《汽车电器与电子控制技术》课件 4.汽车点火系统

第4章汽车点火系统汽车电器与电子控制技术知识要点掌握程度相关知识点火系统简介了解点火系统的作用、要求点火系统的作用、要求及分类普通电子点火系统掌握电子点火系统的结构熟练分析电子点火系统的工作原理磁感应式电子点火系统、霍尔效应式电子点火系统、光电式电子点火系统、点火线圈的构造、火花塞的构造微机控制点火系统掌握微机控制点火系统的结构熟练分析微机控制点火系统的工作原理微机控制点火系统的组成、点火提前角控制、闭合角控制、爆燃控制【本章教学要点】在汽油发动机中，点火系统的作用是适时地为发动机气缸内已压缩的可燃混合气提供足够能量的电火花，使发动机能及时、迅速地燃烧做功。适时在气缸燃烧室内产生电火花的装置，称为点火系统。

要求点火装置应满足下列三个基本要求：(1)能产生足以击穿火花塞电极间隙的电压；(2)火花塞产生的电火花必须有足够的能量；(3)点火提前角应与发动机各种工况相适应。目前，应用在汽车上的点火装置种类较多，大致可以分为以下几种：(1)传统点火系统(2)普通电子点火系统(3)微机控制点火系统4.1普通电子点火系统4.2微机控制点火系统4.1.1概述4.1.2磁感应式电子点火系统4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1.4光电式电子点火系统4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统4.1.1概述4.1普通电子点火系统1.传统点火系统存在的不足(1)火花能量的提高受到限制(2)触点故障多、寿命短(3)对火花塞积炭和污染敏感触点式点火系统.mp44.1.1概述4.1普通电子点火系统2.电子点火系统的优点(1)不存在触点氧化、烧蚀、变形、磨损等现象，可增大初级断电电流值，提高次级电压，有效地改善和保证点火性能。(2)电磁能量得到了充分利用，高电压形成迅速，火花能量大。(3)减小了火花塞积炭影响。火花塞间隙为1.1~1.2mm。(4)点火时间精确，混合气能得到完全燃烧。(5)对无线电干扰小，结构简单，重量轻，体积小，保养维修简便。4.1.1概述4.1普通电子点火系统3.电子点火系统的分类(1)按点火装置有无触点分类1)触点式电子点火装置，又称半导体管或晶体管辅助点火装置。2)无触点电子点火装置，又称全晶体管点火装置。(2)按点火能量的储存方式分类1)电感储能式电子点火装置。其储能元件是点火线圈。2)电容储能式电子点火装置。其储能元件是专用的电容器。4.1.1概述4.1普通电子点火系统3.电子点火系统的分类(3)按点火提前角的控制方式分类1)普通电子点火系统。2)微机控制点火系统。4.1.1概述4.1.2磁感应式电子点火系统4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1.4光电式电子点火系统4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统4.1.2磁感应式电子点火系统4.1普通电子点火系统又称磁脉冲式或磁电式电子点火装置，这种系统结构简单，性能可靠，已在国内外普遍使用。日本丰田轿车等均装有该类型点火装置。丰田轿车无触点式磁感式应电子点火系统主要由磁感应式点火信号发生器、点火控制器、分电器、点火线圈、火花塞等组成，如图4-1所示。4.1.2磁感应式电子点火系统4.1普通电子点火系统1.信号发生器作用：产生与发动机曲轴位置相对应的磁感应电压脉冲信号，并输给点火控制器作为点火控制信号。组成：信号转子、永久磁铁、磁扼和绕在铁芯上的感应线圈。磁感应信号发生器.swf电磁点火.mp44.1.2磁感应式电子点火系统4.1普通电子点火系统2.点火控制器如图4-1所示，点火控制器内有5只三极管。VT1管接成二极管的形式，起温度补偿作用；VT2管为触发管；VT3和VT4管起放大作用；VT5管为大功率管，与点火线圈初级绕组串联，以提供较大的初级电流，使其截止时能在次级绕组产生所需要的高压电。4.1.2磁感应式电子点火系统4.1普通电子点火系统3.点火系统工作原理1)点火开关接通后，当发动机未工作，传感器的信号转子不动时，传感器无输出信号，点火线圈初级绕组有电流流过。2)起动发动机，分电器开始转动，信号发生器开始产生交变电动势信号。当感应线圈输出“+”信号时3)当感应线圈输出“-”信号时

发动机不断转动，周而复始，点火线圈不断产生高压电。丰田车点火系统工作原理.swf4.1.1概述4.1.2磁感应式电子点火系统4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1.4光电式电子点火系统4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1普通电子点火系统

简称霍尔式电子点火系统，是利用霍尔效应原理制成的信号发生器产生点火信号，触发和控制电子点火系统工作的。霍尔式电子点火系统由内装霍尔信号发生器的分电器、点火控制器、点火线圈和火花塞等组成。

图4-6为桑塔纳轿车装用的霍尔效应式电子点火系统的组成及电路连接图。4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1普通电子点火系统1.信号发生器(1)霍尔效应霍尔效应原理如图4-7所示。霍尔原理.mp4当电流通过放在磁场中的半导体基片(即霍尔元件)，且电流方向与磁场方向垂直时，在同时垂直于电流与磁场的方向上，半导体基片内产生一个与电流大小和磁感应强度成正比的电压，这个电压称为霍尔电压UH。4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1普通电子点火系统1.信号发生器(2)霍尔信号发生器图4-8所示为装有霍尔式点火信号发生器的分电器结构。霍尔式分电器由触发叶轮和信号触发开关组成。霍尔信号发生器内的霍尔元件实际上是一个霍尔集成电路，其内部集成电路原理如图4-9所示。4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1普通电子点火系统2.点火控制器图4-12为霍尔式电子点火系统的点火控制器电路图。除一般点火控制器的开关作用外，增加了点火线圈限流控制、闭合角控制、停车断电保护、过压保护等功能。4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1普通电子点火系统3.霍尔式点火系统的工作过程发动机工作时，分电器轴带动霍尔信号发生器的触发叶轮旋转。霍尔点火电路.mp44.1.1概述4.1.2磁感应式电子点火系统4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1.4光电式电子点火系统4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统4.1.4光电式电子点火系统4.1普通电子点火系统光电式电子点火系统是利用光敏元件(光敏晶体管或光敏二极管)的光电效应原理，制成光电式点火信号发生器给点火控制器提供点火信号，达到控制点火的目的。4.1.4光电式电子点火系统4.1普通电子点火系统基本组成如图4-13所示。4.1.1概述4.1.2磁感应式电子点火系统4.1.3霍尔效应式电子点火系统4.1.4光电式电子点火系统4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统1.点火线圈的构造4.1.5电子点火系统典型元件构造4.1普通电子点火系统2.火花塞的构造将点火线圈产生的高压电引入发动机燃烧室，在其电极间隙中产生电火花点燃可燃混合气。对火花塞提出了以下要求：(1)绝缘体应绝缘可靠，并能承受高于30kV的电压。(2)能承受温度的剧烈变化，适当的热特性。(3)有足够的机械强度，电极应采用难熔、耐蚀的材料制成。(4)有适当的电极间隙和安装位置，气密性良好，可靠点火。火花塞的自净温度

火花塞的热特性主要取决于火花塞绝缘裙部的长度：绝缘体裙部长的火花塞，其受热面积大，而传热距离长，但散热困难，因此裙部温度高，称“热型”火花塞；绝缘裙部短的火花塞，其受热面积小，而传热距离短，散热容易，因此裙部温度低，称“冷型”火花塞。

热型火花塞适用于低速、低压缩比的小功率发动机；冷型火花塞则适用高速、高压缩比的大功率发动机。4.1普通电子点火系统4.2微机控制点火系统4.2微机控制点火系统又称电控点火系统(ElectronicSparkAdvance,ESA)主要优点是：(1)在各种工况及环境条件下，均可自动获得最佳的点火提前角。(2)工作过程中，均可对点火线圈初级电路的通电时间和通电电流进行控制，从而使点火线圈中存储的点火能量保持恒定。(3)采用爆燃控制策略后，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。4.2.1微机控制点火系统的组成4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统4.2.1微机控制点火系统的组成4.2微机控制点火系统微机控制点火系统组成，如图4-21所示。4.2.1微机控制点火系统的组成4.2微机控制点火系统1.传感器、开关等输入信号(1)凸轮轴位置传感器

(CylinderIdentificationSensor,CIS)(2)曲轴位置传感器

(CrankshaftPositionSensor,CPS)4.2.1微机控制点火系统的组成4.2微机控制点火系统1.传感器、开关等输入信号(3)空气流量传感器(AirFlowSensor,AFS)(4)进气温度传感器(IntakeAirTemperatureSensor,IATS)(5)冷却液温传感器(CoolantTemperatureSensor,CTS)(6)节气门位置传感器(ThrottlePositionSensor,TPS)(7)爆燃传感器(EngineDetonationSensor,EDS)(8)各种开关信号：

起动开关；空调开关；空挡起动开关4.2.1微机控制点火系统的组成4.2微机控制点火系统2.电子控制单元又称电控单元，与发动机电控汽油喷射系统共用。

作用：根据发动机各种与点火有关的传感器输入信息及内存数据，进行运算、处理、判断，然后输出点火信号，控制点火控制器动作，完成点火工作。4.2.1微机控制点火系统的组成4.2微机控制点火系统3.点火控制器点火控制器，是发动机电控系统的执行器之一。作用：根据电控单元ECU输出的指令，通过内部大功率晶体管的导通和截止，控制初级电流的通断，实现点火系统的工作。4.2.1微机控制点火系统的组成4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2微机控制点火系统1.机械配电方式由分火头将高压电分配至分电器盖旁电极，再通过高压线输送到各缸火花塞上的传统配电方式。桑塔纳2000GLi、红旗CA7220E型等轿车的点火系统都采用了机械配电方式。

缺点：4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2微机控制点火系统2.电子配电方式在点火控制器控制下，点火线圈的高压电按照一定点火顺序，直接加到火花塞上的点火方式。

采用电子配电方式分配高压电的点火系统称为无分电器点火系统（Distributor-LessIgnition,DLI)。

常用电子配电方式分为双缸同时点火和各缸单独点火两种配电方式，如图4-22所示。无分电器点火系统.mp44.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2微机控制点火系统2.电子配电方式(1)双缸同时点火的控制双缸同时点火是指点火线圈每产生初级高压电，都使两个气缸的火花塞同时跳火。

次级线圈产生的高压电将直接加在两个气缸(四缸发动机的1、4缸或2、3缸；六缸发动机的1、6缸，2、5缸或3、4缸)的火花塞电极上跳火。该高压二极管的作用是：防止次级绕组在初级电流接通时产生的电压(约为1000V)加到火花塞电极上而导致误跳火。在部分点火线圈分配高压同时点火系统中，点火线圈次级回路中连接有一只高压二极管，如图4-25所示。4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2微机控制点火系统2.电子配电方式(2)各缸单独点火的控制点火系统采用单独点火方式时，每一个气缸都配有一个点火线圈，并安装在火花塞上方。

在点火控制器中，设置有与点火线圈相同数目的大功率晶体管，分别控制每个次级线圈电流的接通与切断，其工作原理与同时点火方式相同。4.2.1微机控制点火系统的组成4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统微机控制点火系统的控制原理如图4-26所示。

微机控制点火系统的控制原理主要包括点火提前角的确定、通电时间(闭合角)控制及爆燃控制三个方面。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统1.点火提前角的确定(1)点火提前角对发动机性能的影响当发动机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，其功率和燃油消耗率随点火提前角的改变而变化。对应于发动机每一工况都存在一个“最佳”点火提前角。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统1.点火提前角的确定(2)最佳点火提前角的确定依据1)发动机转速2)发动机负荷3)燃料的性质4)其他因素：发动机燃烧室形状、燃烧室内温度、空燃比、大气压力、冷却水温度等4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统1.点火提前角的确定(3)确定点火提前角的基本方法点火提前角分：起动时点火提前角，起动后点火提前角。

起动时：依据ECU内存储的初始点火提前角(设定值)对点火提前角进行控制。

起动后：ECU根据发动机的转速和负荷信号，确定基本点火提前角，根据其他信号修正，最后确定实际的点火提前角。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统1.点火提前角的确定(3)确定点火提前角的基本方法1)初始点火提前角θi

又称为固定点火提前角，其值大小取决于发动机的结构型式，并由曲轴位置传感器的初始位置决定，一般设定值为上止点前BTDC10°左右。在下列情况时，采用固定的初始点火提前角进行控制，其实际点火提前角等于初始点火提角：①发动机起动时；②发动机转速低于400r/min时；③检查初始点火提前角时。2)基本点火提前角θb

基本点火提前角是发动机最主要的点火提前角，是设计微机控制点火系统时所确定的点火提前角。国内外普遍采用台架试验方法，利用发动机最佳运行状态下的试验数据来确定基本点火提前角。综合考虑发动机油耗、转矩、排放和爆燃等因素，对试验结果进行优化处理后，即可得到图4-30所示的以转速和负荷为变量的点火提前角三维数据MAP。当发动机运行时，CPU根据发动机转速信号(由曲轴位置传感器提供)和负荷信号(由空气流量和节气门位置传感器提供)，即可从ROM中查询得到相应的基本点火提前角，从而对点火时刻进行控制。3)修正点火提前角θc

不同的发动机控制系统中，对点火提前角的修正项目和修正方法也不同。修正方法一般有修正系数法和修正点火提前角法两种，电控点火系统的修正项目主要有冷却液温度修正、怠速稳定修正和空燃比反馈修正等。①冷却液温度修正

冷却液温度修正分为暖机修正和过热修正3)修正点火提前角θc

②怠速稳定修正怠速稳定修正控制信号主要有：发动机转速信号、节气门位置传感器信号、车速传感器信号(SPD信号)、空调开关信号等。3)修正点火提前角θc

③空燃比反馈修正由于空燃比反馈控制系统，是根据氧传感器的反馈信号调整喷油量的多少来实现最佳空燃比控制的，所以这种喷油量的变化必然带来发动机转速的变化。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统2.通电时间(闭合角)控制(1)通电时间对发动机性能的影响在发动机工作时，必须保证点火线圈的初级电路有足够的通电时间。但如果通电时间过长，点火线圈又会发热并增大电能消耗。

要兼顾上述两方面的要求，就必须对点火线圈初级电路的通电时间进行控制。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统2.通电时间(闭合角)控制(2)通电时间的控制方法在微机控制点火系统中，采用传感器(凸轮轴/曲轴位置传感器)和晶体管的开关特性。其通电时间(闭合角)控制模型存储在ECU内，发动机工作时，ECU根据发动机转速信号(Ne)和电源电压信号确定最佳的通电时间(闭合角)，并向点火控制器输出点火指令信号(IGt)，以控制点火控制器中晶体管的导通时间。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统2.通电时间(闭合角)控制(3)点火线圈的恒流控制恒流控制电路如图4-35所示。

恒流控制的基本方法是：在点火控制器功率晶体管的输出回路中增设一个电流检测电阻，用电流在该电阻上形成的电压降反馈控制晶体管的基极电流，只要这种反馈为负反馈，就可使晶体管的集电极电流稳定，从而实现恒流控制。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制汽油发动机获得最大功率和最佳燃油经济性的有效方法之一是增大点火提前角。但是，点火提前角过大又会引起发动机爆燃。

发动机爆燃的主要危害：

一是导致发动机输出功率降低；

二是导致发动机使用寿命缩短甚至损坏。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

消除爆燃最有效的方法就是推迟点火提前角。

在发动机电控系统中，当点火时刻采用闭环控制时，能有效地抑制发动机爆燃，并能提高动力性。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(1)爆燃控制系统的组成4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(2)发动机爆燃的检测方法汽油机爆燃的检测方法有三种：

一是检测发动机缸体的振动频率；

二是检测发动机燃烧室压力的变化；

三是检测混合气燃烧的噪声。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(3)发动机爆燃的判别方法判定发动机是否发生爆燃不能根据爆燃传感器输出电压的绝对值进行判别。

常用方法：将发动机无爆燃时爆燃传感器输出的电压信号与产生爆燃时所输出的电压信号进行比较，从而做出判定。3.爆燃控制

(3)发动机爆燃的判别方法

1)基准电压的确定判定爆燃的基准电压通常利用发动机即将爆燃时的传感器输出电压信号来确定。

最简单的方法如图4-37所示。3.爆燃控制

(3)发动机爆燃的判别方法

2)爆燃强度的判别发动机爆燃的强度取决于爆燃传感器输出信号电压的振幅和持续时间。

确定爆燃强度常用的方法如图4-38所示。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(4)发动机爆燃控制过程

爆燃控制系统是一个闭环控制系统。

发动机工作时，ECU先根据各传感器信号，从ROM中的点火提前角三维MAP中查得点火提前角；然后根据CIS、CPS和其他传感器信号控制点火时刻，控制结果由爆燃传感器反馈到ECU输入端，再由ECU对点火提前角进行修正。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(4)发动机爆燃控制过程爆燃控制系统控制的点火提前角如图4-39中曲线2所示。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(5)爆燃传感器1)爆燃传感器的功用及分类作用：将汽油发动机的爆燃信号转换为电信号输入发动机ECU,以便ECU修正点火提前角从而消除爆燃。爆燃传感器按检测方式不同，分共振型与非共振型两种；

按结构不同，分磁致伸缩式和压电式两种。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(5)爆燃传感器2)压电式爆燃传感器的结构及工作原理压电式爆燃传感器是利用1880年发现的压电效应制成的。组成：套筒底座、压电元件、惯性配重、塑料壳体和接线插座，结构如图4-40所示。爆燃传感器结构.swf爆燃传感器原理.swf4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(5)爆燃传感器3)磁致伸缩式爆燃传感器的结构及工作原理磁致伸缩式爆燃传感器为共振型爆燃传感器，其结构如图4-43所示。

组成：感应线圈、伸缩杆、

永久磁铁和壳体。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统3.爆燃控制

(5)爆燃传感器4)压力检测式爆燃传感器的结构及工作原理汽车使用的是一种间接检测燃烧压力的方法，检测燃烧压力的传感器安装在火花塞垫圈下面，如图4-45所示。这种传感器又称为垫圈式爆燃传感器，奥迪轿车采用过这种传感器。4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2微机控制点火系统4.汽油发动机点火系控制流程微机控制点火系统与爆燃的软件流程简图如图4-46所示。

组成：主程序、自检程序、故障报警子程序、起动子程序、滑行子程序和怠速子程序等。

主程序的功用是监测判定发动机工作状态，计算或从点火系统MAP中查询确定点火时间、点火提前时间(提前角)，并发出点火指令，控制点火线圈初级电流接通与切断等。4.2.1微机控制点火系统的组成4.2.2微机控制点火系统高压配电方式4.2.3微机控制点火系统的控制原理4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统1.丰田车用微机控制点火系统丰田车发动机微机控制系统(ToyotaComputerControlledSystem，TCCS)。

它是集燃油喷射控制、点火控制、怠速控制、自动变速器控制和自诊断系统等为一体的发动机集中电子控制系统4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统1.丰田车用微机控制点火系统

(1)曲轴转角与曲轴位置传感器丰田车用的曲轴位置传感器和曲轴转角传感器，都安装在分电器内，简称曲轴转角传感器。它向电控单元ECU输入活塞位置(上止点)、曲轴转角、曲轴转速等信息。TCCS系统的曲轴转角传感器采用磁电式(即磁脉冲式)，其基本结构如图4-48所示。4.2.4微机控制点火系统的典型应用4.2微机控制点火系统1.丰田车用微机控制点火系统

(2)发动机电子控制单元丰田车用微机控制点火系统ECU的只读存储器ROM中，存储着点火控制程序和点火提前角的数据。

点火提前角的数据是在各种工况下通过大量试验获得的，它可使发动机在任何工况下都能得到理想的或者最佳的点火时刻。IGt信号:

点火正时信号IGdA、IGdB信号:

微机输送给点火控制器的判缸信号IGf信号:点火控制器中的安全