第七章 汽油机点火控制.docx

1、第七章 汽油机点火控制第七章 汽油机点火控制二十世纪70年代，美国GM公司采用了集成电路（IC）点火装置，高能点火（HEI）系统，并在分电器内装上点火线圈和点火控制线路，力图将点火系统做成一体，这种电路具有结构紧凑、可靠性高、成本低、耗电少、不需冷却、响应性好等特点。后期又采用数字式点火时刻控制系统，称为迈塞（MISAR）系统。该系统体积小，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）和模/数（A/D）转换器等组成。系统可根据输入的冷却液温度、转速和负荷等信号，计算出最佳点火时刻。美国克莱斯勒公司（Chrysler corporation）首先创立了模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的控制

2、系统。传统的点火系统，其点火时刻的调整是依靠机械离心式调节装置和真空式调节装置完成的，由于机械的滞后、磨损及装置本身的局限性，故不能保证点火时刻在最佳值。而用ECU控制的点火系统，则可方便地解决以上问题。因为用微机可考虑更多的对点火提前角影响的因素，使发动机在各种工况下均能达到最佳点火时刻，从而提高发动机的动力性、经济性、改善排放指标。ECU控制的点火系统是随着电子技术的进步而发展起来的一门新技术，也是汽车电子化的必然趋势。第一节 电控点火系统的组成和分类 一、电控点火系统的组成与功能 ECU控制的点火系统主要有ECU、传感器和点火执行器三大部分组成（图7-1），其功能如下： 1）ECU接受各

3、种传感器送来的信号经过数据处理后，输出信号（缸序信号和点火信号）并通过电能输出级传到点火执行器。 2）传感器在点火系中应用的传感器主要有空气流量计、发动机转速传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器及爆震传感器等。 3）点火控制装置具有缸序判别、闭合角控制、恒流控制、安全信号等电路，其主要功能是接受ECU发生的缸别信号（IGdA、IGdB）和点火信号（IGt）， 驱动点火线圈工作，并向ECU输入安全信号（IGf）。图7-1 ECU控制点火系统的组成简图1-传感器 2-ECU 3-点火控制装置 4-点火线圈 二、电控点火系分类 电控点火系可分为有分电器式和无分电器式两种型式。 1有分电器式点火

4、控制系统 有分电器式点火系统电路如图7-2所示。图7-2 有分电器式点火系统电路1-信号发生器 2-ECU 3-点火控制器 4-点火线圈 5-点火开关 ECU根据各输入信号，确定点火时刻，并将点火正时信号IGt送至点火器，当IGt 信号变为低电平时，点火线圈一次侧被切断，二次线圈中感应出高压电，再由分电器送至相应缸火花塞点火。 为了产生稳定的二次侧电压和保证系统的可靠工作，在点火器中设有闭合角控制回路和点火确认信号（IGf）安全保护电路。 2无分电器的点火控制系统 无分电器的点火控制系统有二极管分配式和点火线圈分配式两大类。 （1）二极管分配式 二极管分配式无分电器点火系统采用同时点火方式，工

5、作原理如图7-3所示。图7-3 二极管分配式同时点火的无分电器点火系工作原理图1-1、4缸触发信号 2-电子点火控制器 3-控制部分4-稳压器5、8-一次线圈 6-高压二极管 7-二次线圈 9-2、3缸触发信号 点火顺序为1-3-4-2的四缸发动机，当ECU接收到曲轴位置传感器相应信号时，向点火控制器发出点火信号，点火控制器的控制回路使VT1截止，一次线圈5中的电流被切断，在二次线圈中感应出下“+”上“-”的高压电，经4缸和1缸火花塞构成回路，两个火花塞均跳火，此时1缸接近压缩终了，混合气被点燃，而4缸正在排气，火花塞点空火。曲轴转过180后，ECU接收到传感器信号后再次向点火控制器发出触发信

6、号，VT2截止，一次线圈8中电流被切断，二次线圈感应出上“+”下“-”的高压电，并经2缸和3缸火花塞构成回路，同时跳火，此时3缸点火作功，2缸火花塞点空火。依次类推，发动机曲轴转2圈，各缸作功一次。 （2）点火线圈分配式 点火线圈分配式无分电器点火系统是将来自点火线圈的高压电直接分配给火花塞，有同时点火和单独点火两种形式。 1）同时点火。同时点火即用一个点火线圈对到达压缩和排气上止点的两个气缸同时实施点火，处于压缩的一缸，混合气被点燃而作功，正在排气的另一缸火花塞点空火（图7-4）。 ECU根据凸轮轴位置传感器信号，选择相应点火的气缸，并将点火信号送给点火组件，使相应的晶体管VT截止或导通，点

7、火线圈直接向火花塞输出高压电。图7-4 点火线圈分配式同时点火的无分电器点火系统 2）单独点火。单独点火既为每一个气缸的火花塞配备一个点火线圈，单独直接地对每个气缸点火（图7-5）。图7-5 单独点火式无分电器点火系统 这种单独点火系统由于取消了高压线，能量损失小，效率高，电磁干扰少。第二节 点火提前角和闭合角的控制 点火提前角的控制可分为开环控制和闭环控制两种。 开环控制的基本点火提前角是靠预先在台架上用实验方法测得的数据来确定的。这些数据存入ECU的只读存储器ROM中，工作时，ECU根据发动机的工况来选择调取。 发动机工作时，发动机转速、节气门开度、进气流量等基本参数通过相应的传感器检测出

8、来，并输入ECU，由ECU从其只读存储器ROM中查找相应的基本点火提前角（或由经验式计算得出），再根据冷却液温度、进气温度等参数，对查找出的（或计算出的）基本点火提前角进行修正，得到适应当前工况的最佳点火提前角，并存入随机存储器RAM中，然后利用发动机转速（或转角）信号和曲轴位置信号，将最佳点火提前角转换成点火时刻，即一次侧电流的切断时刻；ECU还要根据电源电压、发动机转速等信号，从其只读存储器ROM中选取并换算成适应当前工况的一次线圈电流导通时间。由ECU以方波的形式发出指令，指挥点火控制器或功率三极管，在所确定的时刻导通和切断点火线圈中的一次侧电流，使点火系统正常工作。 由于开环控制方式所

9、确定的点火时刻比传统的机械式点火正时调节装置所确定的点火时刻更接近于理想状态，因而发动机的动力性有不同程度的提高，经济性也可以提高35。但是，传感器工作状态的改变会引起开环控制精度的改变，而且ECU中所存数据无法适应发动机本身制造精度、磨损状况、使用条件等变化而引起的最佳点火提前角的变化。随着使用时间的增加，ECU所存数据也会逐渐不能适应发动机对最佳点火提前角的要求，造成发动机性能逐渐下降，以至ECU控制点火正时的优势逐渐减退。为解决上述问题，一些汽车公司正致力于开发具有自学习（或称自适应）功能的智能型ECU的工作。ECU能够根据发动机本身制造精度、磨损状况、使用条件等，对其存储器中的数据进行

10、自动调整，从而使发动机始终处于最佳点火提前角的状态下工作。 闭环控制方式是根据发动机实际运行结果的反馈信息来控制点火提前角的，所以闭环控制又称为反馈控制。通常，闭环控制方式是利用爆震传感器反馈爆震信号来控制点火提前角的，有关内容在本章第三节中介绍。目前广泛应用的电控点火系统，是在开环控制方式的基础上再配以闭环控制方式的混合控制方式。 一、点火提前角的控制 影响点火提前角的因素较为复杂，在电控点火系统中，一般点火提前角有几部分组成，即：实际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（或延迟角）。 初始点火提前角是ECU根据发动机上止点位置确定的固定点火时刻，其大小随发动机而异。基本

11、点火提前角是ECU根据发动机转速信号和进气歧管压力信号（或进气量信号），在存储器中查到这一工况下运转时相应的点火提前角。修正点火提前角（或延迟角）是ECU根据各种传感器传来的信号，对点火提前角进行修正，使控制更加准确。点火提前角的控制包括两种基本情况：起动期间的点火时刻控制，即发动机起动时工况，按固定的曲轴转角位置点火。起动后，发动机正常运行时，点火时刻由进气歧管压力信号（或进气量信号）和发动机转速确定的基本点火提前角和修正量决定。修正项目随发动机而异，并根据发动机各自的特性曲线进行修正。表7-1为点火提前角的修正项目。表7-1 点火提前角的修正项目 起动时点火提前角 初始点火提前角点火提前角

12、 基本点火提前角 起动时点火提前角 修正点火提前角 暖机修正量 稳定怠速修正量 空燃比反馈修正量 过热修正量 爆震修正量 最大提前和推迟控制量 其它修正量 1起动工况的点火时刻控制 在起动期间，发动机转速较低（通常在500r/min以下），由于进气歧管压力信号或进气量信号不稳定，一般点火时刻固定在初始点火提前角（数值大小随发动机而异）。初始点火角由ECU中的备用模块进行设定。在某些发动机中，ECU还需输入起动信号（STA）。起动期间点火时刻控制如图7-6所示。此时的控制信号主要是发动机转速（Ne）信号和起动开关（STA）信号。图7-6 点火时刻控制a）起动期间的点火控制 b）正常运行期间的点火

13、控制 2、起动后点火时刻控制 （1）基本点火提前角 在正常工况下运转时，节气门位置传感器的怠速触点（IDL）断开，ECU根据存储器的数据确定基本点火提前角，数据表格存储形式如图7-7所示。图7-7 点火提前角数据表格存储形式 在正常运行工况运行时，控制信号主要有：进气歧管压力信号（或进气量信号）、发动机转速信号、节气门位置信号、汽油品种选择开关或插头（RP）、爆震信号（KNK）等。 在某些发动机中，按汽油辛烷值不同，在存储器中存放着两张基本点火提前角的数据表格，驾驶员可根据使用汽油的辛烷值，通过汽油选择开关或插头进行选择。 具有爆震控制功能的点火提前角系统（ESA），其ECU中还存有专用于爆震

14、控制点火时刻的数据。 在怠速工况下运行时，节气门位置传感器怠速触点闭合，此时，ECU根据发动机转速和空调开关是否接通等确定基本点火提前角（图7-8）。图7-8 怠速工况基本点火提前角 在怠速工况运行时，控制信号主要有：节气门位置信号（IDL）。发动机转速信号（Ne）空调开关信号（AC）。 （2）点火提前角的修正 1）暖机修正。发动机冷车起动后，当发动机冷却液温度较低时，应增大点火提前角，暖机过程中，随冷却液温度升高，点火提前角的变化如图7-9所示。修正曲线的形状与提前角的大小随车型不同而异。 暖机过程中，控制信号主要有：冷却液温度信号（THW）、进气歧管压力（或进气量）信号、节气门位置信号等。

15、图7-9 暖机修正曲线 2）过热修正。发动机处于正常运行工况（怠速触点断开），当冷却液温度过高时，为了避免产生爆震，应将点火提前角推迟。发动机处于正常运行工况（怠速触点闭合），冷却液温度过高时，为了避免长时间过热，应将点火提前角增大。过热修正曲线的变化趋势如图7-10所示。图7-10 过热修正曲线 过热修正控制信号主要有：冷却液温度信号（THW）、节气门位置信号（IDL）。3）怠速稳定性的修正。 发动机在怠速运行期间，由于发动机负荷变化使发动机转速改变，ECU要调整点火提前角，使发动机在规定的怠速转速下稳定运转。 怠速运转时，ECU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

16、，ECU根据与怠速目标转速差值的大小相应地增大点火提前角；反之，则推迟点火提前角（图7-11）。图7-11 怠速稳定修正 怠速稳定修正信号主要有：发动机转速信号（Ne）、节气门位置（IDL）、车速（SPD）、空调信号（A/C）等。 4）最大和最小提前角控制。如果发动机实际点火提前角（初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前或延迟角）不合理，发动机很难正常运转。在初始点火提前角已设定时，受ECU控制的实际点火提前角则为基本点火提前角与修正点火提前角之和，该值应保证在某一范围内。最大提前角为3545，最小提前角为-100。 二、闭合角的控制 闭合角控制电路的作用是：根据发动机转速和蓄电池电压调

17、节闭合角，以保证足够的点火能量。在发动机转速上升和蓄电池电压下降时，闭合角控制电路使闭合角加大，即延长一次侧电路的通电时间，防止一次侧储能下降，确保点火能量。在发动机转速下降和蓄电池电压较高时，闭合角控制电路使闭合角减小，即缩减一次侧电路的通电时间，确保一次线圈的安全。 （1）ECU对闭合角的控制 通常，ECU根据电源电压查得导通时间，再根据发动机转速换算成曲轴的转角，以确定闭合角的大小。 例如，某六缸发动机，电源电压为12V，若大功率晶体管导通时间为5ms，若发动机转速为2000r/min，则导通5ms相当于曲轴转角为： 在这种状况下，大功率晶体管从导通到截止，必须保持60的曲轴转角，即闭合

18、角为60。又因六缸发动机的作功间隔为120，亦即大功率晶体管截止到下一次截止为120。大功率晶体管截止时，曲轴的转角为120-6060，那么ECU从大功率晶体管截止开始时计数60个1信号，第61个1信号起大功率晶体管开始导通，即一次侧电流开始导通（图7-12）。图7-12 大功率晶体管导通时间的控制 （2）电子点火器中闭合角的控制 电子点火器末级大功率晶体三极管的导通时间与发动机转速、集成块工作电压以及点火线圈的工作特性有关。 例如：桑塔纳2000点火电子组件（图7-13）中闭合角的控制可分成两部分：第一部分由L497集成块（图7-14）与其脚10上的电容器CT，脚12上的偏流电阻R7组成一闭

19、合时间基准定时器。当霍耳输入信号为“+”（脉冲的上升沿）时，CT以一恒定电流I10充电，其充电电流值一般为：-11A9.8A（UT=5.3V16V，U10=0.5V，t10ms33ms），调节偏流电阻R7，可调整I10的数值。CT 充电波形见图6-14所示。第二部分由L497集成块与其脚11上的电容器CV、脚12上的偏流电阻R7组成闭合时间控制及调整电路。必须指出的是，电容器CW上的电压取决于发动机转速和集成块的工作电压值的大小，若输入信号为“+”， CW 上的电压亦为“+”；若输入的霍耳信号下跳为“-”， CW 以恒定的电流I11放电，其放电电流值为05AI111A（图7-15）。 当U10

20、U11时，便是点火线圈导通的起始点。由于在低速时流过线圈电流时间较长，为减少大功率管上产生的功率损耗，必须减少导通时的过饱和时间td。图7-13 霍耳电子点火系（点火器内装专用点火集成块）原理电路图7-14 L497集成块引出脚图7-15 闭合角控制波形(3)1信号的产生 1信号由曲轴位置传感器产生。下面介绍磁脉冲式和光电式曲轴位置传感器的1信号产生原理。如图7-16所示，为安装于曲轴前端（皮带轮之后）的盘式磁脉冲传感器的结构，主要由信号盘和信号发生器组成。信号盘随发动机曲轴一同转动，其边缘有均匀加工的细齿，齿与齿的间隔为4，共有90个齿。另外，信号盘上每隔120（六缸发动机）设计一个凸缘，共

21、3个。信号发生器安装在信号盘的圆周外侧，其外形为长形盒，四孔插座作为信号线的连接插孔。信号发生器内有三个永久磁铁做成的磁头，磁头上分别绕有三组相互独立的线圈。磁头、安装得与信号盘上的细齿对正，感受信号盘圆周上细齿的变化。磁头与信号盘上的凸缘安装在同一平面，感受凸缘的变化。图7-16 磁脉冲式曲轴位置传感器结构发动机转动时，信号盘上的细齿和凸缘使磁头与信号盘之间的磁通发生变化，在磁头上的线圈中便产生与发动机转速和曲轴位置相关的周期信号。将这些信号进行放大、滤波和整形后，便可得到标准的矩形波。在磁头上产生的信号每120一个脉冲。每一个凸缘位置正好对应着六缸发动机的两个气缸活塞上止点前70的位置，所

22、以又称此信号为上止点前70信号。如图7-17所示，磁头、的安装位置相隔3，用于测量曲轴转角，两磁头所感应出的信号为同周期的矩形波（相位相差90）。将这两路信号进行处理，那么，两信号合成的结果为一列周期为1的脉冲。通过这样的测量与处理，最终可以获得测量精度为1的发动机曲轴转角信号。并且可以得到每一时刻曲轴位置相对气缸上止点的角度。图7-17 磁脉冲式曲轴位置传感器1信号的产生 光电式曲轴位置传感器一般安装在分电器内（图7-18a）。它由光电信号发生器和固定在分电器轴上随轴转动的带孔的遮光盘组成。遮光盘（图7-18b）上刻有光孔，在其圆周外圈，均匀地刻有360条缝隙，在内圈的圆周上均匀地刻有6个较

23、宽的缝隙。信号发生器固定在分电器壳上，并分作两部分分别位于遮光盘的上下两侧。上部装有两只发光二极管，分别对在遮光盘的两圈缝隙上，下部分装有两只光敏二极管分别与遮光盘上边的两只发光管对正。发动机转动时，遮光盘随之而转，当遮光盘上的缝隙与光电传感器对准时，光线通过缝隙照在其下边的光敏二极管上，使光敏二极管导通。当光线被遮光盘挡住时，光敏二极管截止。这样，在光敏二极管上就会产生一定的电压信号，将此信号进行放大、处理，即可得到控制点火用的脉冲信号。 由外圈一组产生的信号，其周期对应于分电器轴转动角度的1 ，将此信号进行2倍频，即可获得对应于曲轴转角为1的信号。内圈的一组光电传感器的信号周期为60（分电

24、器轴转角），对应于曲轴转角为120。图7-18c所示为光电式曲轴位置传感器的输出信号波形图。使用中，将内圈信号产生的缝隙固定在发动机作功缸的上止点前70的位置，则此信号即可作为发动机各对应缸的压缩上止点参考信号。图7-18 光电式曲轴位置传感器1信号的产生 第三节 发动机爆震的控制 闭环控制所用的反馈信息可以是发动机的爆震信号、转速信号或气缸的压力信号等。最常见的是利用发动机的爆震信号作为反馈信息，用来控制大负荷等工况下的点火提前角；在怠速等工况，则常用发动机的转速信号作为反馈信息，从而尽可能维护怠速时稳定运转；中等负荷等工况，则一般采用开环控制方式，但在此工况下一旦发生爆震，又会自动转入利用

25、爆震信号作为反馈信息的闭环控制方式。 利用发动机爆震信号作为反馈信息的闭环控制方式中，爆震传感器将发动机的爆震状况反馈给ECU，一旦爆震程度超过规定的标准，ECU立即发出点火系统推迟点火；当爆震程度低于规定的标准时，ECU又会将点火时刻提前，循环调节点火时刻的结果，使发动机始终处于临界爆震的工作状态，此工作状态与发动机的技术状况无关。在此工作状态下，可使发动机获得最大的动力性能，经济性能也可以得到一定程度的改善。 用于检测爆震信号的传感器有三类：第一类利用装于每个气缸内的压力传感器检测爆震引起的压力波动；第二类把一个或两个加速度传感器装在发动机缸体或进气管上，检测爆震引起的振动；第三类对燃烧噪

26、声进行频谱分析。 若用发生爆震的循环次数与实际工作循环的次数之比值（爆震率）来衡量爆震强度，可以定量地把爆震分为四个等级：爆震率在5以下时为微爆震；510为轻爆震；1025为中爆震；25以上为重爆震。 当发动机出现15的轻微爆震时，其动力性、经济性接近最佳值。闭环控制方式即按轻微爆震来确定最佳点火提前角。 闭环控制时，ECU测出的爆震率对点火提前角进行调节。一定时间内无爆震时，就逐步增大点火提前角，直至发生轻微爆震；爆震率大于5时，又将点火提前角减小，直至爆震消除。闭环控制原理如图7-19所示。图7-19 闭环控制原理框图 ECU对点火提前角的调节有快速调节法和慢速调节法两种。采用快速调节法时

27、，一旦发生爆震并需要调整提前角，则将点火提前角减小一个较大的固定值（510），使爆震迅速消除。之后，曲轴每转5周20周，就将点火提前角增大1或0.5(图7-20)。采用慢速调节法时，则每次将点火提前角减小1或其它较小值，直至爆震消除或进入轻微爆震区。一定时间内无爆震时，则每次将点火提前角增大1或其它较小值，直至进入轻微爆震区(图7-21)。慢速调节法比快速调节法更适合于闭环控制点火系统，因为它能较好地适应发动机技术状况缓慢的变化。有些系统则每次发生爆震均对点火提前角进行调节，爆震消除一段时间后，点火提前角又逐步增大。对发动机点火提前角实施闭环反馈控制，无需人工调整点火提前角，同时，可以适当提高

28、发动机的压缩比，进一步改善其动力性和经济性。但排放性能将有一定程度的下降（主要是NOX排放增多）。图7-20 点火提前角的快速调节法图7-21 点火提前角的慢速调节法第四节 典型电控点火系 一、桑塔纳2000GLi型轿车点火系 桑塔纳2000GLi型轿车采用的是带分电器电子控制点火系统，它是Motrinic 1.5.4发动机电子控制系统的的一个子系统,特点是将点火系统与汽油喷射系统复合在一起，由一个ECU来控制，结构简单、工作可靠。 1点火系的组成 ECU控制的点火子系统，主要由点火线圈、分电器、火花塞、带抗干扰元件的连接插座、爆震传感器、点火导线等组成，结构如图7-22所示。桑塔纳采用霍耳式

29、点火信号传感器，装在分电器上。分电器用压板装在发动机缸盖上，分电器转子由凸轮轴驱动。点火线圈在蓄电池正极处点火开关的上方，当一次侧电流通过时，点火线圈的一次线圈经ECU中的点火晶体管搭铁，分电器将点火线圈中二次线圈的高压电分配到各个火花塞上。图7-22 桑塔纳2000GLi型轿车点火系组成1-点火导线 2-连接插座 3-点火线圈 4-点火线圈插头5-爆震传感器 6-螺钉 7-爆震传感器插头 8-火花塞插头9-火花塞 10-分电器压板紧固螺钉11-分电器压板12-O型圈 13-高压分电器 14-防尘盖 15-霍耳传感器16-分火头 17-分电器盖 18- 屏蔽罩 2点火系的工作原理 点火开关接通

30、时，蓄电池向点火线圈一次线圈供电，分电器轴上的触发器转子转过霍耳传感器时，产生一个电动势信号，传输给晶体管点火控制装置。在霍耳传感器内有放大电路，在点火控制器内有按照转速控制导通角的电路和控制一次线圈电压及保护一次线圈的电路，由此实现对一次侧电流的导通与切断工作，使二次线圈感应出几万伏满足点火要求的电压，再由分电器通过高压导线，将高压电传给火花塞，点燃气缸中的可燃混合气。点火子系统根据发动机温度、进气温度、转速、节气门开度、蓄电池电压、爆震信号并利用ECU中的综合特性图，控制点火提前角（点火时刻）、闭合角及爆震，使之处于最佳状态。 二、捷达王轿车点火系的控制 1点火系的组成点火线圈、火花塞、霍

31、耳传感器、爆震传感器（两个）其组成如图7-23所示。图7-23 捷达王点火系的组成1-点火高压线及抗干扰插头2-点火线圈3-固定螺栓4-连接插头5-盖6-火花塞7-爆震连接插头8、10-爆震传感器9、13、15-固定螺钉11-爆震连接插头12-霍耳传感器连接插头14-霍耳传感器16-垫片17-霍耳传感器隔板 2点火系的工作原理 点火系统为无分电器的电子点火系统，它把点火线圈的二次高压直接送到火花塞，所以也称为电子点火模块或模块点火系统。此系统每两缸配有一个点火线圈，因此四缸发动机需要两个线圈。二次线圈分别连到两个火花塞上，每一端连接一个火花塞。两个点火线圈分别为1、4缸和3、2缸提供点火所需的高压电。点火顺序为1-3-4-2。霍耳传感器和发动机转速传感器提供点火信号，由ECU识别出一缸点火上止点位置，再将这些信号分别供给两个点火线圈的一次电路。当以正常方式切断一次电路，两个火花塞都产生高压火花，即1、4缸（或3、2缸）同时点火，此时只有一个缸需要点火，另一缸正开始排气（此缸的跳火不起作用，也称为废火）。对于每个气缸来说每个工作循环有两次点火。点火时刻由储存在ECU中的特性曲线计算而得，主要影响因素是发动机转速和空气流量。ECU同时考虑下述因素：冷却液温度、进