单缸汽油机点火系统创新设计

刘丕莲 李清砺 王见 宋双

摘要：伴随着能源短缺的情况愈演愈烈，我国对于车辆排放的相关规则也逐渐变得严格起来，在法律法规上添加了许多新的内容，倡导着大家要保护好环境。同时也在要求着相关企业要注重汽车发动机性能的提高，从而节约能源，起到保护环境的作用。在发动机当中，其点火系统的性能如何将会对发动机的动力性和经济性起到非常大的影响。因此在探讨如何提高发动机性能的时候，首先需要对其点火系统进行相应的改进，优化点火系统，从而改善发动机。

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.

關键词：单缸汽油机;点火系统;创新设计

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

中图分类号：TK412+.1                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0024-03

0  引言

在汽车的发动机运行的时候发动机内部的点火提前角的控制是否足够准确，将会对发动机的动力性与经济性起到一定的影响。当点火提前角过小，则容易导致活塞下行的时候，发动机内部仍然在继续燃烧着，从而导致发动机的动力性受到影响。而且当燃烧时活塞下行，燃烧气体接触到发动机的缸壁时，其接触的面积会逐渐增大，从而加大燃气热量的损失，继而影响到整体的经济性能下降。如果点火提前角过大，活塞没有到达压缩上指点的时候，缸内的压力就已经是最大值的，而此时活塞向上运行阻力会变大，消耗的功率也在增加，最终影响到发动机的动力性与经济性。因此分析与研究发动机点火系统，优化点火系统能够有助于提高发动机的动力性与经济性。

1  单缸汽油机点火控制技术现状研究

单缸汽油发动机点火技术在我国已经发展了非常长的一段时间，而且我国对于单缸汽油发动机点火技术也有着非常深的研究。从最早的有触点式的点火系统开始，后来发展到没有触点，接着再到如今的数字式点火系统等。可以发现每个阶段的点火控制技术都有着质的飞跃，但同时每个阶段的点火技术，其本身也依然存在着一些缺陷，需要等待完善。

1.1 触点式点火系统

1.1.1 蓄电池触点式点火系统

这种触点式点火系统一般采用的是直流的方式，其主要是通过机械的手段来达到发动机点火的提前调整。在该点火系统当中，其内部的设备主要有离心轮和进气歧管等。而在实际作业过程当中，该点火系统的驱动主要由离心轮和进气歧管共同来完成，对点火提前角进行改变，从而使其与当前的情况相匹配，最终起到改善发动机排放量的效果，如图1。

1.1.2 磁电机触点式交流点火系统

在该点火系统当中，其飞轮有专门的发动机曲轴和凸轮的旋转来带动，然后来控制断路器的闭合与断开。当断路器处于闭合触电的状态当中，其点火线圈充电接通;如果断路器断开则点火电源线圈中的能量会流过点火线圈，从而导致点火线圈产生感应电压会被送到火花塞当中。最后火花塞的电弧会点燃混合气体，活塞进行运动，并且促进燃烧，保持发动机的持续运行。一旦点火线圈断开发动机运转就位，立即停止下来。

这种磁电机点火系统，其设备组成较少，结构简单。但是这种磁电机点火系统在点火的时候非常依赖感应电压，当电压较低的时候，则会导致点火线圈的能量存在不足，从而造成系统处于低速时，点火能量存在不足的情况。灯系统处于高速运转的时候，则感应电压会相对的增大，从而满足点火能量。

1.1.3 触点式点火系统的缺陷

首先触点式点火系统的点火能量普遍较弱，而且其改善的空间非常有限。在当前，随着技术的发展，对于点火能量的要求越来越高，在一般情况下，点火所需要的时间应当在1毫秒左右。而采用触点式点火系统在一开始并不具备足够的能量存储，确保其能够在一毫秒内完成点火。其次在触点式点火系统当中，其火花塞在使用的过程中极为容易存在积碳的情况，并且随着时间的增加，最终会导致点火能量不断的在下降。因此，随着人们的要求越高，以及对环境保护的意识越来越强，使用触点式点火系统显然无法达到当前的要求。

1.2 无触点式电子点火系统

对于触点式点火系统，如果想要在其基础之上进行优化，是一件非常困难的事情。因此相关设计人员开发了全新的系统，也就是无触点式电子点火系统。而最早使用这种技术的是在1960年，当时晶体管技术面世，有相关设计人员把晶体管技术结合到了发动机点火系统当中，从而研发出了无触点式电子点火系统。

1.2.1 电容放电式点火系统

电容放电式点火系统分为了交流与直流两种形式。其中交流式点火系统又可以分为触发兼点火、外触发和内触发三种点火系统。交流点火系统其优点较多，不仅价格便宜，而且结构简单。但是在实际使用的过程当中，由于该点火系统的电源是专门有磁电机来进行负责，这就会导致发动机的转速会影响到点火的能量。当在不同速度的工况当中，该电容器的充电时间有的时候会出现不足的情况，尤其是在高速运转的状态当中极有可能发生点火能量不足的情况。

而直流电容放电点火系统是在交流式点火系统的基础上，进行了相应的优点，从而避免了交流点火系统当中的不足之处。在直流电容放电式点火系统当中，其增加了升压电路，而且电压也得到了提高，电容器充电电压提高了以后，能够根据不同的速度实现部分点火控制，提高了发动机的点火性能。通过统计和研究发现使用直流电容放电式点火系统，其性能得到了显著的提升，可以节约将近百分之二十的燃油而且还能有效的减少汽车的尾气排放。

1.2.2 电感放电式点火系统

电感放电式点火系统，其原理是当电源接通的时候。晶体管处于导通的状态，其内部的点火线圈会开始进行能量的储存，等到发动机进行旋转的时候，一旦达到了点火正时，电感器就会产生交变电压信号，如图2。当晶体管处于截止状态的时候，电感线圈当中的电流处于切断的状态，然后会产生高电压，从而在火花塞处产生点火电弧。因此电感应式点火系统其能量充足，而且放电时间极为充分，不过电感放电式点火系统在点火线圈上有着较高的开发要求，而且其外形也较大，因此这种点火系统大多用于排量较大的发动机上，普及率相对来说比较低，实际有使用到这种点火系统的并不多。

1.3 集成电路与微控制点火系统

电子技术的持续发展，目前集成电路的实际应用以及开发需要较高的成本，然而通过在优化以及改善后，成本逐步降低。设计者首先在技术应用中，将单气缸汽油发动机点火技术作为重点，在集成电路中设置更为高级的功能，主要是为了适应不同工况的使用，同时对点火正时展开调整。

在实际应用中，电子技术已经与汽车技术相融合。同时，单缸汽油发动机目前具有较强的功能，在实际使用中可以提高其工作效率，尤其是设计人員，在研究中应该将重点放在数字控制技术当中，同时要充分融合电脑控制技术。针对于点火系统在工作中出现的不同问题进行分析，其缺点主要来自于点火问题，在点火后能量不足以及提前点火等情况出现精确度不准，结合相关问题，设计合理的解决方案。

2  点火系统的创新设计

针对点火系统展开分析以及研究，本文主要采用了发动机型号为K157FMI的设备进行研究，此发动机设置为单缸四冲程，其排量可达到120ml。

在点火系统的设计环节，本文利用了当前最为前沿的技术微机控制点火系统，这种微机控制点火系统能够把传统点火当中的提前角的机械调节方式转换为电子控制方式，达到了很好提高发动机能够精准获得最佳点火时刻。通过使用这种微机控制点火系统，能够有效的使发动机的动力性与经济性得到提高。此点火系统控制主要由点火提前角控制和通电时间控制等组成。

2.1 硬件设计

本次设计的微机控制点火系统，其组成包含传感器等。传感器会将发动机在运行时的参数及时进行传送，达到单片机时，通过单片机所提供的数据来展开点火提前角的计算以及控制。电子控制单元也会及时接收到发动机在运行时的数据。同时根据数据来进行判断，此时可获得最佳的点火提前角。点火执行器中包含单片机所传送的信息，时电流过长，会达到一定的数值，并且单片机会对其进行控制，将初级线圈断开。刺激线圈此时已经感应到高压，为将信息传送到火花塞，此时发动机可点燃。

2.1.1 转速传感器

传感器在工作中，可以监测发动机运行的状况，同时将数据以及参数，传送到发动机位置。按照监测到的数据进行分析，其中有发动机的转速以及所出现的负荷。磁电式转速传感器在工作时，这种传感器内部结构非常简单，主要使用磁电机上所产生的磁性去触发线圈，最终组成了磁电式转速传感器。发动机在正常工作的状态下，在触发线圈时导致感应的出现，形成电动势，电动势的频率主要来自于触发凸，以及触发线圈所产生的变化率。电动势此时会出现频率波动，会出现对应关系电动势的频率，也可作为转速信号来提供发动机在转动时的信息。磁电机此时的转动速度与传感器信号匹配，同时也会形成转动时的信号。转速传感器会形成模拟波形，并且在单片机中模拟波形可以及时识别。但此时还需要有模拟转换电路的支持。以目前的形式为主，模拟信号再进行转换后，最后会变成数字信号，此时再继续转换后，可以到达发动机。系统正常点火后开始计算，信号再进行调整之后，目前已成为重要依据。

2.1.2 电子控制单元

电子控制单元可以当做接收转换信号的工具，在接受信号时，可对其展开分析，同时通过计算，得到发动机的转速。在选择点火提前角以及闭合角做到了科学合理，并且能将信号进行迅速输出。电子控制单元包含电源以及主控模块。

2.1.3 点火执行器

点火执行器能够接收电子控制单元所产生的闭合性，从而实现对线路的闭合。在选择到合适的机会后，可及时切断初级线圈，此时刺激线圈能够感应到高电压的出现，最终实现火花塞点火。火花塞、点火线圈以及点火驱动模块共同构成点火执行器。

①点火驱动模块。

单片机在进行输出时，电流会比较小，从而无法正常连接驱动点火线圈，因此需要添加专门的驱动模块用于点火。点火驱动模块主要的作用是将点火线圈及时切断，使其断电，在刺激线圈中会出现高电压，此时火花塞可以点火。

②点火线圈。

点火线圈当中主要是由初级与次级线圈共同构成。

③火花塞。

次线圈所产生的感应电动势是由火花塞接受的，也会接受中心电极和测电极所产生的火花，同时点火气缸内会产生混合气体。

2.1.4 系统工作原理

电子控制单元接通电源时，电源模块和主模块便会出现等待状态。此时发动机如果是正常运行，在其内部磁电机会出现旋转状态。磁电式转速传感器也会发出转速信号，该信号通过模拟后形成转换数据，最终达到电子控制单元。此外，电子控制单元里面有主控制模板、单片机，此时会产生转速信号，对其进行采集，根据所采集到的数据展开分析，在此工况之下，闭合角以及点火提前角会达到最佳状态，将所有的指令最终传送到点火控制器模块。

点火控制模块首先接收到单片机发送的指令后，能够对点火线圈和初级线圈进行控制，比如导通和截止。电路在导通状态下，点火线圈便会有电流产生，点火能量在存储的时候，会以磁场的形式展开。初级线圈如果被切断，此时会产生电流，也会出现感应电动势，此时火花塞中的电极之间由于电动势的作用，会出现电火花，在燃气缸内，所存在的混合气体被点燃，最终发动机可正常点火。

2.2 软件设计

2.2.1 最佳闭合角的选择

在发动机启动的时候，如果没有达到怠速转速，此时电子控制单元会默认一个闭合角，进而对初级线圈进行闭合。

当发动机达到怠速转速以上时，电子控制单元便会根据转换后的信号进行计算，并且得出需要的闭合角区间。

2.2.2 点火提前角的计算

在发动机正式启动时，如果没有达到怠速转速，电子控制单元会默认一个点火提前角。在达到怠速转速以上时，电子控制单元会根据转换后的信号进行计算，得出需要的点火提前角区间，最后从单片机的数据当中读取到合适的点火提前角。

3  结论

在单缸汽油机点火控制技术当中，最早的是触点式点火系统，这类点火系统，其结构简单，而且研发成本不高。但是这类点火系统的点火能量普遍较弱，而且无法在该基础之上进行较大的改善。后来人们开始使用起了无触点式点火系统，虽然与触点式点火系统有了较大的提升，然而这类点火系统，在实际应用的过程中，仍然存在着很多的问题，直到随着电子技术的发展，有研究者把集成电路技术应用到了单元缸的汽油发动机点火控制技术当中，研发出了集成电路与微控制点火系统。而本文的点火系统创新设计，也是基于微控制点火系统的理念之上进行设计的。通过引入微控制点火系统，能够更加有效的控制点火提前角，从而有效的提高发动机的动力性和经济性。

参考文献：

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