基于无触点式单缸小型汽油机电子点火系统的设计

陈兴宇

摘 要：文章在传统汽油机点火系统的基础上进行了改良，设计了基于无触点式电子点火系统原理的单缸小型汽油机点火系统。总结市场上现有的汽油机点火系统的成熟技术，并对市场上的产品做了调研，作者基于现有的成熟的理论，对技术落后的单缸小型汽油机点火系统进行改良设计，使其在成本增加不大的基础之上，性能有一定的提升，具有明显的技术进步。

关键词：汽油机；无触点式；点火系统

引言

从内燃机问世至今已有一百多年的历史，在这一百多年的历史之中，内燃机对人类的发展起到了不可替代的作用，广泛用于各国人民的国民生产之中。在这当中，内燃机更是作为最有效的动力源为人类提供服务。20世纪末期，随着人类对内燃机的技术要求的不断提高，内燃机的技术有了革命性的变化。在不断追求动力性能、经济性能、排放性能及可靠性能等要求下，各种多学科多领域的新技术被用于内燃机的设计开发之中，其中电子技术的应用，使得内燃机有了革命性的变化，使得内燃机由传统的机械化的产品变为了机电混合的产品。不论是汽油机还是柴油机，正是因为电子技术在发动机中的使用，才使得后期的新技术应用于发动机成为了可能。

汽油机和柴油机同为内燃机，尽管有很多相似之处，但又有各自的技术特点。其中最为显著的区别之一即为汽油机独有的点火系统。汽油机独有的点火系统，在汽油机的发展历史之中，从最初的纯机械结构的点火系统，发展到今天的电子点火系统，其中经历了多次的更新换代及设计升级改良。可以说正是由于电子技术的大发展，才有了今天这种近乎完美的车用点火系统。

由于内燃机行业的发展及电子技术的进步，车用汽油机电子点火系统在今天已经有了完整的理论依据和技术支持，早已做到产业化的生产。但是在如今的市场之中，车用汽油机电子点火系统的设计生产，绝大多数都是由外资企业来掌握，可以毫不夸张的形容，市场上所有的车用汽油机的点火系统，几乎全部都由（Bosch、Delphi、Continental、UAES、DENSO）这样的外资技术巨头来掌握。在某些特殊的汽油机之中，点火系统甚至还是传统的机械式点火系统，例如摩托车用汽油机，小型航空器用汽油机等。所以我们有必要来研发具有自主技术水平的汽油机电子点火系统。

文章对现有的已经成熟的发动机点火系统进行分析，介绍了点火系统的结构组成和工作原理，着重剖析了电子技术应用于发动机点火系统的技术方案，并以此为理论依据，设计了单缸小型汽油机点火系统。

1 设计背景、对象、方案的选择

1.1 设计背景

通过前文的论述，作者详细分析了点火系统的历史发展，对三种点火系统从组成结构、工作原理、各自优缺点这三个方向进行了系统的阐述和分析。在此之上着手设计点火系统。

1.2 设计对象

作者对市场中汽油机进行了调查，汽油机主要使用在乘用车量、少数商用车辆之中，在这两个领域中汽油机的使用量是最大的，因此技术也特别完善，点火系统的开发设计生产已经完全商业化，技术上相当成熟先进。但在某些特殊的领域，汽油机依然有一定的市场，如各种摩托车量，农具（割草机、抽水机等）、小型航空器材等，在这些领域，汽油机是绝对的主力产品，但由于市场的份额相对乘用车辆和商用车辆来说，所占的市场份额太小，所以此领域的汽油机在技术上相对落后，多年来没有大的发展进步，特别是点火系统，几乎还是采用传统的蓄电池点火系统（机械式点火系统），因此在技术上有很大的提升空间。故本设计方案，主要的设计使用对象即为这些领域所使用的单缸小型汽油机。

1.3 设计方案

现在使用的蓄电池点火系统（机械式点火系统）有明显缺点，作者要在此基础之上设计改良。作者通过论证有触点式电子点火系统、无触点式电子点火系统、微机控制的电子点火系统，发现基于无触点式电子点火系统原理的设计方案是最适合的设计方案。其原因如下：

（1）有触点式电子点火系统尽管在蓄电池点火系统（机械式点火系统）的基础之上设计改良继承性好，但是触电的限制问题（前文有述），至使设计改良后在技术上、性能上、寿命上的提升空间不大，故不适宜采用此类设计方案。

（2）微机控制的电子点火系统，虽然在理论上、技术上很先进，且广泛用于车用汽油机点火系统。但是其设计复杂（需要加入一系列的传感器、执行器、控制单元），仅仅有基础的硬件还不够，必须依靠大量的控制程序、软件、数据进行支持。且开发过程之中，必须进行发动机试验（进行发动机的标定），之后才能设计定型，过程繁杂周期长。从开发成本的角度来看，此类开发，开发成本高，而使用对象所用的小型单缸机本身制造成本就有严格的控制（产品成本低），微机控制的电子点火系统可能成本上就占据了产品成本的一半，故不宜采用此类设计方案。

（3）无触点式电子点火系统在蓄电池点火系统（机械式点火系统）的基础之上设计改良继承性好，且没有有触点式电子点火系统中触点的问题。整个系统虽然仍然有机械性的部分，但在纯机械式点火系统之上，已经做了大幅度的电子化改进，技术设计相对比较先进，且设计成本低较微机控制的电子点火系统而言大幅度降低。

（4）由于单缸小型汽油机点火系统的使用对象多为各种摩托车量，农具（割草机、抽水机等）、小型航空器材等。这些对象所使用的汽油机不会像车用汽油机那样需要适应很复杂的工况（车用汽油机所需适应匹配的为面工况，而割草机、抽水机等可能仅仅需要适应匹配点工况、线工况即可），这样的话，由于适应匹配的工况不复杂，因此不会对点火提前角和点火闭合角的调整提出苛刻的要求，原有的机械式的点火提前调节装置不必改变。

综上所述，选择了基于无触点式电子点火系统原理的设计方案。

2 本設计的系统基本工作原理

在原有的单缸机点火系统【蓄电池点火系统（机械式点火系统）】的上进行改良设计，本设计的基本工作原理如图1所示。

系统的高电压产生原理依靠变压器原理，即点火线圈为一个固定匝数的变压器。当点火线圈的初级绕组充电时，点火线圈周围产生磁场；断电时，磁场变化消失，次级绕组之上高压电动势由此感应而来，高压电流通过后续电路传递到火花塞上，最终在闭合回路之中跳火形成火核。

低压电路（初级电路）的通断由图中点火器来进行控制，点火器的实质是一系列的三极管控制电路组成（具体组成后文有详细的论述），而点火器的触发依靠点火信号发生器来完成。这里选用磁电式点火信号发生器，来产生信号源，触发点火器。

点火信号发生器的运动是机械式的，依靠发动机的凸轮轴来带动，这样就可以源源不断地产生触发信号了，从而保证发动机能够顺利运行。由于此机械结构设计复杂，本设计主要侧重电路部分，这里具体结构就不论述了。

点火提前调节装置仍然使用蓄电池点火系统（机械式点火系统）中的真空式和离心式两套点火提前调节装置，具体的结构在实际中不用变化，这里就不具体阐述了。

3 磁电式点火信号发生器的信号产生原理

磁电式点火信号发生器的具体结构如图2所示。

图2 脉冲信号产生原理的示意图

由于设计的对象为单缸小型汽油机，发动机仅仅只有一个气缸，故信号转子之上只有一个凸齿。永磁铁中的磁通，经信号转子之上的凸齿和线圈围绕的铁芯构成了回路。当信号转子由凸轮轴带动转动之时，凸齿和线圈围绕的铁芯间的空气间隙发生了改变，磁通量改变，交变的感应电动势由此在线圈上产生。

传感器产生的脉冲如图3所示。

图3 产生的脉冲信号示意图

4 本设计的硬件电路及电路工作原理

4.1 本设计的硬件电路及说明

图4是本设计的具体的硬件电路。

在圖4中，电容器C1是对电源（蓄电池和发电机）进行滤波的电容；稳压管VD1和电阻R1共同对电源（蓄电池和发电机）产生的电压进行稳压调控；防止因电源（蓄电池和发电机）电压的不稳定（如发电机供电电压波动）对整个点火电路的工作状态的稳定进行干扰。

稳压管VD4与三极管VT4的电路并联，这样设计的目的在于，切断低压电路时，瞬时的感应高压，会破坏击穿三极管VT4，采用并联稳压管的方式保护。

对于信号源电路的处理（即磁电式脉冲信号发生器的电路），这里设计为用电容器C2进行信号滤波；用两个反向串联的稳压管并联于信号源脉冲产生的电路上，这样做的目的是为了防止过高的正负脉冲电压信号对整个电路的冲击，造成电路硬件上的损坏。

4.2 硬件电路的工作原理

打开点火开关，起动发动机，磁电式点火信号发生器的信号转子在发动机凸轮轴的带动下不断运转，此时磁电式点火信号发生器将不断地产生正负信号脉冲。

当正的信号脉冲产生时，触发信号的正向高信号电压将通过二极管VD5作用于三极管VT1的基极之上，三极管VT1开启（基极达到了够开启的电压）。

由于三级管VT1的开启，使得三极管VT2的基极电位被拉低，致使三极管VT2由原先的开启状态变为截止状态。

三极管VT2的截止，使得三极管VT3的基极电位上升，三极管VT3的基极作用于开启电压后，三极管VT3开启。

正是由于三极管VT3开启后，电路中有电流流过，加之钳位电阻R6的作用，使得三极管VT4基极为高电位，三极管VT4导通。三极管VT4的导通，使得点火线圈的初级绕组的低压电路（初级电路）接通，点火线圈充电，产生磁场。

当负的信号脉冲产生时，由于二极管VD5的单向导通作用，致使触发信号被阻隔。三极管VT1基极由于没有触发高电压，致使三极管VT1无法导通。

三极管VT1的截止，使得三极管VT2的基极电位升高，使得三极管VT2开启。三极管VT2的开启，致使三极管VT3的基极电位降低，三极管VT3截止。

三极管VT3截止，使得三极管VT4基极无电流，从而使得三极管VT4截止。

三极管VT4的截止，使得点火线圈的初级绕组的低压电路（初级电路）断开，点火线圈中的磁场发生变化，磁场减弱消失，次级绕组处于变化的磁场之中，产生感应电动势，次级电路中的感应电流在感应高压电动势的作用下，最终通过后续电路传递到火花塞上，由火花塞完成跳火，至此一次点火完成。