放增加及不利情況下點火困難是常態。

1 雙優點火器電路構造

摩托車雙優點火器依據CDI點火能量平衡理論設計。該理論對包括啟動在內的全工況及電池電壓的大范圍內，實現最優提前角和最優點火能量控制。電路組成與傳統點火電路基本相同，見圖1，包括控制電路等，并增設了一個測量電路。

其中輸出功率可調的升壓電路和儲能電壓測量電路專為能量平衡而設計。前者的原理是:驅動電路受控制電路即單片機輸出的占空比可變的方波控制，通過啟停及控制信號的占空比，使變壓器初級斷續地接通電流。次級感應出高壓，向儲能電路充電，改變占空比可改變輸出功率。而測量電路，是一個比較器，測量儲能電壓所處狀態。

圖1 摩托車雙優點火電路

2 點火能量控制

2．1 恒壓控制過程

首先可以實現點火恒能量即儲能電壓恒壓控制。

圖2是不同平衡狀態下，改變運行值時作恒壓控制，各參數或信號時序示意圖。并列的A，B，C三幅小圖分別表示不同升壓電路狀態下，各參數或信號的時序。橫坐標為周期或磁電機旋轉角，以r表示，縱坐標為電壓。各圖中，儲能電壓升高至200V后，各自對應的取樣電壓也相應提高，分別至Ka，Kb，Kc三點，其時取樣電路的分壓值都到了設定的模擬比較器翻轉閥值電平 ，而對應的磁電機轉角 ra，rb，rc，因電池電壓高低而不同。不同的充電速度下，可調升壓電路每周期的工作時值不同，但都在儲能設定值即200V(或更低)后即停止運行，使儲能電壓恒定。向上的箭頭表示，儲能電壓到比較器翻轉的對應值后，經一系列的反饋使自身停止上升的過程:儲能電壓升高，取樣電壓至設定閥后，單片機的升壓控制信號停止，升壓電路停運，充電脈沖消失，儲能電壓停止上升。恒壓控制中還可以加入占空比調節。恒壓不是最優能量。

圖2 恒壓控制下各參數變化及信號時序圖

2．2 點火能量最優控制

以工程經驗確定各種工況點火所需的最優儲能電壓，建立工況－最優點火能量數學模型。為系統簡潔，數學模型可以只采用主要因素，如轉速、加速度等。設置工況因素檢測，統稱輔助檢測，其中一些因素如轉速等，無需另設測量電路。

最優控制以恒壓控制原理為基礎。周期開始即測量輔助參數，從數學模型中獲知當前各工況參數下最優儲能電壓值。同時持續測量儲能電壓狀態，待儲能電壓上升至模擬比較器翻轉，計算機獲得即時時刻、電壓及升壓速率，據此及數學模型指示的最優值計算出儲能電壓上升所需時間，待時間到達即停止升壓。比較器在周期內過早或過晚翻轉時，可以通過占空比調節。過程形成對儲能電壓的閉環控制，電池電壓及調節等因素對能量提供的影響在對比較器的檢測中得到反映。

3 電路設計及器件選擇

3．1 新型電路的構思

采用單片機后，點火器的作用可以理解為，在一定的時空內，按照點火系統原理目的，對一些物理量作測量控制。設計了幾種能量平衡即最優控制所必需，軟硬件相結合的新型電路。升級關鍵元件，應對點火能量的增大。

3．2 計算機控制的直流升壓電路

新升壓電路，具有輸出能量大、高升壓比、高轉換率及輸出大范圍可調的特性。計算機對變壓器的控制信號為方波，使變壓器初級電流不是通常近似正弦波。初級電流具有極高的變化率，使升壓比增大，功率增大;控制信號的占空比可大范圍調節，變壓器的功率變化范圍加大。在不利能量輸出的條件下為儲能電容在點火周期內高速提供所需能量，特別是能在低電池電壓下形成高儲能電壓，這是能量平衡理論的物理基礎，是傳統升壓電路不能做到的。

3．3 儲能電壓開關式測量電路

比較器以單片機內部設定電壓為基準，在上升的、經分壓的儲能電壓作用下翻轉，計算機產生中斷。中斷時刻計算機測得儲能電壓狀態的全部信息。該信息經計算機處理后，用于儲能電壓控制，解決了對高速變化的儲能電壓作測量控制的難題。和新升壓電路一樣，硬件和軟件相結合的復雜功能，超越了單純的硬件電路。圖1中儲能電壓分壓后，接單片機內部比較器反向輸入端。

3．4 單路輸出的點火信號整形電路

帶有單片機的直流點火器，點火信號整形電路都是復雜的雙路輸出，將點火信號的正負半波都采集到計算機。這種電路不會獲得更多發動機運動狀態信息。圖1的設計將整形電路的元件數減少到了1/3，同時采集到足夠的發動機運動狀態信息。

3．5 元器件升級

1)采用場效應管代替達林頓，不但可通過大3倍的電流，還因為內阻降低到可以忽略，大大提高電路轉換效率。電池因各種原因輸出降低，如到7．5V時，現有震蕩電路達林頓管及其附加電路會產生2．5V的損失，實際有效電壓是5V。而本技術則可忽略這個損耗，有效電壓仍然是7．5V。比現有技術提高了效率50%及能量提高1倍，且無發熱。低溫低壓下此性能更是至關重要。

2)采用BT151可控硅電路，比通常的X0405具有大3倍的電流通過能力。

3)采用1．5－2．5μF 儲能電容，啟動轉速下儲能電壓250V(可選)，中低速運行段，可設計為200V，怠速則稍高，實用儲能量比通常的直流點火器增大50～100%。

3．6 最優提前角

雙優點火器同時包含了最優提前角和最優點火能量。點火提前角的原理簡單，對單片機來說，只是一個輸出口的負擔。如果只為最優提前角而采用單片機，是資源的浪費。雙優點火器能夠更多地發揮單片機功能。

3．7 雙優點火器的可靠性

雙優點火器大幅度提高了產品性能，且不以其他性能的降低為代價。大大提高了采用單片機的點火器所具有的可靠性和成熟度。從點火器電路全圖構造和原理，就可以看出，這二個指標也是雙優點火器的優勢。

4 CDI差時點火電路

CDI點火電路的優勢超越電感點火，但其放電時間較電感點火器短，后者被認為較適合燃燒速度慢的稀薄或過濃油氣霧。為此，設計了雙電容差時點火技術，使CDI在放電速度上向電感點火靠近，如圖3所示。

雙電容可以做到分別放電，間隔稱為差時。調整電容量及差時值，與電感點火的實際效果比較，使二者在燃燒效率、排放上產生相近的效果。這便是差時點火的作用原理。

這種點火技術的初步方案，較早時已初步提出，因超前當時市場需求，未經深入開發及無相應的控制技術支持，沒有及時推廣。實際上，差時點火作為一種較高級的點火技術，是需要計算機技術、硬件和點火功能原理之間良好的結合作基礎的。若無準確的點火能量配置為條件，增加差時點火功能，不能顯出其優勢。能量平衡控制具備采用差時點火技術的良好條件。

圖3 摩托車CDI差時雙優點火電路

電感點火的放電時間可以持續10μs以上，但其放電電壓其實是很快下降的，約5μs即下降至50%，并繼續下降，迅速失去點燃力。因此，持續放電時間超過5μs，火花的平均功率急速下降，能量大幅度分散，這從功率的定義就可知道。這也是電感點火常令人不滿意的原因所在。而差時點火，第二次點火的放電電壓與第一次相近，仍有很強的點燃油霧能量。在第一次火花的作用剛消失，即啟動第二次點火。若第一次點火未成，電極及電極間油氣溫度已升高，再次放出高能，易使點火成功。如第一次點火已成功，則第二次點火接續了第一次的作用，毫無疑問相當于延長了放電時間，既具備了電感點火的放電特性，又能減少或消除缺火。與電感放電不同，差時時值并非固定，而可隨工況調整，以更適合不同油氣濃度、工況。最優能量控制配上差時點火，使CDI點火性能趨于完美，全面超越電感點火。

5 實用效果與應用前景

雙優點火器的性能與點火能量平衡控制理論的要求完全一致。

在單片機獲得最低工作電壓的情況下，點火能量就是當前工況所需最優的、無需擔憂的。如電池電壓7．0V～15V以上范圍內，點火電壓與電池電壓變化無關。由于閉環控制的作用，產品個體間一致性很高，偏差小于5%。采用低工作電壓單片機時，可在更低電池電壓下實現高性能平衡控制。設置環境和發動機溫度補償，儲能電壓溫度補償曲線為－0．7V/℃。因此電池“7．0V，零下20℃”時啟動點火，儲能電壓比電池“15V，氣溫50℃”時反而要高50V，增加了50%的能量。確保發動機順利啟動，從根本上解決了國內外長久以來無法觸及的低溫低電池電壓下啟動的技術難題。

強大準確的點火能量，改善怠速、中低速段發動機燃燒，發動機能效提高。利于節能減排，降低污染排放，使汽油機排放易于達到新標準。也利于控制發動機高速段溫升和排放。動力增強，加速有力，運行平穩。可以配置大儲能電容，用于大排量摩托車。

由于工作原理就包含對電池電壓的補償，無需采取任何浪費能量的限壓措施，所有電池能量都得到利用。

雙優點火器點火，功率強大可控，技術性能完備，還可以采用差時點火技術，在與電感點火比較中取得全面優勢。

雙優點火器是綜合技術，同時有多個概念、技術方法、電路和計算機算法的深入創新，使CDI點火電路發展成為一種復雜嚴謹的測量控制儀。其電路設計先進，元件總數減少50%，功能、性能、可靠性臻于完美，形成新一代點火電路。用于摩托車，可提高技術含量和附加值，必將成為中外摩托車的基本配置之一。

對雙優點火器，僅僅作器件及各局部電路的不同選擇或改變，并不改變其技術方案。

1 曹揚慶．MH－214溶解氧測定儀［J］．電子技術應用，1993(7):14～17

2 曹楊慶．摩托車點火器脈沖整形電路:中國，ZL 201120419394．6［P］．2012 －11 －21

3 曹楊慶．汽油機等壓恒壓及多因素補償點火電路:中國，ZL 201220048198．7［P］．2012 －02 －15

4 曹楊慶．汽油機能量平衡點火電路及平衡控制方法:中國，ZL 201210231305．4［P］．2012 －07 －05

5 天津內燃機研究所．發動機多電容放電多次點火器:中國，ZL 02257568．5［P］．2002－09 －29