單缸汽油機點火系統創新設計

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規則也逐漸變得嚴格起來，在法律法規上添加了許多新的內容，倡導著大家要保護好環境。同時也在要求著相關企業要注重汽車發動機性能的提高，從而節約能源，起到保護環境的作用。在發動機當中，其點火系統的性能如何將會對發動機的動力性和經濟性起到非常大的影響。因此在探討如何提高發動機性能的時候，首先需要對其點火系統進行相應的改進，優化點火系統，從而改善發動機。

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.

關鍵詞：單缸汽油機;點火系統;創新設計

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

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

0 ?引言

在汽車的發動機運行的時候發動機內部的點火提前角的控制是否足夠準確，將會對發動機的動力性與經濟性起到一定的影響。當點火提前角過小，則容易導致活塞下行的時候，發動機內部仍然在繼續燃燒著，從而導致發動機的動力性受到影響。而且當燃燒時活塞下行，燃燒氣體接觸到發動機的缸壁時，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，缸內的壓力就已經是最大值的，而此時活塞向上運行阻力會變大，消耗的功率也在增加，最終影響到發動機的動力性與經濟性。因此分析與研究發動機點火系統，優化點火系統能夠有助于提高發動機的動力性與經濟性。

1 ?單缸汽油機點火控制技術現狀研究

單缸汽油發動機點火技術在我國已經發展了非常長的一段時間，而且我國對于單缸汽油發動機點火技術也有著非常深的研究。從最早的有觸點式的點火系統開始，后來發展到沒有觸點，接著再到如今的數字式點火系統等。可以發現每個階段的點火控制技術都有著質的飛躍，但同時每個階段的點火技術，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

1.1.1 蓄電池觸點式點火系統

這種觸點式點火系統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動機點火的提前調整。在該點火系統當中，其內部的設備主要有離心輪和進氣歧管等。而在實際作業過程當中，該點火系統的驅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，從而使其與當前的情況相匹配，最終起到改善發動機排放量的效果，如圖1。

1.1.2 磁電機觸點式交流點火系統

在該點火系統當中，其飛輪有專門的發動機曲軸和凸輪的旋轉來帶動，然后來控制斷路器的閉合與斷開。當斷路器處于閉合觸電的狀態當中，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，從而導致點火線圈產生感應電壓會被送到火花塞當中。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，保持發動機的持續運行。一旦點火線圈斷開發動機運轉就位，立即停止下來。

這種磁電機點火系統，其設備組成較少，結構簡單。但是這種磁電機點火系統在點火的時候非常依賴感應電壓，當電壓較低的時候，則會導致點火線圈的能量存在不足，從而造成系統處于低速時，點火能量存在不足的情況。燈系統處于高速運轉的時候，則感應電壓會相對的增大，從而滿足點火能量。

1.1.3 觸點式點火系統的缺陷

首先觸點式點火系統的點火能量普遍較弱，而且其改善的空間非常有限。在當前，隨著技術的發展，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當在1毫秒左右。而采用觸點式點火系統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完成點火。其次在觸點式點火系統當中，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，以及對環境保護的意識越來越強，使用觸點式點火系統顯然無法達到當前的要求。

1.2 無觸點式電子點火系統

對于觸點式點火系統，如果想要在其基礎之上進行優化，是一件非常困難的事情。因此相關設計人員開發了全新的系統，也就是無觸點式電子點火系統。而最早使用這種技術的是在1960年，當時晶體管技術面世，有相關設計人員把晶體管技術結合到了發動機點火系統當中，從而研發出了無觸點式電子點火系統。

1.2.1 電容放電式點火系統

電容放電式點火系統分為了交流與直流兩種形式。其中交流式點火系統又可以分為觸發兼點火、外觸發和內觸發三種點火系統。交流點火系統其優點較多，不僅價格便宜，而且結構簡單。但是在實際使用的過程當中，由于該點火系統的電源是專門有磁電機來進行負責，這就會導致發動機的轉速會影響到點火的能量。當在不同速度的工況當中，該電容器的充電時間有的時候會出現不足的情況，尤其是在高速運轉的狀態當中極有可能發生點火能量不足的情況。

而直流電容放電點火系統是在交流式點火系統的基礎上，進行了相應的優點，從而避免了交流點火系統當中的不足之處。在直流電容放電式點火系統當中，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，能夠根據不同的速度實現部分點火控制，提高了發動機的點火性能。通過統計和研究發現使用直流電容放電式點火系統，其性能得到了顯著的提升，可以節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

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

1.3 集成電路與微控制點火系統

電子技術的持續發展，目前集成電路的實際應用以及開發需要較高的成本，然而通過在優化以及改善后，成本逐步降低。設計者首先在技術應用中，將單氣缸汽油發動機點火技術作為重點，在集成電路中設置更為高級的功能，主要是為了適應不同工況的使用，同時對點火正時展開調整。

在實際應用中，電子技術已經與汽車技術相融合。同時，單缸汽油發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，尤其是設計人員，在研究中應該將重點放在數字控制技術當中，同時要充分融合電腦控制技術。針對于點火系統在工作中出現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精確度不準，結合相關問題，設計合理的解決方案。

2 ?點火系統的創新設計

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

在點火系統的設計環節，本文利用了當前最為前沿的技術微機控制點火系統，這種微機控制點火系統能夠把傳統點火當中的提前角的機械調節方式轉換為電子控制方式，達到了很好提高發動機能夠精準獲得最佳點火時刻。通過使用這種微機控制點火系統，能夠有效的使發動機的動力性與經濟性得到提高。此點火系統控制主要由點火提前角控制和通電時間控制等組成。

2.1 硬件設計

本次設計的微機控制點火系統，其組成包含傳感器等。傳感器會將發動機在運行時的參數及時進行傳送，達到單片機時，通過單片機所提供的數據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動機在運行時的數據。同時根據數據來進行判斷，此時可獲得最佳的點火提前角。點火執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。刺激線圈此時已經感應到高壓，為將信息傳送到火花塞，此時發動機可點燃。

2.1.1 轉速傳感器

傳感器在工作中，可以監測發動機運行的狀況，同時將數據以及參數，傳送到發動機位置。按照監測到的數據進行分析，其中有發動機的轉速以及所出現的負荷。磁電式轉速傳感器在工作時，這種傳感器內部結構非常簡單，主要使用磁電機上所產生的磁性去觸發線圈，最終組成了磁電式轉速傳感器。發動機在正常工作的狀態下，在觸發線圈時導致感應的出現，形成電動勢，電動勢的頻率主要來自于觸發凸，以及觸發線圈所產生的變化率。電動勢此時會出現頻率波動，會出現對應關系電動勢的頻率，也可作為轉速信號來提供發動機在轉動時的信息。磁電機此時的轉動速度與傳感器信號匹配，同時也會形成轉動時的信號。轉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換電路的支持。以目前的形式為主，模擬信號再進行轉換后，最后會變成數字信號，此時再繼續轉換后，可以到達發動機。系統正常點火后開始計算，信號再進行調整之后，目前已成為重要依據。

2.1.2 電子控制單元

電子控制單元可以當做接收轉換信號的工具，在接受信號時，可對其展開分析，同時通過計算，得到發動機的轉速。在選擇點火提前角以及閉合角做到了科學合理，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 點火執行器

點火執行器能夠接收電子控制單元所產生的閉合性，從而實現對線路的閉合。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到高電壓的出現，最終實現火花塞點火?；鸹ㄈ?、點火線圈以及點火驅動模塊共同構成點火執行器。

①點火驅動模塊。

單片機在進行輸出時，電流會比較小，從而無法正常連接驅動點火線圈，因此需要添加專門的驅動模塊用于點火。點火驅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高電壓，此時火花塞可以點火。

②點火線圈。

點火線圈當中主要是由初級與次級線圈共同構成。

③火花塞。

次線圈所產生的感應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生的火花，同時點火氣缸內會產生混合氣體。

2.1.4 系統工作原理

電子控制單元接通電源時，電源模塊和主模塊便會出現等待狀態。此時發動機如果是正常運行，在其內部磁電機會出現旋轉狀態。磁電式轉速傳感器也會發出轉速信號，該信號通過模擬后形成轉換數據，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，此時會產生轉速信號，對其進行采集，根據所采集到的數據展開分析，在此工況之下，閉合角以及點火提前角會達到最佳狀態，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送的指令后，能夠對點火線圈和初級線圈進行控制，比如導通和截止。電路在導通狀態下，點火線圈便會有電流產生，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，此時會產生電流，也會出現感應電動勢，此時火花塞中的電極之間由于電動勢的作用，會出現電火花，在燃氣缸內，所存在的混合氣體被點燃，最終發動機可正常點火。

2.2 軟件設計

2.2.1 最佳閉合角的選擇

在發動機啟動的時候，如果沒有達到怠速轉速，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。

當發動機達到怠速轉速以上時，電子控制單元便會根據轉換后的信號進行計算，并且得出需要的閉合角區間。

2.2.2 點火提前角的計算

在發動機正式啟動時，如果沒有達到怠速轉速，電子控制單元會默認一個點火提前角。在達到怠速轉速以上時，電子控制單元會根據轉換后的信號進行計算，得出需要的點火提前角區間，最后從單片機的數據當中讀取到合適的點火提前角。

3 ?結論

在單缸汽油機點火控制技術當中，最早的是觸點式點火系統，這類點火系統，其結構簡單，而且研發成本不高。但是這類點火系統的點火能量普遍較弱，而且無法在該基礎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，雖然與觸點式點火系統有了較大的提升，然而這類點火系統，在實際應用的過程中，仍然存在著很多的問題，直到隨著電子技術的發展，有研究者把集成電路技術應用到了單元缸的汽油發動機點火控制技術當中，研發出了集成電路與微控制點火系統。而本文的點火系統創新設計，也是基于微控制點火系統的理念之上進行設計的。通過引入微控制點火系統，能夠更加有效的控制點火提前角，從而有效的提高發動機的動力性和經濟性。

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