1、汽車電子控制技術汽車電子控制技術第第5章章 點火系統控制點火系統控制 電子控制點火電子控制點火( (ESAESA) )系統系統點火能量控制點火能量控制點火正時控制點火正時控制點火提前角控制點火提前角控制發動機爆震控制發動機爆震控制 點火系統是用于點火系統是用于提供點火能量提供點火能量和控制各個氣缸和控制各個氣缸點火順序點火順序、點火時刻點火時刻的裝置。的裝置。 點點 火火 系系 統統第一階段第一階段 機械式有觸點點火系統機械式有觸點點火系統第二階段第二階段 無觸點晶體管點火系統無觸點晶體管點火系統 （無分電器點火系統）（無分電器點火系統）第三階段第三階段 電子控制點火系統電子控制點火系統機械式

2、點火系統機械式點火系統組成組成：電源、點火開關、點火線圈、分電器、火花塞。：電源、點火開關、點火線圈、分電器、火花塞。機械式點火系統機械式點火系統的工作過程的工作過程初級線圈初級線圈配電器配電器斷電器斷電器火花塞火花塞次級線圈次級線圈 曲軸帶動分電器軸上的凸輪轉動，使點火線圈次級觸點曲軸帶動分電器軸上的凸輪轉動，使點火線圈次級觸點通、斷通、斷而產生高壓電。點火高壓通過分電器軸上的分火頭，而產生高壓電。點火高壓通過分電器軸上的分火頭，按發動機工作順序送到各氣缸的火花塞上，發出電火花點燃按發動機工作順序送到各氣缸的火花塞上，發出電火花點燃燃燒室內的氣體。燃燒室內的氣體。四缸點火演示簡圖四缸點火演示

3、簡圖1) 高壓電的產生高壓電的產生，有點火線圈和有點火線圈和分電器中的斷電分電器中的斷電器完成。器完成。2) 高壓電的分配高壓電的分配有分電器中的配有分電器中的配電器完成電器完成。初級電壓初級電壓次級電壓次級電壓點火系的主要元件點火系的主要元件點火線圈點火線圈功用功用：將汽車電源供給的低壓電轉變為高壓電：將汽車電源供給的低壓電轉變為高壓電(10kV) 分電器分電器功用：功用： 將脈沖將脈沖高壓電高壓電按按發動機的發動機的作功順序作功順序和和點火時間點火時間要求，配送要求，配送至各缸的火花塞。至各缸的火花塞。 調節發動機不同調節發動機不同轉速下的轉速下的提前角提前角。 分電器殼體可以分電器殼體可

4、以手動轉動來調節基本手動轉動來調節基本的的點火提前角點火提前角 ( 即怠即怠速運轉時的點火提前速運轉時的點火提前角角 )。配電器、斷電器、電容器、點火提前調節裝置配電器、斷電器、電容器、點火提前調節裝置火花塞火花塞( (俗稱火咀俗稱火咀) )作用作用：把高壓導線：把高壓導線(火咀線火咀線)送來的脈沖高送來的脈沖高 壓電壓電(俗稱俗稱“擊穿電壓擊穿電壓”)放電，擊放電，擊穿穿 火花塞兩電極間空氣，產生電火花火花塞兩電極間空氣，產生電火花 引燃氣缸內的混合氣體。引燃氣缸內的混合氣體。電電 源源點火系在發動機上的安裝位置點火系在發動機上的安裝位置高性能發動機的基本條件：高性能發動機的基本條件： 1.

5、高能量穩定的點火高能量穩定的點火 2.混合均勻的混合氣混合均勻的混合氣 3.高壓縮比高壓縮比5.15.1點火系統的基本要求點火系統的基本要求1.1.產生電火花產生電火花2.2.點燃混合氣的能量點燃混合氣的能量3.3.點火時刻點火時刻高能量穩定的點火高能量穩定的點火 擊穿電壓高，點火可靠，但絕緣困難。一般次極電壓擊穿電壓高，點火可靠，但絕緣困難。一般次極電壓限制在限制在50kV以內，對于某些車輛需要提高對各種燃料適應以內，對于某些車輛需要提高對各種燃料適應性，可將次極電壓提高，但最高不超過性，可將次極電壓提高，但最高不超過100 kV。產生火花的擊穿電壓產生火花的擊穿電壓火花塞間隙火花塞間隙 火

6、花塞兩電極間隙越大，擊穿電壓越高。火花塞兩電極間隙越大，擊穿電壓越高。缸內混合氣缸內混合氣壓力和溫度壓力和溫度混合氣密度越大混合氣密度越大，擊穿電壓越高。當混合氣，擊穿電壓越高。當混合氣溫度低或混合氣壓力大時，擊穿電壓要高。溫度低或混合氣壓力大時，擊穿電壓要高。電極的電極的溫度和極性溫度和極性火花塞的電極溫度火花塞的電極溫度超過混合氣的溫度時，電超過混合氣的溫度時，電極周圍的氣體密度變稀，擊穿電壓可降低。極周圍的氣體密度變稀，擊穿電壓可降低。受熱電極為負極時，擊穿電壓可降低。受熱電極為負極時，擊穿電壓可降低。發動機的發動機的運行工況運行工況發動機發動機啟動時啟動時的擊穿電壓最高；的擊穿電壓最高

7、； 汽車汽車加速加速時，需要較高的擊穿電壓。時，需要較高的擊穿電壓。5.1.1 5.1.1 產生電火花產生電火花1 發動機正常工作，混合氣壓縮終了時的溫度已接發動機正常工作，混合氣壓縮終了時的溫度已接 近其自燃溫度，所需的點火能量很小（近其自燃溫度，所需的點火能量很小（1 5 mJ）2 在啟動、怠速以及急加速等非穩定工況時，則需在啟動、怠速以及急加速等非穩定工況時，則需要較高的點火能量。要較高的點火能量。3 A/F17的稀混合氣，也需要增加點火能量。的稀混合氣，也需要增加點火能量。5.1.25.1.2點燃混合氣的能量點燃混合氣的能量 基于以上原因，為了可靠點火，一般需要點火基于以上原因，為了可

8、靠點火，一般需要點火系統提供系統提供50 80 mJ，最大時可達，最大時可達150 mJ的點火能的點火能量。量。 因為混合氣在氣缸內燃燒需要占用一定的時間，所以因為混合氣在氣缸內燃燒需要占用一定的時間，所以混合氣不應在壓縮行程的上止點處燃燒，而應適當提前，混合氣不應在壓縮行程的上止點處燃燒，而應適當提前，使活塞到達上止點時，混合氣已充分燃燒，從而使發動機使活塞到達上止點時，混合氣已充分燃燒，從而使發動機獲得較大的功率。點火的提前量稱為點火提前角。獲得較大的功率。點火的提前量稱為點火提前角。5.1.3 5.1.3 點火時刻點火時刻 點火過早點火過早，會造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，會造成爆震

9、，活塞上行受阻，效率降低，磨損加劇；磨損加劇； 點火過遲點火過遲，氣體做功效率低，排氣聲大。，氣體做功效率低，排氣聲大。1.1.點火提前角點火提前角 從從發出電火花開始發出電火花開始到到活塞到達上止點為止活塞到達上止點為止的一段時間的一段時間內內曲軸轉過的角度曲軸轉過的角度。點火提前角：點火提前角： 最佳點火提前角最佳點火提前角就是在各種不同工況下使氣體膨脹趨就是在各種不同工況下使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程。勢最大段處于活塞做功下降行程。 這樣這樣效率最高效率最高，振動最小振動最小，溫升最低溫升最低。不論點火過早。不論點火過早或過遲，這是應該防止的。最佳點火角受很多因素影響。或過遲

10、，這是應該防止的。最佳點火角受很多因素影響。2.2.影響最佳點火提前角的因素影響最佳點火提前角的因素 1）活塞的運行速度快活塞的運行速度快，最佳點火提前角相應增大；，最佳點火提前角相應增大； 反之，最佳點火提前角相應減小。反之，最佳點火提前角相應減小。 2）混合氣燃燒速度快混合氣燃燒速度快，最佳點火提前角相應減小；，最佳點火提前角相應減小； 反之，最佳點火提前角相應增大。反之，最佳點火提前角相應增大。影響最佳點火提前角的因素可歸結為一下兩點：影響最佳點火提前角的因素可歸結為一下兩點：影響最佳點火提前角的具體因素有：影響最佳點火提前角的具體因素有：1.1.與活塞的運行速度加快的因素：與活塞的運行

11、速度加快的因素：發動機發動機轉速：轉速：發動機發動機轉速增高轉速增高，最佳點火提前角相應，最佳點火提前角相應增大增大， 但不是線性關系。但不是線性關系。2.2.與混合氣燃燒速度加快的因素：與混合氣燃燒速度加快的因素：1 1 負荷負荷： 發動機轉速不變，負荷增加，混合氣發動機轉速不變，負荷增加，混合氣燃燒速度變快燃燒速度變快，最佳點火提前角相應最佳點火提前角相應減小減小。2 2 壓縮比壓縮比： 發動機壓縮比越大，氣缸壓力和溫度越高，發動機壓縮比越大，氣缸壓力和溫度越高，混合氣燃混合氣燃燒越快燒越快，點火提前角要，點火提前角要越小越小。3 3 混合氣濃度混合氣濃度： 混合氣濃度過濃混合氣濃度過濃A

12、/F18時，時，燃燒速度皆燃燒速度皆慢慢，點火提前角需，點火提前角需增大增大。 1 1 啟動和怠速啟動和怠速 發動機發動機啟動和怠速時，啟動和怠速時，發動機發動機轉速低轉速低，但混合氣，但混合氣燃燒燃燒速度也較慢速度也較慢，最佳點火提前角適當，最佳點火提前角適當減小或不提前減小或不提前。2 2 汽油的辛烷值汽油的辛烷值 汽油的辛烷值，也就是汽油牌號，越高抗爆震能力越汽油的辛烷值，也就是汽油牌號，越高抗爆震能力越強，相應允許更大的點火提前角。強，相應允許更大的點火提前角。 3.其它因素：其它因素：4 4 進氣壓力進氣壓力 進氣壓力減小，混合氣進氣壓力減小，混合氣燃燒速度變慢燃燒速度變慢，最佳點火

13、提前，最佳點火提前角相應角相應增大增大。5 5 火花塞的數量火花塞的數量 氣缸體同時裝有兩個火花塞，混合氣氣缸體同時裝有兩個火花塞，混合氣燃燒速度變快燃燒速度變快，最佳點火提前角比裝有一個火花塞相應最佳點火提前角比裝有一個火花塞相應減小減小。5.2 5.2 電子控制點火系統的基本組成與原理電子控制點火系統的基本組成與原理5.2.15.2.1電子控制點火系統的特點電子控制點火系統的特點1 各種工況和環境條件下均可獲得各種工況和環境條件下均可獲得理想的點火提理想的點火提 前角前角；2 保持點火能量不變，提高了保持點火能量不變，提高了點火的可靠性點火的可靠性；3 采用閉環控制后，與燃料供給系統實現綜

14、合控采用閉環控制后，與燃料供給系統實現綜合控 制，可使點火提前角控制在剛好不發生爆震的制，可使點火提前角控制在剛好不發生爆震的 臨界狀態；臨界狀態；提高發動機各種性能提高發動機各種性能。 點火提前角的控制不能只考慮點火系統或者發點火提前角的控制不能只考慮點火系統或者發動機系統，而是要求能與其它的系統很好的協調，動機系統，而是要求能與其它的系統很好的協調，以達到車輛整體的最佳控制。以達到車輛整體的最佳控制。根據傳感器信息，根據傳感器信息，計算最佳提前角，計算最佳提前角，發出點火指令。發出點火指令。5.2.25.2.2電子控制點火系統的基本組成電子控制點火系統的基本組成轉轉 速速I/OCPU曲軸位

15、置曲軸位置負負 荷荷爆爆 震震溫溫 度度I/O信信號號預預處處理理A/D轉轉換換RAMROM傳感器傳感器：ECU：執行機構：執行機構：檢測工況信息。檢測工況信息。點火線圈點火線圈點點火火控控制制裝裝置置火火花花塞塞執行點火執行點火1.1.原理：原理： ECU根據發動機的有關傳感器檢測的各種工況信號根據發動機的有關傳感器檢測的各種工況信號進行控制點火進行控制點火.5.2.35.2.3電子控制點火系統的原理與控制過程電子控制點火系統的原理與控制過程2.2.控制過程控制過程 首先根據首先根據發動機轉速發動機轉速、吸入的、吸入的空氣質量流量空氣質量流量和和曲軸的曲軸的位置位置，確定相應的，確定相應的基

16、本點火提前角基本點火提前角，然后根據檢測，然后根據檢測冷卻水冷卻水溫度、進氣溫度溫度、進氣溫度等加以修正，得到等加以修正，得到最佳點火提前角最佳點火提前角。3.3.閉環控制與開環控制閉環控制與開環控制對于爆震閉環控制，對于爆震閉環控制，ECU根據爆震傳感器檢測到根據爆震傳感器檢測到出現出現爆震時爆震時，減小點火提前角減小點火提前角，若未產生爆震，則加大點火提，若未產生爆震，則加大點火提前角，實現閉環控制。前角，實現閉環控制。 當發動機負荷低于一定值時，一般不出現爆震，這時當發動機負荷低于一定值時，一般不出現爆震，這時采用開環控制。采用開環控制。 即使只考慮發動機轉速和負荷從理論上來建立點火系即

17、使只考慮發動機轉速和負荷從理論上來建立點火系統的數學模型也是相當困難的，其原因是點火系統的統的數學模型也是相當困難的，其原因是點火系統的非線非線性特性性特性。5.3 5.3 點火提前角控制點火提前角控制1.1.影響點火提前角的主要因素影響點火提前角的主要因素 影響點火提前角最主要的因素是發動機影響點火提前角最主要的因素是發動機轉速轉速和和負荷負荷。2.2.點火系統的數學模型點火系統的數學模型采用實驗方法獲得點火系統的數學模型：采用實驗方法獲得點火系統的數學模型： 大量的臺架試驗和道路試驗，并對試驗數據進行處理，大量的臺架試驗和道路試驗，并對試驗數據進行處理，獲得發動機在獲得發動機在不同轉速、不

18、同負荷不同轉速、不同負荷時所對應的時所對應的最佳提前角最佳提前角的的數據點集合數據點集合，繪出三維控制模型圖，繪出三維控制模型圖(MAP圖圖)，再將其轉，再將其轉換為換為二維表二維表，并存放再，并存放再ECU的存儲器中。的存儲器中。三維控制模型圖三維控制模型圖(MAP圖圖)1218162023182225點火提前角二維表存儲形式點火提前角二維表存儲形式單單位位轉轉速速的的進進氣氣量量發動機轉速發動機轉速大大小小低低高高提前角提前角數值數值實際點火提前角實際點火提前角 初始點火提前角基本點火提前角修正點火提前角初始點火提前角基本點火提前角修正點火提前角5.3.1 5.3.1 豐田汽車點火系統點火

19、提前角控制豐田汽車點火系統點火提前角控制點火正時控制模式分為點火正時控制模式分為： 啟動點火時間控制啟動點火時間控制 啟動后點火時間控制啟動后點火時間控制1.1.啟動點火時間控制啟動點火時間控制 預先確定的初始點火提前角也稱為預先確定的初始點火提前角也稱為固定點火提前角固定點火提前角，其值為上止點前其值為上止點前10 。下列情況：。下列情況： 1 發動機啟動；發動機啟動； 2 發動機啟動且轉速穩定在發動機啟動且轉速穩定在400 r/min 以下。以下。 實際點火提前角初始點火提前角實際點火提前角初始點火提前角 啟動后點火時間控制由啟動后點火時間控制由基本點火提前角基本點火提前角和和修正點火提修

20、正點火提前角前角兩部分組成。兩部分組成。2.2.啟動后點火時間控制啟動后點火時間控制1 怠速基本點火提前角怠速基本點火提前角 傳感器有怠速輸出時所對應的基本點火提前角。傳感器有怠速輸出時所對應的基本點火提前角。 空調工作：基本點火提前角為空調工作：基本點火提前角為 8 ； 空調不工作：基本點火提前角為空調不工作：基本點火提前角為 4 。2 正常行駛時的基本點火提前角正常行駛時的基本點火提前角 該值主要依據發動機的轉速和負荷（用進氣量表示）該值主要依據發動機的轉速和負荷（用進氣量表示）來確定。來確定。ECU根據傳感器的信號在根據傳感器的信號在ROM存儲器搜尋基本存儲器搜尋基本點火提前角。點火提前

21、角。1 1）基本點火提前角）基本點火提前角2 2）點火提前角的修正）點火提前角的修正暖暖 機機修修 正正冷卻水溫冷卻水溫較低較低時，點火提前角時，點火提前角適當增大；適當增大；冷卻水溫冷卻水溫逐漸升高逐漸升高時，點火提前角時，點火提前角逐漸減小逐漸減小。怠怠 速速穩定性穩定性修修 正正 ECU計算發動機計算發動機平均轉速平均轉速：平均轉速平均轉速低于低于規定的怠速轉速，點火提前角規定的怠速轉速，點火提前角增大增大；平均轉速平均轉速高于高于規定的怠速轉速，點火提前角規定的怠速轉速，點火提前角減小減小。過過 熱熱修修 正正 冷卻水溫冷卻水溫過高時過高時；發動機正常運行，避免爆震，點火提前角發動機正

22、常運行，避免爆震，點火提前角減小減小；發動機怠速運行，避免發動機長時間過熱，點火提發動機怠速運行，避免發動機長時間過熱，點火提前角前角增大增大。空燃比空燃比反反 饋饋修修 正正混合氣濃度過濃混合氣濃度過濃 A/F18， 燃燒速度皆慢，需燃燒速度皆慢，需增大增大點火提前角。點火提前角。 爆爆 震震修修 正正減小減小點火提前角，點火提前角，5.5節介紹。節介紹。修正項修正項ECU確定確定提前角修正的提前角修正的工況信號工況信號暖機修正暖機修正冷卻水溫、冷卻水溫、進氣歧管壓力進氣歧管壓力( (空氣流量空氣流量) )、節節氣門位置等。氣門位置等。怠速穩定性怠速穩定性修修 正正發動機轉速、節氣門位置、車

23、速、空調開發動機轉速、節氣門位置、車速、空調開關等。關等。過熱修正過熱修正冷卻水溫、節氣門位置。冷卻水溫、節氣門位置。空燃比空燃比反饋修正反饋修正氧傳傳感器氧傳傳感器爆震修正爆震修正爆震傳感器爆震傳感器3 3）ECU判斷判斷點火提前角修正的點火提前角修正的信號信號 當當ECU給出的給出的實際點火提前角超過允許范圍時實際點火提前角超過允許范圍時，發動，發動機將難以運轉。當超過允許范圍時，則機將難以運轉。當超過允許范圍時，則ECU就按就按預先設定預先設定的點火提前角的最大值或最小值的點火提前角的最大值或最小值進行控制。進行控制。豐田汽車點火系統豐田汽車點火系統( (TCCS系統系統) )電子控制點

24、火系統的框圖電子控制點火系統的框圖1.1.正常工況點火提前角控制正常工況點火提前角控制 當當ECU無怠速信號輸入時，無怠速信號輸入時， 實際點火提前角基本點火提前角實際點火提前角基本點火提前角水溫修正系數水溫修正系數 基本點火提前角預先設定并存放在基本點火提前角預先設定并存放在ECU中。中。5.3.25.3.2日產汽車點火系統提前角控制日產汽車點火系統提前角控制2.2.怠速點火提前角控制怠速點火提前角控制 當當ECU怠速信號輸入時，進入怠速點火提前角控制模怠速信號輸入時，進入怠速點火提前角控制模式式,主要根據發動機轉速和冷卻水溫度控制點火提前角。主要根據發動機轉速和冷卻水溫度控制點火提前角。3

25、.3.啟動時點火提前角控制啟動時點火提前角控制 根據冷卻水的溫度確定啟動時點火提前角控制。根據冷卻水的溫度確定啟動時點火提前角控制。5.4 5.4 無分電器點火系統無分電器點火系統微機控制點火系統的分類微機控制點火系統的分類1 1非直接點火系統非直接點火系統該系統仍然保留分電器，點火線圈產生的高壓電是經該系統仍然保留分電器，點火線圈產生的高壓電是經過分電器中的配電器進行分配的，即由分火頭和分電器蓋過分電器中的配電器進行分配的，即由分火頭和分電器蓋組成的配電器，依照點火順序適時地將高壓電分配至各氣組成的配電器，依照點火順序適時地將高壓電分配至各氣缸，使各缸火花塞依次點火。缸，使各缸火花塞依次點火

26、。2 2直接點火系系統（無分電器點火系統）直接點火系系統（無分電器點火系統）直接點火系統取消了分電器，該系統中點火線圈上的直接點火系統取消了分電器，該系統中點火線圈上的高壓線直接與火花塞相連，工作時，點火線圈產生的高壓高壓線直接與火花塞相連，工作時，點火線圈產生的高壓電直接送至各火花塞，由微機根據各傳感器輸入的信息，電直接送至各火花塞，由微機根據各傳感器輸入的信息，依照發動機的點火順序，適時的控制各缸火花塞點火。依照發動機的點火順序，適時的控制各缸火花塞點火。 傳統的點火裝置主要由傳統的點火裝置主要由分電器分電器，點火線圈點火線圈，火花塞火花塞等等部件組成，其中分電器和點火線圈是產生互感高壓電

27、的關部件組成，其中分電器和點火線圈是產生互感高壓電的關鍵部件。分電器通過其凸輪棱角來控制鍵部件。分電器通過其凸輪棱角來控制白金觸點的開、閉白金觸點的開、閉使點火線圈產生高壓電。使點火線圈產生高壓電。 現代汽油發動機每分鐘轉速最高可達現代汽油發動機每分鐘轉速最高可達6千多轉，瞬間千多轉，瞬間點火時間極短，傳統點火裝置已經不能適應其點火要求。點火時間極短，傳統點火裝置已經不能適應其點火要求。車用無觸點電子點火裝置代替了傳統的點火裝置。車用無觸點電子點火裝置代替了傳統的點火裝置。傳統的點火裝置傳統的點火裝置 1989年，無分電器電子點火系統應用在福特的汽車年，無分電器電子點火系統應用在福特的汽車上。

28、它采用多個線圈的點火裝置，去掉了分電器。上。它采用多個線圈的點火裝置，去掉了分電器。1. 提高可靠性提高可靠性：因為該系統是半導體點火，無運行部件：因為該系統是半導體點火，無運行部件的摩擦損耗，的摩擦損耗，2. 減少維修工作量減少維修工作量：因為沒有分電器蓋和分火頭，不需：因為沒有分電器蓋和分火頭，不需維修和更換。維修和更換。3. 不會缺火或不易起動不會缺火或不易起動：消除了分電器蓋中形成的臭氧：消除了分電器蓋中形成的臭氧/硝酸和水的可能性，硝酸和水的可能性，4. 減小對電磁干擾減小對電磁干擾：沒有分火頭和分電器蓋之間產生的：沒有分火頭和分電器蓋之間產生的火花。無分電器點火可以將高壓線圈與火花

29、塞安裝為一火花。無分電器點火可以將高壓線圈與火花塞安裝為一體，減少了高壓導線。體，減少了高壓導線。5.點火裝置體積小點火裝置體積小：便于布置安裝，有利發動機室設計小：便于布置安裝，有利發動機室設計小型化。型化。無分電器點火系統的優點：無分電器點火系統的優點： 無分電器點火為每一個火花塞使提供一個無分電器點火為每一個火花塞使提供一個線圈，直接安裝在火花塞上。線圈，直接安裝在火花塞上。 該方式將該方式將點火點火線圈與火花塞安裝線圈與火花塞安裝為一體為一體，電壓的分，電壓的分配性能好，能量損配性能好，能量損失小，缺點是結構失小，缺點是結構與控制電路復雜。與控制電路復雜。5.4.15.4.1無分電器點火系統的配電方式無分電器點火系統的配電方式1.1.單獨點火配電方式單獨點火配電方式 該方式將將兩個火花塞共用一個點火線圈，結構與控該方式將將兩個火花塞共用一個點火線圈，結構與控制電路