中国电控点火系统的技术发展之路

中国电控点火系统的技术发展之路二十世纪70年代，美国GM公司采用了集成电路（IC）点火装置，高能点火（HEI）系统，并在分电器内装上点火线圈和点火控制线路，力图将点火系统做成一体，这种电路具有结构紧凑、可靠性高、成本低、耗电少、不需冷却、响应性好等特点。后期又采用数字式点火时刻控制系统，称为迈塞（MISAR）系统。该系统体积小，由中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）和模/数（A/D）转换器等组成。系统可根据输入的冷却液温度、转速和负荷等信号，计算出最佳点火时刻。美国克莱斯勒公司（Chryslercorporation）首先创立了模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的控制系统。传统的点火系统，其点火时刻的调整是依靠机械离心式调节装置和真空式调节装置完成的，由于机械的滞后、磨损及装置本身的局限性，故不能保证点火时刻在最佳值。而用ECU控制的点火系统，则可方便地解决以上问题。因为用微机可考虑更多的对点火提前角影响的因素，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ECU、传感器和点火执行器三大部分组成（图7-1），其功能如下：1）ECU接受各种传感器送来的信号经过数据处理后，输出信号（缸序信号和点火信号）并通过电能输出级传到点火执行器。2）传感器在点火系中应用的传感器主要有空气流量计、发动机转速传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器及爆震传感器等。3）点火控制装置具有缸序判别、闭合角控制、恒流控制、安全信号等电路，其主要功能是接受ECU发生的缸别信号（IGdA、IGdB）和点火信号（IGt），驱动点火线圈工作，并向ECU输入安全信号（IGf）。图7-1ECU控制点火系统的组成简图1-传感器2-ECU3-点火控制装置4-点火线圈二、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7-2所示。图7-2有分电器式点火系统电路1-信号发生器2-ECU3-点火控制器4-点火线圈5-点火开关ECU根据各输入信号，确定点火时刻，并将点火正时信号IGt送至点火器，当IGt信号变为低电平时，点火线圈一次侧被切断，二次线圈中感应出高压电，再由分电器送至相应缸火花塞点火。为了产生稳定的二次侧电压和保证系统的可靠工作，在点火器中设有闭合角控制回路和点火确认信号（IGf）安全保护电路。2．无分电器的点火控制系统无分电器的点火控制系统有二极管分配式和点火线圈分配式两大类。（1）二极管分配式二极管分配式无分电器点火系统采用同时点火方式，工作原理如图7-3所示。图7-3二极管分配式同时点火的无分电器点火系工作原理图1-1、4缸触发信号2-电子点火控制器3-控制部分4-稳压器5、8-一次线圈6-高压二极管7-二次线圈9-2、3缸触发信号点火顺序为1-3-4-2的四缸发动机，当ECU接收到曲轴位置传感器相应信号时，向点火控制器发出点火信号，点火控制器的控制回路使VT1截止，一次线圈5中的电流被切断，在二次线圈中感应出下“+”上“-”的高压电，经4缸和1缸火花塞构成回路，两个火花塞均跳火，此时1缸接近压缩终了，混合气被点燃，而4缸正在排气，火花塞点空火。汽配人网：曲轴转过180°后，ECU接收到传感器信号后再次向点火控制器发出触发信号，VT2截止，一次线圈8中电流被切断，二次线圈感应出上“+”下“-”的高压电，并经2缸和3缸火花塞构成回路，同时跳火，此时3缸点火作功，2缸火花塞点空火。依次类推，发动机曲轴转2圈，各缸作功一次。（2）点火线圈分配式点火线圈分配式无分电器点火系统是将来自点火线圈的高压电直接分配给火花塞，有同时点火和单独点火两种形式。1）同时点火。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，处于压缩的一缸，混合气被点燃而作功，正在排气的另一缸火花塞点空火（图7-4）。ECU根据凸轮轴位置传感器信号，选择相应点火的气缸，并将点火信号送给点火组件，使相应的晶体管VT截止或导通，点火线圈直接向火花塞输出高压电。图7-4点火线圈分配式同时点火的无分电器点火系统2）单独点火。单独点火既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7-5）。图7-5单独点火式无分电器点火系统这种单独点火系统由于取消了高压线，能量损失小，效率高，电磁干扰少。第二节点火提前角和闭合角的控制点火提前角的控制可分为开环控制和闭环控制两种。开环控制的基本点火提前角是靠预先在台架上用实验方法测得的数据来确定的。这些数据存入ECU的只读存储器ROM中，工作时，ECU根据发动机的工况来选择调取。发动机工作时，发动机转速、节气门开度、进气流量等基本参数通过相应的传感器检测出来，并输入ECU，由ECU从其只读存储器ROM中查找相应的基本点火提前角（或由经验式计算得出），再根据冷却液温度、进气温度等参数，对查找出的（或计算出的）基本点火提前角进行修正，得到适应当前工况的最佳点火提前角，并存入随机存储器RAM中，然后利用发动机转速（或转角）信号和曲轴位置信号，将最佳点火提前角转换成点火时刻，即一次侧电流的切断时刻；ECU还要根据电源电压、发动机转速等信号，从其只读存储器ROM中选取并换算成适应当前工况的一次线圈电流导通时间。由ECU以方波的形式发出指令，指挥点火控制器或功率三极管，在所确定的时刻导通和切断点火线圈中的一次侧电流，使点火系统正常工作。由于开环控制方式所确定的点火时刻比传统的机械式点火正时调节装置所确定的点火时刻更接近于理想状态，因而发动机的动力性有不同程度的提高，经济性也可以提高3％～5％。汽配人网：但是，传感器工作状态的改变会引起开环控制精度的改变，而且ECU中所存数据无法适应发动机本身制造精度、磨损状况、使用条件等变化而引起的最佳点火提前角的变化。随着使用时间的增加，ECU所存数据也会逐渐不能适应发动机对最佳点火提前角的要求，造成发动机性能逐渐下降，以至ECU控制点火正时的优势逐渐减退。为解决上述问题，一些汽车公司正致力于开发具有自学习（或称自适应）功能的智能型ECU的工作。ECU能够根据发动机本身制造精度、磨损状况、使用条件等，对其存储器中的数据进行自动调整，从而使发动机始终处于最佳点火提前角的状态下工作。闭环控制方式是根据发动机实际运行结果的反馈信息来控制点火提前角的，所以闭环控制又称为反馈控制。通常，闭环控制方式是利用爆震传感器反馈爆震信号来控制点火提前角的，有关内容在本章第三节中介绍。目前广泛应用的电控点火系统，是在开环控制方式的基础上再配以闭环控制方式的混合控制方式。一、点火提前角的控制影响点火提前角的因素较为复杂，在电控点火系统中，一般点火提前角有几部分组成，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（或延迟角）。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时刻，其大小随发动机而异。基本点火提前角是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。修正点火提前角（或延迟角）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。点火提前角的控制包括两种基本情况：①起动期间的点火时刻控制，即发动机起动时工况，按固定的曲轴转角位置点火。②起动后，发动机正常运行时，点火时刻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。表7-1为点火提前角的修正项目。表7-1点火提前角的修正项目起动时点火提前角初始点火提前角点火提前角基本点火提前角起动时点火提前角修正点火提前角暖机修正量稳定怠速修正量空燃比反馈修正量过热修正量爆震修正量最大提前和推迟控制量其它修正量1．起动工况的点火时刻控制在起动期间，发动机转速较低（通常在500r/min以下），由于进气歧管压力信号或进气量信号不稳定，一般点火时刻固定在初始点火提前角（数值大小随发动机而异）。初始点火角由ECU中的备用模块进行设定。在某些发动机中，ECU还需输入起动信号（STA）。起动期间点火时刻控制如图7-6所示。此时的控制信号主要是发动机转速（Ne）信号和起动开关（STA）信号。图7-6点火时刻控制a）起动期间的点火控制b）正常运行期间的点火控制2、起动后点火时刻控制（1）基本点火提前角在正常工况下运转时，节气门位置传感器的怠速触点（IDL）断开，ECU根据存储器的数据确定基本点火提前角，数据表格存储形式如图7-7所示。图7-7点火提前角数据表格存储形式在正常运行工况运行时，控制信号主要有：进气歧管压力信号（或进气量信号）、发动机转速信号、节气门位置信号、汽油品种选择开关或插头（RP）、爆震信号（KNK）等。在某些发动机中，按汽油辛烷值不同，在存储器中存放着两张基本点火提前角的数据表格，驾驶员可根据使用汽油的辛烷值，通过汽油选择开关或插头进行选择。具有爆震控制功能的点火提前角系统（ESA），其ECU中还存有专用于爆震控制点火时刻的数据。在怠速工况下运行时，节气门位置传感器怠速触点闭合，此时，ECU根据发动机转速和空调开关是否接通等确定基本点火提前角（图7-8）。图7-8怠速工况基本点火提前角在怠速工况运行时，控制信号主要有：节气门位置信号（IDL）。发动机转速信号（Ne）空调开关信号（A／C）。（2）点火提前角的修正1）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7-9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。图7-9暖机修正曲线2）过热修正。发动机处于正常运行工况（怠速触点断开），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。过热修正曲线的变化趋势如图7-10所示。图7-10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）。3）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（图7-11）。图7-11怠速稳定修正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。4）最大和最小提前角控制。如果发动机实际点火提前角（初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前或延迟角）不合理，发动机很难正常运转。在初始点火提前角已设定时，受ECU控制的实际点火提前角则为基本点火提前角与修正点火提前角之和，该值应保证在某一范围内。最大提前角为35°~45°，最小提前角为-10°~0°。二、闭合角的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。汽配人网：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，即延长一次侧电路的通电时间，防止一次侧储能下降，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