第七章汽油发动机微机控制点火系.doc

第七章 汽油发动机微机控制点火系
学习目标
1．了解：汽油发动机点火系统的作用、要求。
2．理解：汽油发动机点火系统的分类、结构、工作原理。
3．掌握：汽油发动机点火系主要元件的检测，常见故障的诊断与排除。
引言
点火系统的性能地发动机的工作有十分重要的影响，为此要求点火系统必须在发动机各种工况和使用条件下，都能及时、可靠地点火。ECU控制的点火系统，可考虑更多的对点火提前角的影响因素，使发动机在各种工况下均能达到最佳点火时刻，从而提高发动机的动力性、经济性、改善排放指标。ECU控制的点火系统是随着电子技术的进步而发展起来的一门新技术，也是汽车电子化的必然趋势。
第一节  汽油机点火系统功用与要求
一、点火系的功用
点火系统的基本功用是产生电火花点燃气缸内的混合气。在汽油发动机中，气缸内的混合气是由高压电火花点燃的，而产生电火花的功能是由点火系来完成的。点火系将电源的低电压变成高电压，再按照发动机点火顺序轮流送至各气缸，点燃压缩混合气；并能适应发动机工况和使用条件的变化，自动调节点火时刻，实现可靠而准确的点火.
汽油机工作中，点火系统点燃混合气的时间一般用点火提前角表示。点火提前角是指气缸的火花塞跳火到该气缸活塞运动至压缩上止点时曲轴转过的角度。实践证明，燃烧最大压力出现在上止点后10°左右，发动机的输出功率最大，此时所对应的点火提前角为最佳点火提前角。

二、对点火系的要求
1．能产生足以击穿火花塞电极间隙的高电压
在火花塞电极间能产生火花时所需要的电压，称为击穿电压或称为跳火电压。击穿电压的影响因素包括：火花塞电极间隙和形状；气缸内混合气的压力与温度；电极的温度和极性，以及发动机的工作情况等。为了保证点火工作可靠，且在困难条件下点火，作用于火花塞两电极间的电压通常在 20～30kV。
2．火花产生足够的点火能量
要使混合气可靠点燃，火花塞必须具有足够的点火能量。在发动机正常工作时，电火花只要有0.01～0.03J的能量即可。但是在起动时，为保证可靠点火，火花塞的点火能量可达到0.1J。
3．点火时刻应与汽油发动机的运行工况相匹配
 发动机的点火时刻用点火提前角表示。发动机不同转速和负荷所要求的最佳点火提前角不同。点火系必须能自动调节点火提前角，使点火时间能适应发动机的各种工况。
第二节  电控点火系统的组成和分类
一、电控点火系统的组成与功能
ECU控制的点火系统主要有点火系统主要由电源、点火开关、传感器、ECU、点火器、点火线圈、分电器（有发电器电控点火系统）、火花塞等组成（图7-1）。其功能如下：

　　　　　　　　　　图7-1 典型电控制点火系统
1.电源和点火开关 电源为蓄电池或发电机，其功用是给点火系统提供所需的电能。点火开关用来接通或断开电源电路。
2.传感器 电控点火系统中的传感器主要用于检测发动机各种运行参数的变化，为ECU提供点火控制所需的信号，的要传感器有凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、爆燃传感器、进气管绝对压力传感器（或空气流量计）、节气门位置传感器和冷却液温度传感器等。
3.ECU
ECU是电控点火系统的中枢。在发动机工作时，ECU不断地接收各传感器输送来的信号，并按内存的程序对接收到的信号进行运算、存储和分析处理，最后向点火器发出控制信号，以完成对点火提前角、通电时间和爆燃的控制。
4.点火器
点火器是电控点火系统的执行元件，其功用是对ECU输送来的控制信号进行功率放大，控制点火线圈初级电路的通电或断电，并在完成点火后向ECU输送点火确认信号。点火器电路主要由气缸判别电路、闭合角控制电路、恒流控制电路、安全信号电路等组成。
5.点火线圈
点火线圈的功用是：在不需要点火时，以磁场能的形式贮存点火所需的能量；在需要点火时，释放点火能量，并将电源提供的低压电转变为足以在火花塞电极间击穿点火的高压电。
6.分电器
在有分电器式的电控点火系统中，分电器的功用是根据发动机的点火顺序，将点火线圈产生的高压电依次输送给各气缸火花塞。
7.火花塞
火花塞的功用是利用点火线圈产生的高压电产电火花，点燃气缸内的混合气。
二、电控点火系分类
电控点火系可分为有分电器式和无分电器式两种型式。
1．有分电器式点火控制系统
有分电器式点火系统电路如图7-1所示。点火线圈产生的高压电是经过分电器进行分配的，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。
2．无分电器的点火控制系统
无分电器的电子点火控制系统又称为直接点火系统，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。无分电器点火系统由于废除了分电器，因此不存在分火头和旁电极间跳火的问题，减小了能量损失，不存在分火头与旁电极之间产生火花问题，电磁干扰小，节省了安装空间。

　根据点火线圈的数量和高压电分配方式不同，无分电器的电子点火控制系统可分为单独点火的配电方式、双缸同时点火的配电方式及二极管配电点火方式3种类型，如图7-3所示。

　　　　　　　　　　　　　　图7-3 配电方式
　（1）独立点火方式
单独点火配电方式为每一个气缸的火花塞配备一个点火线圈，单独直接地对每个气缸点火（图a）
（2）双缸同时点火的配电方式
　双缸同时点火配电方式同时点火即用一个点火线圈对到达压缩和排气上止点的两个气缸同时实施点火，处于压缩行程的气缸，混合气被点燃而做功，正在排气的另一气缸火花塞点空火（图b）。
（3）二极管配电点火方式
二极管配电点火方式的特点是：4个气缸共用一个点火线圈，该点火线圈为内装双初级绕组、双输出次级绕组的特制点火线圈，且利用4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（图c）。

三、电控点火系统的基本原理

　　　　　　　　　　图7-4 点火控制电路
　　 B接线柱和点火线圈的“+”端子，向点火器和点火线圈的初级线圈通电。该电流从点火线圈的“ 一 ”端子流出，由点火器C“ 接线柱流入点火器搭铁，从而形成初级电流。随后ECU根据转速信号(Ne)和曲轴位置信号(G1、G2)、进气歧管真空度(或进气流量)信号以及起动开关信号等计算最佳点火提前角，通过IGT端向点火器输出点火正时信号(IGT)，控制点火器C“ 一 ”搭铁切断的时刻，与此同时，在点火线圈的次级线圈产生很高的感应电动势，经分电器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，发动机完成作功过程。点火器的IGF向ECU反馈点火确认信号。当ECU接受不到该信号时，便切断燃油喷射，使发动机熄火。
第三节    电子点火系统控制功能
   根据汽油机对点火系统的要求，在电子控制点火系统中，电控单元对点火的控制包括点火提前角控制、闭合角控制（通电时间控制）和爆震控制三个方面。
一、点火提前角的控制
点火提前角控制，也称为点火正时控制。对于现代汽车而言，最佳点火提前角是指不仅要保证发动机的动力性、经济性达到最佳，而且还必须使排气中有害物质的排放量达到最小。
1、点火提前角的确定与控制s
在电子控制点火中，电控单元对点火提前角的控制分为发动机起动时点火提前角控制和起动后点火提前角的控制两种情况。
1）发动机起动时点火提前角的控制
发动机起动时，电控单元不进行最佳点火提前角调整控制，而是根据发动机转速信号（Ne）起动开关信号（STA）以固定不变的点火提前角点火。
2）起动后最佳点火提前角控制
发动机起动后，电控单元对最佳点火提前角的计算和控制一般按照如下步骤进行：首先根据G信号和Ne信号确定初始点火提前角，然后根据发动机转速和负荷确定基本点火提前角，最后再根据有关传感器的信号确定修正点火提前角，这三项点火提前角的代数和即为实际的最佳点火提前角，即：
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。
（1）初始点火提前角
初始点火提前角是ECU根据发动机上止点位置确定的固定点火提前角，其大小随发动机而异。
（2）基本点火提前角
发动机正常运转时，电控单元按怠速工况和非怠速工况两种情况，确定基本点火提前角。
发动机处于怠速工况时，电单元根据节气门位置信号（怠速触点闭合）、发动机转速信号及空调开关信号，确定基本点火提前角。
发动机处于非怠速工况时，ECU根据发动机转速信号和进气歧管压力信号（或进气量信号），在存储器中查到这一工况下运转时相应的点火提前角。
（3）修正点火提前角是ECU根据各种传感器传来的信号，对点火提前角进行修正，使控制更加准确。修正点火提前角所包括的修正值有以填几个：
a．暖机修正  发动机冷车起动后，当发动机冷却液温度较低时，应增大点火提前角，暖机过程中，随冷却液温度升高，点火提前角的变化如图7-5所示。修正曲线的形状与提前角的大小随车型不同而异。

暖机过程中，控制信号主要有：冷却液温度信号（THW）、进气歧管压力（或进气量）信号、节气门位置信号等。
b．过热修正  发动机处于正常运行工况（怠速触点IDL断开），当冷却液温度过高时，为了避免产生爆震，应将点火提前角推迟。发动机处于正常运行工况（怠速触点IDL闭合），冷却液温度过高时，为了避免长时间过热，应将点火提前角增大。点火提前角的变化如图7-6所示。

　　　　　　　　图7-6 过热修正曲线
　　 过热修正控制信号主要有：冷却液温度信号（THW）、节气门位置信号（IDL）。
none'>C．怠速稳定性的修正  发动机在怠速运行期间，由于发动机负荷变化（如空调、动力转向等）使发动机转速改变，ECU要调整点火提前角，使发动机在规定的怠速转速下稳定运转。
怠速运转时，ECU不断地计算发动机的平均转速。当发动机的转速低于规定的怠速转速时，ECU根据与怠速目标转速差值的大小相应地增大点火提前角；反之，则推迟点火提前角。点火提前角的变化如图7-7所示。

怠速稳定修正信号主要有：发动机转速信号（Ne）、节气门位置（IDL）、车速（SPD）、空调信号（A/C）等。
d．空燃比反馈修正
装有氧传感器的电控燃油喷射系统进行闭环控制时，ECU根据氧传感器的反馈信号对空燃比进行修正。随着修正喷油量的增加和减少，发动机的转速在一定范围内波动。为了提高发动机转速的稳定性，在反馈修正油量减少时，适当地增大点火提前角。空燃比反馈见图7-8所示。

二、闭合角的控制
闭合角的控制也称为通电时间控制。闭合角控制电路的作用是：根据发动机转速和蓄电池电压调节闭合角，以保证足够的点火能量。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加大，即延长初级电路的导通时间，确保点火能量。在发动机转速下降和蓄电池电压较高时，闭合角控制电路使闭合角减小，即缩减初级电路的导通时间，确保初级线圈的安全。
三、发动机的爆震控制
爆震是汽油机运行过程中产生的一种最有害的故障现象。汽油机如果持续产生爆震，火花塞电极或活塞就可能产生过热、熔损等现象，导致发动机损坏，因此必须防止爆震的发生。
从最佳点火提前角的分析中可知，为了最大限度地发挥汽油机的潜能，应把点火提前角控制在接近临界爆震点，同时又不能使发动机发生爆震。要使点火系统达到这样的性能要求，除了必须用电子控制的点火系统外，对点火提前角还必须采用爆震反馈控制。ECU根据检测传感器的输入信号，对发动机是否发生爆震作出判断，然后对点火提前角进行闭环控制，见图7-9所示。

　　　　　　　　　　　　　 图7-9 点火反馈闭环控制框图
　闭环控制所用的反馈信息可以是发动机的爆震信号、转速信号或气缸的压力信号等。最常见的是利用发动机的爆震信号作为反馈信息，用来控制大负荷等工况下的点火提前角；在怠速等工况，则常用发动机的转速信号作为反馈信息，从而尽可能维护怠速时稳定运转；中等负荷等工况，则一般采用开环控制方式，但在此工况下一旦发生爆震，又会自动转入利用爆震信号作为反馈信息的闭环控制方式。
利用发动机爆震信号作为反馈信息的闭环控制方式中，爆震传感器将发动机的爆震状况反馈给ECU，一旦爆震程度超过规定的标准，ECU立即发出点火系统推迟点火；当爆震程度低于规定的标准时，ECU又会将点火时刻提前，循环调节点火时刻的结果，使发动机始终处于临界爆震的工作状态，此工作状态与发动机的技术状况无关。在此工作状态下，可使发动机获得最大的动力性能，经济性能也可以得到一定程度的改善。

第四节  电控点火系主要元件的检测及常见故障的诊断与排除
一、电控点火系主要元件的检测
1．点火器
检测：用万用表或示波器检测发动机ECU相应端子间电压，应符合表7-1规定标准，否则说明点火器或ECU有故障。
　　　　　　　　　　　　　　　表7-1    点火器检测
检测端子
检测条件
检测标准
+B与搭铁
点火开关“ON”
蓄电池电压
IGT与搭铁
发动机工作
有脉冲
IGF与搭铁
发动机工作
有脉冲
2．点火线圈
检测：万用表检测点火线圈的电阻，应符合表7-2规定。
　　　　　　　　　　　　　　　表7-2    点火线圈检测
线    圈
初级线圈
次级线圈
检查条件
冷态 （-10～50℃）
热态 （50～100℃）
冷态 （-10～50℃）
热态 （50～100℃）
检查标准
1.11～1.75Ω
1.41～2.05Ω
9.0～15.7kΩ
11.4～18.8kΩ
3．点火控制电路
以丰田皇冠3.0轿车点火控制电路为例（如图7-4所示）。
维修时用万用表检测“＋B”端子和点火线圈的“＋”端子与搭铁之间的电压，应为蓄电池电压。怠速时检查点火器“IGT”端子与搭铁之间应有脉冲信号，检查ECU的“IGF”端子与搭铁之间应有脉冲信号。
二、电控点火系常见故障的诊断与排除
1、点火正时的调整
起动发动机并在怠速下运转，直到发动机达到正常工作温度。打开检测接线盒盖。将转速表和正时灯连接到发动机上。将转速探测器连接到数据传输接线盒DLC1的IG(-)接头上。注意不允许转速探头搭铁，因为这将引起点火装置或点火线圈损坏。用跨接连线把数据传输接线盒的TE1和E1接头连接起来。
检查怠速。
将正时灯对准正时标记并检查点火正时。在怠速之下，正时角应为上止点前10°。
如果需要调整，松开分电器的定位夹紧螺栓，用转动分电器的方法调整。紧固定位夹紧螺栓，并再次检查点火正时。
拆掉跨接连线。检查点火提前角。
把转速表和正时灯从发动机上拆下。
2、就车检查
点火系统就车检查可以根据如下流程进行排查，故障原因查明后，以换件维修作为主要的维修方法。
1）高压电火花检查。
若发现高压电有强足的火花，但发动机运转不稳时，应检查分电器、高压导线和火花塞，找出故障，视情修理或更换故障元件。
若无火花产生，则进行下一步。
2）检查点火线圈。用欧姆表分别测量点火线圈初级绕组与次级绕组的电阻值，若阻值不符合标准，应更换点火线圈。
　　3）检查低压送电电路(蓄电池→点火开关→点火线圈→点火器→搭铁)，若发现蓄电池电压不足或线路中有断路、短路和接触不良故障，应分别进行排除。　　
4）检查曲轴位置传感器(点火脉冲发生器)。当发动机转动时，点火脉冲发生器应有脉冲信号输出，否则，应调整、修理或更换新件。　　
5）检查点火器。在发动机转动时点火器输出端应有脉冲信号输出，若点火器输入信号良好，而输出信号不良，应更换点火器。脉冲信号输出，否则，应调整、修理或更换新件。　　
6）检查ECU。找出ECU与点火器的接脚，对ECU输出脚进行检查，若输出脚的信号值不符合标准，应视情修理或更换ECU。　　
本章小结
1．为了使汽油机的各项性能指标达到较佳水平，点火系统必须向火花塞电极提供足够高的击穿电压，火花塞电极间产生的火花必须具有足够的能量，点火正时应与汽油机运行工况相匹配。以上三点在传统点火系统中很难完全满足，只有采用电控点火系统。
2．现代轿车上采用的电子控制点火系统主要有两种形式：电子控制有分电器点火系统和电子控制无分电器点火系统。
3．无分电器点火系统又称直接点火系统，直接将点火线圈次级绕组与火花塞相连接。
4．最佳点火提前角，一般是指点火燃烧产生的最高压力出现在上止点后10°左右，它会受发动机转速、发动机负荷、汽油的品质及其它一些因素影响。
5．爆震和点火时刻有密切关系，点火提前角越大，就越易产生爆震。
复习思考题
填空题
1．电控点火控制包括________________、_____   ________和______________三个方面。
2．点火提前角的控制包括___________     ________ 、___________           _____两种基本工况控制。
3．起动时点火提前角的控制信号主要是__________________和  ______________。
4．IGT为_____________ 信号，IGF为_______________信号。
5．无分电器电控点火系统分为                、                、              三种类型。（独立点火、同时点火、二极管配电）
6．________________是爆燃控制系统的主要元件，其功能是__________         _  ______________。
（爆燃传感器、用来检测发动机有无爆燃发生及爆燃强度。）
7．怠速稳定性修正的控制信号主要有                           、                  、
和                     等。
8．实际点火提前角＝               ＋                   ＋                     。
二、解释术语
1．点火提前角
2．最佳点火提前角
3．初始点火提前角
4．单独点火方式
5．同时点火方式
三、判断题（正确打√、错误打×）
1．初始点火提前角的大小随发动机的型号不同而异。（  ）
2．在无分电器点火系统(一个点火线圈驱动二个火花塞)中，如果其中一个气缸的火花塞无间隙短路，那么相应的另一缸火花塞也将无法跳火。（ⅹ）
3．在电控点火系统中，Ne信号主要用来计量点火提前角的通电时间。（  ）
4．进气温度信号和发动机转速信号是ECU确定基本点火提前角的主要依据。（  ）
5．当ECU发生某些故障而使后备系统开始工作时，发动机的实际点火提前角就为固定的初始点火提前角。（  ） 
6．当爆震传感器控制系统出现故障时，无论是否产生爆震，点火提前角都不能由爆震控制系统来控制。（  ）
7．如果没有波形输出或输出波形不随发动机工作情况的变化而变化，说明爆震传感器有故障，应该更换。（  ）
8．ECU收不到点火控制器返回的点火确认信号时，失效保护系统会停止燃油喷射。（  ）
9．采用爆震传感器来进行反馈控制，可使点火提前角在不发生爆震的情况下尽可能地增大。（  ）
10．对于共振型爆震传感器而言，发动机爆震时，输出的电压最小。（   ） 
四、简答题
1．发动机起动后在正常工况下运转时，控制点火提前角的信号主要有哪些？
2．发动机爆燃产生的原因是什么？发生爆燃时，ECU是如何对爆震进行反馈控制的?
3．点火器主要有哪几部分组成？它的主要功能是什么？
4．叙述下图所示电子点火控制系统的工作过程。