汽车电子控制技术奥迪200轿车点火系统分析.docx

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汽车电子控制技术奥迪200轿车点火系统分析

奥迪200轿车点火系统分析

一概述

汽油机在压缩接近上止点时，可燃混合气是由火花塞点燃的，从而燃烧对外作功，为此，汽油机的燃烧室中都装有火花塞。

火花塞有一个中心电极和一个侧电极，两电极之间是绝缘的。

当在火花塞两电极间加上直流电压并且电压升高到一定值时，火花塞两电极之间的间隙就会被击穿而产生电火花，能够在火花塞两电极间产生电火花所需要的最低电压称为击穿电压；能够在火花塞两电极间产生电火花的全部设备称为发动机点火系统。

发动机点火系统

1.传统点火系统:

分为蓄电池点火系和磁电机点火系

2.电子点火系统：

（1）晶体管点火系TI-B（Breaker-TriggeredtransistorizedIgnition）

（2）半导体点火系SI（semiconductorIgnition）

　　（3）无分电器点火系DIS（DistributorlessIgnitionSystem）

传统点火系统

　　机械式点火系统工作过程是由曲轴带动分电器轴转动，分电器轴上的凸轮转动，使点火线圈次级触点接通与闭合而产生高压电。

　　这个点火高压电通过分电器轴上的分火头，根据发动机工作要求按顺序送到各个气缸的火花塞上，火花塞发出电火花点燃燃烧室内的气体。

分电器壳体可以手动转动来调节基本的点火提前角（即怠速运转时的点火提前角），同时还有真空提前装置，它根据进气管内真空度的变化提供不同的提前角。

电子点火系统

电子点火系统与机械式点火系统完全不同，它有一个点火用电子控制装置，内部有发动机在各种工况下所需的点火控制曲线图（MAP图）。

通过一系列传感器如发动机转速传感器、进气管真空度传感器（发动机负荷传感器）、节气门位置传感器、曲轴位置传感器等来判断发动机的工作状态，在MAP图上找出发动机在此工作状态下所需的点火提前角，按此要求进行点火。

然后根据爆震传感器信号对上述点火要求进行修正，使发动机工作在最佳点火时刻。

电子点火系统也有闭环控制与开环控制之分:

带有爆震传感器，能根据发动机是否发生爆震及时修正点火提前角的电控系统称为闭环控制系统；不带爆震传感器，点火提前控制仅根据电控单元内设定的程序控制的称为开环控制系统。

二传统点火系统

（一）蓄电池点火系统的组成和工作原理

1组成

蓄电池点火系主要由电源、点火开关、点火线圈、断电器、配电器、电容器、火花塞、高压导线、附加电阻等组成。

2工作原理

电源是蓄电池，其电压为12V或24V，由点火线圈和断电器共同产生高压10000V以上。

分初级回路和次极回路。

点火线圈实际上是一个变压器，主要由初级绕组，次极绕组和铁芯组成。

断电器是一个凸轮操纵的开关。

断电器凸轮由发动机配气凸轮驱动，并以同样的转速旋转，即曲轴齿轮每转两圈，凸轮轴转一圈，为了保证曲轴转两圈各缸轮流点火一次，断电器凸轮的凸棱数一般等于发动机的气缸数，断电器的触点与点火线圈的初级绕组串联，用来切断或接通初级绕组的电路。

触点闭合时，初级电路通电，电流从蓄电池的正极经点火开关，点火线圈的初级绕组，断电器触点，接地流回蓄电池的负极，为低压电路。

触点断开时，在初级绕组通电时，其周围产生磁场，并由于铁芯的作用而加强。

当断电器凸轮顶开触点时，初级电路被切断，初级电路迅速下降到零，铁芯中的磁通随之迅速衰减以至消失，因而在匝数多，导线细的次极绕组中感应出很高的电压，使火花塞两极之间的间隙被击穿，产生火花。

初级绕组中电流下降的速度愈大，铁芯中磁通的变化就愈大，次极绕组中的感应电压也就愈高。

初级电路为低压电路，次极电路为高压电路。

在断电器触点分开瞬间，次极电路中分火头恰好与侧电极对准，次极电路从点火线圈的次极绕组，经高压导线，配电器，火花塞侧电极，蓄电池流回次极绕组。

（1）分电器

功用：

接通或断开初级电路

将点火线圈产生的高压电按照发动机分配给各缸火花塞

根据发动机转速和负荷自动调节点火时刻

组成：

分电器是由断电器、配电器、电容器和点火提前调节装置组成

断电器的功用是周期地接通和断开初级电路，使初级电流发生变化，以便在点火线圈中感应生成次极电压。

断电器的触点间隙一般为0.35～0.45mm，可以通过调整固定触点的位置来改变触点间隙。

配电器的功用是将点火线圈中产生的高压电，按照发动机的工作顺序轮流分配到各气缸的火花塞上。

电容器与断电器触点并联，其功用是在点火线圈初级电路断开时，减小触点间产生的电火花，防止触点烧损，并可加速点火线圈中的磁通变化率，提高点火电压。

点火提前调节装置位于分电器下部，由离心式点火提前调节装置和真空式点火提前调节装置组成。

（2）点火线圈

点火线圈把电源的低压电转变成火花塞点火所需要的高压电。

按其铁芯结构型式有两种：

开磁路点火线圈：

开磁路点火线圈采用柱形铁芯，其上下两端没有连接在一起，磁力线通过空气形成磁回路。

闭磁路点火线圈：

闭磁路点火线圈的铁芯用"口"字形或"日"字形的铁片叠制而成。

磁路闭合。

（3）火花塞

功用：

将高压电引入燃烧室产生火花并点燃混合气。

自净温度>500～600℃以上，裙部温度，若低于此温度，落在绝缘体裙部的油粒便不能立即燃烧掉，形成积炭而引起漏电。

炽热点<800～900℃,温度若太高，则混合气与这样炽热的绝缘体接触时，可能在火花塞产生火花之前就自行着火，从而引起发动机早燃，发生化油器，回火现象。

不同发动机使用的火花塞裙部受热是不一样的，就要求绝缘体裙部长度不同，根据裙部长度不同，又把火花塞分成冷型（裙部长度等于8mm）；中型（裙部长度等于11mm和14mm）；热型（裙部长度等于16mm和20mm）。

（4）几个元件的作用

1、电容器

电容器与断电器触点并联当触点断开时，有两个作用

（1）保护触点，自感电流向电容器充电，防止触点烧损。

（2）加速断电，提高次极电压。

当点火线圈铁芯中的磁通发生变化时，不仅在次极绕组中产生高压电（互感电压），同时也在初级绕组中产生自感电压和电流，在触点分开，初级电流下降瞬间，自感电流与原初级电流方向相同，其感应电压高达300V左右，在触点间产生强烈火花，使触点迅速烧损。

影响断电器正常工作。

同时使初级电流的变化率下降，次极绕组中感应的电压下降。

火花塞间隙中的火花变弱，难以点燃混合气。

在触点闭合时，初级电流增长的过程中，初级绕组中也有自感电流产生，其方向与初级电流方向相反，使初级电流的增长速度减慢，次极绕组产生的电压下降。

2、附加电阻

附加电阻与点火线圈初级绕组串联附加电阻与点火线圈初级绕组串联其作用是调节初级电流大小，维持初级电流基本稳定。

附加电阻的特点是温度愈高，电阻愈大，所以又叫热敏电阻。

次极电压的大小与初级电流的大小有关，初级电流愈大，铁芯中的磁场愈强，当触点分开时磁通的变化率就愈大，感应的次极电压也愈高。

因此，应尽可能增大流过初级绕组中的电流。

但是，在断电器触点闭合以后，初级电流是按指数规律由零开始逐渐增大的，需要经过一定时间以后，才能达到欧姆定律得出的稳定值。

发动机转速高时，触点闭合时间短，初级电路断开时电流小，感应的次极电压低；反之发动机转速低时，触点闭合时间长，初级断开时电流大，感应的次极电压高。

如果点火线圈按照发动机高速时设计时，则低速时初级电流过大，容易使点火线圈过热；如果点火线圈按照发动机低速时设计时，则高速时初级电流过小，而次极电压过低，不能保证可靠点火。

附加电阻就是解决这一矛盾的。

当发动机转速降低时，初级电流加大，附加电阻的电阻值随其温度升高而增大，使初级电流减小，点火线圈不致过热。

当发动机转速升高时，初级电流减小，附加电阻的电阻值随其温度降低而减小。

起动中，将附加电阻短路，以保证初级电流的必要强度

（二）磁电机点火系统

利用永久磁铁产生磁场的小型交流发电机，是汽油机点火系统中的点火电源。

磁电机点火系统由开关、点火线圈、断电器、电容器、分电器和安全放电装置等组成，它产生高压电并分配给各气缸的火花塞。

　磁电机的结构和分类：

　磁电机大多采用旋转磁铁式结构，按总体设计可分为单体式和飞轮式。

单体式是将上述各部件做成一个整体，安装在内燃机上；飞轮式是将磁铁安装在内燃机飞轮上，其他各部件分别安装在内燃机上，大多用于单缸机。

　磁电机断电器大多采用机械触点式的，也可用晶体管式的。

有些磁电机还装有一些附加的部件。

　①起动加速器：

装在单体式磁电机上，起动时使磁电机在曲轴上止点附近时的角速度加大，以提高电压，保证点火。

　②离心式点火提前角调节装置：

装在单体式磁电机上，可随转速升高而加大点火提前角。

　③有些磁电机附有单独线圈，作为照明供电之用。

　磁电机基本工作原理：

　　磁电机最基本的工作原理：

永久磁铁在铁芯中旋转，铁芯上的初级线圈感应出电动势（称为初级电势），断电器触点闭合时产生电流（称为初级电流），当断电器触点突然打开、突然切断初级电流时，次级线圈感应出相当高的电动势（称为次级电势），使火花塞跳火。

为了得到最强的火花塞跳火，应该得到最大的次级电势；为了得到最大的次级电势，断电器触点应在初级电势为零时闭合，初级电势最大时打开。

 　　初级电势最大的时刻应是永久磁铁的极点转过中立位置80°-100°时，这一角度叫做“位角”，保证断电器触点相对于凸轮的正确安装位置即可得到正确的位角，这一要求只要对准记号安装便可得到满足。

例如，装配C210型磁电机时，应将断电器底板与机壳上相对的两条刻线对正，并使断电器上的指针与凸轮上的刻痕对正；装配C244型磁电机时，应分别将大小传动齿轮上的刻线、机壳与断电器底板上的刻线对正。

 　　至于断电器触点应在初级电势为零时闭合的这一要求，只要位角正确并调整触点间隙至规定值即可。

当然，调整触点间隙至规定值不仅仅是为了满足这一要求，合适的触点间隙还可使触点打开时火花不至于太大，避免触点过早烧蚀。

。

二电子点火系统

（一）晶体管点火系统

1有触点晶体管点火系统

　　主要不同断电器触点与点火线圈间的一次测电路上。

　　在辅助触点晶体管式点火系统中，触点闭合时，电流不再直接从闭合触点流到点火线圈的一次绕阻中，而是流到晶体管的基级电路上。

　　断电器触点已不再起直接控制一次电流通、断的作用，而是作为晶体三极管的触发控制器，因此流过断电器触点的电流可以减小到一次电流的1∕5——1∕10。

2无触点电子点火系统

（1）消除了机械触点带来的触点烧蚀，磨损等，免去经常换件，调正闭合角，校正点火正时。

（2）电子点火控制器控制点火线圈一次电流的通、断以及放大与处理来自传感器发出的脉冲信号，除了开关作用外，点火控制器可以根据脉冲步骤来知发动机的转速，提供点火时间随转速的变化。

（二）半导体点火系统

目前使用的半导体点火系，分为无触点半导体点火系、电容放电式半导体点火系和微型机控制的半导体点火系三大类。

蓄电池点火系工作时，断电器触点分开瞬间，会在触点处产生火花，烧损触点。

当火花塞积炭时，易漏电，次极电压上不去，不能可靠地点火，产生高速缺火现象。

半导体点火系克服了这些缺点，具有较强地跳火能力，使点火可靠。

半导体点火系分为半导体辅助点火系，无触点半导体点火系和计算机控制的半导体点火系三大类。

半导体点火系的工作原理与蓄电池点火系工作原理基本相同，只是半导体点火系与蓄电池点火系产生高压的方法不同，它利用了一些半导体元件替代了蓄电池点火系中的断电器，产生脉冲信号点火。

例如，在无触点半导体点火系中使用了点火发生器（传感器）代替了断电器，常用的传感器有霍尔式、磁电式和光电式。

无触点点火系

无触点点火系一般由传感器（也称为点火信号发生器）、点火控制器（简称点火器）、点火线圈、配电器、火花塞等组成。

国内外汽车上使用的无触点点火装置，按所使用的传感器形式不同，有磁脉冲式、霍尔效应式、光电式等多种。

磁脉冲式无触点点火装置

日本丰田轿车上采用的无触点点火装置的电路图。

该点火装置由安装在分电器内的传感器、点火器、点火线圈等组成。

霍尔效应式无触点点火装置

霍尔效应无触点点火装置，利用霍尔器件的霍尔效应制成传感器，产生点火信号，控制点火系的工作。

该点火装置主要由内装霍尔传感器的分电器、点火控制器、点火线圈等组成。

下图是奥迪200型轿车用霍尔效应式无触点点火装置电路图。

电容放电式半导体点火系

无触点点火系是在切断点火线圈初级电流的瞬间，在二次绕组中产生高压电的。

电容放电式半导体点火系，则是在点火线圈初级电路导通的瞬间产生高压电的。

这种点火系统一般由直流升压器、可控硅及其触发器、电容器、点火线圈、分电器及火花塞组成。

（三）无分电器电子点火系统

AJR发动机点火系统每两个气缸共用一个点火线圈，双火花塞点火线圈电路，点火线圈次级高压线圈两端各连接一个分属于不同气缸的火花塞，点火发生时，两火花塞同时串联点火。

此时，由于一个气缸处于压缩行程的接近上止点位置，因此一个火花塞产生强烈的击穿混合气火花来点燃混合气，使发动机向外做功。

而另一个气缸处于排气行程的接近上止点之前，缸内是已燃烧气体和少量未燃烧完全的混合气，且正在排出气缸，因此另一个火花塞产生的火花既不能点燃残余废气，也不能点燃尚未经过压缩，被残余废气冲淡的进入气缸的新鲜混合气（由于气门重叠，此时该缸的进气门已打开）。

同样道理，当发动机运转到另一时刻，则两火花塞的点火作用正好反过来

点火子系统ECU直接发出控制信号给电子点火组件的功率晶体管，并各由一个功率晶体管控制一个点火线圈对气缸点火。

为保证点火正时，这种系统必须要有曲轴位置传感器发来的曲轴转角（CA）和上止点（TDC）信号。

触发信号由霍尔传感器获得，发动机转速信号由电磁感应式转速传感器获得，点火子系统ECU再结合发动机电控系统其他传感器发来的信号，最终确定每缸的点火正时。

2．奥迪200轿车的无分电器电子点火系统

奥迪200轿车的点火系统零部件组成，其点火线圈的输出高压通过高压线连接在火花塞上，也是两个气缸共用一个点火线圈。

发动机运转时，点火子系统ECU根据发动机各种传感器发送来的发动机运转工况和曲轴、凸轮轴位置信号等，计算确定点火正时和点火线圈初级通电时间，指令点火系统进行点火。

点火线圈次级输出高压电通过高压线直接送到各缸火花塞，击穿火花塞电极产生点火火花。

如是每个缸一个点火线圈的单独点火方式，则每个点火线圈通过高压线配备一个火花塞，如奥迪100轿车的5缸发动机。

其他如富康轿车发动机、捷达轿车的五气门发动机、奥迪A6轿车的6缸发动机、上海别克轿车发动机等的点火系统也是无分电器电子点火系统。

三ECU对点火系统的控制过程

1点火提前角的控制

由凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器结构原理可知，凸轮轴位置传感器产生的判缸信号下降沿输入ECU时，表明第一缸活塞处于压缩上止点前BTDC88度位置，当ECU接收到判缸信号下降沿后，将对曲轴位置传感器CPS输入的转速与转角信号进行计数。

计数开始时的信号称为基准信号，由ECU内部电路控制，曲轴每旋转180度产生一个基准信号。

因为曲轴位置传感器第一个凸齿信号在判缸信号下降沿后7度时产生，所以基准信号对应于第一缸活塞上止点前BTD81度位置

点火提前角的大小直接影响点火性能，提前角过大会导致发动机产生爆震提前角过小又会导致发动机过热，所以必须精确控制，一般精确到1度，由于奥迪200型轿车凸轮轴位置传感器凸齿和小齿信号均占3度曲轴转角，因此需要将曲轴位置传感器信号转换为1度信号，因此ECU内部晶振频率一般设定为6MHz,周期为0.00016ms,当发动机2000r/min时曲轴转过3度经历时间为0.25ms,所以每0.083ms曲轴转过角度为1度，相当于518.75个晶振周期，即ECU内部晶振每产生518.75个时钟脉冲信号，相当于曲轴转角1度，因为点火提前角为上止点前BTD30度，所以ECU计数到51个1度信号后，在第52个1度信号时向点火控制器发出指令，使功率三极管截止，切断点火线圈初级电流，次级绕组产生高压电并送到火花塞电极上跳火，从而将点火提前角控制在第一缸压缩上止点前30度，因为基准信号每180度产生一个，所以同理可按发动机气缸1-3-4-2的工作顺序将点火提前角控制在压缩上止点前30度

2点火导通角的控制

点火导通角是指点火线圈初级电路的功率三极管导通期间，发动机曲轴转过的角度，导通角的控制方法是：

ECU首先根据电源电压高低，从预先试验并存储在存储器中的导通时间脉谱图中查询导通时间，然后根据发动机转速确定导通角的大小

实际控制时，ECU从发出功率管截止指令开始时对1度信号进行计数，计数90次1度信号后，在第91个1度信号上升沿到来时向点火系统发出指令，使三极管导通，接通点火线圈初级电流，保证导通角具有90度。

四点火系统的发展和新技术

点火系统是汽油发动机的一个重要组成部分,其功用是将电源的低压电变为高压电,然后按发动机各缸的工作顺序适时地将电火花送入气缸点燃可燃混合气,并能够适应发动机工况和使用条件的变化,自动调节点火时刻,实现可靠而准确的点火。

点火系统工作性能的优劣,直接决定着汽车的动力性、经济性及排气污染程度。

发动机点火系统自1910年首次安装在汽车上以来,主要经历了触点式点火系统、半导体辅助点火系统、普通电子点火系统、微机控制点火系统等4个发展阶段。

触点式点火系统传统的触点式点火系统是全部由机械部件控制的点火系统,主要由电源、分电器、点火线圈、高压线、火花塞等机件组成,其工作原理是:

当发动机运转时,发动机凸轮轴驱动分电器轴转动,分电器内的断电器凸轮轴也随之转动;断电凸轮顶着触点臂,使白金触点交替地开闭,接通和切断初级电流,从而在点火线圈的次级绕组中感应出高压电;高压电经分火头、配电器,按发动机的点火顺序被分配给各缸火花塞,最终产生电火花,点燃可燃混合气。

这种点火系统的点火提前角由分别安装在分电器壳内外的机械式离心调节器和真空调节装置进行概略的控制

汽车发动机电控点火系统是利用微型计算机通过传感器采集发动机工作时的实际工况，再由微机计算出最佳点火时间，达到降低排放、节约能源、提高动力性能的要求。

该产品彻底改变了有触点电子点火装置，采用微型计算机这一高新技术，来采集正时、温度、节气门开度、转速等传感器发出的信号，然后通过中央计算机中的数理逻辑方程对各参数进行处理，得出在该工况下的合理点火时间，提高动力性能5％～7％，降低排放40％～60％，点火时间误差±0．3秒，节油率达3～5％。

该系统在国内同类产品中处于领先地位，达到国外同类产品第三代水平（即电控点火控制时代）。

该系统的应用已列入“八五”攻关项目。

其前景广阔、社会效益、经济效益显著