论汽车点火系统计算机控制正文文档格式.docx

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另外在国内生产量很大工业的排量在1.0L以下的微型汽车上，采用的仍是传统的白金点火系统为主。

因此，研究一种低价位，高性能的汽车点火系统，对于减少汽车尾气对大气的污染，降低燃油的消耗，增加汽车驾驶及乘坐舒适性具有重要的意义。

1.4论文构成及研究内容

随着电子技术的发展及对发动机性能要求的提高，本文提出一种基于微型计算机技术的新型数字式汽车点火系统，该系统通过微机控制器接收传感器收集到的信号，并且在按照一定的程序进行判断、计算后，给电子点火组件输出最佳点火时刻和初级电路导通时间的控制信号。

本系统可使发动机在任何工况下都处于最佳的点火时刻，实现了更为精确的点火时刻和点火能量的控制，从而更进一步改善发动机的动力性和经济性，降低排气污染，本文将介绍它的运行原理，系统构成，工作特点和实验研究。

2微机控制点火系统构成

本系统主要由以下几个部份组成：

微处理机（ECU），点火线圈，电子驱动模块，高压点火线，火花塞，以下对这几部份性能进行介绍。

2.1微处理机（ECU）

微处理机ECU全称：

electroniccontrolunit属于电子控制单元。

它由输入信号传感器、电子控制单元（ecu）及点火执行器三部分组成。

是由一些主要的传感器:

如发动机转速、冷却水温、进气温度、节气门位置、氧传感器、进气压力...等信号经ecu计算处理后送给执行单元进行修正，以实现高精度的空燃比和最佳的点火正时的控制。

ecu除了依照不同的行驶状态来供给适当的油料、调整点火角度与时机外，还必须负责控制各种电子配备，如冷气系统、冷却系统以及自我检测系统等，对于车辆来说，ecu相当于人体的大脑，负责接受各种信号，经由内建的基础程式判别后，来控制各个系统，以维持车辆正常的行驶。

ecu按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，经过处理以后，并把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。

微处理机根据输入数据和储存在map中的数据，计算喷油时间、喷油量、喷油率和喷油定时等。

并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量。

以发动机的转速、负荷为基础，经过ecu计算和处理，向喷油器、供油泵等发送动作指令，使每一个汽缸都有最合适的喷油量、喷油率和喷油定时，保证每一个汽缸进行最佳的燃烧。

由于发动机的工作是高速变化的，而且要求计算精度高，处理速度快，因此，ecu的性能应当随发动机技术的发展而发展，微处理器的内存越来越大，信息处理能力越来越强。

这个信号输入电子点火控制器，经过大功率晶体管前置电路放大、整形处理后，控制高能干式点火线圈初级的充电和放电过程，当功率管导通时，点火线圈初级也导通，点火线圈贮能，当信号使控制器功率管截止时，点火线圈初级断路，在线圈次级感应出瞬时高压。

由微控制器发出的控制信号经过点火器中的功率三极管的驱动放大,实现了对初级电路的通断电控制。

即点火控制：

包括点火顺序控制、点火定时控制和点火能量控制。

点火系统应按发动机的工作顺序进行点火,即点火顺序应与发动机的工作顺序一致,否则不能适时点着混合气,发动机就不能正常工作。

点火定时控制的目的是使发动机功率输出大、油耗低、爆震小和排放低,点火系统必须在最有利的时刻点火,并需在上述目标之间进行折衷。

点火时刻用点火提前角来表示,从火花塞开始跳火到活塞运行至压缩行程上止点的时间内曲轴转过的角度被称为点火提前角。

发动机在不同工况下的最佳点火提前角是不同的。

在微机控制的点火系统中,根据发动机转速、负荷等传感器的信号确定发动机运行工况,计算出最佳的点火时刻,并由微控制器输出控制信号,使功率三极管截止、初级电路断电,从而实现控制。

2.2点火线圈

在汽车发动机点火系统中，点火线圈是为点燃发动机汽缸内空气和燃油混合物提供点火能量的执行部件。

它基于电磁感应的原理，通过关断和打开点火线圈的初级回路，初级回路中的电流增加然后又突然减小，这样在次级线圈就会感应产生点燃火花塞所需的高电压。

点火线圈可以认为是一种特殊的脉冲变压器，它将10-12v的低电压转换成25000v或更高的电压。

主要是通过初级线圈绕组的电流作为磁场储存。

当初级线圈绕组电流突然被切断（通过功率晶体管断开电路接地端）时，磁场衰减，使次级线圈绕组产生感应电动势，该感应电动势的电压足以使火花塞放电，我们称其为电感放电式点火。

另外也有电容放电式点火系统，通常被称为cdi点火方式。

本系统用的是闭磁路固体式点火线圈，主要由低压线圈绕组、高压线圈绕组再串联高压阻尼电阻后分二路输出、闭磁路铁芯、外壳以及固体填充物等组成。

点火线圈中另一组成部件—高压线。

高压导线顾名思义就是肩负着传输由高压线圈所发出的高压电流到火花塞的任务。

高压线其实是很简单的绝缘导线,一条最普通的金属导线外包上高强度绝缘体就是了。

它的最主要质量指标就是能在较高、低温下有良好的绝缘强度。

它通过的电流很小,对里面的金属导线要求甚低；

通过的电压很高（15000v-40000v），所以要求的绝缘材料绝缘系数甚高。

它的主要毛病就是绝缘材料老化绝缘强度下降而产生漏电。

一组优良的高压导线必须具备最少的电流损耗及避免高压电传输过程产生的电磁干扰。

因此高压点火线设计成为带电阻值的，这个电阻在电路学里面叫阻尼电阻。

高压线电阻的大小是根据各种不同的高压输出系统设计而不同，有的只有几百欧姆，有的达到10k以上。

高压线阻尼电阻的主要作用是：

（1）防止由于高压产生的电磁泄露,又称为EMI防护,从而保护车辆中的电器的安全,让行车电脑ECU稳定,所以EMI是最需要考虑的问题。

实际上ECU接收的信号都是低压模拟信号，包括曲轴位置，ECU接受这些信号都是在ECU内部a/d转换后才使用,而这种来自导线的辐射/EMI泄露，很有可能会对本来就是低压信号的汽车传感器信号带来本质的干扰，从而信号出现很大的偏移，自a/d转换后,ECU很容易从错误的信号中而错误报警甚至使用保护模式参数工作。

（2）是防止高压电流意外过大损坏高压输出系统电子元件的。

高压通路正常时这个电阻可当作直通即电阻为零，因为通常汽车火花塞点火电阻值为30mΩ左右，1mΩ=1000kΩ。

这个点火电阻相对高压线电阻是非常大的，所以高压线限流电阻在高压输出系统的总阻值中是可忽略的，但当高压线后面的电路中意外短路时限流电阻就可把电流限制在高压系统可承受不被损坏的范围内。

作为ECU的点火系统，如果有短路的话，任何线圈次级的瞬时高压电压都会被释放掉，同时ECU会停止工作。

（3）为了让高压线圈的初级输入回路与次级高压输出回路具有良好的阻抗匹配，从而在高压输出线和火花塞中都设置有阻尼电阻。

带阻尼电阻的高压输出线能有效地和初级输入回路中的电子部件（功率管）作阻抗匹配。

对于以前的车辆，基本上是使用白金点火系统，就不需在高压输出线和火花塞中设置有阻尼电阻。

2.3火花塞工作原理

火花塞高压放电点燃混合气，使其爆炸做工，工作过程非常短，但从点火到爆炸中间有几个过程。

首先点火线圈产生的高压电流，通过火花塞电极间隙时高压在火花塞正极形成电势（可以理解成高电压），因电位差必向最近和电阻最小的地方放电，那么正常情况下肯定是往负极放电，因中间有空隙形成电弧，从而产生火花来点燃汽缸燃烧室内的混合气。

对火花塞的性能要求当然是火花越强、越稳定越好。

由于火花塞的地极（外壳）和高压的中心电极之间的绝缘体要有耐高温和优良的绝缘能力，因此大多用以氧化铝为基础的陶瓷制造，但高性能型号火花塞在电极的材料上则讲究得多。

现在高质量的火花塞大都采用铱或铂（白金）等贵金属来制造电极，除了可发出更强而稳定的火花外，更比用铜镍合金制造的普通型号耐用多倍，但售价亦是呈倍数上升。

另一方面，火花塞的又一重要作用是把气缸内的热量带走，以维持一个适当的工作温度（500-850℃）。

如果温度太高会损蚀火花塞的绝缘体和电极，而被高温烧红了的火花塞更会引发早燃和爆震现象；

但如果温度太低，附在火花塞表面的油就不能充分燃烧，容易形成积碳，令火花塞效能减弱甚至产生不了火花!

因此不同冷热度（heatrange）的火花塞会用于不同特性的发动机上，以保持火花塞的正常操作。

冷型火花塞——即标号较高（注意不同品牌的火花塞可能有不同标准的标号）的火花塞由于散热较快，适用于经常在高转速（高温）工作的高性能发动机，而散热较慢的热型火花塞（标号较低）则适用于低速低压缩比的发动机。

所以选用火花塞要主意合适的热值（因不同品牌热值标注方法不一样）。

热值是指火花塞的散热能力，一般压缩比越高的发动机发热量大，需要偏冷的火花塞，就是散热能力好的，而压缩比低的用偏热的火花塞。

散热能力直接影响发动机的燃烧，如果散热太强会使火焰很小很弱，延缓蔓延速度，混合气燃烧并不理想。

反之如果散热不够，火焰燃烧太快又可能引起爆震，同时由于电极间温度过高，会比较容易烧蚀火花塞电极。

选用何种热值的火花塞要看手册上标配是多少，目前大部分车火花塞热值在6～8之间，可以冷一度，用7，再低恐怕就不太好了，散热太快会使火星减小，混合气燃烧速度降低，还没有完全燃烧就排放掉，除非总是6000转开车。

图1即为根据以上原理构成的新型数字式汽车点火系统的结构框图。

其中单片微型计算机采用美国INTEL公司的MCS-51系列单片机，内含CPU，存贮器，I/O和计数器,作为整个系统核心。

霍尔传感器采用西门子公司的霍尔效应式传感器（该传感器现普遍用于桑塔纳，奥迪，捷达，红旗等轿车的点火系统）。

其输出为集电极开路式，使用时需外接上拉电阻。

（如图8所示），由于其输出信号是经过处理的脉冲信号，可以方便地与计算机系统直接相连。

计算机的输出从计算机的端口P1.7输出，经过隔离驱动电路后去控制末级功率晶体管BU932的导通和关断,进而实现点火线圈（DQ170）初级回路的通断。

由于该新型数字式点火系统具有占空比控制功能，因此系统中使用不含附加电阻的高能点火线圈.另外,从功率晶体管BU932的发射极向计算机反馈反映点火线圈初级电流大小的信息，以便系统实现定电流控制。

从整个系统结构中可以看到，由于采用了先进的微型计算机技术，使得其结构非常简洁,而其具备离心点火提前功能，点空比调节功能,定电流控制功能，发动机停机保护功能等均可以由计算机软件实现。

3微机控制点火系统基本原理

3.1基础知识

3.1.1点火电压的要求及影响因素

火花塞电极击穿而产生火花时所需要的电压称为击穿电压。

点火系产生的次级电压必须高于击穿电压，才能使火花塞跳火。

击穿电压的大小受很多因素影响，其中主要有：

（1）火花塞电极间隙和形状

火花塞电极的间隙越大，击穿电压就越高；

电极的尖端棱角分明，所需的击穿电压低。

（2）气缸内混合气体的压力和温度

混合气的压力越大，温度越低，击穿电压就越高，

（3）电极的温度

火花塞电极的温度越高，电极周围的气体密度越小，击穿电压就越低。

3.1.2点火能量的要求及影响因素

发动机正常工作时，由于混合气压缩终了的温度接近其自燃温度，仅需要1~5mJ的火花能量。

但在混合气过浓或是过稀时，发动机起动、怠速或节气门急剧打开时，则需要较高的火花能量。

并且随着现代发动机对经济性和排气净化要求的提高，都迫切需要提高火花能量，因为它直接影发动机的着火情况.对于使用增压,稀燃及替代燃料等新技术的发动机,只有点火能量足够高,才能可靠燃烧,达到提高经济和改善排放的目的。

因此，为了保证可靠点火，高能电子点火系一般应具有80~100mJ的火花能量，起动时应产生高于100mJ的火花能量。

3.1.3点火时间的要求及影响因素

首先，点火系统应按发动机的工作顺序进行点火。

其次，必须在最有利的时刻进行点火。

　　由于混合气在气缸内燃烧占用一定的时间，所以混合气不应在压缩行程上止点处点火，而应适当提前，使活塞达到上止点时，混合气已得到充分燃烧，从而使发动机获得较大功率。

点火时刻一般用点火提前角来表示，即从发出电火花开始到活塞到达上止点为止的一段时间内曲轴转过的角度。

　　如果点火过迟，当活塞到达上止点时才点火，则混合气的燃烧主要在活塞下行过程中完成，即燃烧过程在容积增大的情况下进行，使炽热的气体与气缸壁接触的面积增大，因而转变为有效功的热量相对减少，气缸内最高燃烧压力降低，导致发动机过热，功率下降。

如果点火过早，由于混合气的燃烧完全在压缩过程进行，气缸内的燃烧压力急剧升高，当活塞到达上止点之前即达最大，使活塞受到反冲，发动机作负功，不仅使发动机的功率降低，并有可能引起爆燃和运转不平稳现象，加速运动部件和轴承的损坏。

3.2微机控制点火系统原理分析

微机控制的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（ECU），内部有发动机在各种工况下所需的点火控制曲线图。

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，在点火控制曲线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。

本文着重从点火时间的控制原理，点火时间的控制方法，点火控制程序设计，高压输出进行阐述。

3.2.1点火时间的控制原理

精确的点火时间对于提高发动机的输出功率和经济性是很重要的。

如果点火时间不正确，发动机将会出现过热，爆震，活塞损坏和排气污染增加等问题。

从发动机的爆发压力特性（图2）可以看出，火花塞上产生点火火花，使被压缩的混合气点火燃烧，需要一定的时间，点火之后火焰扩展，燃烧室内的压力会上升直到最大值。

要想把压力有效地转换成旋转力，比较理想的是：

不论在任何工作条件下，都是在上止点后

10°

左右爆发压力最大，因此就要按照发动机转速和负荷的变化情况，相应地改变点火时间实现最佳点火，也就是说，点火系统需要提前机构，使其在上止点前的某一处点火。

因此在传统的分电器内部分别置有离心提前机构和真空提前机构。

绪论中提到的电子点火系统虽然克服了白金触点，但仍保留有离心和真空提前机构，而这种传统的离心和真空提前机构不能实现与发动机最佳特性要求的匹配，而且在使用过程中，其调节特性会发生变化，使其偏离原来的特性，从而影响发动机的性能。

本文提出的新型数字式汽车点火系统实现了离心提前特性的数字化，取消了传统的离心机构，其原理框图如图3所示。

传感器部分由霍尔式传感器和相应的信号轮组成，其作用是向计算机系统提供发动机的转速和曲轴信号，该信号分别通过IN0和IN1进入计算机系统，点火放大器主要由功率晶体管及相应的驱动电路组成，其作用是接受计算机系统从OUT0输出的控制信号，以实现对点火线圈初级线圈回路的通断控制，同时放大器还向计算机系统反馈关于点火线圈原边断电电流大小的信号，以便实现断电电流的控制。

微型计算机系统包含有构成计算机系统的所有基本组成部分，有CPU，存贮器和I/O接口等。

从IN1输入计算机的是反映曲轴位置的逻辑信号，时间轴上的t2时刻对应着1缸活塞的上止点，t1时刻是第1缸的点火时刻，因此Δt=t2-t1，即是1缸的提前点火时间，而Δt时间段内转过的角度即为此时的点火提前角。

由于离心点火提前角随转速的不同而不同，因此对应于不同转速下的Δt也是不同的，我们将发动机的离心点火提前特性曲线制成相应的Δt-n表格存入计算机系统的存贮器中，这样计算机便可以根据从传感器获得的发动机转速这一信息，从表格中查得当前转速下的Δt，从而实现离心点火提前角的精确控制。

以上说明可以看到，整个点火系统完全实现了数字化，并实现了离心特性的点火提前，取消了原有的离心提前机构，从而取消了传统分电器中分电器主轴与凸轮轴的相对运动，取消了离心块和弹簧，使点火系统的结构得到简化，可靠性得到提高，由于实现了数字化，便得点火系统的一致性和温度特性比较好，克服了模拟系统的一致性和温度特性差的缺点，使发动机的离心点火提前特性恒久不变。

另外由于实现了数字化处理，可以完全与发动机的离心点火特性相匹配，实现非线性调节，这一点是传统的离心点火提前机构无法相的。

与此同时，该新型数字式汽车点火系统中的计算机只要根据转速信息，通过对点火线圈的初级贮能时间（t4-t3）的控制即可实现占空比的控制,还可以通过点火放大器的反馈信息IN2实现定电流控制。

3.2.2点火时间的控制方法

点火时间的控制以发动机曲轴位置信号为依据。

曲轴位置信号通过安装于凸轮轴上的霍尔传感器测量。

如图4所示,凸轮轴每转一周,产生七个脉冲信号,其中六个为各缸的点火基准信号,根据发动机的点火顺序,按1、5、3、6、2、4的缸号顺序均匀排列,各基准脉冲信号的上升沿设置在对应各缸压缩行程上止点前40°

相邻基准信号间相差120°

的曲轴转角。

另一个附加的脉冲信号在1缸基准脉冲信号后,其上升沿对应于1号缸的上止点,用于控制系统判定1号缸的位置,使点火系统与发动机的工作同步。

MCU利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合,采用延时计数法进行点火线圈初级电路通断电时序控制。

如图4所示,每缸基准信号的上升通过MCU输入捕捉定时器通道触发中断,并以此中断信号作为一个控制周期的开始和点火时序控制的基准。

将每相邻两基准信号间的时间作为一个控制周期（对应曲轴120°

转角）,控制周期时间等于主计数器的时钟周期与两基准间计数值差的乘积,前者是由MCU预设的常数,记作TC;

后者可通过输入捕捉通道测得,记作NG。

若此时的点火提前角为θ,那么当基准信号出现时,只要再过（40°

-θ）就该进行本缸点火,这一角度被称为点火延迟角,对应的时间被称为点火延时,对应的计数器计数值Nd。

可根据NG。

值计算如下:

将主计数器的值加上延时计数值Nd后送到本缸点火线圈控制的输出比较通道寄存器中,启动该通道的输出比较功能,并预先规定该通道引脚为低电平。

当计数时间到时,该引脚就自动翻转为低电平,点火线圈初级电路断电,从而实现了本缸点火。

MCU的输出比较功能可得到非常精确的时间间隔,并且对用户程序没有额外的负担。

同理,在每个控制周期内,为了给即将工作的汽缸进行点火能量的蓄积,还进行了点火线圈初级电路通电的延时计数法控制。

如图3中所示,初级电路的通电时间要求为ton,则从本缸基准信号出现到下一缸初级电路通电延时所对应的计数值Nt的计算如下:

当发动机转速较低,下一缸通电延迟时间大于控制周期时间（即

）时,则需在下一控制周期开始时首先进行该缸通电延时控制,通电延时计数值为Nt1=Nt-NG,并设置该通道输出比较中断,以此中断为基准进行点火延时控制。

其点火延时计数值为:

2.2.3点火控制程序设计

点火控制程序由主程序和中断服务子程序等多个模块组成。

主程序的主要功能是根据发动机运行工况,通过逻辑运算确定最优的点火提前角及初级电路导通时间;

中断服务子程序负责系统输入信号的采集与处理,而其中输入捕捉和输出比较中断程序是实现点

火时序控制的关键。

图5为点火控制主程序流程图。

ECU上电后,主程序首先执行MCU的初始化操作,设置定时器计数周期、各输入输出功能和各中断。

初始化完成后,主程序进入循环运行状态,等待各中断服务程序发生,检测各输入参数,进行故障查询和处理。

如系统状态正常,则根据发动机运行工况确定最优的点火提前角及初级电路导通时间。

由于各缸点火时刻是通过程序控制进行调节的,因此利用CPU内部的存储器存储点火控制数据表（点火脉谱）。

这样,点火提前角就能按发动机负荷及转速信号通过查数据表得到,并可按不同工况进行修正。

如此便可使发动机在任何工况下均能提供最佳点火时刻。

输入捕捉和输出比较的中断服务程序流程图分别如图6和图7所示。

利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合,采用延时计数法实现点火线圈初级电路通断电时序控制。

在进入曲轴位置信号上升沿触发的输入捕捉中断后,首先完成判缸信号拾取、工作缸号确定及控制周期计数值计算等工作。

然后进行点火线圈的通断电延时控制。

当发动机转速较高时,设置本缸的断电延时和相应的输出比较通道,以及下一缸的通电延时和相应的输出比较通道;

当发动机转速较低时,设置本缸的通电延时和相应的输出比较通道,并开输出比较中断。

当进入输出比较中断时,再以此中断为基准,设置本缸的断电延时和相应的输

出比较通道。

3.2.4高压输出

变压器次级线圈分布电容及火花塞、高压线的分布电容组成回路电容C，电路无屏蔽时C约50PF，有屏蔽约150PF，火花塞间隙等同可变电阻R。

高压能量分三个阶段变化消耗

第一阶段

电容C放电期（诱燃期）：

变压器次级线圈产生的点火高压对电容C充电，当电容C电压上升达到火花塞击穿电压时，火花塞跳火电容C快速放电,火花塞间隙电压迅速下降到几百到几千伏，电容C放电瞬间电流达10-50安培以上，放电时间约1微秒。

点火电压越高（即点火能量越大），C放电电流越大。

正常状况下气缸的混合气就是这一时刻的火花点燃。

如果跳火电离线被发动机气缸内高速扰流吹息，変压器高压再次对C进行充电，则C第二次放电产生电离通道。

注：

电压从10000V-20000V左右在1微秒内突降至几百到几千伏，由此产生了一个很强的方波电压，并通过高压线幅射电磁波，对外界电器产生干扰波。

方波由N个正弦波组成，所以形成了一个1微秒时基为中心的干扰电磁频带。

第二阶段

电感放电期（燃烧期）：

电感放电是靠电容C放电产生的电离通道形成的低阻产生的。

由于电容C放电产生的电离通导（电阻）不能立刻消失，同时变压器次级电感中还存有充足的高压能量，所以电感继续对电离通导放电使火花持续。

由于次级线圈放电电流的变化引起磁通量的变化，次级电感线圈产生