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                                文章主題: 單晶片與引擎控制(五) -- 點火系統概念篇
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  (2006/4/20)前言 :

            這兩天台灣科技業最熱門的新聞是什麼?就是這兩天在台北的車用電子展。許多朋友也都特地撥空去看,還一頭熱的信誓旦旦的發表意見,看在與聽在筆者的心裡,還真的是五味雜陳。我初接觸車用電子時是我 1992 年研究所畢業工作後一年就接觸了。一直鑽研了六年,最後還經由基益公司吳世章董事長(當然也是目前股王益通光能董事長)的引薦跟當初中華汽車副董事長,現為工研院董事長林信義先生與裕隆集團執行長嚴凱泰先生有過短暫的會面與對話,讓我體會到要走車用電子這條路,所必須要有的心態調整。

            後來,進入園區科技產業後,也承蒙許多科技業者的疼惜,我也都引薦許多在車輛工業者與科技業者的老闆們一些對話。雖然這中間有許多不足以與外人道的內容外,也的確讓筆者在這兩個業界之間深深的學習到許多這兩種異業結合的許多有待克服的技術與觀念改變。這些都不是三言兩語就可以交代清楚的。不過,能看到目前國業相關業者突然把所有注目焦點都聚集在此時,也算是一種欣慰吧。

            筆者還是把一些過去所累積的一些車用電子的技術,分享給有緣來筆者網站的朋友吧。至於,今後這塊市場在國內會如何演變,筆者就願意當一個忠實的觀眾,靜觀其變吧。

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        首先,引擎控制要作得好,無非是三大要素:『氣』、『油』及『火』!

        『氣』:  以前HONDA 有名的 VTECT,及今年MAZDA Tribute 的VVT(可變汽門正時+電子節氣門)。

        『油』: 傳統的化油器及目前流行的燃油噴射系統。

        『火』: 機車常用的 CDI  或 晶體點火( 無分電盤或直接點火系統)。

            其他還有一些次要因素: 冷卻及潤滑。

        筆者想會來網站瀏覽資料的應該大多是學電子背景的居多,所以,還是先提跟電比較有密切關的『火』:  點火系統。至於,其他方面的東西,以後有空在慢慢來聊。

        講點火系統或車用電子,筆者最喜歡引用一張圖片了:

               

        據說,這張手稿,就是今日引擎點火系統的老祖宗。他還是只一張概念性的手稿,時間是1908年,比我們推翻滿清時代還久呢。而且據說這位老兄(Charles Franklin Kettering) 還是後來美國通用汽車旗下電裝大廠DELCO (Dayton Engineering Laboratories Co. -- Delco)的創始元老之一呢!夠勁爆吧!

點火系統大致可分成以下幾種常見的種類:

 

        老祖宗的那一種就是所謂白金點火系統。而目前我們常見的就是上圖中紅色所圈選的 那兩種了,左邊那種就是汽車所常見的晶體點火系統;右邊那種就是兩輪機車所見的 CDI 點火系統。以現在來說,無論用什麼方法點火,基本上都已經是要用單晶片微控器來控制點火正時了。這點筆者往後會再提的。

而無論您是採用哪種點火系統,對引擎的點火控制系統的基本要求是:

bullet能產生足以擊穿火星塞間隙的電壓。考量因素:
bullet    一般操作狀態。
bullet    啟動要求,如需達  18KV 。
bullet    不可太強,而造成絕緣性與成本問題。
bullet產生之火花應具有足夠的能量。考量因素:
bullet    一般操作狀態,僅需 1~5 mJ (焦耳)即可;需考量基本能量的損耗。
bullet    啟動狀態,當燃油霧化效果差時,需提高能量 。
bullet    通常要求點火系統提供的火花能量不得低於 50 mJ。
bullet點火的特性需要與引擎的操作狀態相配合。包括:
bullet    點火正時(Timing) 。
bullet    火花持續的時間。
bullet其他:    
bullet    點火電壓的升壓要快速。且減少能量洩漏。
bullet    能量管理 。

    其實,筆者以上提了這麼多論點,大家可能還是很難體會,當燃油進入汽缸壓縮後,汽缸內高壓高溫的環境對點火系統都有息息相關的因素與影響,這是除了您懂了電機電子的東西以外,所必須體會得到的。

    目前大家比較容易接觸得到是機車的CDI點火系統,但是這是自主台灣機車產業之後,所留下的一個很奇怪的點火系統,我們所必須要認清的是:CDI 對二行程引擎的確有他的好處,但自從四期環保法規實行之後,二行程引擎會慢慢的走入歷史。去晶體點火系統在電子方面因為半導體的技術尚未突破(以前點火系統所用的晶體是Bipolar 他的耐壓能力有限,也限制了晶體點火在高轉速高壓反應能力),但今日電子半導體方面高壓的 MosFET的材料與製造能力都已大幅提昇了,所以畢竟晶體點火在四行程引擎方面的優勢與趨勢是我們所不能忽略的。但之前提到的,台灣機車所採用的CDI點火系統是一個傳統包袱的一個很奇怪的技術產品。這也不能怪機車廠,因為畢竟他們都有自主能力了,除非他們有自知自覺能力,否則,筆者也只能在此哇哇叫而已!若他們本身無法提升自己的電子電機研發能力的話。當國內機車業者要走入大排氣量的引擎時,所要面臨就是 點火系統的改良技術。這點就非得靠電子控制技術不可。所以,筆者常說:當大家都一窩蜂的要進入車用電子時,有誰能夠分析瞭解這些問題呢?! 關於CDI 點火系統與晶體點火系統的特性分析與優劣比較,等下回分曉。在此先將一般通俗的點火控制系統做完簡單的介紹:

        一般用單晶片微控器的點火系統之控制模式為:

bullet基本模式:
bullet    --- 啟動模式(Cranking)。
bullet    --- 怠速模式(Idle) 。
bullet    --- 非怠速模式(Out of Idle)。
bullet暫態模式:
bullet    ---  加速或再加速過程。
bullet    ---  回復怠速過程。
bullet    ---  配合切油模式過程etc 。

        若以圖是來表示的話:

        若您認為上圖沒什麼多大的意義時,而且上圖中也包含一些搭配噴油系統所延伸出來的控制模式,但不代表寫點火程式就不需要照上圖觀念來寫控制韌體。否則那您可能是錯了,因為當您要寫單晶片微控器程式時,您就必須要有以上的觀念來寫,否則,寫出來的程式,點火系統會不順。這是筆者參考了 Delphi (後來DECLO 合併了休斯電子公司成立的電裝公司)與 Siemens 的程式自己寫了一個程式的經驗。所以,下次您若只是拿了車廠給您的點火進角圖時,您可別只照著圖一路往下寫。否則,引擎跑起來就沒有真正達到他的控制目的。

        另外點火角度計算之決定性如下:

        啟動點火角度 == f(引擎溫度)。

        怠速點火角度 == f(引擎轉速,引擎溫度)。

        非怠速點火角度 == f(引擎轉速,引擎溫度,進氣溫度,油門位置,引擎負載)。

        例如:點火角度 ==  查表點火角度 -- (暫態修正值+引擎溫度修正值+進氣溫度修正值+...)。

        查表就是大家所常用的方法吧。至於後面的修正值,就得必須作許多實驗了。此時,您設計控制器時,您也必須考量此發展這一類的調教工具,讓引擎發展工程師可以很方便的去調教此一修正值。這是一件蠻好玩的一件事,因為偶而您還可以出野外實地去跑實車測試或去跑極速。(以前筆者是去桃園八德鄉的懷生機場,可能很多人沒聽過這個機場吧)

        其實,寫這些控制程式時,您自然而然就會瞭解到科學發展都是有脈可循的。為什麼在工程數學上有那些數學模式,為什麼人家方程式是那樣子列的∼解題方法為什麼要用一些數值分析的方法,都是有他的道理的,這也是筆者從是寫引擎控制程式時,所體會到的。這也就是筆者認為寫引擎控制韌體比寫USB或MP3 程式好玩的地方。

        關於點火系統的概論就先寫到這,下回待續。

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        後言:後來筆者在園區也剛好從事多媒體相關產品的開發,而這一塊也剛好是目前IT產業想進入車用市場的初期試金石產品。剛好筆者也有周遭好友以昔日同事在做車載多媒體與導航系統的東西。雖然都是屬於車用電子範疇,但箇中的學問卻是迴然不同,當然做生意的模式是不是一樣?這個就很難講了。但就筆著所接觸的那些車廠的老闆來說:他們心中所想的可能只是:您作的東西,對他到底有沒有貢獻?有沒有不可取代的必要性?舉例來說:污染法規都過不了,您跟他說您的電子產品多好多便宜!他可能聽都不想聽。例如:以前外銷歐洲的機車有所謂的極速限制。當初國內的有些作法就是用點火斷電方式,但沒有人願意把這個電子功能作到很精確或很方便。結果,這些機車廠想到的方法便是塞排氣管!降低馬力從他們機械角度也可以達到同樣功能,那您覺得您會電子會寫韌體又如何?!車子要不要裝多媒體播放器?!對他們來說或許只要一個多的累贅,搞不好還會破壞他產品的形象。他的品牌風險誰幫他承擔?!

        從目前國內風起雲湧想做車用電子市場來說,逐鹿中原,到底誰能勝出未可知?但您可能無意間發現,人家可能只是作一個小小的車用電子部品,卻是細水長流的活了大半輩子。您也不用覺得太意外,因為人家找到了上述的成功因素,您幫車廠解決他機械無法克服的問題,卻不急於到處渲染他公司有多好,只是靜靜的浸淫在他所喜歡的領域。怡然自得啊!

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