发动机点火系统地控制系统思路.docx

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发动机点火系统地控制系统思路

发动机点火系统的控制思路

一、点火提前角控制

（1）点火提前角的控制方法

（a）点火提前角控制方法概述

ECU根据汽油机的各种工况信号对点火时刻控制。

根据发动机的转速和进气压力信号从存贮器数据找到相应的基本点火提前角，根据有关传感器信号值加于修正，得出实际点火提前角。

初始点火提前角是指汽油机在各种工况可能具有的最小提前角。

点火定时控制方法的两种基本类型：

启动期间的点火时刻控制；以及

正常运行期间的点火时刻控制。

（b）启动点火定时控制

备用电路控制

在启动期间，当汽油机转速在规定转速（500转/分）以下时，由于进气歧管压力或进气量信号不稳定，点火时刻固定为初始点火提前角。

这一提前角由ECU中的备用电路控制，不需计算处理。

根据水温控制

如日产汽车的ECCS系统当发动机转速在100转/分以下超低速运行时，把从点火至活塞到达上止点的时间定为常量；转速大于一百时，根据水温选择最佳点火提前角。

其中，在零摄氏度以下时应特别加大点火提前角。

（c）正常运行期间的点火时刻控制

发动机在正常运行时，ECU根据进气歧管压力和转速确定基本点火提前角，然后根据其它相关信号来修正。

基本点火提前角

怠速触点断开：

ECU接收如下信号：

进气歧管压力或进气量信号；汽油机转速信号；节气门位置信号；燃油选择开关；爆震信号。

怠速触点断开，发动机处于正常工况运行，ECU根据存储器的数据确定基本点火提前角。

具有爆震控制功能的系统，在ECU中装有专门用于爆震控制的点火时刻控制数据。

怠速触点闭合：

ECU接收的信号有：

节门位置信号；汽油机转速；空调信号。

怠速触点闭合，怠速工况运转，ECU根据汽油机与空调开关的接通确定基本点火提前角；空调开关接通，由于怠速旁通气量和喷油增加，点火提前角增大。

怠速工况基本点火提前角如图

影响点火提前角的主要因素

1、发动机转速

发动机转速提高后，在给定的时间曲轴转过的角度会更大，而燃烧速度在相对低的转速下是不会跟随变化的，如果想使燃烧在上止点后（ATDC）10°～15°左右完成，那么必须使点火时刻提前。

如发动机在850r／min的怠速时，点火提前角为6°～12°，而转速增加到4000r／min时，点火提前角增大到28°。

但当转速继续增加时，由于混合气压力与温度的提高及进气扰流的增强，会使燃烧速度加快，为避免发生爆燃，最佳点火提前角的增加速度就要适当减慢。

2、发动机负荷

在轻载和节气门部分开度时，进气管的真空度较高，吸进进气管和汽缸的空燃混合气的数量少。

这些稀薄的混合气在压缩终了的压力较低，燃烧速度较慢，为了在上止点后（ATDC）10°～15°左右完成燃烧，点火时刻必须提前。

在大负荷时，节气门全开，大量的空燃混合气被吸入汽缸，并且进气管的真空度低，这就会导致燃烧压力增高，燃烧速度加快。

在这样的情况下，必须推迟点火提前角，以防止气体在上止点后（ATDC）10°～15°以前全部燃烧完毕。

3、辛烷值

汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可适当增大；辛烷值越低，抗爆性越差，点火提前角则应相应减小，否则容易产生爆燃。

修正点火提前角

1、暖机修正

发动机冷机起动后，冷却液温度较低且汽油雾化不良，此时应增大点火提前角。

在暖机过程中，随冷却液温度的升高，点火提前角修正值逐渐减小。

修正值的变化规律及大小随发动机暖机修正的主要控制信号如：

冷却液温度信号、空气流量信号、节气门位置信号等有关。

2、怠速稳定性修正

发动机在怠速工况运行时，由于负荷变化使发动机转速发生变化，电控单元要调整点火提前角，使发动机在规定的怠速转速稳定运转。

发动机处于怠速工况时，电控单元不断地计算发动机的平均转速，当发动机的转速低于规定的怠速转速时，电控单元根据实际转速与目标转速差值的大小相应地增大点火提前角；当发动机转速高于目标转速时，则减小点火提前角。

调节围一般在±20r/min。

怠速稳定性修正的控制信号主要有：

发动机转速信号、节气门位置信号、车速信号和空调信号等。

3、空燃比反馈修正

现在的发动机都装有氧传感器，ECU根据氧传感器的反馈出来的电信号对空燃比进行修正。

随着修正喷油量的增加或减少，发动机转速在一定围波动。

为了提高怠速的稳定性，在反馈修正油量减少时，点火提前角会适当地增加。

空燃比反馈修正的控制信号主要有：

氧传感器信号、节气门位置信号、冷却液温度信号、车速信号等。

4、过热修正

发动机处于正常运行工况时（怠速触点断开），如果冷却液温度过高，很可能造成发动机爆燃，此时应将点火提前角适当推迟。

而在发动机处于怠速工况时（怠速触点闭合），若冷却液温度过高，为了避免发动机长时间过热，应将点火提前角增大（提高发动机的转速）。

过热时修正的主要控制信号有：

冷却液温度信号、节气门位置信号等。

点火导通角的控制思路

点火线圈的通电时间是以建立磁场形式蓄积点火能量的时间，对应的曲轴转角为闭合角；

通电时间控制的原则是在不影响火花放电的前提下，在保证点火线圈有足够时间蓄积能量下而不造成过热损失和破坏；

蓄电池电压变化影响点火线圈磁场建立。

电压下降，通电时间加长，关系如图。

爆震的控制思路

爆震控制系统的任务发动机如较长时间工作在爆燃状态下，会导致严重损坏。

爆震控制可防止因爆震导致的损坏，即使在不利的条件下尽可能利用低等级燃油并考虑发动机的各个工况来提高经济性鉴于燃油可利用性的逻辑优点在整个大负荷区，具有低消耗、高扭矩输出。

爆震控制系统的功能当出现爆震，点火滞后会持续几个工作循环，然

后再逐渐恢复到原来的点火时刻。

可以对各气缸组独立地进行点火滞后调整（有选择性地气缸组调整）。

1、爆震定义

汽油发动机利用火花塞提供电火花将混合气点燃，火焰在混合气不断传播完成燃烧过程；

期间如果某种原因导致压力升高，一些部位混合气（末端混合气）不等火焰传到，就自行燃烧，造成瞬时爆发燃烧。

2、爆震危害

破坏燃烧室壁的激冷层，导致散热量增加，发动机各部分温度上升，结果功率下降，严重时活塞烧结，活塞环粘着，轴承破坏，气门烧蚀。

爆震与点火时刻的关系

1—爆震区域2—有爆震控制3--无爆震控制4—安全余量

5—最大扭矩提前角（MBT）

3、爆振传感器

爆震传感器：

安装在缸体上专门检测发动机的爆燃状况，提供给ECU根据信号调整点火提前角。

压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸压、油压等。

吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。

汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT）、表面弹性波式（SAW）。

温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。

温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。

三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。

线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。

爆振传感器的作用是对发动机的气缸压力或其他能对发动机爆振做出判断的相关参数进行检测，并将信号送入发动机ECU。

常见的爆振传感器有两种，磁致伸缩式爆振传感器，压电式爆振传感器。

a．磁致伸缩式爆震传感器：

利用磁致伸缩效应的加速度计。

爆震使传感器在特定的频率产生异常高输出电压，把这个异常信号分离出来作为爆震信号。

磁致伸缩式爆振传感器的外形与结构磁致伸缩式爆振传感成

b、压电式爆震传感器：

利用结晶和瓷多晶体的压电效应，或利用掺硅压敏电阻效应等原理。

分为共振型和非共振型。

共振型是自振频率与爆震频率相同的振子和能够检测振子振动压力并将其转换为电信号压电元件构成。

非共振爆震传感器利用压电元件直接检测爆震信号。

压电式爆震传感器如图所示，

1、6—电气接头2—配重；3—压电元件4—外壳5、8—安装部螺纹

7—压电元件

4、爆震控制原理

点火过早时，由于上止点附近的压力升高率迅速增大，使末端混合气的压力显著上升，因而爆震容易发生；相反，推迟点火则可以减轻甚至避免爆震。

爆震控制的目的就是根据爆震传感器的信号调整点火时刻使汽油发动机工作在临界爆震状态。

爆振控制系统组成如图

爆振控制系统组成

硬件调整的三种方法

（a）缓慢推迟，缓慢提前：

每当判定发生爆震时，慢慢推迟点火，一步步减少修正量；

利弊：

爆震会持续一段时间。

（b）急速推迟，缓慢提前：

一收到爆震的判断信号，迅速大幅度推迟点火，再慢慢恢复到原来的点火时间；

利弊：

立刻制止爆燃的优点，推迟点火持续时间较长，会导致油耗增加。

（c）急速推迟，急速提前：

每当判定发生爆震时，大幅度推迟点火，而且快速恢复。

利弊：

立刻制止爆燃，因点火时间的变动大，有时会引起扭矩波动。

硬件调整的三种方法如图所示，其中：

1---爆震判断信号；2---点火提前角延迟量。

软件调整

利用控制点火时刻公式中的一个修正项。

检测到爆震，把点火时刻修正项变为滞后值，并以固定的角度逐步推迟点火；当爆震信号削除，以一固定的角度使点火时刻增加；当再出现爆震，点火提前角再次推迟；点火提前角实行爆震反馈控制，这种调整过程反复进行，直到稳定为止。

5、造成爆震的原因

一般的爆震是因为燃烧室油气点火后，火焰波尚未完全扩散，远程未燃的油气即因为高温或高压而自燃，其火焰波与正规燃烧的火焰波撞击而产生极大压力，使得引擎产生不正常的敲击声。

造成爆震最主要有以下几点原因：

　　一、点火角过于提前：

为了使活塞在压缩上死点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上死点前提前点火（因为从点火到完全燃烧需要一段时间）。

而过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。

二、引擎过度积碳：

引擎于燃烧室过度积碳，除了会使压缩比增大（产生高压），也会在积碳表面产生高温热点，使引擎爆震。

三、引擎温度过高：

引擎在太热的环境使得进气温度过高，或是引擎冷却水循环不良，都会造成引擎高温而爆震。

四、空燃比不正确：

过于稀的燃料空气混合比，会使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高会造成引擎温度提升，当然容易爆震。

五、燃油辛烷值过低：

辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。

压缩比高的引擎，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆震性低的燃油，则容易发生爆震。

6、爆震的判断

爆震强度的两种表示方法

（1）用一个燃烧循环爆震传感器输出信号的最大幅值表示。

幅值越大，爆震越强。

（2）用爆震循环的百分比表示。

在一定数量的工作循环中，发生爆震的循环所占的百分比越高，爆震越强。

爆震检测原理

爆震传感器的输出信号经过放大，滤波处理，由峰值检测电路将爆震传感器信号的最大幅值记录下来，与爆震检测基准信号VR比较，如峰值信号大于基准信号说明发生爆震。

为防止点火杂波的干扰而产生错误的判断，所以规定爆震检测区域为点火上止点后10---90度CA（曲轴转角）。

基准信号大小计算

理想的基准信号VR是发动机在爆震临界状态下爆震传感器的输出信号峰值。

VR——爆震检测基准信号，VM——爆震传感器信号在检测区间的平均，K——放大倍数，VOS——基准信号的阈值

爆震强度越大，传感器的输出信号越大，所以传感器信号的峰值与基准信号的差越大，说明爆震的强度越大。

爆震检测方法存在的问题

（1）高速时，不易从背景噪音信号中区分出爆震；

（2）发动机存在着制造误差，因而不同发动机存在着不同的检测基准。

上面的检测方法确定爆震检测基准VR是大量发动机实验的一个平均。

（3）若确定理想的检测基准，就需对每一台发动机做实验，这是十分困难和昂贵。

自动修正检测基准爆震检测方法

爆震传感器

滤波电路

峰值检出

比较基

准计算

爆震判定

微处理器

ECU

爆震判定区间信号

四、恒流控制

1．基本功能

1）发动机工作时，分电器轴带动霍尔信号发生器的触发叶轮旋转。

当触发叶轮的叶片进入空气隙时，信号发生器输出高电压信号11～12V，使点火控制器集成电路中末级大功率三极管导通VT，点火系初级电路接通：

电源“＋”→点火线圈W1→点火控制器（三极管VT）→搭铁。

2）当触发叶轮的叶片离开空气隙时，信号发生器输出0.3～0.4V的低电压信号，使点火器大功率三极管截止，初级电路切断，次级产生高压。

霍尔电子点火系工作过程→叶片位置→霍尔电压→信号发生器输出信号→点火器大功率管→点火线圈初级回路→进入空气隙→不产生→高电位→适时导通→接通→离开空气隙→产生低电位→截止→切断→次级绕组产生高压。

图5-13霍尔信号发生器完成功能时的波形

a）磁感应强度Bb）霍尔电压UH

c）信号发生器输出电压Ug

2．限流控制（恒流控制）

为保证发动机在各种工况下稳定点火，采用高能点火线圈，其初级电路电阻小，电感小，初级电流增长快，电流大，若不控制，点火线圈和点火器会因过热而损坏。

初级电流上升特性见图4-37。

图4-35一般型和恒流控制型点火线圈

初级电流上升特性

控制电路原理图见图4-38。

图中VT为点火器末级大功率管，Rs为采样电阻，IC为点火集成块。

当采样电阻值一定时，采样电阻两端的电压值与通过点火线圈的初级电流成正比，工作中，采样电阻压降值反馈到点火集成块中的限流控制电路，使限流控制电路工作，从而保持流过点火线圈的初级电流恒定不变。

图4-38限流控制原理电路

基本工作情况：

当大功率管饱和导通时，如果初级电流＜限流值时，初级电流逐渐增大；当初级电流＞限流值时，Rs反馈电压使放大器F输出端电压升高，使VT1更加导通，集电极电位下降，VT向截止区偏移，初级电流下降；当初级电流略低于限流值时，Rs反馈电压使放大器F输出端电压下降，使VT1趋于截止，集电极电位上升，VT趋于导通，初级电流上升。

3．闭合角控制

闭合角是指点火控制器的末级大功率开关管导通期间，分电器轴转过的角度，也称导通角。

由于点火线圈采用了高能点火线圈，即初级绕组W1的电阻很小0.52～0.76Ω，这样点火系初级电路的饱和电流可达20A以上，为防止初级电流过大烧坏点火线圈，点火控制器必须控制末级大功率开关管的导通时间，使初级电流控制在额定电流值，保证点火系可靠工作。

装与未装闭合角控制时的初级电流波形见图4-39。

当转速变化时，闭合角控制电路在低速时使VT延迟导通，高速时使VT提前导通，从而使VT导通时间基本不变，如图4-39所示。

图4-49装与未装闭合角控制时的初级电流波形

a）霍尔信号发生器输入电b）初级电流（只有线圈限流功能时）

c）初级电流（有线圈限流和闭合角控制功能时）

各种转速下的闭合角见表4-5。

表4-5

转速r/min）

300

750

1000

1200

1600

闭合角（°）

20

32

43

49

63

当电源电压变化时，使初级电流上升率也跟着变化，即电压高时上升，电压低时上升慢，为保证限流时间不变，闭和角控制电路使VT导通时间随电源电压的增高而减小，反之增加，见图4-40。

图4-40电源电压变化时对闭合时间的影响

电源电压变化时的闭合角见表4-5。

表4-5

电源电压（V）

11

14

16

18

20

闭合角（°）

55

39

33

29

26