CN201513276U - 一种多维点火系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多维点火系统，包括触发信号整形模块、电控单元模块、驱动模块、点火线圈和用于供应稳定直流电压的电源模块，还包括节气门传感器模块和档位检测模块。本实用新型通过检测多维信号得到发动机的现时工况信息，根据不同的工况信息对点火时刻和点火线圈初级线圈的通电时间进行精确控制，使点火系统在不同的工况下都能够具有最优点火提前角和足够高的点火能量，其点火性能稳定、火花强、放电时间相对较长，而且在发动机转速较低时也能保证可靠点火，能极大地改善发动机的性能。

Description

一种多维点火系统

技术领域

本实用新型涉及一种摩托车发动机配件，特别是一种摩托车发动机用多维点火系统。

背景技术

新一代发动机的发展面临着动力性、经济性和污染物排放三方面性能不断提高的挑战。为了提高摩托车的动力性，降低油耗，减少排放污染，一方面，要求点火系统不仅能够提供较高的点火能量，另一方面，要求点火系统在发动机处于各种工况变化下都能够对点火时刻的控制方面有较高的精度。

点火系统采用高能量点火，同时加大火花塞间隙、延长火花持续时间，这都有利于火焰核的形成从而可以拓宽混合气的燃烧极限，可以保证火核生长速度快，不失火，因此，通过大幅度提高点火能量来提高燃烧速率和充分度的方法，可以达到综合改善发动机性能的目的。此外，采用高能量点火，可以实现超稀混合气燃烧，从而降低燃油消耗量、减少有害的废气排放，能够提高经济性，并实现机内净化。目前摩托车发动机用点火系统基本上都是电容式点火系统，其电容式点火方式无法提供满足上述要求的足够高的点火能量。

点火时刻的控制是提高发动机性能的另一个要素。点火时刻与燃烧质量好坏密切相关，点火系统必须在合适的时刻点燃混合气，才能保证发动机燃烧产生的有用功最大，热量利用率最高，此时气缸内最高燃烧压力在上止点后一定曲轴转角范围内产生。点火提前角对发动机的工作状况具有很大的影响，对点火提前角控制是点火系统控制的重点。

研究表明，发动机的最佳点火提前角除了受发动机转速影响外，与混合气燃烧速度也有密切关系。一般地，当发动机转速一定时，混合气燃烧速度加快，最佳点火提前角应适当减少，反之最佳点火提前角应适当增大。事实上，混合气燃烧速度和混合气浓度密切相关，其中，混合气浓度用空气与燃油质量比表示，简称空燃比(A/F)，理论化学计量空燃比是14.7，若空燃比小于14.7，则意味着空气含量不足，可称之为浓混合气，在实际使用中，油和空气的混合气可能是油浓也可能是油稀，所以实际的混合气空燃比与化学计量空燃比比值即相对空燃比是描述混合气成分的重要参数。混合气燃烧速度与相对空燃比关系参照图9，当相对空燃比在0.90附近时，燃烧速度最快。相对空燃比与负荷之间的关系参照图10，它们之间的关系由化油器特性曲线决定，并不是单调关系，中负荷与大负荷过度区间，相对空燃比最大。

从以上分析可知，负荷大小对混合气燃烧速度有直接的影响，负荷大小与最佳点火提前角之间有着密切联系，因此在对发动机点火时刻进行控制时，除了考虑发动机转速外，还需要考虑各种工况下的负荷大小，从而决定最佳点火提前角。目前摩托车发动机用一维电容点火系统，其输入信号只有磁电机点火触发信号，点火提前角为固定的线性进角，无法实现上述要求。

基于以上的背景，行业亟待一种点火能量高、能在多种工况下改善发动机性能的点火系统。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种点火能量高、能在多种工况下，精确控制点火提前角和点火能量的多维点火系统。

本实用新型为解决其问题所采用的技术方案是：

一种多维点火系统，包括触发信号整形模块、电控单元模块、驱动模块、点火模块和用于供应稳定直流电压的电源模块，所述触发信号整形模块将磁电机触发线圈输出信号整形成矩形波信号，所述电控单元模块接收触发信号整形模块输出的矩形波信号并向驱动模块输出点火控制信号，所述驱动模块驱动点火线圈实现高压点火，还包括节气门传感器模块和档位检测模块，所述电控单元模块设置有节气门角度信号输入端和档位信号输入端，所述节气门角度信号输入端接收来自节气门传感器模块检测的节气门角度信号，所述档位信号输入端接收来自档位检测模块检测的变速箱档位信号。

优选的是，所述节气门传感器模块包括节气门传感器，所述节气门传感器的输出端通过电阻连接电源模块输出端，通过电容接地，并同时与电控单元模块连接。

优选的是，所述档位检测模块的每路检测端分别通过电阻连接电源模块的输出端，分别通过电容接地，并分别通过隔离二极管与不同的档位线连接，其中检测端连接隔离二极管的阳极，档位线连接隔离二极管的阴极。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用的电控单元模块除了通过处理触发信号整形模块输入的矩形波信号得到发动机转速信号外，还能够根据来自节气门传感器模块检测的节气门角度信号和来自档位检测模块检测的变速箱档位信号得到发动机的负荷信息，即通过检测多维信号得到发动机的现时工况信息，根据不同的工况信息对点火时刻和点火线圈初级线圈的通电时间进行精确控制，使点火系统在不同的工况下都能够具有最优点火提前角和足够高的点火能量，其点火性能稳定、火花强、放电时间相对较长，而且在发动机转速较低时也能保证可靠点火，能极大地改善发动机的性能。

此外，增加的节气门传感器模块和档位检测模块的结构简单，在不改变摩托车现有结构的基础上便可以直接安装，因此本实用新型具有极好的兼容性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的电路原理方框图；

图2为一实施例的触发信号整形模块的电路原理图；

图3为一实施例的电控单元模块的电路原理图；

图4为一实施例的驱动模块和点火线圈的电路原理图；

图5为一实施例的节气门传感器模块的电路原理图；

图6为一实施例的档位检测模块的电路原理图；

图7为磁电机触发线圈输出信号与正负脉冲矩形波信号关系图；

图8为本实用新型点火控制信号时序示意图；

图9为混合气燃烧速度与相对空燃比之间的特性曲线图；

图10为相对空燃比与负荷之间的特性曲线图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的一种多维点火系统，包括触发信号整形模块1、电控单元模块2、驱动模块3、点火线圈4和电源模块5，电源模块的输入端连接摩托车的蓄电池输出端，将蓄电池的12V直流电转换成5V的稳定直流电压，给各个模块供电，触发信号整形模块1将磁电机触发线圈输出信号整形成矩形波信号，电控单元模块2接收触发信号整形模块1输出的矩形波信号并向驱动模块3输出点火控制信号，驱动模块3驱动点火线圈4实现高压点火。本实用新型还包括节气门传感器模块6和档位检测模块7，电控单元模块2设置有节气门角度信号输入端和档位信号输入端，其中节气门角度信号输入端接收来自节气门传感器模块6检测的节气门角度信号，档位信号输入端接收来自档位检测模块7检测的变速箱档位信号。

参照图2，触发信号整形模块1包括滤波电路、正脉冲矩形波信号输出支路和负脉冲矩形波信号输出支路，滤波电路能够滤除磁电机触发线圈输出信号的毛刺和高频干扰，滤波后的磁电机触发线圈输出信号分别通过二极管D1、D2输送到正脉冲矩形波信号输出支路和负脉冲矩形波信号输出支路，其中正脉冲矩形波信号输出支路的输出端连接电控单元模块2，输入端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接到滤波电路输出端，负脉冲矩形波信号输出支路的输出端连接电控单元模块2，输入端连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接到滤波电路输出端，上述开关二极管D1、D2的设置能够提高输入脉冲的基本电平，提高抗干扰性能。

在本实施例中，滤波电路为由电容C3、电容C7及电阻R1构成的π型滤波电路；正脉冲矩形波信号输出支路包括NPN三极管Q6，NPN三极管Q6的集电极连接正脉冲矩形波信号输出端并通过电阻R22连接电源模块5输出端，NPN三极管Q6的发射极接地，基极通过电阻R6接地并通过并联的电阻R2和电容C1与二极管D1的阴极连接；负脉冲矩形波信号输出支路包括NPN三极管Q5，NPN三极管Q5的集电极连接正脉冲矩形波信号输出端并通过电阻R23连接电源模块5输出端，NPN三极管Q5的基极接地，发射极通过电阻R14接地并通过并联的电阻R3和电容C2与二极管D2的阳极连接。

当发动机工作时，磁电机外转子与发动机同轴旋转，在其外转子表面上的永久磁铁(俗称凸台)磁场使固定在车驾上的磁电机触发线圈感应出电压，由于永久磁铁有一定的宽度，所以其在接近触发线圈和离开触发线圈时，在触发线圈中各产生一个脉冲，该脉冲电压为先正后负，如图7所示。

上述磁电机触发线圈输出信号需要经过π型滤波电路滤除毛刺和高频干扰后才送到后级电路，实际使用时，电容C3、电容C7不同的容值，对高频干扰起不同的衰减量，在选择电容C3，电容C7的容值时，需要兼顾对高频干扰的衰减量和对点火脉冲的保真度，实验证明，C3＝0.01uF，C7＝1000P是最佳选择。

经过π型滤波电路后，磁电机触发线圈输出信号的正脉冲经二极管D1的阳极到阴极送到电容C1和三极管Q6的发射极集电极组成的钳位电路，钳位电路动态地跟踪正脉冲的最大幅度，动态地调整整形电路的基准电平，当正脉冲信号在电阻R6两端的分压大于0.7V时，NPN三极管Q6导通，三极管Q6的集电极输出低电平，送给电控单元模块，即当NPN三极管Q6导通时，正脉冲矩形波信号输出低电平，当NPN三极管Q6关断时，正脉冲矩形波信号输出高电平。同理负脉冲经二极管D2送到电容C2和三极管Q5的基极发射极组成的钳位电路，当负脉冲信号令三极管Q5导通，三极管Q5的集电极输出低电平，送给电控单元模块，即当NPN三极管Q5导通时，负脉冲矩形波信号输出低电平，当NPN三极管Q5关断时，负脉冲矩形波信号输出高电平。

参照图4，驱动模块3包括驱动三极管Q54和大功率晶体管Q55，驱动三极管Q54的基极通过电阻连接电控单元模块2的点火控制信号输出端，发射极接地，集电极连接大功率晶体管Q55的基极并通过电阻连接电源模块5输出端；大功率晶体管Q55的发射极接地，集电极连接点火线圈4的初级线圈，集电极和地之间还接有由稳压二极管ZD52和快速二极管D57组成的保护电路，限制大功率大机关Q55的Vce最高电压不超过300V，保证其不被高压击穿。当电控单元模块送来的点火控制信号为高电平时，经电阻R73限流，驱动三极管Q54饱和导通，集电极输出低电平，大功率晶体管Q55由于Vbe＝0V，所以截止，此时点火线圈的初级线圈没有电流流过；相反，点火控制信号为低电平时，三极管Q54截止，电阻R63给Q55提供偏置，大功率晶体管Q55饱和导通，此时点火线圈的初级线圈有电流流过。

参照图5，节气门传感器模块6包括节气门传感器，所述节气门传感器6的输出端通过电阻连接电源模块5输出端，通过电容接地，并同时与电控单元模块2连接。

参照图6，档位检测模块7包括六个检测端，每路检测端分别通过电阻连接电源模块5的输出端，分别通过电容C90、C91、C92、C93、C94和C95接地，并分别通过隔离二极管D90、D91、D92、D93、D94和D95与不同的档位线连接，其中检测端连接隔离二极管的阳极，档位线连接隔离二极管的阴极，当变速箱档位线送出+12V高电压信号时，隔离二极管反向不导通，二极管相当一个断开的开关，能够保护电控单元模块不会被高压损坏，此外，电容C90、C91、C92、C93、C94和C95是滤波电容，避免换档时开关抖动对系统的影响。

参照图3，电控单元模块包括单片机PIC16F684，PIC16F684具有12个I/O接口，1个16位定时器T1，2个8位定时器，8通道10位A/D，最高可工作在20MHz，其具有2K Word ROM，128byte RAM，能够完全满足本实用新型的要求，此外，PIC16F684还具有另一个显著优点：由于单片机PIC16F684体积小，所以受干扰的影响也小。在本实施例中，PIC16F684的16位定时器T1用于根据触发信号整形模块1输入的矩形波信号测量发动机转速，其中一个8位定时器T0用于点火定时，其第1脚连接电源模块5输出端并通过滤波电容接地，第14脚接地，第2、3脚接有振荡器X51，第12、13脚接收触发信号整形模块1输出的矩形波信号，第10脚接收节气门传感器模块6的节气门角度信号，第4、5、6、7、8、9脚接收档位检测模块7的变速箱档位信号，第11脚输出点火控制信号。

触发信号整形模块1送入电控单元模块2的矩形波信号直接反映发动机的转速信号，正脉冲矩形波信号或者负脉冲矩形波信号相邻两个低电平出现的时间间隔便是发动机转动一圈的周期，电控单元模块2根据检测此时间间隔便能简单地计算出发动机转速，本实用新型的检测对象为正脉冲矩形波信号，因为正脉冲过后马上要准备点火，如果测试对象为负脉冲矩形波信号，则会出现点火不及时现象。

节气门传感器模块6送入电控单元模块2的节气门角度信号和档位检测模块送入电控单元模块2的变速箱档位信号直接反映发电机负荷大小信息：发动机转速为一确定值时，在相同档位下，节气门角度越大，负荷越大；在相同节气门角度下，档位越低，负荷越大。

当电控单元模块2检测得到发动机的转速信息和负荷大小信息后，便可以通过查询电控单元模块2中预先存有的数据表并进行相应的计算得到相应工况下点火系统的最佳点火提前角以及大功率三极管Q55的最佳导通时间，进而确定点火控制信号的输出方式。上述数据表记录了不同档位、不同节气门角度、不同转速状况下的最佳点火提前角和大功率三极管Q55的最佳导通时间，由于不同工况下最佳点火提前角、大功率三极管Q55的最佳导通时间与档位信息、节气门角度信息以及转速信息并非简单的线性关系，因此数据表中的数据需要经过反复的试验才能够确定。

实际应用时，将发动机转速划分为32个状态，负荷大小也划分为16个状态，因此发动机具有32*16(512)种典型工况状态，每种工况状态都经试验得到对应的最佳点火提前角和大功率三极管Q55最佳导通时间，对于节点中间的工况可用数学插值的处理方法，以改善系统的性能。表1是经试验后得出的发动机处于某一负荷状态下点火提前角、大功率三极管Q55导通时间与转速的一部分对应数据：

转速(r/m)	周期(us)	点火提前角(度)	导通时间(us)	N(us)	M(us)
						1000	60000	15	8000	3667	55667
2000	30000	15	8000	1833	23833
						3000	20000	25	7000	667	13667
4000	15000	35	6500	83	8583
						5000	12000	35	6000	67	6067
6000	10000	35	5000	56	5056
						7000	8571	35	4000	48	4619
8000	7500	35	3500	42	4042
						9000	6667	35	3000	37	3704
10000	6000	35	2800	33	3233

表1

参照图8以及表1，其中，N是以正脉冲矩形波信号的低电平下降沿为基准的延迟时间，发动机在运转时，可以通过对N的控制来实现对点火提前角的控制；此外由于本实用新型的点火系统的储能方式是靠点火线圈本身来完成的，因此点火线圈需要一定的充电时间来实现能量的积累，M是对点火线圈的开始充电时刻，T(T＝周期+N-M)就是对点火线圈的充电时间，因此点火线圈的充电时间控制可以通过对M和N的控制来实现。

得到最佳点火提前角和大功率三极管Q55的最佳导通时间后，点火系统便根据最佳点火提前角和大功率三极管Q55的最佳导通时间进行点火。

本实用新型的点火过程说明如下：当正脉冲矩形波信号第一个低电平的下降沿出现时，点火定时器起动，当时刻M到，点火定时器溢出，电控单元模块2立刻发出控制信号，打开大功率晶体管Q55，对点火线圈充电，当正脉冲矩形波信号第二个低电平的下降沿出现时，点火定时器起动，当时刻N到，点火定时器溢出，大功率晶体管Q55关闭，点火线圈初级线圈的电流被切断，点火线圈次级线圈感应出点火所需的高电压，得到点火所需的高能量，从而实现高能量点火。

本实用新型利用多维输入信号，转速、变速箱档位和节气门角度，比传统点火器只有输入转速信号，更准确跟踪发动机状态，按发动机的特性，精确控制点火提前角和点火能量，实现发动机动力性、经济性和环保的最优化。

基于本实用新型的原理，也可以将该电路稍加改变用在汽车等汽油发动机上，只要是依照本实用新型的保护范围所做的均等修饰与变化，仍然属于本实用新型的涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种多维点火系统，包括触发信号整形模块(1)、电控单元模块(2)、驱动模块(3)、点火线圈(4)和用于供应稳定直流电压的电源模块(5)，所述触发信号整形模块(1)将磁电机触发线圈输出信号整形成矩形波信号，所述电控单元模块(2)接收触发信号整形模块(1)输出的矩形波信号并向驱动模块(3)输出点火控制信号，所述驱动模块(3)驱动点火线圈(4)实现高压点火，其特征在于还包括节气门传感器模块(6)和档位检测模块(7)，所述电控单元模块(2)设置有节气门角度信号输入端和档位信号输入端，所述节气门角度信号输入端接收来自节气门传感器模块(6)检测的节气门角度信号，所述档位信号输入端接收来自档位检测模块(7)检测的变速箱档位信号。

2.根据权利要求1所述的一种多维点火系统，其特征在于所述触发信号整形模块(1)包括滤波电路、正脉冲矩形波信号输出支路和负脉冲矩形波信号输出支路，所述正脉冲矩形波信号输出支路的输出端连接电控单元模块(2)，输入端连接一开关二极管(D1)的阴极，二极管(D1)的阳极连接到滤波电路输出端；所述负脉冲矩形波信号输出支路的输出端连接电控单元模块(2)，输入端连接另一开关二极管(D2)的阳极，二极管(D2)的阴极连接到滤波电路输出端。

3.根据权利要求1所述的一种多维点火系统，其特征在于所述电控单元模块包括单片机PIC12F684，其第1脚连接电源模块(5)输出端并通过滤波电容接地，第14脚接地，第2、3脚接有振荡器(X51)，第12、13脚接收触发信号整形模块(1)输出的矩形波信号，第10脚接收节气门传感器模块(6)的节气门角度信号，第4、5、6、7、8、9脚接收档位检测模块(7)的变速箱档位信号，第11脚输出点火控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种多维点火系统，其特征在于所述驱动模块(3)包括驱动三极管(Q54)和大功率晶体管(Q55)，所述驱动三极管(Q54)的基极通过电阻连接电控单元模块(2)的点火控制信号输出端，发射极接地，集电极连接大功率晶体管(Q55)的基极并通过电阻连接电源模块(5)输出端；所述大功率晶体管(Q55)的发射极接地，集电极连接点火线圈(4)的初级线圈，集电极和地之间还接有由稳压二极管(ZD52)和快速二极管(D57)组成的保护电路。

5.根据权利要求1所述的一种多维点火系统，其特征在于所述节气门传感器模块(6)包括节气门传感器，所述节气门传感器(6)的输出端通过电阻连接电源模块(5)输出端，通过电容接地，并同时与电控单元模块(2)连接。

6.根据权利要求1所述的一种多维点火系统，其特征在于所述档位检测模块(7)的每路检测端分别通过电阻连接电源模块(5)的输出端，分别通过电容接地，并分别通过隔离二极管与不同的档位线连接，其中检测端连接隔离二极管的阳极，档位线连接隔离二极管的阴极。

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