爱华网CDI点火器提前角曲线形成原理
前言
电容放电式电子点火器简称CDI,虽很多文章都介绍过,但都比较笼统,没有把与之相关的磁电机、脉冲触发器等相关零件联系起来,所以对于初学者来说,理解点火提前角曲线的具体形成过程是相当困难的。
本文从磁电机触发凸台设计、触发脉冲信号的产生、点火提前角曲线的形成等方面,介绍CDI点火提前角曲线的形成过程。
1、磁电机触发凸台设计
触发凸台的设计是整个点火提前角设计的基础,直接决定了脉冲触发信号的产生和高转速下的正确点火提前量。
6极磁电机转子如图1所示,触发凸台有2个关键量：即在转子上的位置和凸台长度。触发凸台的位置是由触发器的安装位置决定的,设计时要根据发动机的内部空间首先选择好触发器的安装位置,并计算触发器中心和上止点的角度,然后将这个角度提前“10º一15º”,得到的就是触发凸台的B点位置。所
提前的角度就是发动机的机械提前量,而这个提前量就是发动机的机械提前角,也是CDI电子提前角的坐标原点。实际设计时,整个点火系统设计完成后，还需要根据发动机的实际运行情况对机械提前量进行微调。
然后要决定的是点火凸台的长度,这个长度实际上就是后面要讲到的3∀的电子提前角,也就是发动机在高速运行时的最佳点火提前角。点火凸台的长度要根据电子提前角来确定,过程非常繁琐,要经过反复的设计和修改,通过比较不同电子进角情况下发动机的燃烧情况、油耗、输出功率、转矩和排放等参数之后,才能决定。
2、脉冲触发信号的产生
图2所示是一种常见的触发器,适用于外转子式磁电机,用于产生触发脉冲信号。触发脉冲信号实际上是转速信号,它输入到集成CDI中去起作用的量与分立元件CDI不同,不是脉冲电压的高低,而是频率的快慢。触发器输出的触发脉冲信号在波形上是有要求的,一般是先正后负,如图3所示。下面介绍一下触发脉冲波形的产生。
图1和图2中标示有ABC3个点,这3个点对于理解触发波形的产生至关重要。如图4所示,磁电机转子顺时针旋转,当转子触发凸台的A点刚刚进人触发器触头区域时,触发线圈通过的磁通量逐渐增大,形成触发脉冲的正半波上升沿,当凸台的A点和触头的中心C点重合时,触发脉冲达到正半波的峰值（+UP）,此后,由于触发器线圈中通过的磁通量逐渐减小,形成正半波下降沿,直到触发器触头全部进人凸台后,正半波结束。这就是图3中的区域Ⅰ。区域Ⅱ是由于触发器触头在凸台范围内,触发线圈中的磁通量没有变化,所以感应电动势为零。
图5为当磁电机B点开始通过触发器触头时,触发线圈中通过的磁通量开始减小,当B点完全离开触发器触头时,触发线圈中的磁通量将减小到零。这一过程形成了触发脉冲的负半波,即图3中区域Ⅲ。
从以上分析可知:触发信号的峰值电势随转速的加快而增大、触发信号的频率随转速的加快而加快。触发器触头和转子凸台之间的间隙称为触发间隙,一般控制在0.7mm左右。触发间隙实际上就是磁路的气隙,气隙越小,磁通损失越少,触发线圈中的感应电动势就越大。但是由于受加工工艺和加工成本以及材料成本的影响,间隙不可能太小,所以通常都取到0.7mm。
触发线圈中的磁通量不再变化,保持为零,直到触发凸台的A点再次进人触发器触头区域时,又开始产生下一个脉冲波形。所以图3中的区域Ⅳ没有感应电压,直到下一个正半波的到来。
2、点火提前角曲线的形成
现在国内外摩托车使用比较多的是集成电路的电容放电式电子点火器,而使用分立元件的电子点火器,因为点火不够准确、高速失火等多方面的原因,已经退出了市场。所以,一般只要是CDI,就是指集成电路的电容放电式电子点火器。
CDI因其点火能量的来源不同而分为DC-CDI和AC-CDI。DC-CDI因其点火能量不随磁电机的转速而变化,不管是低速还是高速,点火能量都非常充足,解决了AC-CDI低速断火和高速失火的问题,而比AC-CDI点火更加可靠,但在点火提前角曲线形成的控制上,二者没有区别。图6是某125ml摩托车的点火提前角曲线。
CDI的点火提前角曲线都比较简单,形状就像楼梯的台阶,所以称为“台阶曲线”。为了介绍具体控制时方便,图6中标出了DEFG4个点,在实际应用中CDI的提前角是由上下两条曲线构成的公差带控制的,一般作出4个控制点,如图中箭头所示。图中规定E点对应的转速为进角起始转速nlow;F点对应的转速为最大进角起始转速nhigh,F点对应的最大进角为θmax。不同发动机,其台阶曲线的形状基本一致,只是E、F两点的位置不同,即EF线段斜率不同。实际上,
CDI的电子进角设计就是通过实验,确定发动机在什么转速下开始进角和在哪个转速下达到最大进角的过程。当进角起始转速、最大进角和最大进角起始转速确定后,就要在CDI实际电路中去实现这些参数了,如图7、图8所示。
图7是4213芯片的原理框图。（1）为电源,（2）、（7）是信号输人端,（3）、（4）、（5）、（6）脚接地,（8）、（9）脚是参考电压端,（10）脚是点火信号输出端,（11）脚是（12）脚的基准电压端,（14）是（13）脚的基准电压端。在参数设定上,
（12）脚的脉冲前沿电压幅度是（11）脚的1/2,这样,当触发信号的正半波进人下降沿时,由（11）脚提供电能,使（12）脚的电压继续升高。
图8是4213的典型应用电路,整个电路的构成非常简单,仅在集成块的外围布置了少量的阻容元件。T1、T2及外围的阻容元件构成了两路共集电极电
路,主要用于输人信号和负载之间的阻抗匹配；R1、C1为积分电路；D1、D2为稳压电路；R9、C8、C9为电源滤波电路。
台阶曲线的形成其实是由（12）脚的小锯齿波形和（13）脚的大锯齿波形的比较而成。从图9可以看到大锯齿波形是从零电平开始的积分波形,而小锯齿波形
是被钳位在一定高电平的积分波形。小锯齿波形与触发脉冲正半波同时出现,其积分时间常数决定于R7和C6,同时受点火驱动模块的影响,当触发脉冲负半波出
现时,小锯齿波形结束。大锯齿波形则是从触发脉冲的第一个负半波开始,到下一个负半波到来时结束,在大锯齿结束的同时,下一个大锯齿波形又产生了,其积分时间常数决定于R8和C7。发动机刚刚起动时,随第一个触发脉冲的正半波产生的小锯齿是没用的,CDI实际是从第一个大锯齿和第二个小锯齿开始比较,才真正进人工作阶段,不断发出点火信号的。
图9为转速小于起始进角转速时的波形,当第一个负脉冲到来时,通过（7）脚送入集成电路,并在（13）脚产生大锯齿波形Ω在第二个周期正脉冲到来时,通
过（2）脚送人集成电路,并在（12）脚产生小锯齿波形。（12）脚的电压一出现就与（13）脚的电压进行比较，但直到最后电压也不能大于（13）脚的电压，所以比较器输出高电平“1”。当第二个负脉冲到来时,经（7）脚送人,在（13）脚产生大锯齿波形；另一路和比较器输出的“1”一同送人“与非门,使“与非门”输出“1”,（10）脚即输出点火信号,使发动机点火。发动机点火时,
刚好是负脉冲到来的时刻,也就是说发动机没有提前点火,只是在机械提前角的位置点火。发动机的绝对点火角θ1,应该为机械进角θ2与电子进角θ3之和,
假设此时发动机的机械进角为10º，那么发动机的绝对进角也为10º,这就是图6所示的曲线DE段。
当发动机转速刚好大于起始进角转速时,如图10所示,小锯齿电压在提前负脉冲大约0.5º的地方大于大锯齿电压,比较器输出低电平‘0’，此时负脉冲
还没有到来,所以“与非门”输出高电平“,1”,使（10）脚提前了Δ
0.5º输出点火信号。这时发动机的绝对进角为θ1=θ2+θ3=10º+0.5º=10.5º。发动机开始提前点火。图11为转速大于起始进角转速而小于最大进角转速的波形图。
当发动机转速继续升高并大于最高进角转速时,如图12，所示发动机进人最大进角。此时,正脉冲信号一出现,随之同时出现的小锯齿电压就比大锯齿电压高了,发动机在正脉冲信号出现的同时即开始点火,即图6中台阶曲线的FG段。如果规定最大进角为17.5º，那么发动机的绝对进角为：θ1=θ2+θ3=10º+17.5º=27.5º。
这样CDI点火提前角曲线就全部形成了,并通过图8电路中的R7和R8进行简单调整。通过改变小锯齿和大锯齿的积分时间常数来改变曲线的形状,以适应不同发动机的点火需要。
