曹楊慶

(中煤科工集團(tuán)杭州研究院 浙江杭州 311201)

引言

點(diǎn)火器輸出提前角和點(diǎn)火能量，二者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行同等重要，都應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況匹配。在采用計(jì)算機(jī)技術(shù)后，因?yàn)樵砗?jiǎn)單，提前角的優(yōu)化變得非常容易。但在能量輸出上，由于技術(shù)復(fù)雜，迄今國(guó)內(nèi)外尚無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍，做到供需適配。而低溫，低電池電壓及啟動(dòng)工況，點(diǎn)火器只能提供所需能量的不足1/10。因點(diǎn)火能量不匹配而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低、排放增加及不利情況下點(diǎn)火困難是常態(tài)。

1 雙優(yōu)點(diǎn)火器電路構(gòu)造

摩托車(chē)雙優(yōu)點(diǎn)火器依據(jù)CDI點(diǎn)火能量平衡理論設(shè)計(jì)。該理論對(duì)包括啟動(dòng)在內(nèi)的全工況及電池電壓的大范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)提前角和最優(yōu)點(diǎn)火能量控制。電路組成與傳統(tǒng)點(diǎn)火電路基本相同，見(jiàn)圖1，包括控制電路等，并增設(shè)了一個(gè)測(cè)量電路。

其中輸出功率可調(diào)的升壓電路和儲(chǔ)能電壓測(cè)量電路專(zhuān)為能量平衡而設(shè)計(jì)。前者的原理是:驅(qū)動(dòng)電路受控制電路即單片機(jī)輸出的占空比可變的方波控制，通過(guò)啟停及控制信號(hào)的占空比，使變壓器初級(jí)斷續(xù)地接通電流。次級(jí)感應(yīng)出高壓，向儲(chǔ)能電路充電，改變占空比可改變輸出功率。而測(cè)量電路，是一個(gè)比較器，測(cè)量?jī)?chǔ)能電壓所處狀態(tài)。

圖1 摩托車(chē)雙優(yōu)點(diǎn)火電路

2 點(diǎn)火能量控制

2．1 恒壓控制過(guò)程

首先可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火恒能量即儲(chǔ)能電壓恒壓控制。

圖2是不同平衡狀態(tài)下，改變運(yùn)行值時(shí)作恒壓控制，各參數(shù)或信號(hào)時(shí)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(tài)下，各參數(shù)或信號(hào)的時(shí)序。橫坐標(biāo)為周期或磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)角，以r表示，縱坐標(biāo)為電壓。各圖中，儲(chǔ)能電壓升高至200V后，各自對(duì)應(yīng)的取樣電壓也相應(yīng)提高，分別至Ka，Kb，Kc三點(diǎn)，其時(shí)取樣電路的分壓值都到了設(shè)定的模擬比較器翻轉(zhuǎn)閥值電平 ，而對(duì)應(yīng)的磁電機(jī)轉(zhuǎn)角 ra，rb，rc，因電池電壓高低而不同。不同的充電速度下，可調(diào)升壓電路每周期的工作時(shí)值不同，但都在儲(chǔ)能設(shè)定值即200V(或更低)后即停止運(yùn)行，使儲(chǔ)能電壓恒定。向上的箭頭表示，儲(chǔ)能電壓到比較器翻轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)值后，經(jīng)一系列的反饋使自身停止上升的過(guò)程:儲(chǔ)能電壓升高，取樣電壓至設(shè)定閥后，單片機(jī)的升壓控制信號(hào)停止，升壓電路停運(yùn)，充電脈沖消失，儲(chǔ)能電壓停止上升。恒壓控制中還可以加入占空比調(diào)節(jié)。恒壓不是最優(yōu)能量。

圖2 恒壓控制下各參數(shù)變化及信號(hào)時(shí)序圖

2．2 點(diǎn)火能量最優(yōu)控制

以工程經(jīng)驗(yàn)確定各種工況點(diǎn)火所需的最優(yōu)儲(chǔ)能電壓，建立工況－最優(yōu)點(diǎn)火能量數(shù)學(xué)模型。為系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，數(shù)學(xué)模型可以只采用主要因素，如轉(zhuǎn)速、加速度等。設(shè)置工況因素檢測(cè)，統(tǒng)稱(chēng)輔助檢測(cè)，其中一些因素如轉(zhuǎn)速等，無(wú)需另設(shè)測(cè)量電路。

最優(yōu)控制以恒壓控制原理為基礎(chǔ)。周期開(kāi)始即測(cè)量輔助參數(shù)，從數(shù)學(xué)模型中獲知當(dāng)前各工況參數(shù)下最優(yōu)儲(chǔ)能電壓值。同時(shí)持續(xù)測(cè)量?jī)?chǔ)能電壓狀態(tài)，待儲(chǔ)能電壓上升至模擬比較器翻轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)獲得即時(shí)時(shí)刻、電壓及升壓速率，據(jù)此及數(shù)學(xué)模型指示的最優(yōu)值計(jì)算出儲(chǔ)能電壓上升所需時(shí)間，待時(shí)間到達(dá)即停止升壓。比較器在周期內(nèi)過(guò)早或過(guò)晚翻轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過(guò)占空比調(diào)節(jié)。過(guò)程形成對(duì)儲(chǔ)能電壓的閉環(huán)控制，電池電壓及調(diào)節(jié)等因素對(duì)能量提供的影響在對(duì)比較器的檢測(cè)中得到反映。

3 電路設(shè)計(jì)及器件選擇

3．1 新型電路的構(gòu)思

采用單片機(jī)后，點(diǎn)火器的作用可以理解為，在一定的時(shí)空內(nèi)，按照點(diǎn)火系統(tǒng)原理目的，對(duì)一些物理量作測(cè)量控制。設(shè)計(jì)了幾種能量平衡即最優(yōu)控制所必需，軟硬件相結(jié)合的新型電路。升級(jí)關(guān)鍵元件，應(yīng)對(duì)點(diǎn)火能量的增大。

3．2 計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換率及輸出大范圍可調(diào)的特性。計(jì)算機(jī)對(duì)變壓器的控制信號(hào)為方波，使變壓器初級(jí)電流不是通常近似正弦波。初級(jí)電流具有極高的變化率，使升壓比增大，功率增大;控制信號(hào)的占空比可大范圍調(diào)節(jié)，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(chǔ)能電容在點(diǎn)火周期內(nèi)高速提供所需能量，特別是能在低電池電壓下形成高儲(chǔ)能電壓，這是能量平衡理論的物理基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)升壓電路不能做到的。

3．3 儲(chǔ)能電壓開(kāi)關(guān)式測(cè)量電路

比較器以單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定電壓為基準(zhǔn)，在上升的、經(jīng)分壓的儲(chǔ)能電壓作用下翻轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生中斷。中斷時(shí)刻計(jì)算機(jī)測(cè)得儲(chǔ)能電壓狀態(tài)的全部信息。該信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，用于儲(chǔ)能電壓控制，解決了對(duì)高速變化的儲(chǔ)能電壓作測(cè)量控制的難題。和新升壓電路一樣，硬件和軟件相結(jié)合的復(fù)雜功能，超越了單純的硬件電路。圖1中儲(chǔ)能電壓分壓后，接單片機(jī)內(nèi)部比較器反向輸入端。

3．4 單路輸出的點(diǎn)火信號(hào)整形電路

帶有單片機(jī)的直流點(diǎn)火器，點(diǎn)火信號(hào)整形電路都是復(fù)雜的雙路輸出，將點(diǎn)火信號(hào)的正負(fù)半波都采集到計(jì)算機(jī)。這種電路不會(huì)獲得更多發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。圖1的設(shè)計(jì)將整形電路的元件數(shù)減少到了1/3，同時(shí)采集到足夠的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。

3．5 元器件升級(jí)

1)采用場(chǎng)效應(yīng)管代替達(dá)林頓，不但可通過(guò)大3倍的電流，還因?yàn)閮?nèi)阻降低到可以忽略，大大提高電路轉(zhuǎn)換效率。電池因各種原因輸出降低，如到7．5V時(shí)，現(xiàn)有震蕩電路達(dá)林頓管及其附加電路會(huì)產(chǎn)生2．5V的損失，實(shí)際有效電壓是5V。而本技術(shù)則可忽略這個(gè)損耗，有效電壓仍然是7．5V。比現(xiàn)有技術(shù)提高了效率50%及能量提高1倍，且無(wú)發(fā)熱。低溫低壓下此性能更是至關(guān)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(guò)能力。

3)采用1．5－2．5μF 儲(chǔ)能電容，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速下儲(chǔ)能電壓250V(可選)，中低速運(yùn)行段，可設(shè)計(jì)為200V，怠速則稍高，實(shí)用儲(chǔ)能量比通常的直流點(diǎn)火器增大50～100%。

3．6 最優(yōu)提前角

雙優(yōu)點(diǎn)火器同時(shí)包含了最優(yōu)提前角和最優(yōu)點(diǎn)火能量。點(diǎn)火提前角的原理簡(jiǎn)單，對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，只是一個(gè)輸出口的負(fù)擔(dān)。如果只為最優(yōu)提前角而采用單片機(jī)，是資源的浪費(fèi)。雙優(yōu)點(diǎn)火器能夠更多地發(fā)揮單片機(jī)功能。

3．7 雙優(yōu)點(diǎn)火器的可靠性

雙優(yōu)點(diǎn)火器大幅度提高了產(chǎn)品性能，且不以其他性能的降低為代價(jià)。大大提高了采用單片機(jī)的點(diǎn)火器所具有的可靠性和成熟度。從點(diǎn)火器電路全圖構(gòu)造和原理，就可以看出，這二個(gè)指標(biāo)也是雙優(yōu)點(diǎn)火器的優(yōu)勢(shì)。

4 CDI差時(shí)點(diǎn)火電路

CDI點(diǎn)火電路的優(yōu)勢(shì)超越電感點(diǎn)火，但其放電時(shí)間較電感點(diǎn)火器短，后者被認(rèn)為較適合燃燒速度慢的稀薄或過(guò)濃油氣霧。為此，設(shè)計(jì)了雙電容差時(shí)點(diǎn)火技術(shù)，使CDI在放電速度上向電感點(diǎn)火靠近，如圖3所示。

雙電容可以做到分別放電，間隔稱(chēng)為差時(shí)。調(diào)整電容量及差時(shí)值，與電感點(diǎn)火的實(shí)際效果比較，使二者在燃燒效率、排放上產(chǎn)生相近的效果。這便是差時(shí)點(diǎn)火的作用原理。

這種點(diǎn)火技術(shù)的初步方案，較早時(shí)已初步提出，因超前當(dāng)時(shí)市場(chǎng)需求，未經(jīng)深入開(kāi)發(fā)及無(wú)相應(yīng)的控制技術(shù)支持，沒(méi)有及時(shí)推廣。實(shí)際上，差時(shí)點(diǎn)火作為一種較高級(jí)的點(diǎn)火技術(shù)，是需要計(jì)算機(jī)技術(shù)、硬件和點(diǎn)火功能原理之間良好的結(jié)合作基礎(chǔ)的。若無(wú)準(zhǔn)確的點(diǎn)火能量配置為條件，增加差時(shí)點(diǎn)火功能，不能顯出其優(yōu)勢(shì)。能量平衡控制具備采用差時(shí)點(diǎn)火技術(shù)的良好條件。

圖3 摩托車(chē)CDI差時(shí)雙優(yōu)點(diǎn)火電路

電感點(diǎn)火的放電時(shí)間可以持續(xù)10μs以上，但其放電電壓其實(shí)是很快下降的，約5μs即下降至50%，并繼續(xù)下降，迅速失去點(diǎn)燃力。因此，持續(xù)放電時(shí)間超過(guò)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(diǎn)火常令人不滿(mǎn)意的原因所在。而差時(shí)點(diǎn)火，第二次點(diǎn)火的放電電壓與第一次相近，仍有很強(qiáng)的點(diǎn)燃油霧能量。在第一次火花的作用剛消失，即啟動(dòng)第二次點(diǎn)火。若第一次點(diǎn)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(diǎn)火成功。如第一次點(diǎn)火已成功，則第二次點(diǎn)火接續(xù)了第一次的作用，毫無(wú)疑問(wèn)相當(dāng)于延長(zhǎng)了放電時(shí)間，既具備了電感點(diǎn)火的放電特性，又能減少或消除缺火。與電感放電不同，差時(shí)時(shí)值并非固定，而可隨工況調(diào)整，以更適合不同油氣濃度、工況。最優(yōu)能量控制配上差時(shí)點(diǎn)火，使CDI點(diǎn)火性能趨于完美，全面超越電感點(diǎn)火。

5 實(shí)用效果與應(yīng)用前景

雙優(yōu)點(diǎn)火器的性能與點(diǎn)火能量平衡控制理論的要求完全一致。

在單片機(jī)獲得最低工作電壓的情況下，點(diǎn)火能量就是當(dāng)前工況所需最優(yōu)的、無(wú)需擔(dān)憂(yōu)的。如電池電壓7．0V～15V以上范圍內(nèi)，點(diǎn)火電壓與電池電壓變化無(wú)關(guān)。由于閉環(huán)控制的作用，產(chǎn)品個(gè)體間一致性很高，偏差小于5%。采用低工作電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)時(shí)，可在更低電池電壓下實(shí)現(xiàn)高性能平衡控制。設(shè)置環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度補(bǔ)償，儲(chǔ)能電壓溫度補(bǔ)償曲線(xiàn)為－0．7V/℃。因此電池“7．0V，零下20℃”時(shí)啟動(dòng)點(diǎn)火，儲(chǔ)能電壓比電池“15V，氣溫50℃”時(shí)反而要高50V，增加了50%的能量。確保發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)，從根本上解決了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)久以來(lái)無(wú)法觸及的低溫低電池電壓下啟動(dòng)的技術(shù)難題。

強(qiáng)大準(zhǔn)確的點(diǎn)火能量，改善怠速、中低速段發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)能效提高。利于節(jié)能減排，降低污染排放，使汽油機(jī)排放易于達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)。也利于控制發(fā)動(dòng)機(jī)高速段溫升和排放。動(dòng)力增強(qiáng)，加速有力，運(yùn)行平穩(wěn)?？梢耘渲么髢?chǔ)能電容，用于大排量摩托車(chē)。

由于工作原理就包含對(duì)電池電壓的補(bǔ)償，無(wú)需采取任何浪費(fèi)能量的限壓措施，所有電池能量都得到利用。

雙優(yōu)點(diǎn)火器點(diǎn)火，功率強(qiáng)大可控，技術(shù)性能完備，還可以采用差時(shí)點(diǎn)火技術(shù)，在與電感點(diǎn)火比較中取得全面優(yōu)勢(shì)。

雙優(yōu)點(diǎn)火器是綜合技術(shù)，同時(shí)有多個(gè)概念、技術(shù)方法、電路和計(jì)算機(jī)算法的深入創(chuàng)新，使CDI點(diǎn)火電路發(fā)展成為一種復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)量控制儀。其電路設(shè)計(jì)先進(jìn)，元件總數(shù)減少50%，功能、性能、可靠性臻于完美，形成新一代點(diǎn)火電路。用于摩托車(chē)，可提高技術(shù)含量和附加值，必將成為中外摩托車(chē)的基本配置之一。

對(duì)雙優(yōu)點(diǎn)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(shù)方案。

1 曹揚(yáng)慶．MH－214溶解氧測(cè)定儀［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，1993(7):14～17

2 曹楊慶．摩托車(chē)點(diǎn)火器脈沖整形電路:中國(guó)，ZL 201120419394．6［P］．2012 －11 －21

3 曹楊慶．汽油機(jī)等壓恒壓及多因素補(bǔ)償點(diǎn)火電路:中國(guó)，ZL 201220048198．7［P］．2012 －02 －15

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

5 天津內(nèi)燃機(jī)研究所．發(fā)動(dòng)機(jī)多電容放電多次點(diǎn)火器:中國(guó)，ZL 02257568．5［P］．2002－09 －29