CN1053282A - 汽油发动机高能全范围点火提前量自动调整馈能装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种汽油发动机高能全范围点火提前 量自动调整馈能装置，应用在汽油发动机点火系统 中，由于可供给足够的点火能量，并在全范围内调整 点火提前量使之达到量佳，故可降低油耗。最大限度 的减少发动机因点火系统影响造成的机械效率降低， 并有效的改善环境污染。

Description

1.本发明是用电子线路实现的点火提前量自动调整及高能馈能装置，适用于汽油发动机的电点火系统。

2.现有汽油发动机点火系统有两大缺陷：

（1）点火提前量不准确。由于汽油从点火到充分燃烧需要一定的时间，所以点火应有一定的提前量。即在汽缸活塞尚未到上止点时点火，才能在活塞到达上止点时使汽油充分燃烧，推动活塞向下止点运动做功。现有点火系统的提前量调整是机械式的，调整依据是转速越高提前量越大。这就难免不能适应发动机的各种不同工作情况。例如：假设发动机转速一定时，在满负荷最大供油量和小负荷最小供油量时，显然点火提前量不应一样。另外，由于司机的技术素质不同，也会造成点火提前量的初始值或早或晚。而点火提前量的不准确会直接影响发动机的机械效率。若点火提前量过早，即汽缸活塞距上止点还比较远时，其中的汽油就过早燃烧，这样，一方面减少了活塞到达上止点后向下推动活塞做功的能量：另一方面也增加了活塞向上止点运动的阻力，亦即活塞要利用转动轴上的有用功来克服这部分阻力到达上止点。无形中发动机的机械效率就会降低。若点火提前量过晚，则汽油燃烧时间短，因不能充分燃烧而使活塞的做功量减少。由此可见，点火提前量的准确性会直接影响发动机的机械效率。

（2）点火能量不足。

近年来出现的各种高能电子点火装置都未能从根本上解决白金，蓄电池点火系统的点火能量不足的问题。以高频高点火装置为例（参见1988年黑龙江科学技术出版社出版的《汽车节油技术》），它的工作原理是先将12V低压直流电升压到500V左右的直流并储存在一个放电电容上，在点火脉冲有效期间（例如白金张嘴期间），用一个固定频率的脉冲触发可控硅，使放电电容多次放电，在汽缸中形成多个火核，以弥补一个放电点火能量的不足。但由于该装置是用一个固定频率的脉冲触发点火，故随着发动机转速的提高，在一个汽缸中的点火次数会逐渐减少，即在高速运转时点火能量下降。同时放电频率因受放电电容充电时间的影响而不能进一步提高，由此可以说明现有的电子点火馈能装置并未从根本上解决原白金点火系统的能量不足的问题。

本发明可以从根本上解决现有汽油发动机的点火能量不足和点火提前量不准确的问题。

为了增加点火能量，本发明在点火馈能上采用直流升压电路和单电容电感或多电容电感储能电路，用以在点火间隔内备足点火能量，并在点火能量输出控制上采用汽缸定位点火的多火核点火方式。这样就从根本上解决了高频高能电子点火装置在一个汽缸中的点火次数会因转速不同而不同的缺陷。以三火核定位点火方式为例：假设在汽缸活塞距上止点5mm处点第一个火;在活塞距上支点3mm处点第二个火;在活塞到达上止点后点第三个火，三个火核的相对位置完全可以人为确定，并且不会随转速的不同而改变。即不管转速多高，每个汽缸中都会形成相对位置不变的三个燃烧中心，以使汽缸中的混合气充分燃烧。

为使点火提前量最合适，本发明以发动机在供油量不变的情况下输出最大功率为限，调整点火提前量，亦即在这种点火提前量时，能使发动机输出更大的功率。

3.本发明由五个部分组成。

（1）直流升压部分。将低压直流逆变整流成500V左右的直流高压。

（2）储能释能部分。将500V直流储存在一个或多个电容、电感内，以备足点火时所需要的能量。并且在点火脉冲的控制下释放给点火升压线圈，输出高压高能火花。

（3）点火脉冲产生部分。在汽缸的每个压缩行程接近终了时产生数个点火初始脉冲，这数个脉冲分别对应着汽缸中的数个固定位置。

（4）点火提前量调节部分。依据点火提前量调节基准脉冲，将输入的点火初始脉冲做适当的延时（延时超过压缩行程的一半即是对下一个待点火汽缸的超前）后输出点火脉冲，并控制储能释能部分，把储存在电容、电感中的能量释放给点火升压线圈。

（5）点火提前量调节基准产生部分。依发动机在供油量不变时输出最大功率为基准，输出点火提前量调节脉冲，以控制点火提前量调节部分，将点火初始脉冲做超前或滞后调整。

本发明的五个部分之间的相互关系见图1。

4.本发明的五部分具体结构分述如下：

（1）直流升压部分。

如图2所示，由三极管T₁、T₂及变压器B组成自激振荡，将低压直流逆变升压成500V，再经桥式整流IC₄后输出500V直流。图2中D₁、D₂、R₃、C₄组成初振保护电路，以使主振管T₁、T₂在振荡不稳的情况下不至损坏：压敏电阻W₁、W₂组成短时过压保护电路，以防止电源电压因受干扰而造成瞬时过压，损坏主振管T₁、T₂。

图3是由VMOS管G₁、G₂做主振管的它激振荡电路。由施密特触发器IC 和电阻R₄、C₂、D₃、R₅组成的振荡电路，产生占空比50%的方波，经反相门IC

，同相门IC₂分别推动VMOS管C₁、C₂交替饱和截止，经变压器B升压，桥式整流IC₄后输出500V直流。其中的D₁、D₂、C₄、

、W₁、W₂所起的保护主振管G₁、G₂的作用与图2中的相同，不再赘述。

图4是用达林顿管K₁、K₂做主振管的它激振荡电路。由于达林顿管的基射电压阀值低（0.7V左右）故增加W₂、W₄稳压管，使初振保护电路D₁、D₂、C₄、R₂能吸收最初的数个不稳定脉冲，保护主振管K₁、K₂，其它元件的作用与图3相同，不再赘述。

（2）储能、释能部分。

图5是滤波电容储能三极管释能电路。1为点火升压线圈，2为火花塞（以下各图中与此符号相同的即为同种器件，不再另加说明）。

由直流升压部分产生的500V直流储存在滤波电容C₅上，点火脉冲（高电平时有效）使T

饱和;使C₅中储存的能量和电源一起释放给点火升压线圈，造成点火升压线圈中的磁场突然膨胀，于是在火花塞两端产生出大于30KV的高压火花。当点火脉冲失效时，

截止，由于点火线圈中磁场突然收缩，又会形成一个火花。因这两个火花间隔很近，故把它们当作一个火核。图5中的电容C₆、C₇，可以延缓T₃的截止，不至使

因点火升压线圈中电流以突变造成过压损坏。 是隔离二极管，它的作用是防止点火升压线圈中的电能向电源回送。

图6是放电电容、电感储能三极管释能电路。500V直流电能储存在电容C₂中（ 是备用储能电容），点火脉冲使T₃饱和， 中的能量经T₂释放给点火升压线圈产生高压火花。同时在T 饱和期间，C₅中的能量和电源一起向电感L馈能。当T₃截止时，电感L中的磁能以电流形式经电容 释放给升压线圈，将使点火升压线圈再次产生一个高压火花，这两个火花被认为是一个火核，图6中的

、C₇、D₃的作用与图5中相同，不再赘述。

图7是可控硅释能的放电电容，电感储能电路，图7中可控硅CR₁的作用与图6中T₃的作用相同，不再赘述。图7中三极管 的作用是防止可控硅CR₁因各种干扰造成触通后不断开的情况。可控硅CR₁的触通时间为0.3ms，而T₃的饱和时间为0.6ms。电源经电感送给可控硅CR₁的维持电流被T₃旁路，在

放电结束后，CR₁必然关断，故

是CR₁的断开保险电路。图7中C₆、C₇的存在使T₃集电极的电压上升速率降低，这一方面可以保护

，防止电感L造成的过电压损坏，同时也防止了因电压上升速率过快而引起的可控硅误触通情况。

图8是四放电电容、电感储能可控硅释能的四火核点火储能与能电路。图5、6、7是由一个电容组成的储能馈能电路，适于低速运转的发动机的多火核点火装置，当应用在高速发动机上时，将会因储能电容的充电时间常数影响而使点火能量降低。以图6的储能释能电路组成六缸发动机二火核点火装置为例说明：当发动机转数为3000转/分时，每个汽缸中的活塞从上止点运动到下止点为6ms，设活塞在上支点时 第一次放电形成第一个火核：在活塞向下止点运动了总高的1/10（约0.66ms）进行第二次点火，形成第二个火核（之后的6ms时间电容 储能，准备给下一个汽缸点火），二次点火的时间间隔只有0.66ms。再去掉T₃的饱和时间0.3ms，电容 的充电时间只有0.36ms，若想在这么短的时间内使 充满电，就必需要求电源变压器B和电感L以及其它相应元件的功率很大，这样既不经济，也不适用。

图8电路克服了图5、6、7的电路不适合高速发动机的缺点，在两个汽缸换火的整个间隔内，放电电容C₁～C₄一起充电，这就解决了充电时间过短的问题。当某个汽缸的点火脉冲到来时（设一帧为四个），由IC₁～IC₄组成的四位移位寄存器依次使门IC₇～IC₁₀开门，使可控硅CR₁～CR₄依次触通，C₁～C₄依次向点火升压线圈释能，在汽缸中形成四个火核。图8中的其它元件的作用在图5、6、7的说明中已阐述。

当然，均加放电电容及减少放电电容的数量完全可以组成二火核、三火核至五火核等点火装置。

（3）点火脉冲产生部分。

本发明均以六缸发动机四火核点火装置的点火脉冲产生部分为例进行说明。

图9为光电采样点火脉冲产生部分示意图。1为采样盘，2为红外发光管，3为红外接收管。采样盘的构成是：在一个白色反光园形底盘上涂12条不反光的黑条，分别对应六个汽缸：红外采样发、收管对着园盘安装，当园盘随发动机转动，黑色条经过发射，接收管时，由于发光管2发出的光不会反射到接收管3上，接收管3因不受光而截止，故输出为高电平;反之，当白色处经过时，发射管发出的光反射到接收管上，接收管因受光照而饱和，故输出为低电平。这样，在每次一个黑条经过发射、接收管时，接收管3就输出一个高电平脉冲。每两个黑条对应一个汽缸，接收管3将产生两个脉冲，把两个脉冲的前后沿检出（倍频），形成了四个点火脉冲，而且它们都对应着汽缸中的固定位置，这就形成了四火核定位点火脉冲。

图10为磁采样点火脉冲产生部分示意图。1为采样盘，2为永久磁铁，3为感应线圈。采样盘1用铁质构成，涂黑处保留，空白处去除，形成了十二个铁质条。当每个铁条经过永久磁铁2和感应线圈3中间的空间时，由于感应线圈3中的磁场变化，感应出一个电信号，使T₁截止，输出一个高电平脉冲。其它情况与图9的说明类同。

图11为白金触点点火脉冲产生部分示意图。1为凸棱，2为白金触头，3为动触点，4为静触点。当凸棱1旋转时，每经过一个凸棱，动静触点就开合一次，输出一个高电平脉冲，十二个凸棱对应输出十二个脉冲。图中的R₁、C₁组成脉冲前沿消抖电路R₃、D₂、R₂、C₂组成后沿消抖电路，

使V_DD与外部电源隔离。

图13为点火脉冲整形电路，它与图9、10、11中任一种电路组合，即可形成点火脉冲形成电路。

（4）点火提前量基准产生部分与提前量调节部分。

点火提前量基准产生部分的作用是配合点火提前量调节部分完成对点火提前量的准确调整。其工作过程如下：在供油量不变时，点火提前量调节电路首先超前（或滞后）调整一点儿点火时间，点火提前量基准产生电路把调整前发动机的输出功率与调整后发动机输出功率做比较。若调整后发动机输出功率加大，则发出一个信号，使点火提前量调整电路继续超前（或滞后）调整。反之则发出一个信号，使点火提前量调整电路滞后（或超前）调整。这样反复进行，直到发动机输出最大功率时为止。并且在最大输出功率的左右做很小的摆动，这时的点火提前量即是最佳值。

按上述指导思想，可以用多种方法实现对发动机输出功率的比较和超前（滞后）点火时间，下面以转速调整为例进行说明。

众所周知，当发动机供油量不变时，转速越高，输出功率越大。由此可见，转速调整到最高时，发动机就输出了最大的功率。

图12为数字集成电路组成的点火提前量调整电路。a点输入的点火脉冲经R₁、R₂、R₃、R₄与C₁、C₂、C₃、C₄组成的延时网络，延时后从b点输出调整后的点火脉冲，延时的长短由R₁～R₄及C₁～C₄决定。R₁＝R，R₂＝2R，R₃＝4R，R₄＝8R，C＝C，C₂＝2C，C₃＝4C，C₄＝8C（并且使R＝15C以做到全范围）。用电子开关SW₁～SW₄切除或接通R₁～R₄、C₁～C₄，就可以组成具有225种延时状态的网络。因点火初始脉冲与发动机转速成正比，故用点火初始脉冲个数作调节基准，门IC₂₇、 、

组成定时信号产生电路，经IC₈二分频后成为占空比50%的方波。当IC₈的Q端输出“1”时，若IC₃的Q端也为“1”，则IC₄计数器把经过门IC₁的点火脉冲的个数计下：当I

的Q端由“1”变“0”时，下降沿触发的单稳态DW₁、DW₂分别触发输出一个窄脉冲，DW₂的输出一方面使IC₇锁存器存入IC₄的值，并输出给电子开关IC₁₆～IC₁₈，以减少或增加R₁～R₄网络的R值，这就按转速调节了点火提前量。另一方面，DW₂的输出又使IC₁₄加/减计数器做加一计数或减一计数，经过电子开关IC₁₉～IC₂₂使

～C₄网络的C值改变，其依据转速更高或较低对点火时间作了进一步调整。IC₁₄的加减计数控制端U/P是这样得到信号的：当IC₈的Q端由“0”变为“1”时，IC₃的Q端将变为“1”，IC₅计数器经IC₂门计下了点火脉冲个数，数值比较器I

比较出了IC₄（调整前）的值B与I

（调整一个电容C值后）的值A的大小。当A＞B时（IC₆的A＞B端输出为“1”，根据IC₁₁触发器（它计下了上次是超前调整“0”，还是滞后调整“1”）的值。设上次是滞后调整（IC₁₄上次是加计数），则IC₁₁的Q端为“0”（反之为“1”）。经门IC₁₂、IC₁₃后，U/P端为“0”，故IC₁₄将做减计数。即上次滞后调整使发动机功率下降，故这次做超前调整。当I

的Q端为“1”变为“0”时、DW₂的输出会使IC₁₄做减1计数，切掉一个电容网络的C值，反之，若其它状态不变，A＜B（IC₆的A＞B端输出为“0”），则U/P端为“1”，IC₁₄将做加一计数。即上次滞后调整（IC₁₄上次加“1”），使发动机输出了更大的功率，这次将再进行滞后（IC₁₄加“1”）调整。反复进行，一直到IC₁₄在一个值左右摆动为止，此时的点火时间即为最佳值。图12中的I 、IC₂₄、IC₂₅是为防止IC₁₄从“0”突然变到满值或从满值突然变到“0”而设置的（这种情况在连续加油和连续减速时可能出现），用以防止点火时间的突变，造成发动机工作的不稳定。I

和I

使计数器IC₄和IC₅交替清零，以做互为调整前的值和调整后的值。总之，电阻R₁～R₂网络使点火提前量按转速的高低做直线调整，而电容网络则按发动机的输出功率对点火提前量做细调。

图14是用单片机（MCS-51或MCS48）组成的点火提前量调整电路。用单片微机的T₁做脉冲计数器， 端做输入，

端做输出。

端的脉冲经单片机的软件延时后从P₁₀输出。延时的长端由T₁端计下的脉冲个数为限，即在发动机供油量不变时，把

到

端的延时调整到T₁端计下的脉冲个数量多，这就是点火提前量的最佳值。图15是单片机的程序流程图。

5.本发明的两个实施例。

图16是变压器反馈自激振荡滤波电容储转、三极管释能白金采样数字集成电路点火提前量调整的四火核点火装置。它是用图11所示的元件做采样输入的（六缸发动机）。图16中用IC₂₈异或门做点火脉冲检沿倍频电路，它使每个汽缸的两个点火脉冲成为四个（分别对应前沿和后沿）。图16中的1为白金机械触点。

图17是VMOS管它激振荡放电电容、电感储能、光电采样单片微机点火提前量调整的四火核点火装置，它是用图9所示的元件做采样输入的（六缸发动机）。

Claims (6)

1、本发明是一种“汽油发动机高能全范围点火提前量自动调整馈能装置”，由五部分组成。其特征是：在每个汽缸中都能形成相对位置固定的多个高能火核，使缸中的混合气充分燃烧，并使点火提前量达到最佳，从而提高发动机的机械效率。

2、根据权利要求1所述“在每个汽缸中形成相对位置固定的多个高能火核”，本发明的又一个特征是采用一个采样盘及其附属电路，它能产生出与汽缸位置相对应的多个点火初始脉冲。

3、根据权利要求1所述“在每个汽缸中形成相对位置固定的多个高能火核”，本发明的又一个特征是采用一个直流升压电路和一个或多个电容电感储能电话，使多个火核具有高能。

4、根据权利要求1所述“使点火提前量达到最佳”，本发明的又一特征是采用一个数字集成电路调整装置或单片微机调整装置实现对点火提前量的最佳调整，使发动机在一定的供油量时达到最大输出功率。

5、根据权利要求1所述“在每个汽缸中形成相对位置固定的多个高能火核”，本发明的又一个特征是在直流升压电路中对逆变主振管采用了初振保护电路和过压保护电路，它能在起始振荡不稳定和电源受到干扰时，有效的保护主振管。

6、根据权利要求1所述“在每个汽缸中形成相对位置固定的多个高能火核”，本发明的又一特征是在储能，释能电路中采用了可控硅断开保险电路，它能在可控硅受到干扰时有效地使可控硅可靠断开。

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