《汽车构造与电气系统》课件-第11章点火系统

第十一章点火系统

随着电子技术的高速发展，超微计算机在汽车工业广泛应用。采用微机控制点火系统，发动机实际点火提前角接近理想点火提前角。在各种运转条件下，点火提前角可获得复杂而精确的控制：怠速时，最佳点火提前角使发动机运转更平稳、排放污染最低、油耗最小；部分负荷时，可降低油耗和提高行驶特性；大负荷时，能满足发动机最大转矩输出和避免工作中产生爆震的要求。一、微机控制点火的组成及功能

1.微机控制点火系的组成

微机控制的点火系主要由传感器、电子控制单元(ECU)、执行器(点火器、点火线圈、火花塞等)组成。

传感器（包括各种开关）主要有曲轴位置传感器、空气流量计（或绝对压力传感器）、水温传感器、进气温度传感器、氧（O2）传感器、节气门位置传感器、车速传感器、爆震传感器、空调开关信号等。

电子控制单元(ECU)的作用是根据发动机各传感器输入的信息及内存的数据，进行运算、处理、判断，然后输出指令（信号）控制有关执行器（如点火器）动作，实现对点火系的精确控制。

执行器根据电子控制单元(ECU)或其它控制元件的指令(信号)，执行各自的功能。

2.微机控制点火系的作用与分类

微机控制点火系统的功能主要包括点火提前角、通电时间及爆燃控制三个方面。

微机控制的点火系统按有无分电器，可分为有分电器的微机控制点火系统和无分电器的微机控制点火系统两大类。目前有分电器的微机控制点火系统正在被淘汰，而广泛应用无分电器的微机控制点火系；按微机控制的方式分，可分为开环控制和闭环控制两种。

开环控制是指微机检测发动机各种工作状态信息，并根据这些信息从内部存储器中调出相应的点火提前角(这一点火提前角是综合考虑到经济性、动力性、排放等要求，并经过大量的试验优化的结果)，然后输出控制信号对点火时刻进行控制。这种控制方式对控制结果不予以反馈。

闭环控制是指微机以一定的点火提前角控制发动机工作的同时，还不断地检测发动机的有关工作状态，然后将检测到的有关信息反馈给控制单元(ECU)，控制单元(ECU)根据需要对点火提前角进行修正，如图所示。闭环控制的反馈信号可以有多种，如爆震信号、转速信号汽缸压力信号等。目前广泛采用的是通过检测爆震传感器的爆震信号，来判断点火时刻的早晚，进而实现点火提前角的最佳控制。二.微机控制点火系的工作原理

微机控制点火系统控制原理空气流量传感器(AFS)和节气门位置传感器(TPS)向ECU提供发动机负荷信号，用于计算确定点火提前角；曲轴位置传感器(CPS)向ECU提供发动机转速、曲轴转角信号，转速信号用于计算确定点火提前角，转角信号用于控制点火时刻(点火提前角)；凸轮轴位置传感器(CIS)用于检测活塞上止点位置，识别缸序；冷却液温度信号(CTS)、进气温度信号(IATS)、车速信号(VSS)、空调开关信号(A/C)以及爆燃传感器(DS)信号等，用于修正点火提前角。下一页返回发动机工作时，ECU根据凸轮轴位置传感器信号判定哪一缸即将到达压缩上止点，根据反映发动机工况的转速信号、负荷信号以及与点火提前角有关的传感器信号确定相应工况下的最佳点火提前角，向点火控制器发出控制指令，使功率三极管截止，点火线圈初级电流切断，次级绕组产生高压电，并按发动机点火顺序分配到各缸火花塞跳火点燃混合气。上述控制过程是指发动机在正常状态下点火时刻的控制过程。当发动机启动、怠速或汽车滑行时，设有专门的控制程序和控制方式进行控制。上一页下一页返回微机控制点火系统实现点火提前角、通电时间及爆燃控制三个主要功能。

1.点火提前角的控制

发动机发出最大功率和最小油耗的点火提前角为最佳点火提前角，该点不在压缩行程上止点处，应适当提前。点火提前角由初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角三部分组成。

初始点火提前角又称为固定点火提前角，其值大小取决于发动机的类型，并由曲轴位置传感器的初始位置决定，一般为上止点前为6°~12°。在下列情况时，实际点火提前角等于初始点火提前角：(1)发动机启动时；(2)发动机转速低于400r/min时；(3)检查初始点火提前角时。此时诊断插座测试端子短路，怠速触点IDL闭合，车速低于2km/h。基本点火提前角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确定的点火提前角。由于发动机本身的结构复杂，影响点火的因素较多，理论推导基本点火提前角的数学模型比较困难，而且很难适应发动机的运行状态。因此，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。上一页下一页返回

发动机起动后为正常运转模式，此时ECU根据发动机的转速和负荷信号，确定基本点火提前角，再根据其它有关信号进行修正，最后确定实际的点火提前角，并向电子点火控制器输出执行点火信号，以控制点火系的工作。

发动机正常运转模式下，实际点火提前角的确定(计算)方法各车型有所不同，主要有以下两种类型：

丰田车系：实际的点火提前角＝初始点火提前角＋基本点火提前角＋修正点火提前角

日产车系：实际的点火提前角＝基本点火提前角×点火提前角修正系数

联合点火ECU发动机正常运转模式点火提前角的控制

基本点火提前角的确定

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确定的点火提前角。发动机起动后正常运转模式时，ECU根据发动机的转速和负荷(单位转数的进气量或基本喷油量)确定基本点火提前角，不同转速和负荷时的基本点火提前角数值存储在ECU内的存储器中，当ECU检测到发动机某一转速和某一负荷时，即调取相对应的存储值作为点火控制的基本点火提前角。

发动机起动后正常运转模式主控信号有：进气管绝对压力传感器信号(PIM信号)或空气流量计信号(Vs信号)、发动机转速信号(Ne信号)、节气门位置传感器信号(IDL信号)、燃油选择开关或插头信号(R—P)、爆燃信号(KNK)等。点火提前角的修正

不同的微机控制点火系统，对点火提前角的修正项目和修正方法也有所不同。修正方法有修正系数、修正点火提前角两种。修正系数(或修正点火提前角)与修正项目之间的关系曲线都是存储在ECU中，ECU根据初始点火提前角、基本点火提前角和修正系数(或修正点火提前角)计算出实际点火提前角来作为输出指令控制点火执行器。

微机控制点火系的主要修正项目有：

①水温修正。

②怠速稳定修正。

③空燃比反馈修正。2.爆震控制

爆震是可燃混合气不正常燃烧时，高压气体的冲击波反复撞击缸壁时所发出尖锐的敲缸声。

产生爆震的原因很多，如点火提前角过早,可燃混合气的浓度与质量、燃油辛烷值不符合要求等。其中点火提前角是最主要的原因，消除爆震最有效的途径就是减小点火提前角。因此发动机的爆震控制也就是点火提前角的控制。

在控制单元ECU中存储某一设定时间T，如果ECU在t≥T的时间段没有收到爆震信号，则ECU将实际执行的点火时间提前角在原提前角的基础上提前某一角度，如下图中的t1、t2时间段大于等于设定时间T，则点火提前角得到了提前；如果ECU在t＜T的时间段内收到了爆震信号，则ECU将实际执行的点火时间提前角在原提前角的基础上减小某一角度，如下图中的t3时间段小于设定时间T，则点火提前角被减小，再收到，再减小。这样，微机控制的点火系统总能将点火提前角控制在爆震的边缘，从而等到最佳的点火提前角控制。3.微机控制点火系的工作过程

1）有分电器微机控制点火系的工作过程

有分电器微机控制的点火系统如下图所示，为丰田1S-E发动机用微机控制的点火系统。该系统将点火线圈、点火模块、传感器等部件设计在分电器内，减少了外部线路的连接，从而降低了故障率。其工作过程如下：

发动机工作时，ECU根据接收到的各传感器信号，通过运算确定该工况下最佳点火提前角和点火线圈初级电路闭合角(通电时间)，并以此向点火器发出指令(IGt)。点火器则根据ECU的执令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。当电路导通时，有电流从点火线圈中的初级电路通过，点火线圈将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级电路中的电流被切断时，在其次级线圈中将产生很高的感应电动势(15～20kV)，经分电器分配到工作气缸的火花塞。

点火模块在接受ECU指令工作的同时，还反馈一个IGf信号给ECU，ECU根据IGf信号来确认点火模块的工作情况。如果ECU连续6次未收到IGf信号，则ECU认为点火模块不工作或工作不正常，于是ECU将停止喷油。

需要说明的是：微机控制的点火系统是如何实现点火提前角的精确控制的呢？这是因为控制单元ECU接收到两个非常重要的信号，即凸轮轴位置传感器产生G信号和曲轴位置传感器产生的Ne信号作为主控制信号。

①G信号。G信号指活塞运行到压缩上止点位置的判别信号，它是根据凸轮轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。G信号在微机控制的点火系统中主要用来确定点火时刻控制基准和气缸的判别(第一缸或第一缸的对应缸的压缩上止点时刻)。G信号发生时，一般不是活塞运行到压缩上止点的时刻，而是在各缸活塞的压缩上止点前某一时刻相对于曲轴的转角。这一转角值因车型而异，一般为上止点前70°。

②Ne信号。Ne信号指发动机曲轴转角信号，它是根据曲轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。在微机控制的点火系统中，Ne信号主要用来计量点火提前角和通电时间。如果采用转子有24个齿的电磁感应式曲轴位置传感器时，曲轴每转720°只能向ECU输送24°个Ne信号，也就是说曲轴每转30°，才能给ECU输送1个转速信号。这一信号对精确控制点火提前角和通电时间微机控制的点火系统而言，是不能满足要求的。故这样的Ne信号一般都经过ECU进行整形和转换，形成周期为1°的Ne信号。

发动机工作时，ECU根据Ne信号，可准确地计算出曲轴每转1°所用时间，根据G信号，可以计算出各缸所处在工作循环的任一时刻(精确到1°)。从而实现最佳点火提前角的精确控制。

2）无分电器的微机控制点火系统

无分电器的微机控制点火系统又称直接点火系或全电子化点火系统。其主要特点是：用电子控制装置取代了分电器，利用电子分火控制技术将点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火，点火线圈的数量比有分电器电控点火系统多。

根据点火线圈的数量和高压电分配方式的不同，无分电器的微机控制点火系统又可分为独立点火方式、分组点火方式和二极管配电点火方式三种类型。（1）独立点火的微机控制点火独立点火的微机控制点火系统如下图所示。其特点是各缸均有一个点火线圈，即点火线圈的数量与气缸数相等。由于每缸都有各自独立的点火线圈，所以即使发动机的转速很高，点火线圈也有较长的通电时间(闭合角大)，可提供足够高的点火能量。与有分电器电控点火系统相比，在发动机转速和点火能量相同的情况下，单位时间内通过点火线圈初级电路的电流要小得多，点火线圈不易发热，且点火线圈的体积又可以非常小巧，一般直接将点火线圈压装在火花塞上。独立点火的微机控制点火系统工作时，电控单元ECU根据各种传感器的信号综合计算，最后确定各缸点火提前角的精确时刻，向点火模块发出指令IGt1、IGt2、…IGt6、由点火模块直接控制各缸点火线圈初级电路的搭铁，并产生次级高压直接传给火花塞。与此同时，点火模块向电控单元ECU反馈IGf信号。点火系统

点火系统的首要任务是保证在规定时间内点燃混合气。为此，点火系统必须严格控制点火正时，同时也要确保火花塞能够释放足够的能量点燃混合气。

右图给出的是一典型的点火线圈。点火系统单火花点火线圈1驱动信号输入端2多片铁芯3初级线圈4次级线圈5弹簧接触的高压输出端6火花塞接头123456点火系统点火系统主要由点火电子驱动电路、点火线圈、火花塞和高压导线等组成。中央电控单元根据曲轴位置传感器和转速、水温、电压等信号计算出点火时刻和通电时间，并将此计算结果送至点火电子驱动电路。由点火电子组件控制点火线圈的初级电路的接通和断开。点火线圈形式参见右图。点火线圈（简图）a）单火花点火线圈(旋转分配)b）单火花点火线圈(静态分配)c）双火花点火线圈(静态分配)。点火电路

点火电路产生点火所需的高压，然后在准确的时刻供给相应的火花塞。点火线圈点火线圈在闭合时储存能量，在断开时产生高压，通过火花塞放电生成火花。点火系统（2）分组点火的微机控制点火系统

分组点火的微机控制点火系统如下图所示。在设计上将两个活塞同时到达上止点位置的气缸(一个为压缩行程的上止点，另一个为排气行程的上止点)分为一组，共用一个点火线圈。系统中点火线圈的总数量等于气缸数的一半。

从图中可以看出，与独立点火的微机控制点火系统相比，电控单元ECU只给点火器提供了一种IGt信号，但多了IGdA和IGdB辅助判缸信号。这是因为IGt信号只指令点火器执行点火，但到底该哪一组共用的点火线圈点火，还需IGdA和IGdB辅助判断，其判断真值表如下表所示。IGt、IGdA、IGdB三种信号共同控制点火器的工作过程如下图所示。

IGdA信号状态IGdB信号状态1、6缸点火012、5缸点火003、4缸点火10

当IGt信号为高电位时，根据上表控制情况，使相应缸点火的初级电路接通，当IGt信号为低电位时，切断被接通的初级电路，在相应点火线圈的次级绕组产生高压，点燃可燃混合气使发动机做功。例如，当第一个IGt信号为高电位时，此时的IGdA和IGdB均为“0”，根据上表的控制情况，此时2、5缸点火线圈的初级电路被接通，当第一个IGt信号变为低电位时，2、5缸点火线圈的初级电路被切断，在2、5缸的次级绕组产生高压，经火花塞跳火，使发动机做功。与独立点火方式相比，采用分组点火方式的微机控制点火系统，其结构和控制电路较简单，所以应用也比较多。但由于保留了点火线圈与火花塞之间的高压线，能量损失略大。此外，串联在高压回路的二极管，可用来防止点火线圈初级电路导通的瞬间所产生的二次电压(约1000～2000V)加在火花塞上后发生的误点火。图5-50分组点火的微机控制过程

（3）二极管配电点火方式

二极管配电点火方式的微机控制点火系统如下图所示，主要是针对4缸或4的整数倍气缸发动机而设计的点火系统。其特点是：四个气缸共用一个点火线圈，点火线圈为内装两个级绕组N1和N2、次级绕组N3两端输出的特制点火线圈，利用四个二极管的单向导电性交替完成对1、4缸和2、3缸配电过程。

二极管配电点火方式微机控制点火系统的工作过程与分组点火的微机控制过程基本相似，工作时，VT1控制初级电路N1的通断，VT2控制初级电路N2的通断，在次级绕组N3中产生方向相反的次级高压，分别构成了“N3→VD1→火花塞1→火花塞4→VD4→N3”和“N3→VD3→火花塞3→火花塞2→VD2→N3”两条回路。从而实现1、4缸和2、3缸的交替点火控制。

二极管配电点火方式的微机控制点火系统对点火线圈要求较高，且受发动机气缸数的限制，故应用不是十分广泛。二极管配电点火方式三、微机控制点火系的故障诊断

微机控制点火系统与普通电子点火系相比，在结构上多了一些传感器、在控制方式上由信号发生器的直接控制点火器，变为由电控单元ECU综合控制点火器。因此，在进行微机控制点火系统的故障诊断与排除时，应在变通电子点火系故障诊断的基础上，增加传感器的检测与控制信号传输电路的检测。

微机控制的点火系，其实只是发动机电子控制系统中，占比例较小的一部分，车载的电控故障自诊断系统，为我们进行故障诊断与排除带来了许多方便。因此，我们在进行微机控制点火系统的故障诊断与排除时，要充分利用电控单元的自诊断功能，快速地查找故障原因，及时排除故障。

需要指出的是微机控制的点火系统主要是利用信号来控制执行元件的，这些信号在传输过程中的衰减和失真，对控制结果造成了较大的偏差。针对这样的故障，有时还需要用到一些特殊的方法来加以检测与诊断。微机控制点火系统故障诊断的一般程序与方法是：

1.调取故障码

调取故障码的方法较多，可以就车调码，也可以借助一些检测设备如解码器等来获取存储在电控单元中的故障码。

故障码给我们排除故障指明了方向，特别象信号断路或上下限超标等具有明显症兆的故障，简直就是“手到病除”。

但也有部分故障是不具有故障码的，这就需要我们借助其他手段，做进一步的诊断。2.元器件性能检测根据故障码的提示，针对有故障的元器件，需要进一步明确到底是元器件损坏还是线路(接触不良)所造成的故障，因此需要对元器件做进一步的检测。元器件的检测与普通电子点火系的元器件检测方法基本一至，线路故障可以用万用表测量、观察插接器松旷情况等手段明确。3.故障模拟再现对于某些间歇性故障，因受某种特殊环境因素的影响才会出现，当在失去这种环境因素时检测，肯定什么故障也检测不到。因此，我们应采用各种各样的办法，来模拟故障出现的环境因素，让故障再现。一般常用的模拟方法有：振动法、加热法、水淋法、电器全部接通法、道路试验法等。①振动法。②加热法。③水淋法。④电器全部接通法。⑤道路试验法。4.波形分析

对于某些复杂的疑难杂症，我们往往要借助于高科技手段来记录、存储各元器件的工作波形，并与标准波形进行比对，最后综合各种因素来诊断故障的所在。

微机控制的点火系统因其在精确控制点火时刻所涉及的因素较多，控制过程复杂，给我们的故障诊断带来了一定的难度，但我们只要用科学的态度和手段认真分析故障原因、综合考虑各种因素，再难的故障也就迎刃而解。发动机电控基本原理备用信号传感器供电执行器自诊断主值修正值175_151爆震调节点火正时怠速转速控制空气质量和流量负荷控制喷油和空燃比调节氧传感器排放控制发动机电控管理系统发动机管理系统MOTRONIC发动机电子控制系统-传感器电磁式传感器霍尔式传感器转速传感器转速传感器（电磁式）(1.8TSI)转速传感器波形（电磁式）DSO+–转速传感器（霍尔式）霍尔式转速传感器波形1.4缸上止点信号霍尔传感器HALL传感器传感器信号轮凸轮轴壳体轴承盖霍尔传感器G28霍尔传感器电路（1.8TSI为例）+–DSO霍尔传感器（明锐2.0L）皮带轮信号轮霍尔传感器霍尔传感器波形（明锐2.0L）双火花点火系统（明锐2.0L）独立点火系统ECU341215显示组：1..9—基本功能显示组：10..19—点火显示组：20..29—爆震控制显示组：30..49—氧调节显示组：50..59—转速调节显示组：60..69—电子节气门系统匹配显示组：70..79—废气排放显示组：80..89—特别数据块显示组：90..99—性能提高显示组：100..109—燃油喷射显示组：120..129—通讯发动机数据流读取（ME7.5.10为例）电控系统（ME7.5.10）G28转速传感器G40霍尔传感器J338电子节气门G130氧传感器G62冷却水传感器G61爆震传感器G66爆震传感器A/C开关

车速传感器燃油泵继电器J17燃油泵G6燃油喷嘴N30-N33点火线圈N152碳罐电磁阀N80节气门电动机氧传感器加热Z19G71压力温度传感器G71/G42G28G40J338(G187/G188)G79/G185F/F47G61G62G39/G130G6N30-N33N70,N172,N291,N292J338(G18