摩托车CDI双优点火器

曹杨庆

(中煤科工集团杭州研究院 浙江杭州 311201)

引言

点火器输出提前角和点火能量，二者对发动机的运行同等重要，都应与发动机工况匹配。在采用计算机技术后，因为原理简单，提前角的优化变得非常容易。但在能量输出上，由于技术复杂，迄今国内外尚无法在发动机全工况范围，做到供需适配。而低温，低电池电压及启动工况，点火器只能提供所需能量的不足1/10。因点火能量不匹配而导致发动机效率降低、排放增加及不利情况下点火困难是常态。

1 双优点火器电路构造

摩托车双优点火器依据CDI点火能量平衡理论设计。该理论对包括启动在内的全工况及电池电压的大范围内，实现最优提前角和最优点火能量控制。电路组成与传统点火电路基本相同，见图1，包括控制电路等，并增设了一个测量电路。

其中输出功率可调的升压电路和储能电压测量电路专为能量平衡而设计。前者的原理是:驱动电路受控制电路即单片机输出的占空比可变的方波控制，通过启停及控制信号的占空比，使变压器初级断续地接通电流。次级感应出高压，向储能电路充电，改变占空比可改变输出功率。而测量电路，是一个比较器，测量储能电压所处状态。

图1 摩托车双优点火电路

2 点火能量控制

2．1 恒压控制过程

首先可以实现点火恒能量即储能电压恒压控制。

图2是不同平衡状态下，改变运行值时作恒压控制，各参数或信号时序示意图。并列的A，B，C三幅小图分别表示不同升压电路状态下，各参数或信号的时序。横坐标为周期或磁电机旋转角，以r表示，纵坐标为电压。各图中，储能电压升高至200V后，各自对应的取样电压也相应提高，分别至Ka，Kb，Kc三点，其时取样电路的分压值都到了设定的模拟比较器翻转阀值电平 ，而对应的磁电机转角 ra，rb，rc，因电池电压高低而不同。不同的充电速度下，可调升压电路每周期的工作时值不同，但都在储能设定值即200V(或更低)后即停止运行，使储能电压恒定。向上的箭头表示，储能电压到比较器翻转的对应值后，经一系列的反馈使自身停止上升的过程:储能电压升高，取样电压至设定阀后，单片机的升压控制信号停止，升压电路停运，充电脉冲消失，储能电压停止上升。恒压控制中还可以加入占空比调节。恒压不是最优能量。

图2 恒压控制下各参数变化及信号时序图

2．2 点火能量最优控制

以工程经验确定各种工况点火所需的最优储能电压，建立工况－最优点火能量数学模型。为系统简洁，数学模型可以只采用主要因素，如转速、加速度等。设置工况因素检测，统称辅助检测，其中一些因素如转速等，无需另设测量电路。

最优控制以恒压控制原理为基础。周期开始即测量辅助参数，从数学模型中获知当前各工况参数下最优储能电压值。同时持续测量储能电压状态，待储能电压上升至模拟比较器翻转，计算机获得即时时刻、电压及升压速率，据此及数学模型指示的最优值计算出储能电压上升所需时间，待时间到达即停止升压。比较器在周期内过早或过晚翻转时，可以通过占空比调节。过程形成对储能电压的闭环控制，电池电压及调节等因素对能量提供的影响在对比较器的检测中得到反映。

3 电路设计及器件选择

3．1 新型电路的构思

采用单片机后，点火器的作用可以理解为，在一定的时空内，按照点火系统原理目的，对一些物理量作测量控制。设计了几种能量平衡即最优控制所必需，软硬件相结合的新型电路。升级关键元件，应对点火能量的增大。

3．2 计算机控制的直流升压电路

新升压电路，具有输出能量大、高升压比、高转换率及输出大范围可调的特性。计算机对变压器的控制信号为方波，使变压器初级电流不是通常近似正弦波。初级电流具有极高的变化率，使升压比增大，功率增大;控制信号的占空比可大范围调节，变压器的功率变化范围加大。在不利能量输出的条件下为储能电容在点火周期内高速提供所需能量，特别是能在低电池电压下形成高储能电压，这是能量平衡理论的物理基础，是传统升压电路不能做到的。

3．3 储能电压开关式测量电路

比较器以单片机内部设定电压为基准，在上升的、经分压的储能电压作用下翻转，计算机产生中断。中断时刻计算机测得储能电压状态的全部信息。该信息经计算机处理后，用于储能电压控制，解决了对高速变化的储能电压作测量控制的难题。和新升压电路一样，硬件和软件相结合的复杂功能，超越了单纯的硬件电路。图1中储能电压分压后，接单片机内部比较器反向输入端。

3．4 单路输出的点火信号整形电路

带有单片机的直流点火器，点火信号整形电路都是复杂的双路输出，将点火信号的正负半波都采集到计算机。这种电路不会获得更多发动机运动状态信息。图1的设计将整形电路的元件数减少到了1/3，同时采集到足够的发动机运动状态信息。

3．5 元器件升级

1)采用场效应管代替达林顿，不但可通过大3倍的电流，还因为内阻降低到可以忽略，大大提高电路转换效率。电池因各种原因输出降低，如到7．5V时，现有震荡电路达林顿管及其附加电路会产生2．5V的损失，实际有效电压是5V。而本技术则可忽略这个损耗，有效电压仍然是7．5V。比现有技术提高了效率50%及能量提高1倍，且无发热。低温低压下此性能更是至关重要。

2)采用BT151可控硅电路，比通常的X0405具有大3倍的电流通过能力。

3)采用1．5－2．5μF 储能电容，启动转速下储能电压250V(可选)，中低速运行段，可设计为200V，怠速则稍高，实用储能量比通常的直流点火器增大50～100%。

3．6 最优提前角

双优点火器同时包含了最优提前角和最优点火能量。点火提前角的原理简单，对单片机来说，只是一个输出口的负担。如果只为最优提前角而采用单片机，是资源的浪费。双优点火器能够更多地发挥单片机功能。

3．7 双优点火器的可靠性

双优点火器大幅度提高了产品性能，且不以其他性能的降低为代价。大大提高了采用单片机的点火器所具有的可靠性和成熟度。从点火器电路全图构造和原理，就可以看出，这二个指标也是双优点火器的优势。

4 CDI差时点火电路

CDI点火电路的优势超越电感点火，但其放电时间较电感点火器短，后者被认为较适合燃烧速度慢的稀薄或过浓油气雾。为此，设计了双电容差时点火技术，使CDI在放电速度上向电感点火靠近，如图3所示。

双电容可以做到分别放电，间隔称为差时。调整电容量及差时值，与电感点火的实际效果比较，使二者在燃烧效率、排放上产生相近的效果。这便是差时点火的作用原理。

这种点火技术的初步方案，较早时已初步提出，因超前当时市场需求，未经深入开发及无相应的控制技术支持，没有及时推广。实际上，差时点火作为一种较高级的点火技术，是需要计算机技术、硬件和点火功能原理之间良好的结合作基础的。若无准确的点火能量配置为条件，增加差时点火功能，不能显出其优势。能量平衡控制具备采用差时点火技术的良好条件。

图3 摩托车CDI差时双优点火电路

电感点火的放电时间可以持续10μs以上，但其放电电压其实是很快下降的，约5μs即下降至50%，并继续下降，迅速失去点燃力。因此，持续放电时间超过5μs，火花的平均功率急速下降，能量大幅度分散，这从功率的定义就可知道。这也是电感点火常令人不满意的原因所在。而差时点火，第二次点火的放电电压与第一次相近，仍有很强的点燃油雾能量。在第一次火花的作用刚消失，即启动第二次点火。若第一次点火未成，电极及电极间油气温度已升高，再次放出高能，易使点火成功。如第一次点火已成功，则第二次点火接续了第一次的作用，毫无疑问相当于延长了放电时间，既具备了电感点火的放电特性，又能减少或消除缺火。与电感放电不同，差时时值并非固定，而可随工况调整，以更适合不同油气浓度、工况。最优能量控制配上差时点火，使CDI点火性能趋于完美，全面超越电感点火。

5 实用效果与应用前景

双优点火器的性能与点火能量平衡控制理论的要求完全一致。

在单片机获得最低工作电压的情况下，点火能量就是当前工况所需最优的、无需担忧的。如电池电压7．0V～15V以上范围内，点火电压与电池电压变化无关。由于闭环控制的作用，产品个体间一致性很高，偏差小于5%。采用低工作电压单片机时，可在更低电池电压下实现高性能平衡控制。设置环境和发动机温度补偿，储能电压温度补偿曲线为－0．7V/℃。因此电池“7．0V，零下20℃”时启动点火，储能电压比电池“15V，气温50℃”时反而要高50V，增加了50%的能量。确保发动机顺利启动，从根本上解决了国内外长久以来无法触及的低温低电池电压下启动的技术难题。

强大准确的点火能量，改善怠速、中低速段发动机燃烧，发动机能效提高。利于节能减排，降低污染排放，使汽油机排放易于达到新标准。也利于控制发动机高速段温升和排放。动力增强，加速有力，运行平稳。可以配置大储能电容，用于大排量摩托车。

由于工作原理就包含对电池电压的补偿，无需采取任何浪费能量的限压措施，所有电池能量都得到利用。

双优点火器点火，功率强大可控，技术性能完备，还可以采用差时点火技术，在与电感点火比较中取得全面优势。

双优点火器是综合技术，同时有多个概念、技术方法、电路和计算机算法的深入创新，使CDI点火电路发展成为一种复杂严谨的测量控制仪。其电路设计先进，元件总数减少50%，功能、性能、可靠性臻于完美，形成新一代点火电路。用于摩托车，可提高技术含量和附加值，必将成为中外摩托车的基本配置之一。

对双优点火器，仅仅作器件及各局部电路的不同选择或改变，并不改变其技术方案。

1 曹扬庆．MH－214溶解氧测定仪［J］．电子技术应用，1993(7):14～17

2 曹杨庆．摩托车点火器脉冲整形电路:中国，ZL 201120419394．6［P］．2012 －11 －21

3 曹杨庆．汽油机等压恒压及多因素补偿点火电路:中国，ZL 201220048198．7［P］．2012 －02 －15

4 曹杨庆．汽油机能量平衡点火电路及平衡控制方法:中国，ZL 201210231305．4［P］．2012 －07 －05

5 天津内燃机研究所．发动机多电容放电多次点火器:中国，ZL 02257568．5［P］．2002－09 －29