第七章发动机点火及其它控制 第一节发动机点火控制系统 点火控制系统的发展 点火系统最基本的原理是通过断电开关控制点火线圈一次电流的大小和断电时间,从而控 制点火的能量和时刻,保证发动机汽缸内的混合气彻底燃烧 在传统的化油器式汽油机中,点火控制系统经过了传统式(触点式)向无触点式发展的过 程。在这一过程中,系统的分电器仍一直采用机械式离心和真空提前机构来控制发动机的点火 提前角。 随着EFⅠ系统的出现和发展,点火控制系统开始采用电控点火装置(ESA)。它可以使发动 机在任何工况下均处于最佳点火提前状态,并实现3方面的功能:通电时间控制,点火提前角 控制和爆震控制。 二、电子点火控制系统 现代点火控制系统都是计算机控制的电子控制系统。它可以分为两大类,一类是有分电器 的,一类是没有分电器的。但是它们的主要组成及控制原理是相同的。 组成: (1)点火器:包括点火控制电路等、闭合角控制电路、点火器信号电路、功率晶体管及其驱 电路等。 (2)点火线圈及分电器点火线圈采用一次线圈电阻值很小的高能点火线圈。在有分电器的 系统中,各汽缸共用一个点火线圈;在无分电器的系统中,将气缸分组,每组共用一个 点火线圈,或者是每个气缸独立用一个线圈。 电子点火控制系统的组成如图 (1)ECU的输入信号 ECU的输入信号,除了节气门位置 IGt 至火花塞 传感器、输入信号,除了节气门位置传 IGdA 感器、空气流量计、水温传感器等送来 点 电源 的信号外,还有曲轴位置传感器送来的 IGdB 以下信号: 各种传感 1)G信号 所谓G信号,即上止点参考位置信号。 点火控制系统 它的周期对应的曲轴转角等于发动机各 缸工作间隔所对应的曲轴转角(四缸发动机为180度,六缸发动机为120度),G信号的相位所 对应的曲轴位置与各组活塞的上止点位置有一定的角度,一般为上止点前10度。 根据G信号,ECU可能准确地计算出曲轴每转1度及一周所用时间和发动机转速。由转速 和其它传感器输入的参数,ECU可查表得到点火提前角和点火线圈通电时间。根据计算的1度 信号所用时间,可计算出G信号后点火器的通电和断电时刻,最后输出点火控制信号 在无分电器的点火控制系统中,有的将上止点位置G信号分为G1和G2,两信号相隔180 度(曲轴转角360度)。在丰田皇冠汽车无分电器点火控制系统中,G1设定在第六缸上止点附 近,G2设定在第一缸上止点附近。 2)Ne信号。 所谓Ne信号,即发动机曲轴转速信号
第七章 发动机点火及其它控制 第一节 发动机点火控制系统 一、点火控制系统的发展 点火系统最基本的原理是通过断电开关控制点火线圈一次电流的大小和断电时间，从而控 制点火的能量和时刻，保证发动机汽缸内的混合气彻底燃烧。 在传统的化油器式汽油机中，点火控制系统经过了传统式（触点式）向无触点式发展的过 程。在这一过程中，系统的分电器仍一直采用机械式离心和真空提前机构来控制发动机的点火 提前角。 随着 EFI 系统的出现和发展，点火控制系统开始采用电控点火装置（ESA）。它可以使发动 机在任何工况下均处于最佳点火提前状态，并实现 3 方面的功能：通电时间控制，点火提前角 控制和爆震控制。 二、电子点火控制系统 现代点火控制系统都是计算机控制的电子控制系统。它可以分为两大类，一类是有分电器 的，一类是没有分电器的。但是它们的主要组成及控制原理是相同的。 组成： （1） 点火器：包括点火控制电路等、闭合角控制电路、点火器信号电路、功率晶体管及其驱 动电路等。 （2） 点火线圈及分电器 点火线圈采用一次线圈电阻值很小的高能点火线圈。在有分电器的 系统中，各汽缸共用一个点火线圈；在无分电器的系统中，将气缸分组，每组共用一个 点火线圈，或者是每个气缸独立用一个线圈。 电子点火控制系统的组成如图 （1） ECU 的输入信号 ECU 的输入信号，除了节气门位置 传感器、输入信号，除了节气门位置传 感器、空气流量计、水温传感器等送来 的信号外，还有曲轴位置传感器送来的 以下信号： 1） G 信号 所谓 G 信号，即上止点参考位置信号。 它的周期对应的曲轴转角等于发动机各 缸工作间隔所对应的曲轴转角（四缸发动机为 180 度，六缸发动机为 120 度），G 信号的相位所 对应的曲轴位置与各组活塞的上止点位置有一定的角度，一般为上止点前 10 度。 根据 G 信号，ECU 可能准确地计算出曲轴每转 1 度及一周所用时间和发动机转速。由转速 和其它传感器输入的参数，ECU 可查表得到点火提前角和点火线圈通电时间。根据计算的 1 度 信号所用时间，可计算出 G 信号后点火器的通电和断电时刻，最后输出点火控制信号。 在无分电器的点火控制系统中，有的将上止点位置 G 信号分为 G1 和 G2，两信号相隔 180 度（曲轴转角 360 度）。在丰田皇冠汽车无分电器点火控制系统中，G1 设定在第六缸上止点附 近，G2 设定在第一缸上止点附近。 2） Ne 信号。 所谓 Ne 信号，即发动机曲轴转速信号
e信号的每一个脉冲,表示发动机曲轴转过一个固定的角度。一般的系统中,Ne信号周 期为转轴转过30度所对应的时间,在较精密的系统中,Ne信号周期为曲轴转过1度所对应的 时间。 (2)ECU的输出信号 1)点火控制信号IGt 曲轴角度 IGt实际上就是点火器中功率晶体管的通断控制信号。 它是ECU输出到点火组件的点火命令信号,也是点火组件tr 计算闭合角的基准信号。IGt信号输出后,在活塞位置达 到存储器所记忆的最佳点火时间时,IGt信号消失,也就信号输 出点 是发出了点火指令。 2)辨缸信号IGdA、IGdB 火花塞 曲轴每转一周将产生多个G信号,而每个G信号与点火气缸的对应关系应该是确定不变的。 在有分电器的系统中,由于点火气缸是由分火头的指向决定的,所以不会出现问题。但是在无 分电器的系统中,仅有G信号不能决定具体的点火气缸,所以ECU输出信号中增加了辨缸信 号IGd,以便与G信号一同决定需要点火的气缸。在无分电器同时点火方式中,又把IGd分为 IGdA和IGdB。 3、无分电器点火控制系统(DIL) 无分电器点火控制系统是一种全电子化的点火系统。 优点:(1)由于没有机械传动,减少了分火头与旁电极这一中间跳火间隙的能量损耗和干扰 (2)由于无分电器,也使发动机各部件的布置更容易、更合理。 分类:(1)每缸一个点火线圈的独立点火方式 (2)两个活塞位置同步缸(两个缸的活塞同时到达上止点位置,但一个缸为压缩行程的 上止点,另一个缸为排气行程的上止点)共用一个点火线圈的同时点火方式。 1)无分电器同时点火方式 1、6缸,2、5缸及3、4缸分别为同步缸,两同步缸共用一个线圈,其方法是两同步缸的 火花塞与共用的点火线圈二次线圈串联。当点火线圈一次线圈断电时,一个气缸处于压缩行程 的上止点,所以为有效点火;而另一个气缸处于排气行程的上止点,为无效点火。由于处于排 气行程中气缸内的压力很低,加之废气中导电离子较多,其火花塞很容易被高压击穿,消耗的 能量非常少,不会对压缩行程气缸点火产生影响 2)无分电器独立点火方式控制系统 由于每缸都有独立的点火线圈,所以即使发动机的转速高达9000mn,线圈也有较长的通 电时间(大的闭合角),可以提供足够高的点火能量。与分电器系统相比,在相同的转速和相同 点火能量下,单位时间内点火线圈的电流要小的多,因此,线圈不宜发热而体积又可以非常小 巧,一般是将点火线圈压装在火花塞上,这种点火方式控制系统特别适合于多气门发动机。 三、最佳点火提前角及影响点火提前角的因素 1、最佳点火提前角 定义:能保证发动机的动力性、经济性和排放都达到最佳值的点火提前角称为最佳点火提前角
Ne 信号的每一个脉冲，表示发动机曲轴转过一个固定的角度。一般的系统中，Ne 信号周 期为转轴转过 30 度所对应的时间，在较精密的系统中，Ne 信号周期为曲轴转过 1 度所对应的 时间。 （2） ECU 的输出信号 1） 点火控制信号 IGt IGt 实际上就是点火器中功率晶体管的通断控制信号。 它是 ECU 输出到点火组件的点火命令信号，也是点火组件 计算闭合角的基准信号。IGt 信号输出后，在活塞位置达 到存储器所记忆的最佳点火时间时，IGt 信号消失，也就 是发出了点火指令。 2） 辨缸信号 IGdA、IGdB 曲轴每转一周将产生多个 G 信号，而每个 G 信号与点火气缸的对应关系应该是确定不变的。 在有分电器的系统中，由于点火气缸是由分火头的指向决定的，所以不会出现问题。但是在无 分电器的系统中，仅有 G 信号不能决定具体的点火气缸，所以 ECU 输出信号中增加了辨缸信 号 IGd，以便与 G 信号一同决定需要点火的气缸。在无分电器同时点火方式中，又把 IGd 分为 IGdA 和 IGdB。 3、无分电器点火控制系统 （DIL） 无分电器点火控制系统是一种全电子化的点火系统。 优点：（1）由于没有机械传动，减少了分火头与旁电极这一中间跳火间隙的能量损耗和干扰； （2）由于无分电器，也使发动机各部件的布置更容易、更合理。 分类：（1）每缸一个点火线圈的独立点火方式； （2）两个活塞位置同步缸（两个缸的活塞同时到达上止点位置，但一个缸为压缩行程的 上止点，另一个缸为排气行程的上止点）共用一个点火线圈的同时点火方式。 1） 无分电器同时点火方式 1、6 缸，2、5 缸及 3、4 缸分别为同步缸，两同步缸共用一个线圈，其方法是两同步缸的 火花塞与共用的点火线圈二次线圈串联。当点火线圈一次线圈断电时，一个气缸处于压缩行程 的上止点，所以为有效点火；而另一个气缸处于排气行程的上止点，为无效点火。由于处于排 气行程中气缸内的压力很低，加之废气中导电离子较多，其火花塞很容易被高压击穿，消耗的 能量非常少，不会对压缩行程气缸点火产生影响。 2） 无分电器独立点火方式控制系统 由于每缸都有独立的点火线圈，所以即使发动机的转速高达 9000r/min，线圈也有较长的通 电时间（大的闭合角），可以提供足够高的点火能量。与分电器系统相比，在相同的转速和相同 点火能量下，单位时间内点火线圈的电流要小的多，因此，线圈不宜发热而体积又可以非常小 巧，一般是将点火线圈压装在火花塞上，这种点火方式控制系统特别适合于多气门发动机。 三、最佳点火提前角及影响点火提前角的因素 1、最佳点火提前角 定义：能保证发动机的动力性、经济性和排放都达到最佳值的点火提前角称为最佳点火提前角
般来说,混合气在气缸内燃烧时,其最髙燃烧压力 (也可以说是发动机的最大输出功率)出现在曲轴转 角的上止点后10度左右。如图3-4,图中曲线A是气 缸内不燃烧的压力波形,它是以上止点(TDC)为中 心的左右对称波形。曲线B、C、D分别表示点火时刻 在上止点第10度以前,10度左右和10度以后三种点 火提前角时的燃烧压力波形。由图可知,Ⅱ时刻点火 可以获得最佳的燃烧压力(作功也是最多的,作功的 多少可以看阴影部分所示)且无爆震发生;而在I时 刻点火,虽然燃烧压力最高,但有爆震发生(曲轴 点火时刻IⅢ 曲轴角度 上部的的锯齿波形)。可见,最佳点火提前角在上止点 前10度左右。但最佳点火提前角也不是一成不变的。 图3-4气缸压力与点火时刻的关系2、影响点火提前角的因素 1)发动机转速对点火提前 角的影响 如图3-5知,发动机转速升高,点火提前角应该增大。在普通EFI 系统中,由于采用的是机械式离心调节器,所以调节曲线与理想点火 j心提前器 调节曲线相差较大。当采用ESA时,可以使发动机的实际点火提前角 接近与理想的点火提前角 发动机转速 2)进气歧管绝对压力对点火提前角的影响 图3-5转速对点火提前角的影响 真空提前 理想点火正时 如图3-6知,当管路压力高(真空度小 负荷大),要求点火提前角小;反之,管路压 力低(真空度高,负荷小)时,要求点火提 真空提前器 前角大。在普通EFI系统中,由于采用真空 歧管真空度 调节器,所以调节曲线与理想曲线相差较大 当采用ESA控制系统时,可以使发动机的实 图3-6进气歧管真空度对点火提前角的影响 际点火提前角接近于理想的点火提前角。 3)辛烷值对点火提前角的影响 发动机在一定条件下,会出现爆震现象。爆震使发动机动力下降、油耗増加、发动机过热, 对发动机极为有害。发动机的爆震与汽油品质有密切关系,常用辛烷值来表示汽油的抗爆性能。 汽油的辛烷值越髙,抗爆性越好,点火提前角可以加大;反之,汽油的辛烷值越低,抗爆性越 差,点火提前角应减少。在无电控的普通点火系统中,是靠人工分电器初始位置进行调节来实 现的。在EFI中,为了适应不同辛烷值的汽油的需要,在实际运用时,可以根据不同的汽油品 种进行选择。在出厂时,一般开关设定在无铅汽油的位置上。 3、点火提前角的控制方式 在ESA控制系统中,根据有关传感器送来的信号,ECU计算出最佳点火时刻,输出点火正时信 号(IGt),控制点火器点火。在发动机起动时,不经ECU计算,点火时刻直接由传感器信号控 制一个固定的初始点火提前角。当发动机转速超过一定值时,自动转换为由ECU的点火正时信 号IGt控制。 1.初始点火提前角
一般来说，混合气在气缸内燃烧时，其最高燃烧压力 （也可以说是发动机的最大输出功率）出现在曲轴转 角的上止点后 10 度左右。如图 3-4，图中曲线 A 是气 缸内不燃烧的压力波形，它是以上止点（TDC）为中 心的左右对称波形。曲线 B、C、D 分别表示点火时刻 在上止点第 10 度以前，10 度左右和 10 度以后三种点 火提前角时的燃烧压力波形。由图可知，Ⅱ时刻点火 可以获得最佳的燃烧压力（作功也是最多的，作功的 多少可以看阴影部分所示）且无爆震发生；而在Ⅰ时 刻点火，虽然燃烧压力最高，但有爆震发生（曲轴 B 上部的的锯齿波形）。可见，最佳点火提前角在上止点 前 10 度左右。但最佳点火提前角也不是一成不变的。 2、影响点火提前角的因素 1） 发动机转速对点火提前 角的影响 如图 3-5 知，发动机转速升高，点火提前角应该增大。在普通 EFI 系统中，由于采用的是机械式离心调节器，所以调节曲线与理想点火 调节曲线相差较大。当采用 ESA 时，可以使发动机的实际点火提前角 接近与理想的点火提前角。 2） 进气歧管绝对压力对点火提前角的影响 如图 3-6 知，当管路压力高（真空度小， 负荷大），要求点火提前角小；反之，管路压 力低（真空度高，负荷小）时，要求点火提 前角大。在普通 EFI 系统中，由于采用真空 调节器，所以调节曲线与理想曲线相差较大。 当采用 ESA 控制系统时，可以使发动机的实 际点火提前角接近于理想的点火提前角。 3） 辛烷值对点火提前角的影响 发动机在一定条件下，会出现爆震现象。爆震使发动机动力下降、油耗增加、发动机过热， 对发动机极为有害。发动机的爆震与汽油品质有密切关系，常用辛烷值来表示汽油的抗爆性能。 汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可以加大；反之，汽油的辛烷值越低，抗爆性越 差，点火提前角应减少。在无电控的普通点火系统中，是靠人工分电器初始位置进行调节来实 现的。在 EFI 中，为了适应不同辛烷值的汽油的需要，，在实际运用时，可以根据不同的汽油品 种进行选择。在出厂时，一般开关设定在无铅汽油的位置上。 3、点火提前角的控制方式 在ESA控制系统中，根据有关传感器送来的信号，ECU计算出最佳点火时刻，输出点火正时信 号（IGt），控制点火器点火。在发动机起动时，不经ECU计算，点火时刻直接由传感器信号控 制一个固定的初始点火提前角。当发动机转速超过一定值时，自动转换为由ECU的点火正时信 号IGt控制。 1．初始点火提前角
为了确定点火正时,ECU根据上止点位置确定点火的时 刻。在有些发动机中,ECU把G或G2信号后第一个Ne信号 初始点火提前角 过零点定为压缩行程上止点前10度,ECU计算点火正时时, 就把这一点作为参考点。这个角度就称作初始点火提前角, 基本点火提前角 其大小随发动机而异 2.点火提前角的计算 修正点火提前角 发动机工作时,ECU根据进气歧管压力(或进气量)和 发动机转速,从存储器存储的数据中找到相应的基本点火提前角,再根据有关传感器信号值加 以修正,得出实际点火提前角。 实际点火提前角=初始点火提前角个基本点火提前角十修正点火提前角(或延迟角) 起动点火时间控制—固定点火提前角 基本点火提前角—一由进气歧管压力(或进气量)和转速确定 暖机修正量 稳定怠速修正量 点火正时控制〈 起动后点火时间控 燃比反馈修正量 修正点火提前角过热修正量 爆震修正量 最大提前/延迟角控制 其他修正量 3.点火提前角的控制 点火提前角的控制包括两种基本情况:①起动期间的点火时间控制:发动机在起动时,在 固定的曲轴转角位置点火,与发动机的工况无关。②起动后发动机正常运行期间的点火时间控 制:点火时间由进气歧管压力信号(或进气量信号)和发动机转速确定的基本点火提前角和修 正量决定。 修正项目随发动机而异,并根据发动机各自的特性曲线进行修正。 四、爆震控制 爆震是汽油机运行中最有害的一种故障现象。发动机工作如果持续产生爆震,火花塞电极 或者是活塞就可能产生过热、熔损等现象,造成严重故障,因此必须防止爆震的产生。 爆震与点火时刻有密切关系,同时还与汽油的辛烷值有关。 如图3-16可知,在传统的点火系统和无爆震控制的点火系统中,为防止爆震的发生,其点 火时刻的设定往往远离爆震边缘。这样势必就会降低发 动机效率,增加燃油消耗。而具有爆震控制的点火系统, 点火时刻到爆震边缘只留一个较小的余量,或者说,就 爆震边界 在爆震界面上工作,这样即控制了爆震的发生,又能更 爆控制 有效地得到发动机的输出功率。 、爆震控制系统 组成:感器和ECU两大部分 从硬件上看,爆震控制系统实际上就是加了爆震传感器 传统的点火时期 的点火控制系统 动机转速(rmin-) 2、爆震控制方法 工作原理:爆震传感器安装在发动机的缸体上,利用压 图3-16爆震控制的点火提前角
为了确定点火正时，ECU根据上止点位置确定点火的时 刻。在有些发动机中，ECU把G1或G2信号后第一个Ne信号 过零点定为压缩行程上止点前10度，ECU计算点火正时时， 就把这一点作为参考点。这个角度就称作初始点火提前角， 其大小随发动机而异。 2．点火提前角的计算 发动机工作时，ECU根据进气歧管压力（或进气量）和 发动机转速，从存储器存储的数据中找到相应的基本点火提前角，再根据有关传感器信号值加 以修正，得出实际点火提前角。 实际点火提前角=初始点火提前角个基本点火提前角十修正点火提前角（或延迟角） 3．点火提前角的控制 点火提前角的控制包括两种基本情况：①起动期间的点火时间控制：发动机在起动时，在 固定的曲轴转角位置点火，与发动机的工况无关。②起动后发动机正常运行期间的点火时间控 制：点火时间由进气歧管压力信号（或进气量信号）和发动机转速确定的基本点火提前角和修 正量决定。 修正项目随发动机而异，并根据发动机各自的特性曲线进行修正。 四、爆震控制 爆震是汽油机运行中最有害的一种故障现象。发动机工作如果持续产生爆震，火花塞电极 或者是活塞就可能产生过热、熔损等现象，造成严重故障，因此必须防止爆震的产生。 爆震与点火时刻有密切关系，同时还与汽油的辛烷值有关。 如图 3-16 可知，在传统的点火系统和无爆震控制的点火系统中，为防止爆震的发生，其点 火时刻的设定往往远离爆震边缘。这样势必就会降低发 动机效率，增加燃油消耗。而具有爆震控制的点火系统， 点火时刻到爆震边缘只留一个较小的余量，或者说，就 在爆震界面上工作，这样即控制了爆震的发生，又能更 有效地得到发动机的输出功率。 1、爆震控制系统 组成：感器和 ECU 两大部分。 从硬件上看，爆震控制系统实际上就是加了爆震传感器 的点火控制系统。 2、爆震控制方法 工作原理：爆震传感器安装在发动机的缸体上，利用压
电晶体的压电效应,把缸体的振动转换成电信号 输入ECU,ECU把爆震传感器输出的信号进行 有爆震 碱少提前角 滤波处理,同时判定有无爆震以及爆震强度的强 弱,进而推迟点火时间。当ECU有爆震信号输 增大提前角 无爆震 入时,点火控制系统采用闭环控制方式,爆震强, 推迟点火角度大;爆震弱,推迟点火角度小,并 爆震反馈控制原理 在原点火提前角的基础上推迟点火提前角,直到爆震消失为止,当爆震消失后,在 段时间内维持当前的点火时间角。如果没有爆震发生,则逐步增加点火提前角 直到爆震发生,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
电晶体的压电效应，把缸体的振动转换成电信号 输入 ECU，ECU 把爆震传感器输出的信号进行 滤波处理，同时判定有无爆震以及爆震强度的强 弱，进而推迟点火时间。当 ECU 有爆震信号输 入时，点火控制系统采用闭环控制方式，爆震强， 推迟点火角度大；爆震弱，推迟点火角度小，并 在原点火提前角的基础上推迟点火提前角，直到爆震消失为止，当爆震消失后，在 一段时间内维持当前的点火时间角。如果没有爆震发生，则逐步增加点火提前角一 直到爆震发生，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