摩托车点火系统的发展进化历史 1

        点火系统的发展与摩托车的发展同等重要，早期的内燃机设计是只考虑工业用途的动力供应问题，属于是静置式的工业发动机，随后才开始有摩托车的观念出现，利用内燃机作为动力驱动车辆前进。
        内燃机是在1860年由雷诺（Lenoir）制造，虽然与今天使用的发动机大不相同，但其贡献不小。因为它提供发动机更进一步改良的蓝本，而且是首先使用电力点火。利用配置在气缸头上的火花塞与震动线圈产生火花来点燃混合气，但是这种点火方式在当时并未得到广泛的使用。
        1876年德国工程师奥托制造了第一台四冲程汽油机，当时选用的点火方法是敞开火焰（open flam）点火方式，敞开火焰点火方式是将引导火焰放置于发动机气缸头开口的附近，考虑到气缸内的压缩压力会吹灭火焰，所以设计上必须很小心。奥托使用定燃气体火焰与侧置式气门，让火焰按照发动机循环的正时进入气缸，此时的发动机压缩比很低。
        1883年出现热管点火（hot-tube ignition），热管点火使用一端密封的金属管，开口栓入气缸头中，定燃气体火焰对热管的密封端进行加热。压缩冲程时部分混合气被压入热管中。当混合气进入热管的加热端时被点燃，通过调整气体火焰的位置可以控制点火时间。



        由于热管点火方式并不可靠，人们开始尝试关闭点火系统，关闭点火系统在发动机燃烧室内放置了一组触点，利用设置在发动机外的可动杠杆来推动触点的关闭从而产生火花点燃混合气。这一时期的关闭点火系统有使用蓄电池供电的，也有使用磁电机供电。此系统的主要缺点是触点位于燃烧室内，由于受到燃烧气体温度的影响，触点必须经常更换。而且由于可动杠杆必须穿过气缸头开孔，所以发动机的压缩比也受到限制。
        1901年独立线圈式低压磁电机上市，这种磁电机配有一组白金，当磁电机在最高输出时切断电流，利用点火线圈的互感效应来升高电压，使高压可以跳过安装在气缸头内的火花塞间隙跳火。从此以后，点火系统逐渐进入了白金点火的时代。
白金点火
        白金点火可以算是摩托车上广泛应用的第一代点火方式，其基本原理图如图3所示。这是一种有触点的储能放电点火方式，点火提前角有些使用离心块加弹簧来进行调节，例如早期的五羊145白金点火摩托车，其白金触点安装在发动机缸头的凸轮轴上；有些使用拉线手动调节，例如长江750三轮摩托车；还有的是固定点火提前角，不能调节点火提前角，例如幸福250，东风021等车型。有使用蓄电池作为点火电源与磁电机作为点火电源两种供电方式。但这不是理想的点火系统，因为最大的缺点在于白金。白金间隙必须调整正确才能使发动机运转，就算是在维护时已经调整妥当，在使用中随着白金的磨损还是会出现问题。白金间隙调节过小会造成关闭角加长，点火时间迟后，而且白金表面容易烧毁，凹陷，这造成点火线圈的低压电流降低，相对的也减低了高压电的能量。
        另一个严重的缺点是即使新的白金触点，调整也正确时，在发动机转速上升后，点火线圈的输出电压却降低了。这是因为在发动机转速增加后，白金闭合的时间缩短，因此低压电流流过的实际时间减少。但是点火线圈需要一段时间的通电充磁才能建立起足够的磁场，高转速时时间不够充足，线圈磁场无法建立到最大，影响到了输出的高压电压强度。
        白金点火还有一个问题就是转速升高后触点会产生浮动与跳动，浮动是白金弹簧的张力太小引起的，由于弹簧张力过小，白金的活动触点臂不能跟随凸轮快速转动，造成白金实际接触时间减少。跳动是弹簧张力太大造成，当白金闭合时，是多次跳动而非正常的一次闭合到位，这也在实际上减少了接触时间。
        随着电子技术的进步，到了60年代开始出现了白金控制的三极管感应存储式点火，这是点火系统中最早使用三极管的系统。它是将三极管当开关来使用，白金只控制三极管的通断，点火线圈的低压电流由三极管来控制。由于白金只控制三极管，所以工作电流极小，因而不再出现频繁的烧灼与磨损凹陷。三极管能够轻易的控制点火线圈低压电路中的大电流，转速上升后不再存在白金触点的浮动与跳动。附加配件确保正确的电压施加到三极管上，以便白金迅速控制，有些配件保护三极管免受点火线圈的高压脉动影响。由于白金的工作电压很低，所以可以不需要电容，但是为了防止白金触点氧化，还是要维持白金最低的电流量。



        白金三极管点火系统虽然克服了早期白金点火的某些弊病，但是由于是有触点点火，仍然存在触点需要维护，转速升高后机械式触点开闭速度过快会出现触点粘连现象，所以白金点火系统无法适应摩托车发动机转速越来越高的要求。为了解决上述问题，推出了电容放电点火系统（Capacitive Discharge Ignition System），也就是维修技师都很熟悉的CDI点火方式，这种点火方式目前在国产摩托车中被广泛的使用，可以算是摩托车使用的第二代点火系统。
电容点火
        电容点火方式相对机械式的白金点火而言具有以下优点：1，电容点火没有机械触点，点火时间由触发线圈（或者点火充电线圈）决定，不存在机械磨损造成点火时间变化的情况，基本上可以免维护。2，点火电压上升极快（5us左右），高压升压时间快在火花塞存在绝缘体脏污漏电的情况下，也能够可靠的击穿火花塞间隙跳火。而传统的白金点火升压时间需要200us左右，在火花塞绝缘体存在漏电时，线圈的电能在到达火花塞中心电极时就已经漏电至搭铁，剩下的一点点电能不能有效的击穿火花塞间隙跳火，造成失火以及发动机的功率损失。
        早期的电容点火是使用磁电机的电源，也称为交流点火AC-CDI。线路中最基本的组成是磁电机内的点火电源线圈，触发线圈（它触发方式使用），点火器，点火线圈（高压包）。点火电源线圈的作用是给点火器内部的储能电容充电，通常这个充电电压在100—400V。触发线圈的作用是对点火器内的晶闸管（Silicon Controlled Rectifier），也称为可控硅（VT）的控制极提供脉冲触发信号。
        其内部电路工作原理如图5所示。点火开关打开后，飞轮转动使点火电源线圈产生交流电，当这个交流电的电动势方向为上正下负时，二极管VD1导通，对电容C进行充电。其充电电流回路为：VD1→电容C→点火线圈的初级线圈→搭铁。触发线圈对可控硅控制极的触发过程为：正电动势通过二极管VD2→电阻R1→电阻R3和电容C1→可控硅的控制极→可控硅阴极→搭铁，完成可控硅的导通过程。可控硅导通后，电容C的放电电流回路为：C的正极端→可控硅阳极→可控硅阴极→搭铁→点火线圈的初级线圈→电容C的负极端。由于电容通过点火线圈的初级线圈放电，次级线圈同步的互感出一个高压电。
        为了使可控硅在较低的飞轮转速时也能有效导通，触发线圈在设计时使用的匝数比较多。为了限制高速状态的触发电流，使之不超过允许值，在触发线圈与可控硅的控制极之间串联了电阻R1，R3和电容C1组成的滤波电路，用于使加至可控硅控制极的触发电压波形更加陡峭，以利于可控硅的迅速触发导通。电容C1使用的是电解电容，一般容量在25uF。并联在可控硅控制极与阴极之间的电阻R2是分流电阻，改变电阻R2的阻值，可以调整供应给可控硅控制极的触发电流大小，使之与可控硅的触发特性相适应。二极管VD2除了单向导通正半波电动势以外，还可以使可控硅的控制极免于承受过高的负电压而引起损坏。



        图6为六级磁电机的点火器电容充电波形，飞轮每圈运转时点火电源线圈对电容充电3次，电压逐次提高。这是因为飞轮上每块磁铁宽度有限（两块磁铁不能同时覆盖一个独立线圈，否则感应电动势将相互抵消），每次掠过线圈的时间相对缩短，线圈的感应电动势能量不足。转速越高时这个电动势下降越多，所以有些车型在线圈组中设计了两个点火电源线圈串联使用，这类配置在八极磁电机中比较多见，此设计方式就是为了提高发动机高速运转时的点火充电能量。图7为点火器电容充电波形的放大，可以看到电容充电是相当迅速的，在7.8ms时间电压就充至200V。



        触发线圈的安装位置有两种，一种是安装在磁电机飞轮内部，两冲程发动机多数采用这种安装方式，例如雅马哈80，南方125等。由于这类磁电机飞轮内布置有两对磁铁，飞轮每运转一圈，点火电源线圈对点火器的电容充电两次，触发线圈也给可控硅提供两次触发信号，火花塞将点火两次。一次在压缩冲程上止点前，这是次有效点火；一次在排气冲程上止点前，这是次无效点火，只能说可以清除火花塞上的积碳。另一种是安装在磁电机外侧，四冲程发动机多数采用这种方式，例如嘉陵70，五羊125等。飞轮每旋转一圈，触发信号提供给可控硅导通点火一次，这类车型同样是每个工作循环点火两次。
        AC-CDI点火中还有一类没有触发线圈，使用的自触发方式，点火电源线圈即给电容充电，同时又给可控硅提供信号，例如轻骑木兰50，铃木的FA50，100等。图8为自触发方式的点火器内部线路原理图。该类点火装置的工作方式为：当点火电源线圈的感应电动势在正半周（上正下负）时，二极管VD1导通→电容C→点火线圈的初级线圈→二极管VD3→点火电源线圈下端。此时由于可控硅控制极上加的是负偏压，所以可控硅呈截止状态不导通。当点火电源线圈的感应电动势在负半周（上负下正）时，电压通过电阻R2→可控硅控制极→可控硅阴极→二极管VD2→点火电源线圈上端。这个电压增大到使可控硅触发导通的电压值时，可控硅被导通，电容通过点火线圈的初级线圈放电。电容放电的回路为：电容C的正极端→可控硅阳极→可控硅阴极→点火线圈的初级线圈→电容C的负极端。于是在点火线圈的次级线圈中感应出了高压电，使火花塞电极间隙之间产生高压跳火的电火花。
        由于储能电容的充电电压大小是直接受到磁电机内点火电源线圈的控制，在有限的磁电机空间内不可能布置太多的点火电源线圈，这将使得给电瓶充电的照明信号线圈减小，不能在低速时有效的提供充电电力。鉴于这种情况，某些交流电容点火器使用了倍压充电的方式，将点火电源线圈的正负半波电压全部用于对储能电容的充电，这极大的提高了点火器的电压。倍压充电线路中设置有二极管和电容，利用二极管的单向导电性将负半波充电电压利用起来。



        图9为一款倍压点火器怠速时的充电电压，最大值640V，图10为常规的无倍压设置的点火器怠速时的充电电压，最大值264V，通过波形对比很容易看到倍压方式下充电电压提高了2.4倍。这就能有效的保证在高速时点火器也能获得足够高的充电电压。随着现在摩托车上各种灯光电器的增多，夜间行驶时耗电功率不断上升，磁电机的空间却不能一直扩容加大。为了解决低速时电瓶充电量的问题，磁电机中的点火电源线圈被取消，全部放置照明信号线圈。此时电容点火不再需要点火电源线圈提供电力，转而使用电瓶的12V电源，于是出现了直流电容点火，DC-CDI。
        直流电容点火使用电瓶的低压电源，通过内部升压装置将12V低压电升压至200V甚至更高，然后给储能电容充电。直流升压电路早期使用的是三极管自激振荡升压，现在也有使用IC电子振荡升压电路。这样无论发动机转速高低，电容的充电电压基本保持不变。直流电容点火的推出，解决了交流点火在起动转速低的时候点火器充电电压不足的问题，特别是在冬季冷机电起动时。这算是电容点火的一次进步。
        交流与直流点火器某些型号的产品从外观上无法直接区分出来，此时可以使用12V电源接入点火的输入端与接地端，由于直流点火器的内部构造原因，通常在接通电源时会有7—20mA的所谓“待机电流”。而交流点火器则没有此电流。交流点火器可以承受几百伏的微电流电压，直流点火器则只能承受十几伏的电压。如果将直流点火器接入交流点火线路中，则一起动发动机就会立刻烧毁点火器。
        无论直流点火还是交流点火，为了适应发动机转速的变化，必须要调整点火提前角。不能调整点火提前角的属于是定角点火器，飞轮上的触发凸台为一个直径约5mm的圆形，例如早期的嘉陵70机种。定角点火器的点火时间开始于触发线圈正半波电压超过0.7V，可以通过整流二极管进入可控硅控制极导通可控硅的时候。这类点火器使用在那些触发凸台长度在15—20mm的飞轮中时，点火时间是固定在最大点火提前角位置。通常国内的小排量常用机种，例如GY6，弯梁100，CG125等车型的最大点火提前角在上止点前30到35度左右。这种定角设计造成一个问题，起动时由于点火提前角过大，容易使发动机出现反弹，在使用电起动时经常损坏电起动的超越离合器。同时发动机动力性能和耗油量皆不良好。
（未完待续）

写的很好的技术贴。

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