发动机电控系统结构原理与检修项目一：任务四点火控制系统结构原理与检修课件

任务1

点火系统的检修点火系统认知任务2

情境描述一辆2016年款一汽大众迈腾B7轿车，CEA发动机，进厂做发动机保养。你的主管安排你对点火系统进行检查，并更换火花塞，你能完成吗？情境提示点火系统是汽油发动机重要的系统，关系到发动机能否正常工作。汽车技术的发展点火系统也一直在更新换代。要完成这个任务，你首先必须对电控发动机点火系统有完整的认知，才能进行下一步的工作。本情境中，检查、更换火花塞是发动机保养的常见工作。更换火花塞除了按规范操作外，还应该注意火花塞的型号符合发动机的要求。情境导入技能目标1.能够识别汽油发动机点火系统的元件；2.能够找到汽油发动机点火系统主要零部件的位置；3.能进行点火高压火检测和更换火花塞。学习目标知识目标1.能描述汽油发动机点火系统的结构组成；2.能描述汽油发动机电控点火系统的控制原理。基本知识汽油发动机要有效工作必须满足以下条件：足够的压缩比，适当的混合比，准确而强大的点火。点火系统的基本功用是在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机作功。1.点火系统的功用基本知识点火系统应在发动机各种工况和使用条件下保证准确地点燃气缸内的可燃混合气。为此点火系统应满足以下基本要求：（1）能产生足以击穿火花塞两电极间隙的电压使火花塞两电极之间的间隙击穿并产生电火花所需要的电压，称为火花塞击穿电压。火花塞击穿电压的大小与电极之间的距离（火花塞间隙）、气缸内的压力和温度、电极的温度、发动机的工作状况等因素有关。试验表明，发动机正常运行时，火花塞的击穿电压为7～8kV，发动机冷起动时达19kV。为了使发动机在各种不同的工况下均能可靠地点火，一般要求火花塞击穿电压应在15～20kV。（2）电火花应具有足够的点火能量为了使混合气可靠点燃，火花塞产生的火花应具备一定的能量。发动机工作时，由于混合气压缩时的温度接近自燃温度，因此所需的火花能量较小（1～5MJ），传统点火系统的火花能量（15～50MJ），足以点燃混合气。但在起动、怠速以及突然加速时需要较高的点火能量。为保证可靠点火，一般应保证50～80MJ的点火能量，起动时应能产生大于100MJ的点火能量。（3）点火时刻应与发动机的工作状况相适应首先发动机的点火时刻应满足发动机工作循环的要求；其次可燃混合气在气缸内从开始点火到完全燃烧需要一定的时间（千分之几秒），所以要使发动机产生最大的功率，则要求在压缩行程终了（上止点）时适当地提前一个角度点火。当活塞到达上止点时，混合气已经接近充分燃烧，发动机才能发出最大功率。（4）持久耐用如果点火系统发生故障，发动机就会工作不良甚至停止运转。所以，点火系统必须非常可靠，才能经受发动机的振动和高温以及点火系统本身的高电压。2.点火系统的基本要求发动机的点火系统，按其组成和产生高压电方式的不同可分为传统点火系统、电子点火系统、电子控制单元（俗称微机或电脑）控制点火系统。3.点火系统的分类图5-1-1传统点火系统（1）传统点火系统传统点火系统，如图5-1-1所示，是通过点火线圈和断电器将电源提供的低压电转变为高压电，再由分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电火花，点燃可燃混合气。传统点火系统由于存在高速时工作不可靠、产生的高压电比较低、使用过程中需经常检查和维护等缺点，目前已经被电子点火系统和电子控制单元控制点火系统所取代。基本知识电子点火系统如图5-1-2所示，通过点火线圈和由半导体器件（晶体三极管）组成的点火控制器将电源提供的低压电转变为高压电，再通过分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电火花，点燃可燃混合气。与传统点火系统相比，电子点火系统具有点火可靠、使用方便等特点，目前少部分汽车中仍在使用。（2）电子点火系统图5-1-2电子点火系统基本知识电子控制单元控制点火系统与上述两种点火系统相同，也是通过点火线圈将电源的低压电转变为高压电，再由分电器将高压电分配到各缸火花塞。但该种点火系统由电子控制单元控制系统根据各种传感器提供的发动机工况信息，发出点火控制信号，控制点火时刻，点燃可燃混合气。它还可以取消分电器，采用多个点火线圈，由电子控制单元控制系统直接控制各点火线圈依次产生高压电，分别对应各缸火花塞实现点火控制。如图5-1-3所示。（3）电子控制单元控制点火系统图5-1-3电控单元控制点火系统基本知识电子控制单元（ECU）控制点火系统根据发动机各种负荷状况，控制最佳的点火提前角，使发动机的输出功率、经济性、加速性和废气排放等都达到最理想的状态；而且感应出的电压不会随着转速增加而降低。电子控制单元控制点火系统已广泛应用于各种品牌的汽车中并得到快速发展，其改善常体现在点火线圈的类型上：由传统的一个点火线圈供给各缸跳火电压，发展到一个点火线圈供给两缸跳火电压，再发展到一个点火线圈只供给单缸的跳火电压，甚至有些车型（如广州本田飞度FIT）一个缸采用两个点火线圈。基本知识下文只介绍电子控制单元（电脑）控制点火系统的组成。电子控制单元控制点火系统主要由电源（蓄电池和发电机）、点火开关、传感器和各种控制开关、电子控制单元、点火控制模块、点火线圈以及火花塞等部件组成。（1）电源供给点火系统所需的电能，由蓄电池和发电机提供。（2）点火开关控制点火系统的初级电路接通/断开。（3）各种传感器和各种控制开关传感器信号主要是用来检测与点火有关的发动机工作状况信息，并将检测结果输入电子控制单元，作为计算和控制点火时刻的依据；而各种控制开关信号则用于修正点火提前角。传感器和各种控制开关主要包括空气流量计、曲轴位置传感器、冷却液温度传感器、节气门位置传感器、车速传感器、空调开关和空档起动开关等。4.点火系统的组成基本知识（4）电子控制单元电子控制单元控制点火系统是发动机集中控制系统的一个子系统，电子控制单元既是燃油喷射控制系统的核心，也是点火控制系统的核心。在电子控制单元的只读存储器中，除存储有监控和自检等程序外，还存储有该型号发动机在各种工况下的最佳点火提前角。电子控制单元不断接收各种传感器和开关发送的信号，并按预先编制的程序进行计算和判断后，向点火控制器发出控制信号，实现最佳点火提前角和点火时刻的最佳控制。（5）点火控制模块点火控制模块根据结构和功能又称点火电子组件、点火器或功率放大器，是电子控制单元控制点火系统的功率输出极，它接收电子控制单元输出的点火控制信号并进行功率放大，以便驱动点火线圈工作。根据车型不同，点火控制模块可能独立安装、集成在点火线圈内部或集成在电子控制单元内部。（6）点火线圈将电源12V的低压电转变成15～20kV的高压电。基本知识（7）火花塞基本知识点火线圈次级绕组产生的高压电在火花塞的中心电极和接地电极之间放电，产生电火花，点燃混合气。火花塞结构如图5-1-4所示。图5-1-4火花塞结构（1）点火提前角及其影响因素基本知识对于汽车而言，最佳的点火提前角不仅要保证发动机的动力性和燃油经济性都达到最佳，还必须保证排放污染最小。混合气在气缸内燃烧，当最高燃烧压力出现在上止点后10°左右时，发动机的输出功率最大。气缸压力与点火时刻的关系如图5-1-5所示。图中曲线A是气缸内混合气不燃烧时的压力波形，以上止点为中心左右对称。曲线B、C、D分别是不同点火时刻的燃烧压力波形。在c时刻点火，燃烧压力做功最多（阴影部分）。在b时刻点火，最大燃烧压力最高，但发生了锯齿波形的爆震。最佳点火提前角除了与发动机的转速和进气歧管绝对压力（负荷）有关之外，还与发动机燃烧室形状、燃烧室内温度、空燃比、燃油辛烷值、大气压力、冷却液温度等因素有关。当采用电子控制单元控制的点火系统时，发动机在各种工况和运行条件下，都可能提供理想的点火提前角，因此发动机的动力性、经济性和排放都可以达到最佳。图5-1-5压力与点火时刻的关系5.点火提前角的控制（2）点火提前角控制基本知识1）初始提前角在起动期间，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，点火时间固定在初始点火提前角。此时的控制信号主要是发动机转速信号和起动（STA）信号。2）基本点火提前角在正常运行工况运行时，ECU根据进气歧管压力信号（或进气量信号）、发动机转速信号、节气门位置信号、空调开关信号、爆震信号等确定基本点火提前角。3）点火提前角的修正ECU根据发动机冷却液温度、怠速稳定性、空燃比反馈做出点火提前角的修正。图5-1-6点火提前角的计算在发动机正常运行时，点火提前角计算如图5-1-6所示：实际点火提前角=初始提前角+基本点火提前角+修正点火提前角（或延迟角）（3）通电时间控制基本知识图5-1-7蓄电池电压与通电时间的修正曲线当点火线圈的初级电路接通后，其初级电流是按指数规律增长的。初级电路断开瞬间，初级电流所能达到的值（即断开电流）与初级电路接通的时间长短有关，只有通电时间达到一定值时，初级电流才可能达到饱和。而次级电压最大值与断开电流成正比。因此必须保证通电时间能使初级电流达到饱和。若通电时间过长，点火线圈会发热并使电能消耗增大。因此要控制一个最佳通电时间，兼顾上述两方面的要求。同时，蓄电池的电压变化也影响初级电流。蓄电池电压下降，在相同的通电时间里初级电流所达到的值将会减小，因此必须对通电时间进行修正。如图5-1-7所示为蓄电池电压与通电时间的修正曲线。（4）爆震控制基本知识爆震是汽油发动机运行中最有害的一种混合气不正常燃烧现象。若发动机持续产生爆震现象，火花塞电极或活塞可能产生过热、熔损，造成严重故障，因此必须防止爆震的产生。贮存在ECU内的发动机不同工况下的最佳点火提前角是根据发动机台架试验的结果，再按照预定的准则，对燃油消耗、扭矩、排放、爆震倾向以及其它行驶性能等进行优化后确定的。它只能代表这种发动机的一般情况。制造加工上的误差或使用劣质燃油以及发动机磨损等原因，都会使个别发动机对点火提前角的实际要求偏离这种点火特性。这时，若仍按这一点火来控制点火提前角，就会使发动机因点火过早或过迟而产生爆震或造成动力下降、加速性变差。解决上述问题，可采用带有反馈控制功能的点火提前控制系统。这种控制系统是在缸体或靠近燃烧室的地方安装一个爆震传感器。它能将发动机爆震时产生的压力波转变成电信号输送给ECU；ECU中的点火提前角反馈控制电路根据爆震传感器传来的反馈信号来调整点火提前角，以保证在任何工况下的点火提前角都处于接近发生爆震的最佳角度。爆震控制的方法：爆震传感器安装在气缸体上，利用压电晶体的压电效应，把爆震传到气缸体上的机械振动转换成电信号输入ECU，ECU把爆震传感器输出信号进行滤波处理并判定有无爆震及爆震强度的强弱，推迟点火时间。每次调整都以一固定的角度递减，直到爆震消失为止。而后又以一固定的角度提前，当发动机再次出现爆震时ECU又使点火提前角再次推迟，调整过程如此反复进行。（1）带分电器电子控制单元控制点火系统的控制方式基本知识图5-1-8丰田汽车带分电器电子控制单元控制点火系统的控制方式如图5-1-8所示为丰田汽车带分电器电子控制单元控制点火系统的控制方式。电子控制单元根据曲轴转速信号（Ne）、凸轮轴位置信号（G1、G2）、空气流量计信号、节气门位置信号、起动信号、空调开关信号、水温传感器信号和空档起动开关信号等计算点火信号。通过IGT端向点火控制器输出点火正时信号，点火控制器根据IGT端输出的点火正时信号控制点火线圈组件初级线圈搭铁通断的时刻；当点火线圈组件的初级线圈电路切断时，在点火线圈的次级线圈中产生很高的感应电动势，被送至工作气缸的火花塞，点火能量被瞬间释放，并迅速点燃气缸内的混合气，发动机完成点火作功过程；点火控制器的IGF端向电子控制单元反馈点火确认信号。当电子控制单元接收不到该信号时，便切断燃油喷射，使发动机熄火。由于汽车技术的飞速发展，有分电器点火系统已经淘汰，目前的电控汽油机都采用无分电器点火系统。6.电子控制单元控制点火系统的控制方式电子控制单元控制点火系统中，根据是否保留分电器，区分为有分电器点火系统和无分电器点火系统。（2）无分电器电子控制单元控制点火系统的控制方式基本知识图5-1-9两个气缸同时点火放电电路无分电器点火方式常用DLI（Distributor-lessIgnitor）表示，又称电子配电方式或全电子点火方式，也有称为直接点火方式。无分电器点火方式中区分为双缸同时点火方式和单缸独立点火。1）双缸同时点火方式该点火系统中，点火线圈直接与火花塞连接，点火线圈的次级绕组有两个高压输出端，次级绕组利用高压线将两个气缸的火花塞，通过它们的接地点串联成一个闭合回路，一个点火线圈产生的高压电可以向两个气缸的火花塞提供，如图5-1-9所示。基本知识图5-1-10同时点火方式点火线圈内部结构点火线圈对处于压缩行程上止点和排气上止点两个气缸同时点火，例如:对1、4缸进行同时点火，第1缸压缩上止点时，第4缸则是排气上止点，此时第1缸是有效点火（点燃混合气体），第4缸则是空火，即无效点火，由于第4缸里的压力比第1缸低得多，只需很少放电能量就能保证高压电通过。曲轴转过360°后，情况正好相反，第4缸是有效点火，第1缸是空火。同时点火系统中点火线圈的内部结构如图5-1-10所示，别克君威3.0L点火线圈的实物和安装位置如图5-1-10所示。同时点火只适合气缸数为偶数的发动机，即4、6、8个气缸时才能采用。图5-1-11别克君威3.0L点火线圈的实物和安装位置2）单缸独立点火方式基本知识图5-1-12单独点火式点火线圈单独点火方式也称独立点火方式。这种方式是一个火花塞上配一个点火线圈。因此称它为集成式火花塞，或单火花点火线圈，其内部结构如图5-1-12（a）所示，别克君越安装汽车的点火线圈位置如图5-1-11（b）所示。该点火系统中，点火线圈、火花塞及控制用的功率管数目是一致的，点火线圈产生的高压电单独地直接向每一个气缸点火。（1）直列发动机基本知识图5-1-13直列4缸发动机点火顺序靠近曲轴飞轮最前为1缸。直列4缸发动机点火顺序1-3-4-2，6缸发动机点火顺序1-5-3-6-2-4，如图5-1-13所示。7.点火顺序确定发动机的点火需要按发动机的工作顺序来确定，如果顺序错乱，发动机就会抖动甚至无法起动。下文介绍发动机的点火顺序。（2）V型发动机基本知识图5-1-14V型发动机点火顺序V型6缸发动机气缸缸位如5-1-14所示，V型6缸发动机点火顺序1-2-3-4-5-6。V型发动机有6、8、12缸等，比较复杂，实际点火顺序请参照相关车型的维修手册。拓展知识火花点火性能取决于许多因素，现将影响火花点火性能的主要因素解释如下：1）电极形状与放电性能圆形电极使放电困难，而方块形或尖头形电极则放电容易。圆形电极长期使用后会变成椭圆形，火花跳火也随之变得困难。2）火花塞间隙与所需的电压火花塞间隙大，跳火就困难些，所需的电压也随之增大。3）压缩压力与所需的电压压缩压力增加，跳火就困难，所需的电压也随之增大。4）电极温度与所需的电压当电极温度升高时，跳火所需的电压却随之降低。（1）点火性能1.火花塞知识拓展知识火花塞热量范围，又称“热值”，是指火花塞所辐射的热量。火花塞辐射较多热量的，称作“冷塞”，火花塞本身较冷；而辐射较少热量的，称作“热塞”，因为它本身将热量保存起来了。火花塞上面印有字母数字代码（如图5-1-26所示），说明火花塞的结构、特性等。代码随厂家不同而不同。通常表示热量范围的数字越大，火花塞越冷；而数字越小，火花塞越热。（2）热量范围图5-1-26火花塞的代码拓展知识火花塞工作温度下限即为自洁温度，而火花塞工作温度上限即为早燃温度。中心电极温度在大约450℃（842℉）和950℃（1742℉）之间时，火花塞性能最佳。理想的火花塞能承受从低速达高速的各种工况。1）自洁温度中心电极温度如果低于450℃（842℉），燃油不完全燃烧所产生的积碳会附着在瓷质绝缘体表面，降低绝缘体和火花塞之间的绝缘电阻导致火花塞不跳火。中心电极温度在450℃（842℉）或以上，可将绝缘体头上的积碳完全燃烧，这个温度就称作自洁温度。2）早燃温度中心电极温度如果超过950℃（1742℉），电极本身就成为热源，即使没有火花放电也能引起点火，这种现象称为“早燃”。如果发生早燃，发动机输出就会降低，电极或活塞可能产生凹点，甚至部分烧熔。所以，中心电极温度必须在950℃（1742℉）以下。每种车辆最适宜的火花塞热量范围已由厂家选定，安装不同热量范围的火花塞，会破坏上述自洁温度和早燃温度的设定。所以，一定要用规定型号的火花塞进行更换。3）白金尖火花塞前述各项点火性能也适用于白金尖火花塞。白金尖火花塞的中心电极和与其相对的接地电极都覆盖有一层很薄的白金（或依金等贵金属）薄膜，以延长火花塞的使用寿命。一些中、高级汽车的发动机采用这种火花塞。拓展知识为了减少汽车排放污染物，保护大气环境，采用传统点火方式的发动机已停止生产。但为了讲述原理方便，下面仍以此发动机的点火方式讲述工作原理，如图5-1-27所示为传统点火系统工作原理图。2.传统点火系统的工作原理图5-1-27传统点火系统工作原理图拓展知识发动机工作时，断电器轴连同凸轮一起在发动机凸轮轴的驱动下旋转。凸轮转动时，断电器触点交替地闭合和打开。当触点闭合时，接通点火线圈初级绕组的电路；当触点分开时，切断初级绕组的电路，使点火线圈的次级绕组中产生高压电；当火花塞的电极间隙被击穿时，产生电火花，点燃混合气。其工作过程可分为三个阶段：（1）触点闭合，产生初级电流。在点火开关接通的情况下，当触点闭合时，点火线圈初级绕组中有电流通过，流过初级绕组的电流称为初级电流，其电流路径为：蓄电池正极→电流表→点火开关→点火线圈“+”接线柱→附加电阻→点火线圈“－”接线柱→断电器触点→搭铁→蓄电池负极，构成回路。（2）触点分开，次级绕组中产生高压电。当断电器凸轮转过一定角度后，将触点顶开，初级电路被切断，初级电流迅速下降到零，它所形成的磁场也迅速消失，在初级绕组和次级绕组中都产生感应电动势。初级绕组匝数少，产生200～300V的自感电动势，次级绕组由于匝数多，产生的互感电动势高达15～20kV。（3）火花塞电极间隙被击穿，产生电火花，点燃混合气。发动机工作期间，断电器凸轮每转一圈各缸按点火顺序轮流点火一次。若要停止发动机的工作，只要断开点火开关，切断初级电路即可。目前，该种点火系统已经被淘汰。拓展知识1）磁脉冲式信号发生器磁脉冲式信号发生器主要是用来产生点火信号的部件。它安装在分电器内，由分电器轴带动的信号转子、永久磁铁和绕在支架上的传感线圈等组成，如图5-1-28（a）、（b）所示。3.电子点火系统的工作原理图5-1-28磁脉冲式信号发生器的工作原理（1）点火信号发生器的工作原理信号发生器根据信号触发方式的不同可分为磁脉冲式（也称磁感应或磁电式）、霍尔效应式和光电效应式等类型。拓展知识如图5-129所示，当电流I通过放在磁场中的半导体基片（即霍尔元件）且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁场的半导体基片的横向侧面上会产生一个电压，这个电压称为霍尔电压UH。2）霍尔效应式信号发生器图5-1-29霍尔效应原理拓展知识霍尔效应式点火信号发生器是根据霍尔效应原理制成的。它装在分电器内，其基本结构如图5-1-30（a）所示，由触发叶轮和信号触发开关等组成。触发叶轮与分火头制成一体由分电器轴带动，其叶片数与气缸数相等。信号触发开关由霍尔集成块和带导磁板的永久磁铁组成。霍尔集成块的外层为霍尔元件，同一基板的其他部分制成集成电路。由于霍尔信号发生器工作时，霍尔元件产生的霍尔电压UH是毫安级，信号很微弱，需要进行信号处理，这一任务由集成电路完成。霍尔元件产生的霍尔电压UH信号，经过放大、脉冲整形，最后以整齐的矩形脉冲（方波）信号输出。图5-1-30霍尔效应式点火信号发生器的结构和原理拓展知识其工作原理如图5-1-30（b）、（c）所示。当触发叶轮的叶片在霍尔集成块和永久磁铁之间转动，叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙时，磁场即被叶片旁路，霍尔元件上不产生霍尔电压。当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过霍尔元件经导磁板构成回路，霍尔元件产生霍尔电压。电子点火器就是依靠信号发生器输出的方波信号进行触发并控制点火系统工作的。图5-1-30霍尔效应式点火信号发生器的结构和原理拓展知识如图5-1-31所示，光电式点火信号发生器也安装在分电器内，它由安装在分电器轴上的转盘和安装在分电器底板上的光触发器组成。转盘的外线开有与发动机气缸数相对应的缺口。光触发器由发光二极管和光敏晶体管组成。当发光二极管的光线照射光敏晶体管时，光敏晶体管导通，产生与曲轴位置相对应的电压脉冲，即点火信号。光电式点火信号发生器的缺点是抗污能力差，发光元件和光敏元件上沾上油污就会影响正常的信号电压的产生，这种点火信号发生器对分电器的密封性要求高。因此，光电式点火信号发生器不如磁脉冲式和霍尔效应式应用广泛。（3）光电效应式信号发生器图5-1-31光电式点火信号发生器示意图拓展知识（4）电子点火系统的工作原理图5-1-32磁脉冲式电子点火系统工作原理图图5-1-33霍尔式电子点火系统工作原理图感谢观看任务1

点火系统的检修点火系统认知任务2

情境描述一辆2016年款一汽大众迈腾B7轿车，装备CEA发动机，在怠速时发动机有抖动现象。你的主管把这个检修任务分配给你，你能完成吗？情境提示一般车辆抖动主要的故障原因是某缸缺火或者缺油。因此要先从点火系统进行检查。要完成这个任务，除了对电控发动机点火系统有完整的认知外，还需要学会点火系统的检修方法，才能进行下一步的工作。本情境中，发动机抖动，点火系统是最常见的故障原因之一。火花塞、高压线、点火线圈都可能发生故障。点火系统类型复杂，不同类型的点火系统检修方法有区别，检修时注意分辨。情境导入技能目标1.能够进行高压线的检测；2.能够进行点火模块（点火线圈）的检测。学习目标知识目标1.能描述点火系统的控制模式；2.能描述不同类型点火线圈的检测方法。基本知识如图5-2-1是点火系统的控制模式。点火系统相关的主要传感器，如曲轴位置传感器CKP、凸轮轴位置传感器CMP和爆震传感