汽车电子控制技术第5章-点火系统控制

1、汽车电子控制技术汽车电子控制技术第第5章章 点火系统控制点火系统控制 电子控制点火电子控制点火( (ESAESA) )系统系统点火能量控制点火能量控制点火正时控制点火正时控制点火提前角控制点火提前角控制发动机爆震控制发动机爆震控制 点火系统是用于点火系统是用于提供点火能量提供点火能量和控制各个气缸和控制各个气缸点火顺序点火顺序、点火时刻点火时刻的装置。的装置。 点点 火火 系系 统统第一阶段第一阶段 机械式有触点点火系统机械式有触点点火系统第二阶段第二阶段 无触点晶体管点火系统无触点晶体管点火系统 （无分电器点火系统）（无分电器点火系统）第三阶段第三阶段 电子控制点火系统电子控制点火系统机械式

2、点火系统机械式点火系统组成组成：电源、点火开关、点火线圈、分电器、火花塞。：电源、点火开关、点火线圈、分电器、火花塞。机械式点火系统机械式点火系统的工作过程的工作过程初级线圈初级线圈配电器配电器断电器断电器火花塞火花塞次级线圈次级线圈 曲轴带动分电器轴上的凸轮转动，使点火线圈次级触点曲轴带动分电器轴上的凸轮转动，使点火线圈次级触点通、断通、断而产生高压电。点火高压通过分电器轴上的分火头，而产生高压电。点火高压通过分电器轴上的分火头，按发动机工作顺序送到各气缸的火花塞上，发出电火花点燃按发动机工作顺序送到各气缸的火花塞上，发出电火花点燃燃烧室内的气体。燃烧室内的气体。四缸点火演示简图四缸点火演示

3、简图1) 高压电的产生高压电的产生，有点火线圈和有点火线圈和分电器中的断电分电器中的断电器完成。器完成。2) 高压电的分配高压电的分配有分电器中的配有分电器中的配电器完成电器完成。初级电压初级电压次级电压次级电压点火系的主要元件点火系的主要元件点火线圈点火线圈功用功用：将汽车电源供给的低压电转变为高压电：将汽车电源供给的低压电转变为高压电(10kV) 分电器分电器功用：功用： 将脉冲将脉冲高压电高压电按按发动机的发动机的作功顺序作功顺序和和点火时间点火时间要求，配送要求，配送至各缸的火花塞。至各缸的火花塞。 调节发动机不同调节发动机不同转速下的转速下的提前角提前角。 分电器壳体可以分电器壳体可

4、以手动转动来调节基本手动转动来调节基本的的点火提前角点火提前角 ( 即怠即怠速运转时的点火提前速运转时的点火提前角角 )。配电器、断电器、电容器、点火提前调节装置配电器、断电器、电容器、点火提前调节装置火花塞火花塞( (俗称火咀俗称火咀) )作用作用：把高压导线：把高压导线(火咀线火咀线)送来的脉冲高送来的脉冲高 压电压电(俗称俗称“击穿电压击穿电压”)放电，击放电，击穿穿 火花塞两电极间空气，产生电火花火花塞两电极间空气，产生电火花 引燃气缸内的混合气体。引燃气缸内的混合气体。电电 源源点火系在发动机上的安装位置点火系在发动机上的安装位置高性能发动机的基本条件：高性能发动机的基本条件： 1.

5、高能量稳定的点火高能量稳定的点火 2.混合均匀的混合气混合均匀的混合气 3.高压缩比高压缩比5.15.1点火系统的基本要求点火系统的基本要求1.1.产生电火花产生电火花2.2.点燃混合气的能量点燃混合气的能量3.3.点火时刻点火时刻高能量稳定的点火高能量稳定的点火 击穿电压高，点火可靠，但绝缘困难。一般次极电压击穿电压高，点火可靠，但绝缘困难。一般次极电压限制在限制在50kV以内，对于某些车辆需要提高对各种燃料适应以内，对于某些车辆需要提高对各种燃料适应性，可将次极电压提高，但最高不超过性，可将次极电压提高，但最高不超过100 kV。产生火花的击穿电压产生火花的击穿电压火花塞间隙火花塞间隙 火

6、花塞两电极间隙越大，击穿电压越高。火花塞两电极间隙越大，击穿电压越高。缸内混合气缸内混合气压力和温度压力和温度混合气密度越大混合气密度越大，击穿电压越高。当混合气，击穿电压越高。当混合气温度低或混合气压力大时，击穿电压要高。温度低或混合气压力大时，击穿电压要高。电极的电极的温度和极性温度和极性火花塞的电极温度火花塞的电极温度超过混合气的温度时，电超过混合气的温度时，电极周围的气体密度变稀，击穿电压可降低。极周围的气体密度变稀，击穿电压可降低。受热电极为负极时，击穿电压可降低。受热电极为负极时，击穿电压可降低。发动机的发动机的运行工况运行工况发动机发动机启动时启动时的击穿电压最高；的击穿电压最高

7、； 汽车汽车加速加速时，需要较高的击穿电压。时，需要较高的击穿电压。5.1.1 5.1.1 产生电火花产生电火花1 发动机正常工作，混合气压缩终了时的温度已接发动机正常工作，混合气压缩终了时的温度已接 近其自燃温度，所需的点火能量很小（近其自燃温度，所需的点火能量很小（1 5 mJ）2 在启动、怠速以及急加速等非稳定工况时，则需在启动、怠速以及急加速等非稳定工况时，则需要较高的点火能量。要较高的点火能量。3 A/F17的稀混合气，也需要增加点火能量。的稀混合气，也需要增加点火能量。5.1.25.1.2点燃混合气的能量点燃混合气的能量 基于以上原因，为了可靠点火，一般需要点火基于以上原因，为了可

8、靠点火，一般需要点火系统提供系统提供50 80 mJ，最大时可达，最大时可达150 mJ的点火能的点火能量。量。 因为混合气在气缸内燃烧需要占用一定的时间，所以因为混合气在气缸内燃烧需要占用一定的时间，所以混合气不应在压缩行程的上止点处燃烧，而应适当提前，混合气不应在压缩行程的上止点处燃烧，而应适当提前，使活塞到达上止点时，混合气已充分燃烧，从而使发动机使活塞到达上止点时，混合气已充分燃烧，从而使发动机获得较大的功率。点火的提前量称为点火提前角。获得较大的功率。点火的提前量称为点火提前角。5.1.3 5.1.3 点火时刻点火时刻 点火过早点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，会造成爆震

9、，活塞上行受阻，效率降低，磨损加剧；磨损加剧； 点火过迟点火过迟，气体做功效率低，排气声大。，气体做功效率低，排气声大。1.1.点火提前角点火提前角 从从发出电火花开始发出电火花开始到到活塞到达上止点为止活塞到达上止点为止的一段时间的一段时间内内曲轴转过的角度曲轴转过的角度。点火提前角：点火提前角： 最佳点火提前角最佳点火提前角就是在各种不同工况下使气体膨胀趋就是在各种不同工况下使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程。势最大段处于活塞做功下降行程。 这样这样效率最高效率最高，振动最小振动最小，温升最低温升最低。不论点火过早。不论点火过早或过迟，这是应该防止的。最佳点火角受很多因素影响。或过迟

10、，这是应该防止的。最佳点火角受很多因素影响。2.2.影响最佳点火提前角的因素影响最佳点火提前角的因素 1）活塞的运行速度快活塞的运行速度快，最佳点火提前角相应增大；，最佳点火提前角相应增大； 反之，最佳点火提前角相应减小。反之，最佳点火提前角相应减小。 2）混合气燃烧速度快混合气燃烧速度快，最佳点火提前角相应减小；，最佳点火提前角相应减小； 反之，最佳点火提前角相应增大。反之，最佳点火提前角相应增大。影响最佳点火提前角的因素可归结为一下两点：影响最佳点火提前角的因素可归结为一下两点：影响最佳点火提前角的具体因素有：影响最佳点火提前角的具体因素有：1.1.与活塞的运行速度加快的因素：与活塞的运行

11、速度加快的因素：发动机发动机转速：转速：发动机发动机转速增高转速增高，最佳点火提前角相应，最佳点火提前角相应增大增大， 但不是线性关系。但不是线性关系。2.2.与混合气燃烧速度加快的因素：与混合气燃烧速度加快的因素：1 1 负荷负荷： 发动机转速不变，负荷增加，混合气发动机转速不变，负荷增加，混合气燃烧速度变快燃烧速度变快，最佳点火提前角相应最佳点火提前角相应减小减小。2 2 压缩比压缩比： 发动机压缩比越大，气缸压力和温度越高，发动机压缩比越大，气缸压力和温度越高，混合气燃混合气燃烧越快烧越快，点火提前角要，点火提前角要越小越小。3 3 混合气浓度混合气浓度： 混合气浓度过浓混合气浓度过浓A

12、/F18时，时，燃烧速度皆燃烧速度皆慢慢，点火提前角需，点火提前角需增大增大。 1 1 启动和怠速启动和怠速 发动机发动机启动和怠速时，启动和怠速时，发动机发动机转速低转速低，但混合气，但混合气燃烧燃烧速度也较慢速度也较慢，最佳点火提前角适当，最佳点火提前角适当减小或不提前减小或不提前。2 2 汽油的辛烷值汽油的辛烷值 汽油的辛烷值，也就是汽油牌号，越高抗爆震能力越汽油的辛烷值，也就是汽油牌号，越高抗爆震能力越强，相应允许更大的点火提前角。强，相应允许更大的点火提前角。 3.其它因素：其它因素：4 4 进气压力进气压力 进气压力减小，混合气进气压力减小，混合气燃烧速度变慢燃烧速度变慢，最佳点火

13、提前，最佳点火提前角相应角相应增大增大。5 5 火花塞的数量火花塞的数量 气缸体同时装有两个火花塞，混合气气缸体同时装有两个火花塞，混合气燃烧速度变快燃烧速度变快，最佳点火提前角比装有一个火花塞相应最佳点火提前角比装有一个火花塞相应减小减小。5.2 5.2 电子控制点火系统的基本组成与原理电子控制点火系统的基本组成与原理5.2.15.2.1电子控制点火系统的特点电子控制点火系统的特点1 各种工况和环境条件下均可获得各种工况和环境条件下均可获得理想的点火提理想的点火提 前角前角；2 保持点火能量不变，提高了保持点火能量不变，提高了点火的可靠性点火的可靠性；3 采用闭环控制后，与燃料供给系统实现综

14、合控采用闭环控制后，与燃料供给系统实现综合控 制，可使点火提前角控制在刚好不发生爆震的制，可使点火提前角控制在刚好不发生爆震的 临界状态；临界状态；提高发动机各种性能提高发动机各种性能。 点火提前角的控制不能只考虑点火系统或者发点火提前角的控制不能只考虑点火系统或者发动机系统，而是要求能与其它的系统很好的协调，动机系统，而是要求能与其它的系统很好的协调，以达到车辆整体的最佳控制。以达到车辆整体的最佳控制。根据传感器信息，根据传感器信息，计算最佳提前角，计算最佳提前角，发出点火指令。发出点火指令。5.2.25.2.2电子控制点火系统的基本组成电子控制点火系统的基本组成转转 速速I/OCPU曲轴位

15、置曲轴位置负负 荷荷爆爆 震震温温 度度I/O信信号号预预处处理理A/D转转换换RAMROM传感器传感器：ECU：执行机构：执行机构：检测工况信息。检测工况信息。点火线圈点火线圈点点火火控控制制装装置置火火花花塞塞执行点火执行点火1.1.原理：原理： ECU根据发动机的有关传感器检测的各种工况信号根据发动机的有关传感器检测的各种工况信号进行控制点火进行控制点火.5.2.35.2.3电子控制点火系统的原理与控制过程电子控制点火系统的原理与控制过程2.2.控制过程控制过程 首先根据首先根据发动机转速发动机转速、吸入的、吸入的空气质量流量空气质量流量和和曲轴的曲轴的位置位置，确定相应的，确定相应的基

16、本点火提前角基本点火提前角，然后根据检测，然后根据检测冷却水冷却水温度、进气温度温度、进气温度等加以修正，得到等加以修正，得到最佳点火提前角最佳点火提前角。3.3.闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制对于爆震闭环控制，对于爆震闭环控制，ECU根据爆震传感器检测到根据爆震传感器检测到出现出现爆震时爆震时，减小点火提前角减小点火提前角，若未产生爆震，则加大点火提，若未产生爆震，则加大点火提前角，实现闭环控制。前角，实现闭环控制。 当发动机负荷低于一定值时，一般不出现爆震，这时当发动机负荷低于一定值时，一般不出现爆震，这时采用开环控制。采用开环控制。 即使只考虑发动机转速和负荷从理论上来建立点火系即

17、使只考虑发动机转速和负荷从理论上来建立点火系统的数学模型也是相当困难的，其原因是点火系统的统的数学模型也是相当困难的，其原因是点火系统的非线非线性特性性特性。5.3 5.3 点火提前角控制点火提前角控制1.1.影响点火提前角的主要因素影响点火提前角的主要因素 影响点火提前角最主要的因素是发动机影响点火提前角最主要的因素是发动机转速转速和和负荷负荷。2.2.点火系统的数学模型点火系统的数学模型采用实验方法获得点火系统的数学模型：采用实验方法获得点火系统的数学模型： 大量的台架试验和道路试验，并对试验数据进行处理，大量的台架试验和道路试验，并对试验数据进行处理，获得发动机在获得发动机在不同转速、不

18、同负荷不同转速、不同负荷时所对应的时所对应的最佳提前角最佳提前角的的数据点集合数据点集合，绘出三维控制模型图，绘出三维控制模型图(MAP图图)，再将其转，再将其转换为换为二维表二维表，并存放再，并存放再ECU的存储器中。的存储器中。三维控制模型图三维控制模型图(MAP图图)1218162023182225点火提前角二维表存储形式点火提前角二维表存储形式单单位位转转速速的的进进气气量量发动机转速发动机转速大大小小低低高高提前角提前角数值数值实际点火提前角实际点火提前角 初始点火提前角基本点火提前角修正点火提前角初始点火提前角基本点火提前角修正点火提前角5.3.1 5.3.1 丰田汽车点火系统点火

19、提前角控制丰田汽车点火系统点火提前角控制点火正时控制模式分为点火正时控制模式分为： 启动点火时间控制启动点火时间控制 启动后点火时间控制启动后点火时间控制1.1.启动点火时间控制启动点火时间控制 预先确定的初始点火提前角也称为预先确定的初始点火提前角也称为固定点火提前角固定点火提前角，其值为上止点前其值为上止点前10 。下列情况：。下列情况： 1 发动机启动；发动机启动； 2 发动机启动且转速稳定在发动机启动且转速稳定在400 r/min 以下。以下。 实际点火提前角初始点火提前角实际点火提前角初始点火提前角 启动后点火时间控制由启动后点火时间控制由基本点火提前角基本点火提前角和和修正点火提修

20、正点火提前角前角两部分组成。两部分组成。2.2.启动后点火时间控制启动后点火时间控制1 怠速基本点火提前角怠速基本点火提前角 传感器有怠速输出时所对应的基本点火提前角。传感器有怠速输出时所对应的基本点火提前角。 空调工作：基本点火提前角为空调工作：基本点火提前角为 8 ； 空调不工作：基本点火提前角为空调不工作：基本点火提前角为 4 。2 正常行驶时的基本点火提前角正常行驶时的基本点火提前角 该值主要依据发动机的转速和负荷（用进气量表示）该值主要依据发动机的转速和负荷（用进气量表示）来确定。来确定。ECU根据传感器的信号在根据传感器的信号在ROM存储器搜寻基本存储器搜寻基本点火提前角。点火提前

21、角。1 1）基本点火提前角）基本点火提前角2 2）点火提前角的修正）点火提前角的修正暖暖 机机修修 正正冷却水温冷却水温较低较低时，点火提前角时，点火提前角适当增大；适当增大；冷却水温冷却水温逐渐升高逐渐升高时，点火提前角时，点火提前角逐渐减小逐渐减小。怠怠 速速稳定性稳定性修修 正正 ECU计算发动机计算发动机平均转速平均转速：平均转速平均转速低于低于规定的怠速转速，点火提前角规定的怠速转速，点火提前角增大增大；平均转速平均转速高于高于规定的怠速转速，点火提前角规定的怠速转速，点火提前角减小减小。过过 热热修修 正正 冷却水温冷却水温过高时过高时；发动机正常运行，避免爆震，点火提前角发动机正

22、常运行，避免爆震，点火提前角减小减小；发动机怠速运行，避免发动机长时间过热，点火提发动机怠速运行，避免发动机长时间过热，点火提前角前角增大增大。空燃比空燃比反反 馈馈修修 正正混合气浓度过浓混合气浓度过浓 A/F18， 燃烧速度皆慢，需燃烧速度皆慢，需增大增大点火提前角。点火提前角。 爆爆 震震修修 正正减小减小点火提前角，点火提前角，5.5节介绍。节介绍。修正项修正项ECU确定确定提前角修正的提前角修正的工况信号工况信号暖机修正暖机修正冷却水温、冷却水温、进气歧管压力进气歧管压力( (空气流量空气流量) )、节节气门位置等。气门位置等。怠速稳定性怠速稳定性修修 正正发动机转速、节气门位置、车

23、速、空调开发动机转速、节气门位置、车速、空调开关等。关等。过热修正过热修正冷却水温、节气门位置。冷却水温、节气门位置。空燃比空燃比反馈修正反馈修正氧传传感器氧传传感器爆震修正爆震修正爆震传感器爆震传感器3 3）ECU判断判断点火提前角修正的点火提前角修正的信号信号 当当ECU给出的给出的实际点火提前角超过允许范围时实际点火提前角超过允许范围时，发动，发动机将难以运转。当超过允许范围时，则机将难以运转。当超过允许范围时，则ECU就按就按预先设定预先设定的点火提前角的最大值或最小值的点火提前角的最大值或最小值进行控制。进行控制。丰田汽车点火系统丰田汽车点火系统( (TCCS系统系统) )电子控制点

24、火系统的框图电子控制点火系统的框图1.1.正常工况点火提前角控制正常工况点火提前角控制 当当ECU无怠速信号输入时，无怠速信号输入时， 实际点火提前角基本点火提前角实际点火提前角基本点火提前角水温修正系数水温修正系数 基本点火提前角预先设定并存放在基本点火提前角预先设定并存放在ECU中。中。5.3.25.3.2日产汽车点火系统提前角控制日产汽车点火系统提前角控制2.2.怠速点火提前角控制怠速点火提前角控制 当当ECU怠速信号输入时，进入怠速点火提前角控制模怠速信号输入时，进入怠速点火提前角控制模式式,主要根据发动机转速和冷却水温度控制点火提前角。主要根据发动机转速和冷却水温度控制点火提前角。3

25、.3.启动时点火提前角控制启动时点火提前角控制 根据冷却水的温度确定启动时点火提前角控制。根据冷却水的温度确定启动时点火提前角控制。5.4 5.4 无分电器点火系统无分电器点火系统微机控制点火系统的分类微机控制点火系统的分类1 1非直接点火系统非直接点火系统该系统仍然保留分电器，点火线圈产生的高压电是经该系统仍然保留分电器，点火线圈产生的高压电是经过分电器中的配电器进行分配的，即由分火头和分电器盖过分电器中的配电器进行分配的，即由分火头和分电器盖组成的配电器，依照点火顺序适时地将高压电分配至各气组成的配电器，依照点火顺序适时地将高压电分配至各气缸，使各缸火花塞依次点火。缸，使各缸火花塞依次点火

26、。2 2直接点火系系统（无分电器点火系统）直接点火系系统（无分电器点火系统）直接点火系统取消了分电器，该系统中点火线圈上的直接点火系统取消了分电器，该系统中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高压线直接与火花塞相连，工作时，点火线圈产生的高压电直接送至各火花塞，由微机根据各传感器输入的信息，电直接送至各火花塞，由微机根据各传感器输入的信息，依照发动机的点火顺序，适时的控制各缸火花塞点火。依照发动机的点火顺序，适时的控制各缸火花塞点火。 传统的点火装置主要由传统的点火装置主要由分电器分电器，点火线圈点火线圈，火花塞火花塞等等部件组成，其中分电器和点火线圈是产生互感高压电

27、的关部件组成，其中分电器和点火线圈是产生互感高压电的关键部件。分电器通过其凸轮棱角来控制键部件。分电器通过其凸轮棱角来控制白金触点的开、闭白金触点的开、闭使点火线圈产生高压电。使点火线圈产生高压电。 现代汽油发动机每分钟转速最高可达现代汽油发动机每分钟转速最高可达6千多转，瞬间千多转，瞬间点火时间极短，传统点火装置已经不能适应其点火要求。点火时间极短，传统点火装置已经不能适应其点火要求。车用无触点电子点火装置代替了传统的点火装置。车用无触点电子点火装置代替了传统的点火装置。传统的点火装置传统的点火装置 1989年，无分电器电子点火系统应用在福特的汽车年，无分电器电子点火系统应用在福特的汽车上。

28、它采用多个线圈的点火装置，去掉了分电器。上。它采用多个线圈的点火装置，去掉了分电器。1. 提高可靠性提高可靠性：因为该系统是半导体点火，无运行部件：因为该系统是半导体点火，无运行部件的摩擦损耗，的摩擦损耗，2. 减少维修工作量减少维修工作量：因为没有分电器盖和分火头，不需：因为没有分电器盖和分火头，不需维修和更换。维修和更换。3. 不会缺火或不易起动不会缺火或不易起动：消除了分电器盖中形成的臭氧：消除了分电器盖中形成的臭氧/硝酸和水的可能性，硝酸和水的可能性，4. 减小对电磁干扰减小对电磁干扰：没有分火头和分电器盖之间产生的：没有分火头和分电器盖之间产生的火花。无分电器点火可以将高压线圈与火花

29、塞安装为一火花。无分电器点火可以将高压线圈与火花塞安装为一体，减少了高压导线。体，减少了高压导线。5.点火装置体积小点火装置体积小：便于布置安装，有利发动机室设计小：便于布置安装，有利发动机室设计小型化。型化。无分电器点火系统的优点：无分电器点火系统的优点： 无分电器点火为每一个火花塞使提供一个无分电器点火为每一个火花塞使提供一个线圈，直接安装在火花塞上。线圈，直接安装在火花塞上。 该方式将该方式将点火点火线圈与火花塞安装线圈与火花塞安装为一体为一体，电压的分，电压的分配性能好，能量损配性能好，能量损失小，缺点是结构失小，缺点是结构与控制电路复杂。与控制电路复杂。5.4.15.4.1无分电器点火系统的配电方式无分电器点火系统的配电方式1.1.单独点火配电方式单独点火配电方式 该方式将将两个火花塞共用一个点火线圈，结构与控该方式将将两个火花塞共用一个点火线圈，结构与控制电路