CN105736209A - 汽油机能量电池及工况因素补偿点火电路 - Google Patents

Abstract

汽油机CDI，能量可变范围很小，也不能跟随发动机多工况需求。而电池电压，又有大幅影响。实际缺陷常明显降低点火效果和可靠性。因涉及能量在线调节，概念和技术复杂，长期未解决。能量控制技术，首先解决原理性难题：电池电压变化，尤其是大幅偏低，不影响点火能量；据工况需求作大范围、逐周期、准确的调节。功效、综合性能大幅突破。也为电喷发动机提供了相称、相匹配的高级点火技术。测量电池电压，依据数学模型大范围补偿升压功率;测量工况参数，据数学模型，控制升压参数，按需逐周期提供对应能量。经验和数理原理共同参与准确调节。机电一体，稳定跟随工况需求。多个电路、算法、技术方法、概念创新，是新一代点火电路。应用方便可靠。

Description

汽油机能量电池及工况因素补偿点火电路

本申请为分案申请，原申请名称：汽油机等压恒压及多因素补偿点火电路；申请号：2012100335646；申请日：2012-02-15。

技术领域

本方案属于内燃机点火技术领域，尤其涉及一种摩托车或汽车直流点火器电路。

背景技术

为方便计，以下叙述多以摩托车为背景，但无意以此限制发明的应用范围。

点火器对摩托车发动机有重要的控制作用，出于对摩托车的动力，效率和排放性能的追求，传统的交流点火器已越来越多地被直流点火器所替代。所指直流点火器为CDI直流点火器。

目前已出现多种由传统电子电路构成或结合有单片机的直流点火器。直流点火器需将电池的直流低电压通过直流升压电路升高为直流高电压，并给储能电路或储能电容充电，使之获得点火能量。点火能量或点火电压过高或过低都会影响点火性能，使整车性能变差。摩托车运行时发动机转速变化，升压电路对储能电路充电周期相应变化，导致直流点火器低速时点火电压偏高，高速时点火电压偏低。而电池的状态更可直接影响点火电压。

摩托车发动机对点火基本的要求是点火电压适度和均衡，较高的要求则是能配合发动机工况及减排要求。点火能量或电压的适度和均衡及对发动机运动状态和减排因素的跟随，已成为摩托车的一个技术要点。现有技术为达基本要求，使点火电压均衡，检测电池电压及发动机转速，运行中以一定模型补偿。但由于是多因素调节，其中转速对点火电压的影响往往较难确定，主要原因是现有直流升压电路的升压储能受转速影响,而个体间工作参数的离散性又大，用一个固定模型来补偿效果有限。在调节手段上，也尚未总结出一套便于调节的直流升压电路。而后者更是复杂的调节所需要的。现有技术中，点火器直流升压电路，多由一个由变压器参与的振荡器参与构成，这种构造的升压电路，工作参数不便于输出调节，而性能亦离散。近有一些由占空比控制的升压电路，也尚未充分开发出其可能的恒(等)压升压转换特性和利用其可控性实现等压升压储能和恒压点火及点火能量配合发动机状态和节能减排要求。

发明内容

问题和目标：现有直流点火器直流升压电路因点火电压或点火能量受转速影响，且二种影响非独立存在和工作参数离散，既难于补偿调节，又缺少有效的条件手段。不适应恒压点火及摩托车更高的性能和节能减排对点火调节的需要，加以电路构造上的缺点，致能效低，点火电压波动达60V以上。又电路复杂，制作调试成本较高，可靠性低。而最新的直流升压电路，功能及性能也尚有所欠缺。总的看来，当前CDI点火技术仍属粗放，跟不上发动机技术及发动机其他控制技术的提高。

意图设计一种储能电容电压上升速率高，能迅速升压至一定的变压器，电池电压，驱动电路和计算机控制波形等配置下的最高值，使点火电压不受转速影响，形成等电压升压储能，且性能参数一致性好，其中的快速升压电路运行参数可调（后续用途）的直流升压电路，加上其他电路，称为等压点火电路，在一定电池电压下具恒压点火特性。加入电池电压检测电路，运用升压电路参数或启停可调的特性对点火电压作电池电压修正，构成恒压点火电路。该电路点火电压恒定，不受转速及电池电压影响或使后者的影响大为降低。恒压点火及升压转换运行参数可控的特点还利于采用各种点火能量需求因素补偿技术，在增加各种辅助检测电路后，形成恒压及多因素补偿点火电路。

技术方案：发动机转速变化导致的升压储能周期变化使点火电压不稳定。本方案设计了一种硬件结构简单，储能电容电压能快速升到最高值使点火电压不受转速影响，输出功率可调的直流升压电路，称等压点火电路，框图见图1。方案包括属于现有技术的一些电路及功能。由符合单片机要求的电源给单片机及有关电路供电（略）。包括控制电路（2），点火电路（3），储能电路（5），其特征是：还有驱动电路（7），快速升压电路（8），该快速升压电路包括电子开关（K1)，变压器（B1），二极管（D1）。所述电子开关为双极型晶体管，场效应管，IGBT（绝缘栅双极型晶体管），智能开关或其组合但不限于所例举。所述电路构造在控制电路发出的一定频率和占空比信号下，升压电路输出电能，在储能电路（电容）上建立储能电压且每周期的最高电压与发动机或磁电机转速无关。其中快速升压电路，也同时为功率可调的升压转换电路。

单片机接受兼容的点火脉冲信号，从中分析出发动机和磁电机的运动状态，依照最优提前角原则，适时驱动点火电路，点火电路的控制端连接控制电路，其输出端接储能电路使储能电路放电，向高压包初级输出电流，经高压包向火花塞放电。有快速升压电路，该升压电路包括变压器，电子开关和二极管各一个。驱动电路的输入端连接所述单片机，其输出端连接作为快速升压电路的输入端的电子开关的控制端，该电子开关的功率输入端连接升压变压器的初级，该变压器初级的另一端接电池。电子开关的功率输出端经驱动电路的取样电阻接地或直接接地。升压变压器次级高压输出端接二极管的正端，二极管的另一端作为快速升压电路的输出端连接储能电路。由控制电路或单片机通过驱动电路，操控电子开关，使变压器的初级断续地接通电池并在次级感应出高压电经二极管向储能电路充电。变压器借助这种控制将初级的低压转换为次级的高压输出，同时其输出电压，功率也会依需要随控制的启停及控制波形的占空比变化而变化。

对电子开关的驱动可优选现有技术中各种驱动电路。选用原则是适度增强驱动，减轻器件发热并提高效率，而在控制电路发出的一定频率和占空比信号下，储能电路每周期的最高电压达180-200V或以上，且一致性好。如当采用双极型器件作电子开关时，可选用三极管+二极管驱动达林顿管，而电阻+二极管串联也有较强的驱动效果，在不需要很强驱动时，可以用单个电阻驱动或采用一定的限流技术，后者也常以提高电路效率为目的。以达林顿管TIP122作电子开关为例，本案设计并测得三极管和二极管在驱动中有明显的加速和增强作用，这种加速和增强作用使变压器输出增强，效率提高，表现为储能电容升压速率升高40%以上，可高达100V/ms或以上，最高电压提高30%以上。变压器的变比，匝数，及工作参数均与升压输出性能有关。变压器电流频率可高于3K。占空比作为功率调节因素，也与升压速率有关，但占空比应小于0.2，电流频率升高，可使输出电压升高，但器件热损耗会增加，需要降低占空比来平衡，使变压器和驱动电路的负荷及温升不至过高并可同时获得高的升压速率。以一定的控制频率及初级电流，在摩托车12V电池电压下，2—2.5ms或更快即可升至最高电压，并在一定的电池电压下保持每周期相等的最高值，即储能电压值与转速无关。而考虑功耗适度，一般摩托车发动机点火充电储能电压宜控制在180-200V，汽车及特殊需要另计。

在需要限制升压速率及电路功耗时，驱动电路可设置限流电路，在变压器初级回路设置取样电阻，取样电压经三极管反馈到驱动。其逐周期限流驱动功能形成变压器初级最大电流限制。限流电阻为0-1欧姆，优选0.15-0.3欧姆。在优选值下，变压器初级最大电流小于无限流驱动设计时的最大电流，降幅一般可选30-40%。限流驱动提高了快速升压电路电压转换和对储能电容的充电效率，降低了电子开关的温升。限流是升压速率的制约因素，需与温升权衡做出选择。为节约功耗，降低器件温升，还可以限制快速升压电路在点火周期的运行角度即周期内运行时值，使功耗降低而点火电压仍可达最高值。变压器初级最大电流的大小可据实际需要设计。前述的各种因素组合，结合初级电流大小，占空比，电流频率，变压器变比及计算机产生的控制信号的升降速率，是具备其一产生高的升压速率，其二在所需时间如2.5ms（按需设计）内达升压转换（充电储能）电压最高值的关键，特别是后者，二者使每周期内储能电压最高值即点火电压能独立于转速，使点火电路具有等压升压储能性能。所谓等压是指在一定的电池电压下，不同点火周期内均有恒定的升压储能最高值或点火电压，不受转速影响。以上配置方案称等压点火电路。可以此为基础构成一定电压下的恒压点火器电路。

驱动电路也可以采用555电路组成的方波发生电路，其3脚向电子开关的控制端输出方波，可设计占空比和频率，模拟计算机控制波形，但占空比和频率不易调节。控制电路（单片机）对555电路作启停控制，或对其输出作控制，以控制升压储能的启停。除等压升压外，若使其具直线上升的储能电压曲线，可利用启停控制其每周期运行时值，作所需的补偿调节，见后述的电池电压和多因素补偿。

利用单片机功能，增加电池电压检测电路，以实验获得点火电压的电池电压影响及与控制参数变化的关系模型，并设计好其中快速升压电路的参数包括一定的功率富裕，使得电池电压降低时，由单片机通过驱动电路调节电子开关运行的占空比，电路有能力对点火电压作出电池电压变化的补偿，而在电池电压变得更低，以致快速升压电路提供的能量无力保持点火电压恒定的情况下，仍能减少点火电压的偏差。相比之下，对电池电压偏高导致的点火电压偏差的修正，不受到能量供给的制约，就更容易。对电池电压过高如超过15V时（一般摩托车），为避免较大故障，则可采取停止点火等措施。以上配置的电路，称恒压点火电路。现有技术也考虑对点火电压作转速和电池电压变化的补偿，但在现有技术下，二者互为非独立因素，现有技术更有升压电路个体间一致性差的缺点。而恒压点火电路使电池电压对点火电压影响成为独立因素，其补偿模型简单，个体间一致性好，补偿效果好，接近于闭环修正，新电路方案技术效果相比现有技术有质的提高。

利用单片机功能，可增加更多检测。喷油量，空燃比，气缸温度，排气成分浓度等。这些参数或多或少对点火电压的需求增加修正因素，属对点火电压的需求变化因素。可增加补偿其中一至多个因素。相关检测电路统称为辅助检测电路。这些因素的补偿，是在已有点火电压上迭加，前提是须知道当前实际点火电压或能量及其与当前实际所需之间的平衡状态。甚至在实验获得有关补偿模型时就需要这一条件。如前所述，由于已克服转速和电池电压二大点火能量的生成因素影响，形成了恒压点火电路，就能准确地得出和实施需求因素补偿模型。通过实验获得相关因素所需对点火电压的补偿及与控制要素如占空比间的关系模型，运行中加入补偿算法，调节点火电压。该电路方案称恒压及多因素补偿点火电路。

有益效果：等压升压电路是在一定电池电压下的恒压升压电路，构成正常条件下的恒压点火器电路。解决了现有CDI点火器，点火电压受转速影响的一大难题。电路结构简单，可靠性大幅提高，性能优。所组成的点火器，制作调试简单，成本降低，常温低温下启动快，，高中低速运行稳定，加速有力。控制电路可接受前级提供一至多路经整形的点火脉冲及其他信号。

恒压点火电路，在电池电压偏低时更大程度上保持这些效果。

恒压及多因素补偿点火电路，控制电路（计算机）每个点火周期都依据发动机工况给出准确的点火电压，准确度高于7%。现有直流CDI点火电压的大小基本上由点火器决定或严重受制于点火器技术的严重缺点得以消除。点火能量成为依据发动机工况按需提供确定的量，发动机成为点火电压的主动决定方，使不断进步的发动机技术得到相应的点火技术配合。

启动加速性能好，冷热启动一触即发，高中低速下加速快，与正确的点火提前角配合，动力强劲，发动机声音柔和，机器磨损降低，平均节油5%，降低排放，更符合新型发动机技术要求。

因点火能量成为依据发动机工况按需提供确定的量，为发动机效率，排放特性和其他运行特性与点火技术关系的研究提供了十分有效的技术手段，有利于发动机及其控制技术的进步。

本案电路均可适用于各类汽油机或内燃机，添加所需电路后可构成汽车或摩托车点火器或与汽车ECU电路结合构成点火功能电路并获得本案所述的有益效果。

附图说明

图1，等压点火电路框图。

图2，等压及恒压点火电路图。

图3，带限流驱动的恒压及多因素补偿点火电路图。

图4，场效应管开关恒压及多因素补偿点火电路图。

图5，多气缸发动机恒压及多因素补偿点火电路图。

具体实施方式

下面参照附图说明几个实例：

实例1：见图2，一例摩托车等压点火电路及一例恒压点火电路。单片机采用PIC12F615，其I/O口即输入输出口线使用功能灵活。控制电路可接受已与单片机兼容的一至多路脉冲信号或其他信号，之前的整形电路，可参考后续实例。图中GP2接受摩托车整形后脉冲信号，GP0备用，也可接受更多的发动机信号或接受现有技术惯用的另一路脉冲信号。GP1接驱动电路，输出控制信号。该信号的启停及占空比调节快速升压电路的能量输出。GP5控制点火电路。单片机经GP2从点火脉冲信号获得发动机和磁电机运动信息，除得到点火信号外，从中分析出转速和提前角信息。作提前角处理后单片机GP5口发出点火信号，经点火电路使储能电路放电，向高压包接头输出电流，实施点火。快速升压电路则适时对储能电路充电。快速升压电路的构成和工作原理为：单片机GP1口输出控制信号，经由驱动电路控制电子开关，本例为TIP122的通断，TIP122的受控端或基极接驱动电路的输出，即二极管D2，TIP122的功率输入端或集电极接变压器初级，初级的另一端接电池正极，TIP122的功率输出端经取样电阻接地或直接接地。变压器次级的高压端接二极管，地端接地。GP1输出电平的变化经驱动电路使变压器B1的初级断续地接通电池并在次级感应出高压电经二极管D1向储能电路充电。储能电路积蓄电能或释放电能。

单片机经驱动电路控制快速升压电路升压转换的启停及占空比等参数，通过启停控制及改变单片机对驱动电路输出控制信号的占空比，可大范围调节快速升压电路输出功率。另外，单片机对驱动电路输出控制信号的频率也可改变，必要时改变频率也可影响其功率并提高运行效率。

快速升压电路充分发挥了变压器的转换效率，变压器输出电压高，使充电速率和储能电压高，储能电路或储能电容电压上升曲线稳定并可在2—2.5ms内迅速达到200V最高值，该最高值及上升时间可经设计按需上下调整。由于储能电容升压速率足够高并迅速达到最高值后不再上升，因转速变化导致的充电周期长短对储能电容电压的影响得以消除，使点火电压与转速无关，解决了现有技术交直流点火器，点火电压受转速影响的一大难题。所组成的点火电路，在不同转速和一定电池电压下，具有恒定的点火电压，称为等压点火电路，可组成一定条件下的恒压点火器。但该点火电路在电池电压变动较大时，储能电压仍会有波动。

由于储能电压升至最高值所需时间值小于发动机产生的实际点火周期，为节能及降低器件温升计，可设定快速升压电路每周期的开启时间值。若储能电压达到最高值需要2.5ms，则快速升压电路每周期的开启时间值可定为2.5ms或稍大。即对该时间值的起讫时刻作调整控制,将该开启时间理解为对应的发动机旋转角度时，就是控制开启角度，类似于电感点火中的闭合角。

GP4口设置为模拟输入，设置电池检测电路4检测电池电压分压值，据事先经实验确定的补偿模型调节GP1输出电平的占空比或周期内升压电路的运行时值，校正电池电压变化对点火电压的影响，形成摩托车恒压点火电路即能在不同转速和电池电压下保持恒压点火。特别地，本案以电池电压变化校正点火电压,与现有技术的校正不同。后者电池电压的影响因素不是独立的，电池电压对储能电路电压上升的影响规律本身受转速很大影响，且为为非线性因素，电路性能又具较大的离散性，使校正具较大不可把握性，也是现有技术点火电压修正技术不成熟的部分原因。而本恒压点火电路，据之前的论述，电池电压为独立和确定的影响因素，校正简单而准确，用计算机查表修正方法就可做到。

特殊地，当资源不足使用时，电池检测也可以用其他电路如模拟比较器等，模拟比较器可集成于控制电路（单片机）或为独立器件。如图2将GP4设置为模拟比较器输入端，当电池电压低于10V，点火电压降低较多时，调节占空比，依之前获得的修正数据，使点火电压提高20-30%，可补偿点火电压偏差，此法电路的恒压性能有所降低，但可实用。

恒压点火电路，据以制作的点火器，在电池电压合理的变动范围内10-15V保持点火电压恒定，低于10V时则可大幅降低波动。在较低电压下保持点火电压不降低，要求在电池标称电压下工作时，快速升压电路输出功率有富余，富余量决定电路保持恒压点火能触及的电池电压低限。

实例2：见图3，恒压及多因素补偿点火电路。本案的恒压点火并非指点火电压固定不可变，而正是有了恒压点火的基础，可以做到点火电压准确地跟随发动机工况变化。如之前论述电池电压补偿的原理一样，由于基本的对点火电压形成的影响因素减少及独立，对需求影响因素的补偿变得容易，可更为准确。与不同因素如喷油量，空燃比，汽缸温度，发动机功率或节气门位置等相结合，可以有更好的点火电压调节控制，使点火能量更适合工况。

驱动电路采用电阻和二极管作驱动，并增加了电阻R1和三极管T1限制变压器初级最大电流，以降低储能电压上升速率并降低器件温升，适用于不同发动机需要，也可与例1的驱动电路互换。特殊地，较强的限流会使电压曲线变为斜率较低的直线后达最高值，对此也可进一步利用周期内充电时值控制实现恒压升压控制。将例1的TIP122改为TIP41也具有这种效果，其储能电压上升曲线斜率降低，变为直线直至最高值。当储能电压上升曲线变为斜率稍平缓的直线时，即可采用点火周期内升压时值控制达到等压升压的效果。这是因为以点火电压作为被控制目标量，与控制量升压电路运行时值成了简单的直线关系，且各制作件的一致性很好。

辅助检测电路，是各种影响因素检测电路的概括，可在一种电路上配置多种。本例设为气缸（缸体）温度检测电路。设该气缸温度传感器为电阻式，其对固定电压分压输出值的大小与温度高低有关，反映了发动机工作状态，是一个要求点火器的点火能量提供作出反应的工况因素。各图中辅助检测电路与单片机Gp0连接，Gp0需设置为模拟输入口，利用单片机的AD转换功能检测电压模拟值。单片机检测到气缸温度偏高或偏低时，都可做出响应。由于恒压点火电路自身能产生恒定的点火电压，当气缸温度偏高，可适当地降低点火电压时，能准确地按之前获得的补偿模型做出补偿，通过降低控制电路信号占空比或点火周期内升压电路升压时值减少点火能量。反之亦然。这种补偿比现有技术非各自独立的多个影响储能电压形成的因素干扰下的补偿更有实际意义，现有技术在偏差大的点火电压基础上再作多因素修正的意义不明显。上述补偿技术可有效地降低氮氧化物及未燃物和一氧化碳排放，而据节气门位置或加速度调节点火电压，也有节能减排意义。

例中脉冲整形电路1，为单路输入单路输出构造，此为优选，也可配用双路输出的脉冲整形电路。图中的整形三极管也可以是光电三极管.。多因素补偿对象检测，控制电路输入方式应据检测传感器的输出信号而定，或可为位式信号口，I²C口等。其余解释见前后各例。

实例3：图4，恒压及多因素补偿点火电路，采用低压（5V）驱动型场效应管作开关管，因所需开关频率较高，需采用二极管及三极管加速电路开关动作，降低开关管功耗。二极管对场效应管开通有加速作用，而PNP三极管能加速开关管的关断。应采用低压驱动型场效应管，考虑二极管会降低驱动电压，也可采用锗管。若驱动电压不足，可插入一级驱动提高驱动电压，其余解释见前后各例。

实例4：图5，摩托车及汽车多气缸发动机恒压及多因素补偿点火电路。本例采用了分电器，并考虑了可能的判缸信号检测，增加了脉冲整形电路11。辅助检测可有多路，也可采用配置更强的单片机。大功率晶体管，达林顿管，场效应管，IGBT开关管均可采用作电子开关，图中IGBT发热较大时可采用或增加加速开关管通断的电路，用低压（5V）驱动型IGBT，该开关管可以与图4的场效应管互换，驱动电路与图4也可以互换。本案各例各局部电路均可相互借鉴。其余解释见前各例。

Claims (10)

1.一种汽油机计算机能量调节点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4）。

2.一种汽油机能量调节点火电路，包括控制电路（2），点火电路（3），储能电路（5），可调升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4）、辅助检测电路（9）。

3.一种汽油机能量电池电压补偿点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4）。

4.一种占空比调节储能电压汽油机点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4）。

5.一种包含不同补偿模型的汽油机点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），所述单片机连接所述点火电路、所述驱动电路，该驱动电路连接所述可调升压电路，该可调升压电路连接所述储能电路，该储能电路连接所述点火电路，其特征是：还有电池检测电路（4），连接所述单片机。

6.一种汽油机能量补偿点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4），电池电压变化，升压电路的占空比作出补偿。

7.一种汽油机点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4），电池电压或工况变化，升压电路的运行参数作出调整。

8.一种汽油机能量电池电压及转速补偿点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4）。

9.一种汽油机点火电路，包括单片机（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），可调升压电路（8），其特征是：工况变化，升压电路的运行参数作出调整。

10.一种低电池电压下点火能量不降低的汽油机点火电路，包括控制电路（2），点火电路（3），储能电路（5），驱动电路（7），快速升压电路（8），其特征是：还有电池检测电路（4）。