完整版汽车电控点火系统毕业论文.docx

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完整版汽车电控点火系统毕业论文

摘要

随着科学技术的飞跃发展，各种先进的汽车电子控制技术被广泛应用到汽车上，先进的电子控制技术使汽车的动力性和燃油经济性得到了很大的提高，也减少了空气污染，汽车电子控制技术大大促进了汽车工业的发展。

而汽车的电子控制是从发动机开始的，而发动机的控制技术是从控制点火开始的，在各种工况下，可以通过ECU控制各个执行器从而获得最佳的点火提前角，使发动机的动力性、经济性、排放性及稳定性均处于最佳。

在整个工作过程中，都可对点火线圈初级电路的通电时间和电流进行控制，不仅提高了点火的可靠性，而且可有效地减少电能消耗，防止点火线圈烧损。

采用爆燃控制功能后，可使点火提前角控制在爆燃的临界状态，以此获得最佳的燃烧过程。

本文研究的是电控点火系统的发展历史，组成及工作原理，及丰田汽车的典型案例分析。

关键词：

点火提前角爆燃控制

Abstract：

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,allkindsofadvancedautomotiveelectroniccontroltechnologyiswidelyappliedtovehicles,advancedelectroniccontroltechnologymakestheautomobilepowerperformanceandfueleconomygreatlyimproved,andreducesairpollution,greatlypromotedthedevelopmentoftheautomobileindustryandtheautomobileelectroniccontroltechnology.Electroniccontrolcarisstartingfromtheengine,andthecontroltechnologyofengineignitioncontrolisfromthestart,inavarietyofconditions,throughtheECUcontrolofeachactuatorsoastoobtaintheoptimalignitionadvanceangle,sothattheenginepower,economy,emissionperformanceandstabilitywereinthebest.Inthewholeprocessofthework,itcancontroltheignitioncoilprimarycircuitandcurrenttime,notonlyimprovesthereliabilityofignition,butalsocaneffectivelyreducetheenergyconsumption,topreventthelossofignitioncoil.Theknockcontrolfunction,canmaketheignitionadvanceanglecontrolinthecriticalstateofdetonationcombustionprocess,inordertogetthebest.Thisstudyisthedevelopmentsystem,compositionandworkingprinciple,typicalcaseanalysisandToyotacar.

Keywords:

DetonationignitionadvanceAnglecontrol

2.2.1传感器2

2.2.2电子控制单元（ECU）6

2.2.3点火器6

2.2.4点火线圈6

2.3电控点火系统的分类7

2.3.1按有无分电器分类7

2.3.2按控制元件不同分类8

2.4电控点火系的工作原理8

3电控点火系统的点火控制10

3.4汽油机电控点火的要求13

3.4.1高压要求13

3.4.2高能要求13

6丰田皇冠典型案例分析18

结束语21

参考文献23

1汽车电控点火系统的发展历史

在汽油发动机中，气缸中的混合气是由高压点火花点燃的，而产生的高压电火花的任务是点火系统来完成的。

因此，点火系统的功用是保证在各种工况和使用条件下，可靠、准确地点燃气缸中的可燃混合气。

目前，汽车上应用的点火系统类型多样，通常按照点火系统的结构和发展历程，可分为三种基本类型：

传统点火系统，电子点火系统，电控点火系统。

本文主要讲解电控点火系统。

普通电子点火系它采用信号发生器,从根本上消除了由触点引起的缺点和故障。

由于普通电子点火系统对点火提前角的调整仍然采用机械式真空提前装置和离心式提前装置，所以不能对点火提前角进行精确调整,同时它不能对爆震进行反馈控制,为了避免爆震，它的实际点火提前角小于最佳点火提前角,以至汽油机车的潜能得不到充分的发挥，于是更先进的电控点火系酝酿而生。

它弥补了普通电子点火系的不足,从而更大的发挥了汽车的潜能。

电控点火系统与其他电控系统一样,也是由传感器、ECU和执行器3部分组成。

在工作时,微机根据曲轴位置传感器提供的信号,判断出发动机各缸的活塞位置,并根据此信号计算出发动机转速值,再通过节气门位置传感器或空气流量计来确定负荷大小,ECU从存储单元中查出对应工况的点火提前角和点火初级电流通电时间,据此对电子点火器进行控制,从而实现对点火系统的精确控制。

另外,ECU还根据其他影响因数对这两个参数进行修正,以实现对点火系统的智能控制。

同时,电控点火系统采用爆震信号传感器对爆震信号进行检测,ECU根据检测结果对点火提前角实施反馈控制。

通过爆震反馈控制,可以使实际点火提前角比较接近理想最佳点火提前角，从而使汽油机的动力性经济性和有害物控制的控制排放达到较高水平。

丰田车的点火系统也可以分为传统点火系统和电子控制点火系统两种，传统的电子点火系统正逐渐的被电子控制点火系统所取代。

电控点火起着举足轻重的地位。

2电控点火系统（ESA）

2.1电控点火系统的定义

电子控制点火系统也称微机控制的点火系统，是现代轿车广泛应用的一种新型点火系统。

电子控制的点火系统主要由监测发动机运行状况的传感器，处理信号和发出点火指令的电控单元，对点火指令作出响应的点火器和点火线圈等组成。

该系统使发动机在不同转速，进气量等条件下，在最佳点火器提前工况下工作，以输出最大功率和转矩，是油耗和排放降到最低限度。

2.2电控点火系统的组成

电控（计算机控制）点火系统由各种传感器、电子控制单元（ECU），点火器和点火线圈等组成，如图2-1所示。

图

2-1电控点火系统的组成

2.2.1传感器

传感器用来检测与点火有关的发动机工作的状况信息，并将检测结果输入ECU，作为计算和控制点火时刻的依据。

这些传感器大多与燃油喷射系统、怠速控制系统等电子控制系统共用。

包括曲轴位置传感器，凸轮轴位置传感器，节气门位置传感器，爆震传感器，节气门位置传感器，等。

（1）曲轴位置传感器

曲轴位置传感器是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一，它提供点火时刻（点火提前角）、确认曲轴位置的信号，用于检测活塞上止点、曲轴转角及发动机转速。

曲轴位置传感器所采用的结构随车型不同而不同，可分为磁电感应式、光电式和霍尔式三大类。

曲轴位置传感器的作用就是确定曲轴的位置，也就是曲轴的转角。

它通常要配合凸轮轴位置传感器一起来工作——确定基本点火时刻。

通过曲轴位置传感器，可以知道哪缸活塞处于上止点，通过凸轮轴位置传感器，可以知道哪缸活塞是在压缩冲程中。

这样，发动机电脑知道了该什么时候给哪缸点火了。

工作原理：

曲轴位置传感器通常安装在分电器内，是控制系统中最重要的传感器之一。

其作用有：

检测发动机转速，因此又称为转速传感器；检测活塞上止点位置，故也称为上止点传感器，包括检测用于控制点火的各缸上止点信号、用于控制顺序喷油的第一缸上止点信号。

1）磁电感应式：

磁电感应式转速传感器和曲轴位置传感器分上、下两层安装在分电器内。

传感器由永磁感应检测线圈和转子（正时转子和转速转子）组成，转子随分电器轴一起旋转。

正时转子有一、二或四个齿等多种形式，转速转子为24个齿。

永磁感应检测线圈固定在分电器体上。

若已知转速传感器信号和曲轴位置传感器信号，以及各缸的工作顺序，就可知道各缸的曲轴位置。

磁电感应式转速传感器和曲轴位置传感器的转子信号盘也可安装在曲轴或凸轮轴上。

2）霍尔效应式：

霍尔效应式转速传感器和曲轴位置传感器是一种利用霍尔效应的信号发生器。

霍尔信号发生器安装在分电器内，与分火头同轴，由封装的霍尔心片和永久磁铁作成整体固定在分电器盘上。

触发叶轮上的缺口数和发动机气缸数相同。

当触发叶轮上的叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间，霍尔触发器的磁场被叶片旁路，这时不产生霍尔电压，传感器无输出信号；当触发叶轮上的缺口部分进入永久磁铁和霍尔元件之间时，磁力线进入霍尔元件，霍尔电压升高，传感器输出电压信号。

3）光电式：

光电式曲轴位置传感器一般装在分电器内，由信号发生器和带光孔的信号盘组成。

其信号盘与分电器轴一起转动，信号盘外圈有360条光刻缝隙，产生曲轴转角1°的信号；稍靠内有间隔60°均布的6个光孔，产生曲轴转角120°的信号，其中1个光孔较宽，用以产生相对于1缸上止点的信号。

信号发生器安装在分电器壳体上，由二只发光二极管、二只光敏二极管和电路组成。

发光二极管正对着光敏二极管。

信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，由于信号盘上有光孔，则产生透光和遮光交替变化现象。

当发光二极管的光束照到光敏二极管时，光敏二极管产生电压；当发光二极管光束被档住时，光敏二极管电压为0。

这些电压信号经电路部分整形放大后，即向电子控制单元输送曲轴转角为1°和120°时的信号，电子控制单元根据这些信号计算发动机转速和曲轴位置

曲轴位置传感器固定到变速箱的二个螺栓是特制的，以保证传感器与飞轮之间有一个正确的间隙，不允许装用其他螺栓代替特制的螺栓。

把导线插头连接到曲轴位置传感器上，装上传感器线束卡子，把卡子装到燃油管安装螺栓上，拧上卡子的安装螺母。

（2）节气门位置传感器，如图2-2所示。

图2-2节气门系统原理图

节气门位置传感器又称为节气门开度传感器或节气门开关。

如图2-2所示，节气门位置传感器的作用是把节气门的位置或开度转换成电压信号，传输给电控单元，作为电控单元判定发动机运行工况的，实现不用节气门开度下的喷油量的控制。

节气门只为传感器它实质上是一只可变电阻器，安装于节气门体上。

电阻器的转轴与节气门联动，它有两个触点：

全开触点和怠速触点。

当节气门处于怠速位置时，怠速触点闭合，向计算机输出怠速信号，当节气门处于其它位置时，怠速触点张开，输出相对于节气门不同转角的电压信号，计算机便根据加速踏板的位置（发动机的负荷）向喷油嘴发出喷油的指令。

节气门位置传感器内部是一种滑动电位计，由节气门轴带动电位计的滑动触点。

不同节气门开度、电位计的电阻值不同，从而将节气门的开度转变成电阻或电压信号输送给微机。

微机通过节气门位置传感器可获得表示节气门又关闭到全开的所有开启角度的连续变化的模拟信号，以及节气门开度的变化速率，从而更精确地判定发动机的运行工况，提高控制精度和效果。

为了准确检测怠速工况（节气门全关状态）的信号，综合型节气门位置传感器有一个怠速触点。

节气门全闭时，怠速输出触点接通，传感器输出怠速信号位置传感器，这是电控单元将指令喷油器增加喷漆量以加浓混合气。

（3）爆震传感器

爆震传感器是发动机电子控制系统中必不可少的重要部件，它的功用是检测发动机有无爆震现象，并将信号送入发动机ECU。

常见的爆震传感器的有两种，一种是磁致伸缩式爆震传感器，另一种是压电式爆震传感器。

磁致伸缩式爆震传感器的外形与结构如图2-3所示，其内部有永久磁铁、靠永久磁铁激磁的强磁性铁心以及铁心周围的线圈。

其工作原理是：

当发动机的气缸体出现振动时，该传感器在7kHz左右处与发动机产生共振，强磁性材料铁心的导磁率发生变化，致使永久磁铁穿心的磁通密度也变化，从而在铁心周围的绕组中产生感应电动势，并将这一电信号输入ECU。

压电式爆震传感器的结构如图2-4所示。

这种传感器利用结晶或陶瓷多晶体的压电效应而工作，也有利用掺杂硅的压电电阻效应的。

该传感器的外壳内装有压电元件、配重块及导线等。

其工作原理是：

当发动机的气缸体出现振动传递到传感器外壳上时，外壳与配重块之间产生相对运动，夹在这两者之间的压电元件所受的压力发生变化，从而产生电压。

ECU检测出该电压，并根据其值的大小判断爆震强度。

图2-3磁致伸缩式爆震传感器图图2-4压电式爆震传感器

丰田皇冠发动机爆震传感器与ECU的连接如图2-5所示。

图2-5爆震传感器电路图

当爆震传感器发生故障时，发动机电控单元能够检测到，将设置00527（1号爆震传感器）或00540（2号爆震传感器）号故障码，并将各缸点火提前角推迟约15°运行，利用进口或国产的故障诊断仪，通过连接诊断插座可以读取此故障的有关信息。

2.2.2电子控制单元（ECU）

目前汽车发动机大多数都采用集中控制系统，其中微机控制点火系统仅是电子控制器的一个子系统。

电子控制器（ECU）既是燃油喷射控制系统的控制核心，也是点火控制系统的控制核心。

在ECU的只读存贮器（ROM）中，除存储有监控和自检等程序之外，还存储有由台架试验测定的该型发动机在各种工况下的最佳点火提前角。

随机存储器（RAM）用来存储微机工作时暂时需要存储的数据，如输入输出数据、单片机运算得出的结果、故障代码、点火提前角修正数据等等，这些数据根据需要可随时调用或被新的数据改写。

CPU不断接收上述各种传感器发送的信号，并按预先编制的程序进行计算和判断后，接收各传感器信号，分析处理以完成点火提前角、通电时间（闭合角）和爆燃的控制。

2.2.3点火器

即点火控制模块，是对ECU输送来的控制信号进行功率放大以实现对点火线圈的通断控制。

2.2.4点火线圈

可将火花塞跳火所需的能量存储在线圈的磁场中，并将电源提供的低压电转变为足以在电极间产生击穿点火的15-20kV高压电。

在有分电器的电控点火系统中，只有一个点火线圈，而无分电器点火系统中则有多个点火线圈。

在有分电器的电控点火系统中，分电器根据发动机的点火顺序，将点火线圈产生的高压电依次输送给各缸火花塞。

火花塞主要是利用点火线圈产生的高电压产生电火花，点燃气缸内的混合气。

2.3电控点火系统的分类

2.3.1按有无分电器分类

带分电器电控点火系统和无分电器电控点火系统（DLI）.

（1）带分电器点火系统保留了分电器，点火线圈产生的高压电是经过分电器中的配电器分配至各缸，使各刚火花塞按点火顺序一次点火。

（2）无分电器电控点火系统取消了分电器，点火线圈上的高压线直接与火花塞相连。

工作时点火线圈产生的高压线直接送至各火花塞，由ECU根据各传感器输入的信息，按发动机各缸工作顺序，适时控制各缸火花塞点火。

无分电器点火系统由于不存在分火头和旁电极间跳火的问题，减少了能量的损失，提高了点火的可靠性。

无分电器点火系统可分为单缸独立点火和同时点火方式。

1）单缸独立点火：

单缸独立点火是一个点火线圈给一个火花塞供电，如图2-6所示。

可将点火线圈直接安装在火花塞顶上，这样不仅取消了分电器，而且也不用高压线，因此，彻底消除了分电器和高压线所带来的缺陷，点火性能最好，但结构和点火控制系统复杂。

图2-6单独点火无分电器点火原理图

独立点火的优点：

这种独立的点火系统有以下优点：

每缸都有各自的独立的点火线圈，即使发动机转速很高，点火线圈也有较大的闭合角，可保证足够的点火能量，每个缸均有点火线圈，单位时间内通过点火线圈初级绕组的电流较小，点火线圈不发热；点火线圈体积也减少，能直接装在火花塞上面；取消了分缸高压线，避免了对计算机信号的电磁干扰；在提高点火正时控制精度的同时，还可以达到点火时间的全程调整。

2）双缸同时点火：

双缸同时点火是指一只点火线圈同时为两个气缸点火，如图2-7所示。

这种方式要求一只点火线圈同时为两个火花塞点火，同时点火的两个缸工作相位相差360曲轴转角，这样当一缸接近压缩行程上止点时，另一缸必然在接近排气行程上止点，若此时点火，两个气缸的火花塞将同时跳火。

处于排气行程的气缸由于缸内气体压力很低，并且这时混合气处于后燃末期，气体中有导电离子存在，使得这一缸内的火花塞很容易跳火，能量损失很少。

而对于处在压缩行程的气缸，由于缸内压力很高，气体分子密度很大，要使该缸火花塞跳火，必须有足够的点火电压。

因此，对于双缸同时点火方式，实际加在压缩行程气缸火花塞的点火电压要远高于排气行程气缸火花塞上的点火电压，从而保证了压缩行程气缸火花塞的正常跳火，而排气行程的火花塞的火花只是一次无效火花，不会造成大的能量损失。

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2-7双缸点火原理图

2.3.2按控制元件不同分类

分为点火模块控制型点火系统，主微机控制型点火系统和独立点火型点火系2.4电控点火系的工作原理

在发动机工作时，电控单元ECU根据运行的转速和负荷的实际信息，从所储存的数据库中选取出适应于该工况下的点提前角，同时还根据发动机的冷却液温度进进气量和进气温度（或进气管压力和爆震程度），对所先取点火提前角进行修正，最后确定发动机最佳的点火时刻，并向点火器了出点火指令。

点火器接到指令后，便交替地接通与断火点火线圈内初级绕组的电流，使次级绕组不断发出高压电，并通过分电器分配到各汽缸，供火花塞点火，最后完成点火。

3电控点火系统的点火控制

对于电脑控制电子点火系统，可分为点火提前角的控制、闭合角的控制和爆燃控制三个部分。

如图3-1所示。

图3-1点火控制功能

3.1点火提前角的控制

点火提前角控制也称为点火正时控制。

点火提前角的控制通常有开环控制和闭环控制两种方式，如图3-2所示。

（1）开环控制方式：

即电子控制器根据有关传感器提供的发动机工况信息从内部存贮器（ROM）中读取出相应的基本点火提前角，并通过计算出的修正值给予修正后得出的最佳点火提前角数据来控制点火，而对控制结果好坏不予考虑。

（2）闭环控制方式：

闭环控制方式可以在控制点火提前角的同时，还不断地检测发动机的有关工作状况，如发动机是否发生爆震、怠速是否稳定等，然后根据检测到的变化量大小，及时对点火提前角进行进一步修正，使发动机始终处于最佳的点火状态。

图3-2开环闭环控制图

3.1.1最佳点火提前角的确定

（1）发动机起动时，电控单元不进行最佳点火提前角调整控制，而是根据发动机转速信号（Ne）和起动开关信号（STA）以固定不变的点火提前角点火。

（2）起动后最佳点火提前角控制:

最佳点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角

初始点火提前角:

为了控制点火正时，电控单元根据上止点位置来确定点火提前角。

在一些微电子控制点火系统中，有些发动机电控单元把G1或G2信号出现后第一个Ne信号过零点定为压缩行程上止点前10°，并以这个角度作为点火正时计算的基准点，称之为初始点火提前角，其大小随发动机而异。

基本点火提前角:

发动机正常运转时，电控单元按怠速工况和非怠速工况两种情况，确定基本点火提前角。

修正点火提前角:

A.暖机修正----发动机冷车起动后，冷却水温度较低时，应增大点火提前角。

B.过热修正----发动机处于正常运行工况时（怠速触点断开），若冷却水温度过高，为了避免产生爆震，应将点火提前角推迟。

C.空燃比反馈修正----装有氧传感器的电控汽油喷射系统，其电控单元根据氧传感器的反馈信号空燃比进行修正。

D.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，（当发动机实际转速高于目标转速时，则减小点火提前角;反之,则增大）

E.爆震修正----对是否发生爆震及爆震的强弱程度作出判断，如信号最大值大于基准值，则表示发生爆震，ECU推迟点火时间。

（3）最大和最小提前角控制：

当ECU计算出的实际点火提前角不合理时，发动机将不能正常运转。

因此在电控系统中，ECU对实际点火提前角的数值范围进行限制。

丰田汽车公司计算控制系统中规定，最大提前角为35°-45°；最小提前角为：

-10°-0°。

3.2闭合角控制

（1）闭合角控制也称通电时间控制。

电控单元根据蓄电池电压和发动机转速信号，从预置的闭合角数据表中查出相应的数值，对闭合角进行控制。

如图3-3所示。

（2）当发动机转速高时，适当减小闭合角;

（3）当蓄电池电压下降时，应适当增大闭合角

图3-3闭合角与发动机转速和蓄电池电压的关系

（4）当发动机转速升高时，适当增大闭合角；以防止初级线图通过电流值下降，造成次级高压下降，点火困难。

蓄电池电压下降时，基于相同的理由，也应适当增大闭合角。

（5）通过对闭合角的准确调节不但改善了点火系统的点火性能，而且还可以防止初级线圈发热和电能的无效损耗。

3.3爆震控制

（1）电火花将混合气点燃后，以火焰传播方式使混合气燃烧，如果在传播过程中，火焰还未到达时，局部地区混合气应自行着火燃烧，使混合气运动速度加快，此时缸内压力，温度迅速增加，造成瞬时爆燃。

持续爆燃，会使火花塞，活塞等机件过热，熔损，使气缸磨损加剧，严重时导致发动机损坏。

为了消除爆燃，在发动机结构参数已确定的情况下，采用的措施爆震强，推迟的角度大；爆震弱，推迟的角度小。

（2）怠速稳定控制

1）当发动机实际转速高于目标转速时，则减小点火提前角;

2）当发动机实际转速低于目标转速时，则增大点火提前角;

3）当实际转速与怠速转速的稳定值差值越大,则点火提前角的变量就越大.

3.4汽油机电控点火的要求

3.4.1高压要求

火花塞点击击穿而产生火花时所需要的电压成为击穿电压。

为了保证可靠点火，点火系统必须保证在各种工况下能提供足够的击穿电压，大多数汽油机点火系统所能提供的击穿电压超过28KV。

3.4.2高能要求

电火花应具有足够的点火能量（电火花的能量=火花塞电极间的电压X火花塞电极间流过的电流X电火花持续时间），点火能量越大，着火性能越好。

目前采用的高能点火装置，点火能量都要超过80-100MJ

3.4.3正时需要

点火系统除按发动机各缸工作顺序依次点火外，还必须在最佳点火时刻点火。

最佳的点火提前角是由发动机的动力性，经济性和排放性能要求共同确定的。

4丰田电控点火系统

4.1电控点火系统的组成

点火系统主要由传感器、电子控制器（ECU）、点火线圈和火花塞等组成。

（1）传感器是检测发动机工况信号的装置。

传感器的结构型式和装配数量依车而异，主要有曲轴位置传感器、空气流量传感器、节气门位置传感器、爆震传感器、冷却水温度传感器、进气温度压力传感器、车速传感器、空挡起动开关、点火开关、空调开关、蓄电池等。

（2）电子控制器用ECU表示。

ECU是发动机的控制核心。

电子控制器的名称并不统一，生产厂家或公司不同，生产年代和控制内容不同，采用的名称也不尽相同。

电子控制器主要包括输入回路、输出回路、模数AD转换器或模数DA转换器、单片微型计算机和电源电路等。

由于电子控制器的核心部件是单片微型计算机，通常将电子控制器称为微机或电脑。

电子控制器的作用是根据发动机各传感器输入的信