數位CDI --- 進階篇

大概六年前我發表了一篇關於單晶片與引擎控制的文章。
單晶片與引擎控制（六） -- 點火系統微控器篇
很高興的維基百科把這一篇納入內容連結。
----
其實單晶片應用於引擎控制，最早就是在點火控制，這是一個很重要的引擎控制觀念。
因為講難聽一點：您不管用化油器或是燃油噴射系統，套一句引擎老前輩講的話，
~~~~ 只要您不要把火星塞"淹死"的話，基本上，引擎還是會運轉的！~~~~~
那只是燃燒完不完全或是效能好不好而已...



---
但是您點火搞不定，譬如點火正時不對，說真的～那種感覺真的很不好。
當然常常也有人會問我說：那我把火星塞的那把火，弄得像中油標誌的這麼大時，
是不是比較好啊？！...我記得我以前在文章內有提過："您點火點得強，不如點得準吧！"
因為很簡單的觀念：等您利用火星塞的火花，已經觸發汽缸內燃油"爆炸"了...
注意喔～是爆炸，而不是純粹一根火柴棒燃燒而已，...就像您對著漫天的森林大火時，
您覺得再點一根火柴能對這漫天森林大火可以造成什麼影響嗎？
那您會覺得說：火星塞強一點比較好啊。那您更必須知道：火星塞的點火能量在CDI
系統裡，他的能量是蓄能在那個高壓電容裡的！...除非您改變那個電容的電容值。
但改變電容值會比較好嗎？！這又牽涉到充放電的效能...這是會影響高轉速的特性。
那您要犧牲高轉速特性呢？！還是要拿火星塞的火花來"嚇人"啊？
---
至於在晶體點火系統裡，火星塞的點火能量是蓄能在高壓線圈裡的...所以我們可以
發現：晶體點火的高壓線圈就是比CDI 的點火線圈大顆！...
晶體點火的好處就是他的能量釋放的速度比較慢，所以火星塞的火花持續時間比較長。
這對於稀油燃燒真的比較好！所以啦...您真的要拼污染法規或是節能～用晶體點火系統
的考量是對的！....但很不幸的是：就是因為線圈的充放電特性真的比不上電容放電
速度快，所以對於要求轉速的引擎來說：就得考慮這一個因素。當然啊...
因為線圈蓄能外加線圈充放電的特性，所以晶體點火的高壓線圈真的會比CDI 的
點火線圈"燙"...不是熱而已...真的是燙！因為他基本上就是類似馬達線圈一樣的道理。
補充說明一下：一定的引擎CC數與引擎尺寸規格下，您要提昇馬力(horse-power）
不好意思，您就得不斷得提高轉速...您看F1 賽車的引擎轉速就知道了。
-----
我們再回來基本的引擎控制的基本概念，控制引擎的基本要素：氣、油、火。
氣與油的結合，就是我們俗稱的燃油的空燃比 : A/R 值。
在引擎裡是真的有一個可以量到一個A/R 值，當然市面上也可以買得到A/R 比計。
但是呢？其實A/R 比計量到的是一個含氧量。...拿著A/R 比計量量含氧量，
它是一個動態量測，您要真正的由A/R 比計去得到真正的燃燒特性，其實還要真的
考慮空氣流量的....您才能真正的由A/R 比計去反應燃燒特性的。
不過，這一點不在我們再一次的點火觀念裡，以後有機會再說。
-
若擺開油氣問題外，最重要的就是："火"了，"點火"的"火"！
控制點火，當然除了基本點火能量的控制外，最重要的還是點火正時控制了。
大家買汽機車時，人家車廠在引擎性能訴求，都喜歡強調兩個數據：
引擎扭力（Torque）與馬力（Horse-Power ）。當然專業一點的人就會去看那一張
廣告DM 上的那一張引擎轉速對應這兩個數據的圖表。以下就是一張範例圖：

這條曲線的特性說明了：一個馬力---- 您的引擎多會跑？您的極速。一般人不一定用得到。
一個扭力--- 您的引擎多有力？！加速性...這是一般人比較容易體會的到。
當然這個數據與引擎的基本設計（包含缸徑、衝程比---就是CC 數與引擎曲軸長短有關！）
但當然也跟上述的氣、油、火控制息息相關。
我們可以明顯的看到一般最大馬力一般都是高轉速才會得到比較大的馬力輸出...
這就是我們所說的極速，當然轉速越高，燒油的速度也比較快...天下沒有白吃的午餐，
越大的馬力就是要付出高燃油消耗量，就是我以前引擎調教前輩講的：
~~~~ 只要您不要把火星塞"淹死"的話，基本上，您就是拼命送油就對了！~~~~~
但最大扭力卻是出現在引擎操作轉速的中段部分，這個數據就得要好好的控制
其他相關的控制要素了，尤其是點火正時控制了...
以下兩張是一般點火正時控制的點火正時與引擎轉速關係範例示意圖：
第一張就是我在單晶片與引擎控制（六） -- 點火系統微控器篇 中舉例的圖。
也是一般傳統用類比IC 控制IC 所做出來的特性圖。他就是讓引擎在操作轉速中段
有適時點火正時提前...以獲得"比較好"的扭力值，我強調一點：是"比較好"！
而不是"最好的"！...
         
而以下這一張示意圖，您有沒有覺得跟上面那一張的引擎性能示意圖的哪一條曲線很像？
              
沒錯！答案就是扭力曲線圖！
所以，我們很清楚，改變點火正時的目的就是為了這一點的！...
我們也可以知道這樣的曲線會牽涉到"最大的點火提前角度"與"曲線上升斜率"。
"最大的點火提前角度"...就是引擎不要產生爆震就好，沒有不喜歡這一點的！
因為它所能供的扭力就越好，扭力好就是代表就是省油。
而至於"曲線上升斜率"呢？！這就牽涉到加速騎乘性自我感覺良好問題了。
但是一般機車原廠為了一般婆婆媽媽小姐的騎乘習慣...就比較不喜歡提供一個
感覺有比較強烈的加速性的點火曲線的上升斜率曲線了，犧牲掉的就是這個。
這是商業考量，沒有辦法～您不可以期望每個婆婆媽媽與小姐都是專業車手啊。
----
所以經由我們以上簡單的說明之後，我們就知道點火控制也算是一個可以獨立考量
的引擎控制因素之一，也就是為什麼早期引擎控制的氣、油、火中，
可以先把點火正時控制分開的原因。
------------
當然啊，隨著引擎機械專業的越來越高的成熟度...大家就想藉由引擎氣油火的控制，
可以得倒一個比較好的引擎操作特性。所以，最早期機車是根本沒有所謂的點火提前，
到後來提供了傳統適時的兩段進角的點火控制...，甚至，可以做到數位控制下的
點火與扭力曲線配合控制！....這一些技術的演進都有其循序漸進的演變。
這其中不止是引擎的設計技術，當然也必須要有相關的引擎調教的測試發展環境配合。
所以，我們可以看到以下兩張國內常見的兩款機車的點火控制的配線圖：
第一張就是一般傳統的CDI 的點火控制器的配線圖。...很明顯他就是利用
引擎轉速來得到一個比較好的點火正時控制。                   


當然啊。從這樣的配線圖，您是看不出來它是傳統的類比式點火正時控制呢？還是
所謂的數位點火控制？！
----
但隨者引擎控制與使用者操作習慣的搭配，慢慢的，點火正時控制也會考量其他
引擎的其他控制參數。譬如加入了油門感測器（TPS, Throttle Position Sensor）。
以下就是一張有加TPS 的CDI 點火控制器。


這樣子的點火控制特性就不是單純的一張點火提前的控制曲線了：
      
您可以看到的是類似右邊那個表格式的點火正時操作圖。
---
其實，TPS 在引擎控制理論裡，他只是提供一個操作者（駕駛）的操作訊息輸入而已。
他真正跟引擎的燃燒特性所需的進氣量的量測與噴油量計算或是點火控制沒有多大的
直接關係...因為要量到真正的進氣量是靠另一個感測器來取得的：MAP 進氣負壓感測器！
但這兩者確有密不可分關係：當我們在引擎故障碼出現TPS Sensor Error
(P-Code 為 0120 碼） 之下，能取代TPS Sensor 的...就是MAP Sensor 了。
而一樣的道理，當發生 MAP Sensor Error時 (P-code 為0105 ），能取代的就是TPS。
所以，某種程度來說：在沒有MAP Sensor 情形下，TPS 是可以當MAP Sensor 用的。
----
當然啊...如果您的點火控制器是安裝了TPS Sensor ，那就得一定要用數位控制了。
因為要取得與計算點火正時控制參數，就不得不用數位單晶片MCU寫韌體控制方式了。
---
最後，可能有些人會很質疑我這邊所講的這些東西...譬如，有人會說：這什麼時代了？
人家都已經用電子燃油噴射系統了，您還在講這些LKK的東西...
但是我說了：這些東西都是循序漸進演變的，他也不是一次到位的，因為這裡面不是
簡簡單單的撰寫引擎控制韌體程式而已，這個東西還需要搭配周遭的引擎本身設計改良
與引擎調教技術的精進...就像我們看到人家蘋果Apple 做的iPhone 、iPad...等等。
您覺得您也可以一次到位嗎？！如果這麼容易的話，那為什麼這一次台北ComputerX
展之後，大家對於Wintel 的 Win8 與Ultrabook 能否一時撼動Apple 平版地位
還是心存某種質疑？！...因為它不只是一個產品而已，而是一個生態的改變。
他所造就的是一個產業供應鍊與產業與使用者之間的環境變化....
您就更不用說：像車用電子這一種牽涉比較嚴謹的操作環境與實用條件了。
---
最後我就留下一個工程問題讓大家思考一下就好了。
引擎控制有用到很多感測器：譬如上述的"MAP進氣負壓感測器" 、MAT 進氣溫度感測器
CTS引擎溫度感測器，當然還有提到的TPS 油門位置感測器...等等...這些感測器在我們
單晶片控制裡都是用到 A/D 輸入端，也就是我們也只能透過A/D 來取得真實外在條件。
"MAP進氣負壓感測器" 、"MAT 進氣溫度感測器" 及"CTS引擎感測器" ...這些量到都是
基本數據...因為感測器有其基本出廠誤差值範圍...量到的溫度、壓力就是當下的溫度、
壓力這幾乎也無須置疑的。
但TPS 油門感測器，它就是很討厭...它只是一個VR 可變電阻，他的上下操作範圍
跟（就是我們量到的A/D 上下限值---所對應的 0%(idle ，怠速）與100 % WOT  )
您安裝到引擎上面時有很大的關係---這要校正！但問題時，它又是一個操作頻繁的
機構件...用久了就會產生"阿索瞇" （間隙...修車師傅都講這個術語！）怎麼辦？！
您總不能教每個修車師傅用操作電腦隨時幫您校正吧？！那您的韌體程式就得
必須做到一定的自我校正與調整....因為一台車子不比一台手持裝置手機一樣？
用沒幾個月就可以不要了吧？！---- 那您覺得該怎麼做這一段韌體程式呢？
這個問題在簡單有加TPS 感測器的點火控制器您都不一定能搞得定...那您怎麼說：
您可以在更複雜的氣、油、火 一大堆參數數據中計算得到更佳的控制參數呢？