專利名稱：汽油機等壓恒壓及多因素補償點火電路的制作方法
技術領域：
本方案屬于內燃機點火技術領域，尤其涉及一種摩托車或汽車直流點火器電路。
背景技術：
為方便計，以下敘述多以摩托車為背景，但無意以此限制發明的應用范圍。點火器對摩托車發動機有重要的控制作用，出于對摩托車的動力，效率和排放性能的追求，傳統的交流點火器已越來越多地被直流點火器所替代。所指直流點火器為CDI 直流點火器。目前已出現多種由傳統電子電路構成或結合有單片機的直流點火器。直流點火器需將電池的直流低電壓通過直流升壓電路升高為直流高電壓，并給儲能電路或儲能電容充電，使之獲得點火能量。點火能量或點火電壓過高或過低都會影響點火性能，使整車性能變差。摩托車運行時發動機轉速變化，升壓電路對儲能電路充電周期相應變化，導致直流點火器低速時點火電壓偏高，高速時點火電壓偏低。而電池的狀態更可直接影響點火電壓。摩托車發動機對點火基本的要求是點火電壓適度和均衡，較高的要求則是能配合發動機工況及減排要求。點火能量或電壓的適度和均衡及對發動機運動狀態和減排因素的跟隨，已成為摩托車的一個技術要點。現有技術為達基本要求，使點火電壓均衡，檢測電池電壓及發動機轉速，運行中以一定模型補償。但由于是多因素調節，其中轉速對點火電壓的影響往往較難確定，主要原因是現有直流升壓電路的升壓儲能受轉速影響，而個體間工作參數的離散性又大，用一個固定模型來補償效果有限。在調節手段上，也尚未總結出一套便于調節的直流升壓電路。而后者更是復雜的調節所需要的。現有技術中，點火器直流升壓電路，多由一個由變壓器參與的振蕩器參與構成，這種構造的升壓電路，工作參數不便于輸出調節，而性能亦離散。近有一些由占空比控制的升壓電路，也尚未充分開發出其可能的恒(等)壓升壓轉換特性和利用其可控性實現等壓升壓儲能和恒壓點火及點火能量配合發動機狀態和節能減排要求。

發明內容
問題和目標現有直流點火器直流升壓電路因點火電壓或點火能量受轉速影響， 且二種影響非獨立存在和工作參數離散，既難于補償調節，又缺少有效的條件手段。不適應恒壓點火及摩托車更高的性能和節能減排對點火調節的需要，加以電路構造上的缺點，致能效低，點火電壓波動達60V以上。又電路復雜，制作調試成本較高，可靠性低。而最新的直流升壓電路，功能及性能也尚有所欠缺。總的看來，當前CDI點火技術仍屬粗放，跟不上發動機技術及發動機其他控制技術的提高。意圖設計一種儲能電容電壓上升速率高，能迅速升壓至一定的變壓器，電池電壓， 驅動電路和計算機控制波形等配置下的最高值，使點火電壓不受轉速影響，形成等電壓升壓儲能，且性能參數一致性好，其中的快速升壓電路運行參數可調(后續用途)的直流升壓電路，加上其他電路，稱為等壓點火電路，在一定電池電壓下具恒壓點火特性。加入電池電CN 102536583 A壓檢測電路，運用升壓電路參數或啟停可調的特性對點火電壓作電池電壓修正，構成恒壓點火電路。該電路點火電壓恒定，不受轉速及電池電壓影響或使后者的影響大為降低。恒壓點火及升壓轉換運行參數可控的特點還利于采用各種點火能量需求因素補償技術，在增加各種輔助檢測電路后，形成恒壓及多因素補償點火電路。技術方案發動機轉速變化導致的升壓儲能周期變化使點火電壓不穩定。本方案設計了一種硬件結構簡單，儲能電容電壓能快速升到最高值使點火電壓不受轉速影響， 輸出功率可調的直流升壓電路，稱等壓點火電路，框圖見圖1。方案包括屬于現有技術的一些電路及功能。由符合單片機要求的電源給單片機及有關電路供電(略)。包括控制電路 (2)，點火電路(3)，儲能電路(5)，其特征是還有驅動電路(7)，快速升壓電路(8)，該快速升壓電路包括電子開關(Kl)，變壓器(Bi)，二極管(D1)。所述電子開關為雙極型晶體管，場效應管，IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)，智能開關或其組合但不限于所例舉。所述電路構造在控制電路發出的一定頻率和占空比信號下，升壓電路輸出電能，在儲能電路(電容)上建立儲能電壓且每周期的最高電壓與發動機或磁電機轉速無關。其中快速升壓電路，也同時為功率可調的升壓轉換電路。單片機接受兼容的點火脈沖信號，從中分析出發動機和磁電機的運動狀態，依照最優提前角原則，適時驅動點火電路，點火電路的控制端連接控制電路，其輸出端接儲能電路使儲能電路放電，向高壓包初級輸出電流，經高壓包向火花塞放電。有快速升壓電路，該升壓電路包括變壓器，電子開關和二極管各一個。驅動電路的輸入端連接所述單片機，其輸出端連接作為快速升壓電路的輸入端的電子開關的控制端，該電子開關的功率輸入端連接升壓變壓器的初級，該變壓器初級的另一端接電池。電子開關的功率輸出端經驅動電路的取樣電阻接地或直接接地。升壓變壓器次級高壓輸出端接二極管的正端，二極管的另一端作為快速升壓電路的輸出端連接儲能電路。由控制電路或單片機通過驅動電路，操控電子開關，使變壓器的初級斷續地接通電池并在次級感應出高壓電經二極管向儲能電路充電。 變壓器借助這種控制將初級的低壓轉換為次級的高壓輸出，同時其輸出電壓，功率也會依需要隨控制的啟停及控制波形的占空比變化而變化。對電子開關的驅動可優選現有技術中各種驅動電路。選用原則是適度增強驅動， 減輕器件發熱并提高效率，而在控制電路發出的一定頻率和占空比信號下，儲能電路每周期的最高電壓達180-200V或以上，且一致性好。如當采用雙極型器件作電子開關時，可選用三極管+ 二極管驅動達林頓管，而電阻+ 二極管串聯也有較強的驅動效果，在不需要很強驅動時，可以用單個電阻驅動或采用一定的限流技術，后者也常以提高電路效率為目的。以達林頓管TIP122作電子開關為例，本案設計并測得三極管和二極管在驅動中有明顯的加速和增強作用，這種加速和增強作用使變壓器輸出增強，效率提高，表現為儲能電容升壓速率升高40%以上，可高達lOOV/ms或以上，最高電壓提高30%以上。變壓器的變比，匝數，及工作參數均與升壓輸出性能有關。變壓器電流頻率可高于I。占空比作為功率調節因素， 也與升壓速率有關，但占空比應小于0. 2，電流頻率升高，可使輸出電壓升高，但器件熱損耗會增加，需要降低占空比來平衡，使變壓器和驅動電路的負荷及溫升不至過高并可同時獲得高的升壓速率。以一定的控制頻率及初級電流，在摩托車12V電池電壓下，2 — 2. 5ms或更快即可升至最高電壓，并在一定的電池電壓下保持每周期相等的最高值，即儲能電壓值與轉速無關。而考慮功耗適度，一般摩托車發動機點火充電儲能電壓宜控制在180-200V，汽車及特殊需要另計。在需要限制升壓速率及電路功耗時，驅動電路可設置限流電路，在變壓器初級回路設置取樣電阻，取樣電壓經三極管反饋到驅動。其逐周期限流驅動功能形成變壓器初級最大電流限制。限流電阻為0-1歐姆，優選0.15-0. 3歐姆。在優選值下，變壓器初級最大電流小于無限流驅動設計時的最大電流，降幅一般可選30-40%。限流驅動提高了快速升壓電路電壓轉換和對儲能電容的充電效率，降低了電子開關的溫升。限流是升壓速率的制約因素，需與溫升權衡做出選擇。為節約功耗，降低器件溫升，還可以限制快速升壓電路在點火周期的運行角度即周期內運行時值，使功耗降低而點火電壓仍可達最高值。變壓器初級最大電流的大小可據實際需要設計。前述的各種因素組合，結合初級電流大小，占空比，電流頻率，變壓器變比及計算機產生的控制信號的升降速率，是具備其一產生高的升壓速率， 其二在所需時間如2. 5ms (按需設計)內達升壓轉換(充電儲能)電壓最高值的關鍵，特別是后者，二者使每周期內儲能電壓最高值即點火電壓能獨立于轉速，使點火電路具有等壓升壓儲能性能。所謂等壓是指在一定的電池電壓下，不同點火周期內均有恒定的升壓儲能最高值或點火電壓，不受轉速影響。以上配置方案稱等壓點火電路。可以此為基礎構成一定電壓下的恒壓點火器電路。驅動電路也可以采用555電路組成的方波發生電路，其3腳向電子開關的控制端輸出方波，可設計占空比和頻率，模擬計算機控制波形，但占空比和頻率不易調節。控制電路(單片機)對陽5電路作啟停控制，或對其輸出作控制，以控制升壓儲能的啟停。除等壓升壓外，若使其具直線上升的儲能電壓曲線，可利用啟停控制其每周期運行時值，作所需的補償調節，見后述的電池電壓和多因素補償。禾Ij用單片機功能，增加電池電壓檢測電路，以實驗獲得點火電壓的電池電壓影響及與控制參數變化的關系模型，并設計好其中快速升壓電路的參數包括一定的功率富裕， 使得電池電壓降低時，由單片機通過驅動電路調節電子開關運行的占空比，電路有能力對點火電壓作出電池電壓變化的補償，而在電池電壓變得更低，以致快速升壓電路提供的能量無力保持點火電壓恒定的情況下，仍能減少點火電壓的偏差。相比之下，對電池電壓偏高導致的點火電壓偏差的修正，不受到能量供給的制約，就更容易。對電池電壓過高如超過 15V時(一般摩托車)，為避免較大故障，則可采取停止點火等措施。以上配置的電路，稱恒壓點火電路。現有技術也考慮對點火電壓作轉速和電池電壓變化的補償，但在現有技術下，二者互為非獨立因素，現有技術更有升壓電路個體間一致性差的缺點。而恒壓點火電路使電池電壓對點火電壓影響成為獨立因素，其補償模型簡單，個體間一致性好，補償效果好，接近于閉環修正，新電路方案技術效果相比現有技術有質的提高。利用單片機功能，可增加更多檢測。噴油量，空燃比，氣缸溫度，排氣成分濃度等。 這些參數或多或少對點火電壓的需求增加修正因素，屬對點火電壓的需求變化因素。可增加補償其中一至多個因素。相關檢測電路統稱為輔助檢測電路。這些因素的補償，是在已有點火電壓上迭加，前提是須知道當前實際點火電壓或能量及其與當前實際所需之間的平衡狀態。甚至在實驗獲得有關補償模型時就需要這一條件。如前所述，由于已克服轉速和電池電壓二大點火能量的生成因素影響，形成了恒壓點火電路，就能準確地得出和實施需求因素補償模型。通過實驗獲得相關因素所需對點火電壓的補償及與控制要素如占空比間的關系模型，運行中加入補償算法，調節點火電壓。該電路方案稱恒壓及多因素補償點火電路。有益效果等壓升壓電路是在一定電池電壓下的恒壓升壓電路，構成正常條件下的恒壓點火器電路。解決了現有CDI點火器，點火電壓受轉速影響的一大難題。電路結構簡單，可靠性大幅提高，性能優。所組成的點火器，制作調試簡單，成本降低，常溫低溫下啟動快，，高中低速運行穩定，加速有力。控制電路可接受前級提供一至多路經整形的點火脈沖及其他信號。恒壓點火電路，在電池電壓偏低時更大程度上保持這些效果。恒壓及多因素補償點火電路，控制電路(計算機)每個點火周期都依據發動機工況給出準確的點火電壓，準確度高于7%。現有直流CDI點火電壓的大小基本上由點火器決定或嚴重受制于點火器技術的嚴重缺點得以消除。點火能量成為依據發動機工況按需提供確定的量，發動機成為點火電壓的主動決定方，使不斷進步的發動機技術得到相應的點火技術配合。啟動加速性能好，冷熱啟動一觸即發，高中低速下加速快，與正確的點火提前角配合，動力強勁，發動機聲音柔和，機器磨損降低，平均節油5%，降低排放，更符合新型發動機技術要求。因點火能量成為依據發動機工況按需提供確定的量，為發動機效率，排放特性和其他運行特性與點火技術關系的研究提供了十分有效的技術手段，有利于發動機及其控制技術的進步。本案電路均可適用于各類汽油機或內燃機，添加所需電路后可構成汽車或摩托車點火器或與汽車ECU電路結合構成點火功能電路并獲得本案所述的有益效果。


圖1，等壓點火電路框圖。圖2，等壓及恒壓點火電路圖。圖3，帶限流驅動的恒壓及多因素補償點火電路圖。圖4，場效應管開關恒壓及多因素補償點火電路圖。圖5，多氣缸發動機恒壓及多因素補償點火電路圖。
具體實施例方式下面參照

幾個實例
實例1 見圖2，一例摩托車等壓點火電路及一例恒壓點火電路。單片機采用 PIC12F615，其I/O 口即輸入輸出口線使用功能靈活。控制電路可接受已與單片機兼容的一至多路脈沖信號或其他信號，之前的整形電路，可參考后續實例。圖中GP2接受摩托車整形后脈沖信號，GPO備用，也可接受更多的發動機信號或接受現有技術慣用的另一路脈沖信號。GPl接驅動電路，輸出控制信號。該信號的啟停及占空比調節快速升壓電路的能量輸出。GP5控制點火電路。單片機經GP2從點火脈沖信號獲得發動機和磁電機運動信息，除得到點火信號外，從中分析出轉速和提前角信息。作提前角處理后單片機GP5 口發出點火信號，經點火電路使儲能電路放電，向高壓包接頭輸出電流，實施點火。快速升壓電路則適時對儲能電路充電。快速升壓電路的構成和工作原理為單片機GPl 口輸出控制信號，經由驅動電路控制電子開關，本例為TIP122的通斷，TIP122的受控端或基極接驅動電路的輸出，即二極管D2，TIP122的功率輸入端或集電極接變壓器初級，初級的另一端接電池正極， TIP122的功率輸出端經取樣電阻接地或直接接地。變壓器次級的高壓端接二極管，地端接地。GPl輸出電平的變化經驅動電路使變壓器Bl的初級斷續地接通電池并在次級感應出高壓電經二極管Dl向儲能電路充電。儲能電路積蓄電能或釋放電能。單片機經驅動電路控制快速升壓電路升壓轉換的啟停及占空比等參數，通過啟停控制及改變單片機對驅動電路輸出控制信號的占空比，可大范圍調節快速升壓電路輸出功率。另外，單片機對驅動電路輸出控制信號的頻率也可改變，必要時改變頻率也可影響其功率并提高運行效率。快速升壓電路充分發揮了變壓器的轉換效率，變壓器輸出電壓高，使充電速率和儲能電壓高，儲能電路或儲能電容電壓上升曲線穩定并可在2 — 2. 5ms內迅速達到200V最高值，該最高值及上升時間可經設計按需上下調整。由于儲能電容升壓速率足夠高并迅速達到最高值后不再上升，因轉速變化導致的充電周期長短對儲能電容電壓的影響得以消除，使點火電壓與轉速無關，解決了現有技術交直流點火器，點火電壓受轉速影響的一大難題。所組成的點火電路，在不同轉速和一定電池電壓下，具有恒定的點火電壓，稱為等壓點火電路，可組成一定條件下的恒壓點火器。但該點火電路在電池電壓變動較大時，儲能電壓仍會有波動。由于儲能電壓升至最高值所需時間值小于發動機產生的實際點火周期，為節能及降低器件溫升計，可設定快速升壓電路每周期的開啟時間值。若儲能電壓達到最高值需要2. 5ms，則快速升壓電路每周期的開啟時間值可定為2. 5ms或稍大。即對該時間值的起訖時刻作調整控制，將該開啟時間理解為對應的發動機旋轉角度時，就是控制開啟角度，類似于電感點火中的閉合角。GP4 口設置為模擬輸入，設置電池檢測電路4檢測電池電壓分壓值，據事先經實驗確定的補償模型調節GPl輸出電平的占空比或周期內升壓電路的運行時值，校正電池電壓變化對點火電壓的影響，形成摩托車恒壓點火電路即能在不同轉速和電池電壓下保持恒壓點火。特別地，本案以電池電壓變化校正點火電壓，與現有技術的校正不同。后者電池電壓的影響因素不是獨立的，電池電壓對儲能電路電壓上升的影響規律本身受轉速很大影響， 且為為非線性因素，電路性能又具較大的離散性，使校正具較大不可把握性，也是現有技術點火電壓修正技術不成熟的部分原因。而本恒壓點火電路，據之前的論述，電池電壓為獨立和確定的影響因素，校正簡單而準確，用計算機查表修正方法就可做到。特殊地，當資源不足使用時，電池檢測也可以用其他電路如模擬比較器等，模擬比較器可集成于控制電路(單片機)或為獨立器件。如圖2將GP4設置為模擬比較器輸入端， 當電池電壓低于10V，點火電壓降低較多時，調節占空比，依之前獲得的修正數據，使點火電壓提高20-30%，可補償點火電壓偏差，此法電路的恒壓性能有所降低，但可實用。恒壓點火電路，據以制作的點火器，在電池電壓合理的變動范圍內10-15V保持點火電壓恒定，低于IOV時則可大幅降低波動。在較低電壓下保持點火電壓不降低，要求在電池標稱電壓下工作時，快速升壓電路輸出功率有富余，富余量決定電路保持恒壓點火能觸及的電池電壓低限。實例2 見圖3，恒壓及多因素補償點火電路。本案的恒壓點火并非指點火電壓固定不可變，而正是有了恒壓點火的基礎，可以做到點火電壓準確地跟隨發動機工況變化。如之前論述電池電壓補償的原理一樣，由于基本的對點火電壓形成的影響因素減少及獨立， 對需求影響因素的補償變得容易，可更為準確。與不同因素如噴油量，空燃比，汽缸溫度，發動機功率或節氣門位置等相結合，可以有更好的點火電壓調節控制，使點火能量更適合工況。驅動電路采用電阻和二極管作驅動，并增加了電阻Rl和三極管Tl限制變壓器初級最大電流，以降低儲能電壓上升速率并降低器件溫升，適用于不同發動機需要，也可與例 1的驅動電路互換。特殊地，較強的限流會使電壓曲線變為斜率較低的直線后達最高值，對此也可進一步利用周期內充電時值控制實現恒壓升壓控制。將例1的TIP122改為TIP41 也具有這種效果，其儲能電壓上升曲線斜率降低，變為直線直至最高值。當儲能電壓上升曲線變為斜率稍平緩的直線時，即可采用點火周期內升壓時值控制達到等壓升壓的效果。這是因為以點火電壓作為被控制目標量，與控制量升壓電路運行時值成了簡單的直線關系， 且各制作件的一致性很好。輔助檢測電路，是各種影響因素檢測電路的概括，可在一種電路上配置多種。本例設為氣缸(缸體)溫度檢測電路。設該氣缸溫度傳感器為電阻式，其對固定電壓分壓輸出值的大小與溫度高低有關，反映了發動機工作狀態，是一個要求點火器的點火能量提供作出反應的工況因素。各圖中輔助檢測電路與單片機GpO連接，GpO需設置為模擬輸入口，利用單片機的AD轉換功能檢測電壓模擬值。單片機檢測到氣缸溫度偏高或偏低時，都可做出響應。由于恒壓點火電路自身能產生恒定的點火電壓，當氣缸溫度偏高，可適當地降低點火電壓時，能準確地按之前獲得的補償模型做出補償，通過降低控制電路信號占空比或點火周期內升壓電路升壓時值減少點火能量。反之亦然。這種補償比現有技術非各自獨立的多個影響儲能電壓形成的因素干擾下的補償更有實際意義，現有技術在偏差大的點火電壓基礎上再作多因素修正的意義不明顯。上述補償技術可有效地降低氮氧化物及未燃物和一氧化碳排放，而據節氣門位置或加速度調節點火電壓，也有節能減排意義。例中脈沖整形電路1，為單路輸入單路輸出構造，此為優選，也可配用雙路輸出的脈沖整形電路。圖中的整形三極管也可以是光電三極管.。多因素補償對象檢測，控制電路輸入方式應據檢測傳感器的輸出信號而定，或可為位式信號口，I2C 口等。其余解釋見前后各例。實例3 圖4，恒壓及多因素補償點火電路，采用低壓(5V)驅動型場效應管作開關管，因所需開關頻率較高，需采用二極管及三極管加速電路開關動作，降低開關管功耗。二極管對場效應管開通有加速作用，而PNP三極管能加速開關管的關斷。應采用低壓驅動型場效應管，考慮二極管會降低驅動電壓，也可采用鍺管。若驅動電壓不足，可插入一級驅動提高驅動電壓，其余解釋見前后各例。實例4 圖5，摩托車及汽車多氣缸發動機恒壓及多因素補償點火電路。本例采用了分電器，并考慮了可能的判缸信號檢測，增加了脈沖整形電路11。輔助檢測可有多路，也可采用配置更強的單片機。大功率晶體管，達林頓管，場效應管，IGBT開關管均可采用作電子開關，圖中IGBT發熱較大時可采用或增加加速開關管通斷的電路，用低壓(5V)驅動型 IGBT，該開關管可以與圖4的場效應管互換，驅動電路與圖4也可以互換。本案各例各局部電路均可相互借鑒。其余解釋見前各例。
權利要求
1.一種汽油機等壓點火電路，包括控制電路(2)，點火電路(3)，儲能電路(5)，其特征是還有驅動電路(7)，快速升壓電路(8)，該快速升壓電路包括電子開關(Kl)，變壓器 (Bi)，二極管(D1)，所述控制電路分別連接所述點火電路的控制端和所述驅動電路，所述驅動電路的輸出端連接所述電子開關的控制端，所述點火電路還連接所述儲能電路，所述變壓器初級分別連接電池和所述電子開關的功率輸入端，，該電子開關的功率輸出端經所述驅動電路的取樣電阻接地或直接接地，所述變壓器次級的一端接地，另一端端接所述二極管，該二極管的另一端連接所述儲能電路。
2.一種汽油機恒壓點火電路，包括控制電路(2)，點火電路(3)，儲能電路(5)，其特征是還有電池檢測電路(4)，驅動電路(7)，快速升壓電路(8)，該快速升壓電路包括電子開關(Kl)，變壓器(Bi)，二極管(D1)，所述控制電路分別連接所述點火電路的控制端及所述電池檢測電路和所述驅動電路，所述驅動電路的輸出端連接所述電子開關的控制端，所述點火電路還連接所述儲能電路，所述變壓器初級分別連接電池和所述電子開關的功率輸入端，，該電子開關的功率輸出端經所述驅動電路的取樣電阻接地或直接接地，所述變壓器次級的地端接地，其高壓輸出端接所述二極管，該二極管的另一端連接所述儲能電路。
3.一種汽油機恒壓及多因素補償點火電路，包括控制電路(2)，點火電路(3)，儲能電路(5)，其特征是還有電池檢測電路(4)，輔助檢測電路(9)，驅動電路(7)，快速升壓電路 (8)，該快速升壓電路包括電子開關(Kl)，變壓器(Bi)，二極管(D1)，所述控制電路分別連接所述點火電路的控制端，所述電池檢測電路，所述輔助檢測電路和所述驅動電路，所述驅動電路的輸出端連接所述電子開關的控制端，所述點火電路還連接所述儲能電路，所述變壓器初級分別連接電池和所述電子開關的功率輸入端，，該電子開關的功率輸出端經所述驅動電路的取樣電阻接地或直接接地，所述變壓器次級的地端接地，其高壓輸出端接所述二極管，該二極管的另一端連接所述儲能電路。
全文摘要
現有摩托車直流點火器電路工作參數不便于調節，點火電壓受轉速影響，點火電壓波動大。針對現有技術的不足，新的點火電路方案為:等壓升壓點火電路，見附圖。電路效率高，周期內快速升壓至最高值，使儲能電壓輸出不受轉速影響。由單片機通過驅動電路，對快速升壓電路作升壓轉換，形成儲能電壓獨立于轉速的等壓升壓電路。而增加電池電壓檢測，補償電池電壓作為區別于現有技術的獨立因素對升壓儲能的影響，形成恒壓點火電路。電路并可針對其他工況因素，采用檢測和補償技術產生新穎優良的實用恒壓及多因素補償點火電路，由點火電路據發動機工況按需準確地提供點火電壓。
文檔編號F02P5/155GK102536583SQ20121003356
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月15日 優先權日2011年7月7日
發明者曹楊慶 申請人:曹楊慶