汽油点火系统控制的研究

汽油点火系统控制的研究

点火能量的影响小型汽车汽车具有体积小、重量轻、速度快等优点。越来越多的小型飞机、无人机和无人机广泛使用小型汽车汽车作为载体。目前，小型高速汽车汽车采用磁电机点火系统，由磁电机、点火器、火圈、芯轴、喷射等组成。磁电机不仅作为点火系统和照明信号系统的发电电源,安装在汽油机的曲轴上还起着惯性轮的重要作用。点火系统在汽油机中有着十分重要的作用,点火能量必须要足够大,否则点火能量太小,就不能点燃缸内的混合气,或者使燃烧过程过于缓慢,汽油机也无法正常运转。点火时刻或点火提前角与发动机使用工况的匹配则对发动机性能的影响更为直接,点火过早或过迟都会直接影响到发动机的经济性能和动力性能。所以,对应于给定的汽油机运行工况都存在着一个最佳点火提前角。通过试验获取汽油机的最佳点火提前角变化规律并控制汽油机尽量按最佳点火提前角的变化规律来点火始终是开发工程师们所追求的目标之一。李志军先生提出了由速度来控制点火提前角,谭文春博士提出控制信号直接由单片机的控制单元根据发动机的转速和负荷即节气门开度给出来控制点火提前角,下面将介绍常用的点火系统的发展现状和趋势。一、小型推广使用周期后不要更换第2次八十年代以后,磁电机点火系统的发展很快。首先它经历了从有触点点火系统到目前普遍使用的无触点点火系统的历史性技术革新。因为在有触点点火系统中,其触点因机油污损或烧蚀等原因常引起触点接触不良和断电不良等故障,可靠性差,所以需要进行经常性的检查和保养,到了使用周期后应该更换新品,十分不便。这无疑也制约着小型内燃机无故障里程数的提高。无触点点火系统由于无需保养,成本不高,技术上也不复杂,所以很快被推广使用。现在的小型汽油机几乎全部都使用这种无触点点火系统。无触点点火系统的出现是小型汽油机点火系统的一次革新,也为目前常用的晶体管点火器、电容放电点火器以及目前正在努力推广的数字式点火器的开发成功奠定了基础。二、冲程汽油点火无触点磁电机电容放电点火系统的出现基本上满足了二冲程和中小排量四冲程汽油机的点火要求。该系统采用磁电机发出的电流为电容充电,由于电容放电能产生强大的电火花,而且次级电流上升快,对高速汽油机十分有利,而且也有利于防止火花塞污损。这些特点与二冲程汽油机的特殊要求极其吻合,所以高性能二冲程汽油机大多使用这种点火方式。由于这类点火系统结构简单、工作可靠,我国又能自己生产,所以,我国生产的摩托车(不管是二冲程还是四冲程)等小型汽油机绝大部分都采用了这类点火系统。电容放电点火系统虽然火花强,但放电时间短,这样,在汽油机低速或混合气较稀时就不易点燃混合气。另外,磁电机方式的固有缺点是低速时电流弱、点火能量小。它的这个缺点也使得高性能大排量的四冲程汽油机大多采用无触点蓄电池式晶体管点火系统。三、点火系统的改进无触点蓄电池式晶体管点火系统采用蓄电池供电,利用晶体管的导通和截止特性,在需要点火时瞬间地导通点火初级线圈,从而在次级线圈上感应产生出高电压,由此在火花塞得到很强的电火花。晶体管点火器的点火性能稳定,火花强,放电时间相对较长,而且在发动机转速较低时也能保证可靠点火。在该系统中,磁电机发出的三相交流电经过整流调压器向蓄电池充电,这样可以充分利用磁电机产生的电能。国外的中大排量四冲程汽油机基本上采用这类点火系统。我国生产的一些高性能四冲程汽油机也采用了这种点火系统,如轻骑集团生产的GS125摩托车。但目前我国使用的晶体管点火器主要依靠进口,市场上还不见国产产品。四、点火控制进角电气进角是通过无触点磁电机中的触发线圈感应出交变信号电压并由电子点火器中电子电路控制点火控制点火提前角。电气进角主要有两种进角方式:利用转速上升,电压增高来实现进角的“波形进角方式”;利用转速上升时波形间隔时间缩短来实现进角的“电子进角”(演算进角方式)。电子进角根据其演算手段又分为模拟式和数字式。1.转速对点火提前角的影响图1示出了波形进角的原理与特性,如图1a)所示。因为在低速时触发线圈感应产生触发信号的电压低,发动机需转至转角1θ时,触发线圈感应产生的触发信号电压方可达到可控硅的触发电压。当发动机转速升高时,磁电机触发线圈感应产生的触发电压也随之升高。此时,发动机转至转角1Nθ2处,磁电机触发线圈感应产生的触发信号电压就已经达到了可控硅的触发电压,这就是说,发动机在高速时的点火角是2θ,而在低速时的点火角是1θ,高速时的点火提前角θ2比低速时的点火提前角1θ有所提前,两个点火提前角之差1θ-θ2即为两个不同发动机转速下的点火提前角的进角量。点火提前角随发动机转速的不断上升,并不是无限制的增大。由图2.3b)所示的点火提前角特性曲线可见,点火提前角随磁电机转速的升高而增大。当磁电机的转速达到某一转速时,由于磁电机产生的电压在这一转速上已达到饱和,电压不再随转速的增加而增加,点火提前角也不再继续增大,所以这种进角方式在高速区域点火提前角特性趋于平坦。由上所述,这种方式的点火提前角的变化受触发电压高低的控制,而触发电压的高低又受磁电机中磁刚的磁性能、线圈的参数和磁电机气隙等多方面的影响,在点火系统的制造中任何方面的误差,都会使点火提前角特性出现误差。但是由于这种磁电机具有结构简单,可靠性高,成本低和免维护等多方面的优点,在目前几乎90%以上的摩托车都使用这种进角方式。2.模拟式电子进角和数字点火器电子进角的原理与特性如图2所示。图中所绘为发动机的点火提前角特性,图中左侧为磁电机的触发信号波形。从发动机起动时到转速达到1n为止的点火提前角为1θ。转速从1n到2n期间,点火提前角从1θ进角到θ2,转速超过2n后的点火提前角为θ3。为了实现这样的点火提前角特性,需要在1θ和θ3处产生信号,转速在区域I中,用1θ的信号控制点火。转速在区域II-III的范围内,用比最大进角θ2更提前的点火提前角信号θ3的信号为基准来设定点火提前角,使之延迟时间T点火。因为θ3的角度为预先设定,是个已知数,如果知道转速,则延迟时间T就能通过计算求出。如图2.4所示,T22和T21的时间是不同的,即使是同一点火提前角θ2,由于转速不同,延迟时间T31,T32,T33也都是不同的。总之,与转速大小相反,有T31>T32>T33的关系。利用电容器充放电来实现这一延迟时间T的计算称为模拟式进角。利用微机来计算的称为数字式进角。模拟式电子进角点火系统,其进角特性主要是通过磁电机中的点火器来实现。典型的点火器的电路如图3所示,,模拟式电子进角电路相比显得要复杂一些。电路中除使用了电阻R,电容C,二极管D和可控硅SCR以外,还用到了专用集成电路IC,稳压二极管Z和晶体管等电子元器件。目前多用4213型集成电路,这种IC采用14线双列直插式封装。内部线路300多元器件,有偏置电路,时间延迟电路,放大器,比较器和内置稳压电路等多种电路。电子进角原理如图4所示。当发动机工作时,磁电机触发线圈提供的触发信号PC,从2端输入,经正电流脉冲放大器和电压脉冲驱动器,使11端和12端电压波形前沿幅度为11端电压波形前沿幅度的1/2。在正脉冲结束后,按阻容时间常数11端缓慢放电,12端继续充电。在发动机转速较低时,当PC负脉冲下降沿到来时,负电流脉冲放大器开始工作,打开进角控制开关,进角脉冲发生器使11端迅速放电,并在10端输出一个幅度为3V左右的正脉冲,这个脉冲即触发可控硅SCR的进角触发脉冲。发动机转速较高时,13端由外接阻容元件确定的积分电压波形通过进角电压比较器10端产生一个和低速工作时间相同的进角触发脉冲,但此触发脉冲的相位超前于PC脉冲的下降沿。这样就实现了随发动机转速变化自动调整点火提前角的功能,进角积分器控制开关在PC负脉冲下降沿,使13端的外接积分器迅速放电,待PC脉冲结束后,13端重新按阻容积分时间常数充电。进角脉冲随PC脉冲频率(对应于发动机转速)变化关系如图5所示。(如何设计点火器使汽油机在整个运行范围内实现最佳点火始终是点火器开发者的追求目标。对大排量的高速汽油机有必要综合考虑汽油机转速、节气门开度、环境温度和压力等重要参数对最佳点火的影响,从而采用发动机中央管理系统。如前所述,由于在点火控制电路中采用模拟电路,模拟式点火器所控制的点火提前角特性只能大致接近而很难达到最佳值。要实现汽油机在整个运行范围内的最佳点火就必须采用数字控制电路,这种数字式点火器被称为第三代点火器。由于数字式点火器采用了单片机控制电路,故能按照任意给定的点火提前角曲线控制点火。因此,只要获取汽油机的最佳点火提前角规律,数字式点火器即可保证其最佳点火。4.点火最佳提前角规律(1)采用单片机数字电路对点火器点火进行控制,使发动机在任何转速下都能按照预先设定的最佳点火提前角变化规律进行工作。(2)点火时刻更精确,且点火角调整范围大,可以在8度-45度之间调整(而一般点火器仅为10度-35度)。(3)根据一些的试验表明:进一步改善了发动机的技术性能,工作稳定可靠,可提高输出功率2%左右,节省燃油15%左右。五、电