摩托车数字点火器的研制

我国摩托车发动机的点火方式经过 了从早期的有触点点火方式发展到现在较实用的无触点点火方式 ，从而大大地提高了其工作的可靠性。目前国内生产的摩托车发动机，特别是小排量的四冲程摩托车发动机。大多数采用了性能可靠、结构简单的无触点电容充放 电点火方式(CDI)，即模拟式点火器 。

电容充放 电式点火方式是利用磁电机向电容充 电，并在需要点火时控制 电容在点火线圈初级放电.同时在次级线圈上感应出高电压，使火花塞放电点火。电容充放电点火方式能产生能量较强的电火花.而且次级电流上升快，对高速发动机工作十分有利。这些特点较适应小排量发动机 的特性 。所 以小排量发动机基 本都采用CDI模拟点火方式。

1 CDI对模拟式点火器的分析模拟式点火器的电路 如图 1所示 ，摩托车起动后 ，修稿 日期 ：2013-03-01作者简介：徐晓辉(1971-)，女，硕士，副教授。主要从事机电、计算机方面教学科研工作。已发表论文多篇；邵鸿翔(1983-)，男，硕士，讲师。主要从事机电、计算机方面教学科研工作。已发表论文八篇 。

磁 电机的转子开始旋转 .这时定子线圈相对转子切割磁力线产生感应电压，其中有-个绕组是充电线圈，它产生 的电压 为电容充 电电压 ，给点火器 的蓄能 电容 C充电。当磁电机旋转-周其触发信号发出时，点火提前角控制电路即可根据不同的转速值来延时输出SCR的触发脉冲信号。SCR导通时，电容 C迅速放电，使点火线圈初级产生-个脉冲电压 .经升压在次级产生 1-2kV的高电压 ，使火花塞间隙放 电击穿 ，产生火花 ，点燃 汽缸中的可燃混合汽。当电容 C放 电结束时 ，SCR关断 .磁电机充电线圈又对 电容 C充 电。磁 电机转子每旋转-周可产生-次点火脉冲，使发动机保持连续工作 。

模拟式点火器的点火提前角是 SCR触发信号与磁电机发出的触发信号间的延时值 。这是 由点火 控 制 电路控 制 的 。

由于电子元件 固有 的特 性 ，使得 点火提前角控制 电路 调整较 困难 ：另外大排 量发动机 点火提前 角特性 曲线 复杂 .模拟控 制 电路不 能适应大排 量发动机的要求。而由单D1图 1 模拟点火器电路图47· 产品与市场 ·片机组成的点火提前角控制 电路可以灵活修改其软件程序 ，改变点火提前角 的特性 曲线 ，点火 提前角控制精确 ，可满足大排量发动机的点火特性要求。使发动机的效率、功率提高 ，尾气排放量 明显降低。由单片机控制的点火器称为数字点火器。

2 数字点火器的工作原理数字点火器电路如图 2所示 ，该电路主要由触发信号采集 、点火提前 角控制 及点火拈组成 。单 片机的5V工作电源 ，由摩托车 12V蓄电池输 出，经稳压 电路降压供给 .该点火器硬件主要 由 89C51单片机及其外围电路连接而成∮通电源后 4093输 出高 电平使单片机图2 数字点火器电路图复位，此时单片机启动定时器中断 ，定时清除看门狗”电路 ，使其正 常情 况 时输 出高 电平。转速测量 电路开始测量转速，转换为数字信号，输入到单片机数据总线上。磁 电机触发信号经整形输入到单片机 的 外 中断 INT1脚 。

使单片机进入 INT1中断子程序工作.CPU读取转速值 ，根据转速值计算延时值 ，延时时间到后 ，在P1.0口上输 出 SCR的触发信号 ，此 时 SCR导通 ，点火线圈次级感应 出高电压 。火花塞产生放电火花 .点燃发动机 中的可燃混合汽 ，发 动机运转。图 3为控制过程软件流程图.具体工作步骤如下：(I)系统接通电源 ，对单 片机 内的寄存器进行初始申打开定 时器 T0外 中断 INT1- - 启动定时器 lI-1盘 1NTl十 1化 ：设 置 堆 栈 指针 、内存初地址 ：打开定 时器 TO 中断和 INT1外中断。

(2)为防止干扰引起死机.先开 TO中断 ：清 除 看 门狗 ” 电路 ；保持CPU复位端 RST始终为高电平。

(3)主程序检测INT1外 中 断 ； 当图3数字点火器程序流程图 INTI请 求 中断 时 ，跳转运行 INT1子程序；CPU读取发动机转速值；根据转速值计算点火延时时间；当延时时间到，在 P1.0 VI48端输出 SCR的触发信号，完成-个点火周期。

根据基准脉冲的不同 ，处理点火时刻延时有两种方法，-种是以磁电机触发信号正脉冲为延时基准.以负脉冲为计算转速的基准。其实是在第 NI周期计算第 N周期 的转速 ，并在该周期内完成点火 ，所 以称其为 NI周期点火方式 。另外-种方式为 ，计算转速与延时都 以负脉冲为基准 ，在第 NI周期计算出第 N周期的转速 。

等第 N2周期来到时再启动延时。以上两种方式各有其特点 ，NI点火方式算法较简单 ，点火提前角受转速波动影响较校但是该方式 以正脉冲为基准 ，由于磁电机触发装置限制 ，点火提前角调整范围有限。N2点火方式点火延时不受磁 电机触发装置限制.点火提前角调整灵活。但该方式计算烦琐，点火提前角受转速波动影响比较大 。以上两种方式其过程如图 4所示。

触发信甚薹。 . . 爵NI周期点 火方式nJ ， 提前角蒋薹 。 薷 。

l l l lt 计算N2周期 点火方式图 4 两种周期点火方式3 两种点火器特性对比分析我国目前使用较多的 CDI模拟点火器 ，基本能够满足小排量发动机转速与点火提前角简单调整的要求。而四冲程大排量发动机点火提前角相对转速变化的曲线较复杂。

CDI模拟点火器无法使大排量点火工作在最佳状态。图5所示 CDI模拟点火器的点火提前角特性曲线及数字点火器的点火提前角特性曲线。从图中可以看出，模拟式点火器所适应的曲线较简单，而数字式点火器可根据发动机不同工作情况下的点火提前角要求 ，对其曲线进行任意调整。

数字点火器与普通 CDI模拟点火器相 比，其最大的特点就在于能够充分利用其软件的巨大潜力 ，根据事先设定好的进角曲线对发动机点火提前角进行精确控制，使得发动机在各种不同工作条件下都能达到最佳的点火特性。通过试验可 以看到 ，数字点火器能够使发动机在怠速及高速状态时油耗、功率、排放等指标明显改善。

但是 .数字点火器也存 在产 品成本高 、(下转第 50页)·产 品与市场 ·组油缸单独工作两种工作状态 ，工作频率约为每 2分-次 循环 。在该 试 验 台寿命 周期 内要 求 能承受 不 少 于30000次应力循环。

2 cosmos有限元分析2.1 模型的建立使用 Solidworks建立该机构 的三维模 型，然后利用cosmos进行下-步的有 限元分析研究 。加载机构与试验台其余结构件相对独立 横梁与试验台台架其它部分连接刚度较弱 ，此处 ，忽略试验台台架对该机构强度 的影 响，只取-组加载机构进行分析。所用材料为Q345A，弹性模量 2.06e5 MPa，泊松比为 0.25，屈服强度为 345MPa。

图 3 简化的三维模型Fig.3 The three-dimensiom63kN，共 4处。

图 4 载荷及约束施加Fig.4 hnposed of Load andconstraint22 加载和约束处理(1)加 载 ：根 据 工作 时的实际受力情况 。

在对应 位置 分别 加上集 中 载 荷 ，大 小 为图 5网格划分Fig.5 Grid division(2)约束 ：拉杆与立柱连接处 ，施加销轴约束 ，即保留销轴径向的旋转自由度，限制其它 5个自由度，在受力时 ，拉杆与立柱可以发生相对转动。

2.4 静载计算有限 4 元分析，得出图所示应力云图。由计算所得的应力云 图可知 。

该 结构 中最 大应 力 为227.2MPa， 为 立 柱 与油缸接 触 部位 .结 构整 体 受 力 比较 均 匀 。

根 据位 移 图可 知 .最图 6应力云图Fig.6 The stress nephogram大结构变形位移量约为 2mm。

3 结论图 7位移图Fig.7 Shift diagram均符合设计要求。

通过 以上分析可以看出，采用有限元分析法比较直观，且可以根据模型需要得到任意点的应力应变值。在两年多的频繁使用过程 中，该结构使用效果 良好 ，证明了结构的合理性以及分析的准确性 。