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1、 汽 车 电 子 控 制 技 术沈阳大学 凌永成第2章 发动机电子控制系统 2.3 电控点火系统在发动机控制系统中，点火控制包括点火 提前角控制、通电时间控制和爆燃控制三个方 面。与传统的触点式点火系统相比，普通无触 点电子点火系统在提高点火能量、改善工作特 性方面有很大提高。但对于点火提前角的控制，仍然由离心式 和真空膜片式两套机械点火提前角调节装置来 完成。由于机械系统的滞后效应、磨损及装置本 身的机械结构的限制等因素的影响，对于点火 提前角的调节与控制，就很难保证发动机在各 种工况及工作条件下都能处于最佳状态。此外最佳点火提前角除与发动机的转速和 负荷(进气管真空度)有关之外，还与发动机
2、燃 烧室形状、燃烧室内温度、空燃比、汽油辛烷 值、大气压力、冷却液温度等因素有关。这些对于机械式点火提前调节装置是无能 为力的。电控点火系统，不仅能随发动机转速控制 初级绕组的通电时间(闭合角)和实现恒流控制，保证在发动机各种工况及工作条件下都能 得到足够高的次级电压和跳火持续时间，还能 在发动机各种工况及工作条件下都能得到最佳 点火提前角。当采用由爆燃传感器组成的点火提前角闭 环控制系统时，则能把点火提前角控制在发动 机刚好不至于发生爆燃的状态，即能做到使发 动机点火提前角曲线沿着爆燃界限变化，两者 之间仅留有较小的安全角。因此，电控点火系统能使发动机在各种工 况及工作条件下均获得理想的点火
3、正时，从而 使发动机在动力性、运转平稳性、经济性和尾 气排放方面达到最佳状况。1. 电控点火系统的组成与电控燃油喷射系统相同，电控点火系统 也是由信号输入装置、ECU和执行器三部分组 成，如图2.103所示。由该图可看出，在所有用的传感器中，除 爆燃传感器为电控点火系统所专用之外，其他 传感器基本上都与电控燃油喷射系统所共用， 而且都由一个ECU集中控制。有的车型甚至将点火器也集成在ECU中， 这样电路更简单，结构紧凑，又有助于提高系 统的控制精度和工作可靠性。 2. 电子点火控制系统工作过程现代的点火控制系统都是由计算机控制 的电子控制系统。按高压配电方式可分为两大类：一类是有 分电器的，另
4、一类是无分电器的。无分电器式点火系统的高压配电方式有二 极管分配式和点火线圈分配式两种形式。点火线圈分配式点火系统又有双缸同时点 火和各缸独立点火方式。1) 分电器式电控点火系统图2.104所示即为有分电器电控点火系统电 路。ECU根据各输入信号，确定点火时间，并 将点火正时信号IGt送至点火控制器(简称点火 器)。当IGt信号变为低电平时，点火线圈初级电 路由于功率晶体管的截止而被切断，次级感应 出高电压，再由分电器按发火顺序送至相应气 缸的火花塞上产生电火花。在该种点火系统的分电器中，有的除保留 了传统的机械式配电结构外，不再有传统的分 电器中的断电器、离心式和真空式点火提前角 调节器。在
5、有些车型的分电器中可装有曲轴位置传 感器和凸轮轴位置传感器(Ne信号和G信号)。为了产生稳定的次级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)发生电路。闭合角控制回路的作用是根据发动机转速 和蓄电池电压(电源电压)的变化调节闭合角， 保证闭合时间(初级绕组通电时间)稳定，以保 证足够的点火能量和次级电压。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增大，延长初级绕组的通 电时间，防止初级储能下降，确保点火能量。点火确认信号发生电路的作用是在点火线圈 初级电流切断，初级绕组产生自感电动势时， 输出点火确认信号IGf给ECU，以监视点火控 制电
6、路是否工作正常。当点火器中的功率晶体管不能正常导通和 截止时，ECU就接收不到由点火器反馈回来的 点火确认信号IGf，表明点火系统发生故障， ECU将切断燃油喷射脉冲信号，使电磁喷油器 停止喷油。如果由于某种原因，偶尔出现一次不正常信 号，ECU并不会判定为故障，一般需点火器六 次没有点火确认信号(IGf)反馈给ECU，才判定 为点火系统故障，停止喷油。2) 无分电器式电控点火系统无分电器式电控点火系统高压配电方式有 二极管分配式和点火线圈分配式两种。(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，工作原理如图2.105所示。点火顺序为1342的四缸发动机，当 ECU接收到
7、曲轴位置传感器相应信号时，向点 火控制器发出触发点信号，控制器的控制回路 使Tr1截止，初级绕组A中的电流被切断，在次 级绕组中感应出下“+”上“”的高压电，经四缸 和一缸火花塞构成回路，两个火花塞均跳火，此时一缸接近压缩终了，混合气被点燃，而四 缸正在排气，火花塞点空火。曲轴转过180后，ECU接到传感器信号后 再次向点火控制器发出触发信号，Tr2截止，初 级绕组B中电流被切断，次级绕组感应出上“+” 下“”的高压电，并经二缸和三缸火花塞构成 回路，同时跳火，此时三缸点火做功，二缸火 花塞点空火。依次类推，发动机曲轴转两圈，各缸做功 一次。(2) 点火线圈分配式 点火线圈分配式无分电器点火系
8、统是将来 自点火线圈的高压电直接分配给火花塞，有双 缸同时点火和各缸单独点火两种形式。 双缸同时点火式如图2.106a和b所示，每两个气缸共用一 个点火线圈，其次级绕组的两端分别与同一曲 柄位置的两个气缸上的火花塞相连接。当一缸处于压缩上止点前时，另一缸则处 于排气上止点前。曲轴旋转360后，两缸所处 的冲程正好相反。一个点火线圈的次级绕组分别与两个火花 塞串联同时跳火。由于处于压缩行程一缸的气缸压力高，火 花塞击穿电压高，而处于排气行程一缸的气缸 压力低，接近大气压力，火花塞击穿电压低。这种点火系统一般都采用闭磁路点火线圈， 与分电器式点火系统所用闭磁路点火线所不同 的是其次级绕组一端不再与
9、初级绕组连接，而 是两端直接用高压导线与两缸的火花塞连接。因此两个火花塞串联同时跳火时，其阻抗 几乎绝大部分都在压缩行程一缸的火花塞上， 它承受了大部分电压降，点火能量也主要通过 该火花塞释放，而排气行程一缸火花塞跳火只 损失很少的点火能量。 单独点火方式 这种点火方式实际上相当于每一气缸单独 采用一套独立的点火装置，分别独立对每一缸 进行点火。其电路结构如图2.107所示。 在每一个气缸的火花塞上各配有一个点火 线圈。这种点火方式特别适合在四气门发动机上 装用，火花塞可安装在双凸轮轴中间，在每一 缸火花塞上直接压装一个点火线圈，充分利用 了安装空间，这对V型多缸发动机舱的合理紧 凑布置具有重
10、要的实用意义。同时由于无机械配电方式分火头与分电器 盖旁电极之间的附加跳火间隙和高压导线，因 而能量传导损失、漏电损失小，系统可靠性提 高，故障率减少。而且各缸的点火线圈和火花塞均由金属层包 覆，其对无线电干扰大大减少，这对发动机电 控系统的正常工作也是十分重要的。DLI无分电器点火系统采用小型闭磁路点火 线圈，如图2.108所示。与分电器式电控点火系统所用闭磁路点火 线圈相比，在结构上主要有以下两点区别：其一是DLI闭磁路点火线圈的初、次级绕组 没有连接，各自独立构成回路。 其二是次级绕组中串联了一只高压二极管， 其作用是为避免点火控制器功率晶体管导通时 ，点火线圈诱生的次级电压造成火花塞误
11、跳火 的现象发生。因为在功率晶体管导通瞬间，初级电流按 指数规律增长，点火线圈铁心磁场变化，在初 级绕组和次级绕组分别产生自感电动势和互感 电动势，在次级绕组产生大约1000V电压。在一般分电器式点火系统中，1000V的次 级电压不可能同时击穿分火头与旁电极之间的 空气间隙及火花塞间隙，因此火花塞不可能跳 火。而在无分电器独立点火系统中，次级绕组 产生的1000V电压全部直接加在火花塞上。由于点火系统采用了恒流及闭合角控制，当 发动机低速运转时，功率晶体管导通时刻气缸 已完全进入压缩冲程，气缸压力已开始升高， 1000V的次级电压使火花塞跳火的可能性很小。而当发动机高速运转时，功率晶体管大约
12、在进行冲程的末期就开始导通，此时气缸压力 很低，甚至低于大气压力。因此，1000V的次级电压很可能使火花塞 误跳火，尤其是当火花塞间隙较小而电源系统 电压又大于规定值14V时，火花塞跳火的可能 性更大。这将会引起进气管回火等现象发生，使发 动机无法正常运转。为防止上述现象产生，在点火线圈的次级绕 组中串联一只高压二极管，如图2.109所示。当功率晶体管导通瞬间，次级绕组产生的 1000V反向电压，由于反向加于高压二极管上 ，二极管反向截止，火花塞就无法跳火。而当功率晶体管由导通变为截止时，在次 级中产生的高电压正向加在高压二极管上，二 极管处于正向电压作用下，因此不会影响火花 塞正常跳火。单独
13、点火式无分电器点火系统由点火线圈 与火花塞直接相连为一体，安装空间小，故采 用一种更小型紧凑高效的闭磁路点火线圈。这种点火线圈采用比一般点火线圈小的时 间常数(小的初级电感L和初级绕组电阻R)，在 初级电路接通时，初级电流上升速率很快，即 使在9 000r/min的高速时，也能获得足够大的 初级断开电流，从而提供足够的点火能量和次 级电压。在无分电器电控点火系统中，由于有多个 点火线圈，因此其点火控制器在分电器式点火 系统点火控制器电路的基础上，增加了以下两 部分电路：a控制点火线圈初级绕组通断的功率晶体管 及其驱动电路增多，其数目与点火线圈的个数 相同，并各自独立控制相应的点火线圈。 b增添
14、了判缸信号(IGdA和IGdB)和气缸判别 电路。判缸信号IGdA和IGdB存于ECU的存储器 中，微处理器根据G、Ne信号查表选择IGdA、 IGdB的信号状态(见图2.106)，输送给点火控制 器，气缸判别电路根据判缸信号IGdA和IGdB 的信号状态，决定接通哪条驱动电路，并将IGt 点火正时信号送往与此驱动电路相连接的点火 线圈，完成相应气缸的点火。3. 点火提前角控制由于发动机生产厂家的不同，点火提前角 的控制方法也不同，但一般用以下两种方法。 1) 基本点火提前角乘水温修正系数法在一些电子点火控制系统中，点火提前角 是用基本点火提前角乘以冷却水温修正系统的 方法产生的，即实际点火提
15、前角=基本点火提前角水温修正系数具体做法是：将点火提前角与发动机转速、 负荷的关系列表存储在ECU的存储器中，并将 水温修正系数也存储在ECU的存储器中。系统工作时，从存储器中查出基本点火提 前角和水温修正系数，然后相乘得到实际的点 火提前角。以日产汽车公司ECCS系统为例，其基本 点火提前角表格及水温修正系数如图2.110以 及图2.111所示。正常行驶时，就用基本点火提前角和水温修正 系数求得实际点火提前角，并以此进行控制。当怠速及减速时，节气门位置传感器怠速 触点闭合，ECU进入怠速或减速点火提前角控 制模式。其控制特性如图2.112所示。由图可知，当冷却水温在50以下、车速不 大于8k
16、m/h、发动机转速在1200r/min以上时， 点火提前角几乎保持在上止点前10不变。当启动时启动开关接通，ECU进入启动时 的点火提前角控制模式，其控制特性如图2.113 所示。由图看出，当水温在0以上启动时，其点 火提前角均为16；而在0以下启动时，还要 适当增加点火提前角。2) 原始点火提前角加基本点火提前角加修正点 火提前角控制法这种控制方法可以表示为：实际点火提前角=原始点火提前角基本点提 前角修正点火提前角原始点火提前角是发动机固有的点火提前 角，它不随工况变化，是一恒定值。基本点火提前角的概念同前，也是与发动 机转速及负荷有关的一级数据，以表格形式存 储在存储器中。实际的点火提前角由查表得到的基本点火 提前角、修正点火提前角与原始点火提前角相加得到，日本丰田汽车公司TCCS系统采用的 就是这种点火提前角控制方法。丰田IG-GEL发动机的原始点火提前角、基本 点火提前角及修正点火提前角分别如下所述。原始点火提前角(也称为固定点火提前角)为 上止点前10，适用以下工况： (1) 发动机启动； (2) 发动机转速在40
