陳興宇

摘 要：文章在傳統(tǒng)汽油機點火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了改良，設(shè)計了基于無觸點式電子點火系統(tǒng)原理的單缸小型汽油機點火系統(tǒng)?？偨Y(jié)市場上現(xiàn)有的汽油機點火系統(tǒng)的成熟技術(shù)，并對市場上的產(chǎn)品做了調(diào)研，作者基于現(xiàn)有的成熟的理論，對技術(shù)落后的單缸小型汽油機點火系統(tǒng)進行改良設(shè)計，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)進步。

關(guān)鍵詞：汽油機；無觸點式；點火系統(tǒng)

引言

從內(nèi)燃機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)燃機對人類的發(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。在這當中，內(nèi)燃機更是作為最有效的動力源為人類提供服務(wù)。20世紀末期，隨著人類對內(nèi)燃機的技術(shù)要求的不斷提高，內(nèi)燃機的技術(shù)有了革命性的變化。在不斷追求動力性能、經(jīng)濟性能、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)燃機的設(shè)計開發(fā)之中，其中電子技術(shù)的應(yīng)用，使得內(nèi)燃機有了革命性的變化，使得內(nèi)燃機由傳統(tǒng)的機械化的產(chǎn)品變?yōu)榱藱C電混合的產(chǎn)品。不論是汽油機還是柴油機，正是因為電子技術(shù)在發(fā)動機中的使用，才使得后期的新技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機成為了可能。

汽油機和柴油機同為內(nèi)燃機，盡管有很多相似之處，但又有各自的技術(shù)特點。其中最為顯著的區(qū)別之一即為汽油機獨有的點火系統(tǒng)。汽油機獨有的點火系統(tǒng)，在汽油機的發(fā)展歷史之中，從最初的純機械結(jié)構(gòu)的點火系統(tǒng)，發(fā)展到今天的電子點火系統(tǒng)，其中經(jīng)歷了多次的更新?lián)Q代及設(shè)計升級改良?？梢哉f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火系統(tǒng)。

由于內(nèi)燃機行業(yè)的發(fā)展及電子技術(shù)的進步，車用汽油機電子點火系統(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)。但是在如今的市場之中，車用汽油機電子點火系統(tǒng)的設(shè)計生產(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，市場上所有的車用汽油機的點火系統(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之中，點火系統(tǒng)甚至還是傳統(tǒng)的機械式點火系統(tǒng)，例如摩托車用汽油機，小型航空器用汽油機等。所以我們有必要來研發(fā)具有自主技術(shù)水平的汽油機電子點火系統(tǒng)。

文章對現(xiàn)有的已經(jīng)成熟的發(fā)動機點火系統(tǒng)進行分析，介紹了點火系統(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)動機點火系統(tǒng)的技術(shù)方案，并以此為理論依據(jù)，設(shè)計了單缸小型汽油機點火系統(tǒng)。

1 設(shè)計背景、對象、方案的選擇

1.1 設(shè)計背景

通過前文的論述，作者詳細分析了點火系統(tǒng)的歷史發(fā)展，對三種點火系統(tǒng)從組成結(jié)構(gòu)、工作原理、各自優(yōu)缺點這三個方向進行了系統(tǒng)的闡述和分析。在此之上著手設(shè)計點火系統(tǒng)。

1.2 設(shè)計對象

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

1.3 設(shè)計方案

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

（1）有觸點式電子點火系統(tǒng)盡管在蓄電池點火系統(tǒng)（機械式點火系統(tǒng)）的基礎(chǔ)之上設(shè)計改良繼承性好，但是觸電的限制問題（前文有述），至使設(shè)計改良后在技術(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)計方案。

（2）微機控制的電子點火系統(tǒng)，雖然在理論上、技術(shù)上很先進，且廣泛用于車用汽油機點火系統(tǒng)。但是其設(shè)計復(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)進行支持。且開發(fā)過程之中，必須進行發(fā)動機試驗（進行發(fā)動機的標定），之后才能設(shè)計定型，過程繁雜周期長。從開發(fā)成本的角度來看，此類開發(fā)，開發(fā)成本高，而使用對象所用的小型單缸機本身制造成本就有嚴格的控制（產(chǎn)品成本低），微機控制的電子點火系統(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)計方案。

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

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

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

2 本設(shè)計的系統(tǒng)基本工作原理

在原有的單缸機點火系統(tǒng)【蓄電池點火系統(tǒng)（機械式點火系統(tǒng)）】的上進行改良設(shè)計，本設(shè)計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，即點火線圈為一個固定匝數(shù)的變壓器。當點火線圈的初級繞組充電時，點火線圈周圍產(chǎn)生磁場；斷電時，磁場變化消失，次級繞組之上高壓電動勢由此感應(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（初級電路）的通斷由圖中點火器來進行控制，點火器的實質(zhì)是一系列的三極管控制電路組成（具體組成后文有詳細的論述），而點火器的觸發(fā)依靠點火信號發(fā)生器來完成。這里選用磁電式點火信號發(fā)生器，來產(chǎn)生信號源，觸發(fā)點火器。

點火信號發(fā)生器的運動是機械式的，依靠發(fā)動機的凸輪軸來帶動，這樣就可以源源不斷地產(chǎn)生觸發(fā)信號了，從而保證發(fā)動機能夠順利運行。由于此機械結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計主要側(cè)重電路部分，這里具體結(jié)構(gòu)就不論述了。

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

3 磁電式點火信號發(fā)生器的信號產(chǎn)生原理

磁電式點火信號發(fā)生器的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脈沖信號產(chǎn)生原理的示意圖

由于設(shè)計的對象為單缸小型汽油機，發(fā)動機僅僅只有一個氣缸，故信號轉(zhuǎn)子之上只有一個凸齒。永磁鐵中的磁通，經(jīng)信號轉(zhuǎn)子之上的凸齒和線圈圍繞的鐵芯構(gòu)成了回路。當信號轉(zhuǎn)子由凸輪軸帶動轉(zhuǎn)動之時，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)電動勢由此在線圈上產(chǎn)生。

傳感器產(chǎn)生的脈沖如圖3所示。

圖3 產(chǎn)生的脈沖信號示意圖

4 本設(shè)計的硬件電路及電路工作原理

4.1 本設(shè)計的硬件電路及說明

圖4是本設(shè)計的具體的硬件電路。

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

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

對于信號源電路的處理（即磁電式脈沖信號發(fā)生器的電路），這里設(shè)計為用電容器C2進行信號濾波；用兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管并聯(lián)于信號源脈沖產(chǎn)生的電路上，這樣做的目的是為了防止過高的正負脈沖電壓信號對整個電路的沖擊，造成電路硬件上的損壞。

4.2 硬件電路的工作原理

打開點火開關(guān)，起動發(fā)動機，磁電式點火信號發(fā)生器的信號轉(zhuǎn)子在發(fā)動機凸輪軸的帶動下不斷運轉(zhuǎn)，此時磁電式點火信號發(fā)生器將不斷地產(chǎn)生正負信號脈沖。

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

由于三級管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，使得點火線圈的初級繞組的低壓電路（初級電路）接通，點火線圈充電，產(chǎn)生磁場。

當負的信號脈沖產(chǎn)生時，由于二極管VD5的單向?qū)ㄗ饔?，致使觸發(fā)信號被阻隔。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，使得點火線圈的初級繞組的低壓電路（初級電路）斷開，點火線圈中的磁場發(fā)生變化，磁場減弱消失，次級繞組處于變化的磁場之中，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，次級電路中的感應(yīng)電流在感應(yīng)高壓電動勢的作用下，最終通過后續(xù)電路傳遞到火花塞上，由火花塞完成跳火，至此一次點火完成。