基于無觸點式單缸小型汽油機電子點火系統的設計

陳興宇

摘 要：文章在傳統汽油機點火系統的基礎上進行了改良，設計了基于無觸點式電子點火系統原理的單缸小型汽油機點火系統?？偨Y市場上現有的汽油機點火系統的成熟技術，并對市場上的產品做了調研，作者基于現有的成熟的理論，對技術落后的單缸小型汽油機點火系統進行改良設計，使其在成本增加不大的基礎之上，性能有一定的提升，具有明顯的技術進步。

關鍵詞：汽油機；無觸點式；點火系統

引言

從內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，內燃機對人類的發展起到了不可替代的作用，廣泛用于各國人民的國民生產之中。在這當中，內燃機更是作為最有效的動力源為人類提供服務。20世紀末期，隨著人類對內燃機的技術要求的不斷提高，內燃機的技術有了革命性的變化。在不斷追求動力性能、經濟性能、排放性能及可靠性能等要求下，各種多學科多領域的新技術被用于內燃機的設計開發之中，其中電子技術的應用，使得內燃機有了革命性的變化，使得內燃機由傳統的機械化的產品變為了機電混合的產品。不論是汽油機還是柴油機，正是因為電子技術在發動機中的使用，才使得后期的新技術應用于發動機成為了可能。

汽油機和柴油機同為內燃機，盡管有很多相似之處，但又有各自的技術特點。其中最為顯著的區別之一即為汽油機獨有的點火系統。汽油機獨有的點火系統，在汽油機的發展歷史之中，從最初的純機械結構的點火系統，發展到今天的電子點火系統，其中經歷了多次的更新換代及設計升級改良。可以說正是由于電子技術的大發展，才有了今天這種近乎完美的車用點火系統。

由于內燃機行業的發展及電子技術的進步，車用汽油機電子點火系統在今天已經有了完整的理論依據和技術支持，早已做到產業化的生產。但是在如今的市場之中，車用汽油機電子點火系統的設計生產，絕大多數都是由外資企業來掌握，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，幾乎全部都由（Bosch、Delphi、Continental、UAES、DENSO）這樣的外資技術巨頭來掌握。在某些特殊的汽油機之中，點火系統甚至還是傳統的機械式點火系統，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具有自主技術水平的汽油機電子點火系統。

文章對現有的已經成熟的發動機點火系統進行分析，介紹了點火系統的結構組成和工作原理，著重剖析了電子技術應用于發動機點火系統的技術方案，并以此為理論依據，設計了單缸小型汽油機點火系統。

1 設計背景、對象、方案的選擇

1.1 設計背景

通過前文的論述，作者詳細分析了點火系統的歷史發展，對三種點火系統從組成結構、工作原理、各自優缺點這三個方向進行了系統的闡述和分析。在此之上著手設計點火系統。

1.2 設計對象

作者對市場中汽油機進行了調查，汽油機主要使用在乘用車量、少數商用車輛之中，在這兩個領域中汽油機的使用量是最大的，因此技術也特別完善，點火系統的開發設計生產已經完全商業化，技術上相當成熟先進。但在某些特殊的領域，汽油機依然有一定的市場，如各種摩托車量，農具（割草機、抽水機等）、小型航空器材等，在這些領域，汽油機是絕對的主力產品，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，所以此領域的汽油機在技術上相對落后，多年來沒有大的發展進步，特別是點火系統，幾乎還是采用傳統的蓄電池點火系統（機械式點火系統），因此在技術上有很大的提升空間。故本設計方案，主要的設計使用對象即為這些領域所使用的單缸小型汽油機。

1.3 設計方案

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

（1）有觸點式電子點火系統盡管在蓄電池點火系統（機械式點火系統）的基礎之上設計改良繼承性好，但是觸電的限制問題（前文有述），至使設計改良后在技術上、性能上、壽命上的提升空間不大，故不適宜采用此類設計方案。

（2）微機控制的電子點火系統，雖然在理論上、技術上很先進，且廣泛用于車用汽油機點火系統。但是其設計復雜（需要加入一系列的傳感器、執行器、控制單元），僅僅有基礎的硬件還不夠，必須依靠大量的控制程序、軟件、數據進行支持。且開發過程之中，必須進行發動機試驗（進行發動機的標定），之后才能設計定型，過程繁雜周期長。從開發成本的角度來看，此類開發，開發成本高，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（產品成本低），微機控制的電子點火系統可能成本上就占據了產品成本的一半，故不宜采用此類設計方案。

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

（4）由于單缸小型汽油機點火系統的使用對象多為各種摩托車量，農具（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很復雜的工況（車用汽油機所需適應匹配的為面工況，而割草機、抽水機等可能僅僅需要適應匹配點工況、線工況即可），這樣的話，由于適應匹配的工況不復雜，因此不會對點火提前角和點火閉合角的調整提出苛刻的要求，原有的機械式的點火提前調節裝置不必改變。

綜上所述，選擇了基于無觸點式電子點火系統原理的設計方案。

2 本設計的系統基本工作原理

在原有的單缸機點火系統【蓄電池點火系統（機械式點火系統）】的上進行改良設計，本設計的基本工作原理如圖1所示。

系統的高電壓產生原理依靠變壓器原理，即點火線圈為一個固定匝數的變壓器。當點火線圈的初級繞組充電時，點火線圈周圍產生磁場；斷電時，磁場變化消失，次級繞組之上高壓電動勢由此感應而來，高壓電流通過后續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），而點火器的觸發依靠點火信號發生器來完成。這里選用磁電式點火信號發生器，來產生信號源，觸發點火器。

點火信號發生器的運動是機械式的，依靠發動機的凸輪軸來帶動，這樣就可以源源不斷地產生觸發信號了，從而保證發動機能夠順利運行。由于此機械結構設計復雜，本設計主要側重電路部分，這里具體結構就不論述了。

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

3 磁電式點火信號發生器的信號產生原理

磁電式點火信號發生器的具體結構如圖2所示。

圖2 脈沖信號產生原理的示意圖

由于設計的對象為單缸小型汽油機，發動機僅僅只有一個氣缸，故信號轉子之上只有一個凸齒。永磁鐵中的磁通，經信號轉子之上的凸齒和線圈圍繞的鐵芯構成了回路。當信號轉子由凸輪軸帶動轉動之時，凸齒和線圈圍繞的鐵芯間的空氣間隙發生了改變，磁通量改變，交變的感應電動勢由此在線圈上產生。

傳感器產生的脈沖如圖3所示。

圖3 產生的脈沖信號示意圖

4 本設計的硬件電路及電路工作原理

4.1 本設計的硬件電路及說明

圖4是本設計的具體的硬件電路。

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

穩壓管VD4與三極管VT4的電路并聯，這樣設計的目的在于，切斷低壓電路時，瞬時的感應高壓，會破壞擊穿三極管VT4，采用并聯穩壓管的方式保護。

對于信號源電路的處理（即磁電式脈沖信號發生器的電路），這里設計為用電容器C2進行信號濾波；用兩個反向串聯的穩壓管并聯于信號源脈沖產生的電路上，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，起動發動機，磁電式點火信號發生器的信號轉子在發動機凸輪軸的帶動下不斷運轉，此時磁電式點火信號發生器將不斷地產生正負信號脈沖。

當正的信號脈沖產生時，觸發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由原先的開啟狀態變為截止狀態。

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導通。三極管VT4的導通，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，產生磁場。

當負的信號脈沖產生時，由于二極管VD5的單向導通作用，致使觸發信號被阻隔。三極管VT1基極由于沒有觸發高電壓，致使三極管VT1無法導通。

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生變化，磁場減弱消失，次級繞組處于變化的磁場之中，產生感應電動勢，次級電路中的感應電流在感應高壓電動勢的作用下，最終通過后續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。