汽车电子控制技术(第2版)
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2.6 电控电子点火系统

2.6.1 电控电子点火系统的组成

电控电子点火系统(也称微机控制点火系统,Microcomputer Control Ignition, MCI)能实现最佳点火提前角的控制,从而提高发动机的动力性,降低燃油消耗量和有害气体的排放量。

MCI主要由节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、车速传感器、爆燃(爆震)传感器、各种控制开关、ECU、点火控制器、点火线圈及火花塞等组成,如图2.80所示。

图2.80 电控电子点火系统组成示意图

1.信号输入装置

信号输入装置包括各种传感器和开关。传感器用来检测与点火有关的发动机工作和状况信息,并将检测结果输入ECU,作为计算和控制点火时刻的依据。

各型汽车采用的传感器的类型、数量、结构及安装位置不尽相同,但其作用大同小异。除爆燃传感器之外,这些传感器大多与电控燃油喷射系统、怠速控制系统等共用。

各种开关信号用于修正点火提前角。起动开关信号用于起动时修正点火提前角;空调开关信号用于怠速工况下使用空调时修正点火提前角;空挡起动开关只对于自动变速器汽车,ECU利用该信号判断发动机是处于空挡停车状态还是行驶状态,然后对点火提前角进行必要的修正。

2.ECU

MCI是发动机集中控制系统的一个子系统,ECU是发动机集中控制系统的核心。ECU只读存储器中存储有监控和自检等程序及该型发动机在各种工况下的最佳点火提前角。

ECU不断接收各种传感器和开关发送的信号,并按预先编制的程序进行计算和判断后,向点火控制器发出控制信号,实现点火提前角和点火时刻的最佳控制。

3.执行器

MCI的执行器为点火控制器。点火控制器又称点火控制组件、点火器或功率放大器,是MCI的功率输出级,接收ECU输出的点火控制信号并进行功率放大,驱动点火线圈工作。

点火控制器的电路、功能与结构,不同车型有所不同,有的与ECU制作在同一块电路板上,如北京切诺基4.0L发动机集中控制系统;有的为独立总成,用线束与ECU相连接,如丰田车系TCCS系统;有的点火控制器与点火线圈安装在一起,并配有较大面积的散热器散热,如桑塔纳2000GSi型轿车的点火控制器。

2.6.2 MCI主要部件的结构原理

1.爆燃传感器

在微机控制点火系统中,ECU根据爆燃(爆震)传感器(Knock Sensor, KS)的信号判断发动机是否发生爆燃,对点火提前角进行修正,实现点火提前角闭环控制(防爆燃控制)。

发动机发生爆燃时,气缸内的可燃混合气异常燃烧导致压力急剧上升而引起缸体振动(爆震),使发动机输出功率降低,甚至导致发动机损坏。

目前汽车广泛采用检测发动机缸体振动频率的方法来检测爆燃。发动机爆燃产生的压力冲击波频率一般为6~9kHz,在检测缸体振动频率时,一般都将爆燃传感器安装在发动机缸体侧面。

爆燃传感器按检测方式不同,可分为共振型与非共振型;按结构不同,可分为压电式和磁致伸缩式。

共振型爆燃传感器的共振频率与发动机爆燃的固有频率相匹配,因此其内部设有共振体,并且要使共振体的共振频率与爆燃频率协调一致。其输出电压高,不需要滤波器,信号处理比较方便。由于机械共振体的频率特性尖且频带窄,只适用于特定的发动机,不能与其他发动机互换使用,美国通用汽车采用了共振型爆燃传感器。

非共振型爆燃传感器适用于所有的发动机,但其输出电压较低,频率特性平坦且频带较宽,需要配用带通滤波器,信号处理比较复杂。欧洲、日本和中国汽车大都采用非共振型爆燃传感器。

1)压电式爆燃传感器

压电式爆燃传感器主要由套筒、压电元件、惯性配重、塑料壳体和接线插座等组成,如图2.81所示。桑塔纳2000GLi型轿车采用了一个爆燃传感器,安装在缸体右侧(车前视)2、3缸之间;桑塔纳2000GSi、捷达AT、GTX型轿车采用了两个爆燃传感器,安装在发动机进气道一侧缸体上1、2缸之间和3、4缸之间,分别检测1、2缸和3、4缸爆燃信号。

图2.81 压电式爆燃传感器

1—套筒底座;2—绝缘垫圈;3—压电元件;4—惯性配重;5—塑料壳体;6—固定螺栓;7—接线插座;8—电极

压电元件制作成垫圈形状,在其两个侧面上安放有金属垫圈作为电极,并用导线引到接线插座上。惯性配重与压电元件及压电元件与传感器套筒之间安放有绝缘垫圈,套筒中心制作有螺孔,传感器用螺栓固定在发动机缸体上,调整螺栓的拧紧力矩便可调整传感器输出的信号电压。传感器的输出特性出厂时已经调好,使用中不得随意调整。

惯性配重用来传递发动机振动产生的惯性力,惯性配重与塑料壳体之间安装有盘形弹簧,借弹簧张力将惯性配重、压电元件和垫圈等部件压紧在一起。传感器插座上有3根引线,其中2根为信号线,1根为屏蔽线。

当发动机缸体产生振动时,传感器套筒底座及惯性配重随之产生振动,套筒底座和配重的振动作用在压电元件上,由压电效应可知,压电元件的信号输出端就会输出与振动频率和振动强度有关的交变电压信号,如图2.82所示。

图2.82 不同转速时爆燃传感器输出波形

发动机爆燃频率为6~9kHz时振动强度较大,其信号电压较高。发动机转速越高,信号电压幅值越大。因为发动机爆燃是在活塞运行到压缩上止点前后产生,此时缸体振动强度最大,所以爆燃传感器在活塞运行到压缩上止点前后产生的输出电压较高,爆燃传感器输出信号与曲轴转角的对应关系如图2.83所示。

图2.83 传感器输出信号与曲轴转角的对应关系

2)磁致伸缩式爆燃传感器

磁致伸缩式爆燃传感器主要由感应线圈、伸缩杆、永久磁铁和外壳组成,如图2.84所示。

图2.84 磁致伸缩式爆燃传感器

伸缩杆一端设置有永久磁铁,另一端安放在弹性元件上。传感线圈绕制在伸缩杆的周围,线圈两端引出电极与控制线路连接。

当发动机缸体产生振动时,传感器的伸缩杆随之振动,感应线圈中的磁通量发生变化。根据电磁感应原理,线圈中感应出交变电动势,即传感器有电压输出,输出电压高低取决于发动机的振动强度和振动频率。

当发动机缸体振动频率达到6~9kHz时,传感器产生共振,振动强度最大,线圈中产生的电压最高,如图2.85所示。

图2.85 爆燃传感器输出信号波形

3)燃烧压力检测式爆燃传感器

直接检测燃烧压力法的测量精度最高,但传感器安装困难且耐久性较差,通常采用间接检测燃烧压力法。其传感器又称为垫圈式爆燃传感器或压力检测式爆燃传感器,是一种非共振型压电效应式传感器,结构原理与前述压电式爆燃传感器相同。

如图2.86所示,垫圈式爆燃传感器安装在火花塞垫圈与发动机气缸盖之间。燃烧压力作用到火花塞上,经过火花塞垫圈再传递给传感器,作用力变化时,传感器信号电压随之变化,从而即可间接地测量燃烧压力。奥迪轿车采用了这种传感器。

图2.86 垫圈式爆燃传感器的安装位置

1—火花塞;2—垫圈;3—爆燃传感器;4—气缸盖

垫圈式爆燃传感器的额定工作温度为180℃,允许短时高温为200℃;拧紧力矩为20~30N·m,最大拧紧力矩为40N·m;静电电容量为1000pF。

2.点火控制组件

下面以桑塔纳2000GSi型轿车汽车微机控制点火系统(图2.87)采用的点火控制组件(N152)为例进行介绍。

图2.87 MCI的组成(桑塔纳2000GSi型轿车)

G40—凸轮轴位置(上止点位置)传感器;G70空气流量传感器;G62—冷却液温度传感器;G72—进气温度传感器;G69—节气门位置传感器;F60—怠速触点开关;G61、G66—爆燃传感器;G28—曲轴位置(曲轴转速与转角)传感器;J220—电控单元;N152—点火控制组件;N122—点火控制器;N128、N—点火线圈;Q—火花塞

1)结构特点

桑塔纳2000GSi型轿车采用直接点火系统,每两个气缸共用一个闭磁路式点火线圈,4个气缸共用两个点火线圈。两个点火线圈与点火控制器组装成一体,称为点火控制组件或功率输出驱动级,固定在发动机缸体上,其结构如图2.88所示。

图2.88 点火控制组件

在点火控制组件(N152)壳体上标注有各缸高压插孔标记A、B、C、D,分别对应于1、2、3、4缸高压插孔。点火控制组件(N152)的内部电路如图2.89所示,两个线圈初级电路的接通与切断由点火控制器(N122)根据ECU发出的指令进行控制。

图2.89 点火控制组件(N152)内部电路

J220-ECU;71—2、3缸点火控制端子;78—1、4缸点火控制端子;N—2、3缸点火线圈;N122—点火控制器;N128—1、4缸点火线圈

1、4缸共用一个点火线圈(N128),初级电流由ECU的端子78发出的信号进行控制;2、3缸共用一个点火线圈(N),初级电流由ECU的端子71发出的信号进行控制。当每个点火线圈次级绕组的电流切断时,初级绕组中产生的高压电同时分配到两个气缸的火花塞跳火。

2)工作原理

接通点火开关,15号电源线以及点火控组件端子2电源接通。当ECU根据曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器以及温度传感器等信号确定1、4气缸需要点火时,立即从控制端子78发出控制脉冲,使点火控制器(N122)中控制点火线圈(N128)的功率三极管截止,点火线圈(N128)的初级电流切断,其次级绕组则产生高压电并加到1、4气缸火花塞上同时跳火。

当2、3气缸需要点火时,ECU从控制端子71发出控制脉冲,使点火控制器(N122)中控制点火线圈(N)的三极管截止,线圈(N)的初级电流切断,次级绕组产生高压电并加到2、3气缸火花塞上同时跳火。

3.点火线圈

带分电器的电子控制点火系统其点火线圈的结构与非电子控制点火系统的点火线圈并无什么差别,而无分电器电子控制点火系统的点火线圈则有多种结构形式。

1)适用于二极管分配的点火线圈

适用于二极管分配同时点火方式的点火线圈具有两个初级绕组,一个次级绕组。高压二极管有直接安装在点火线圈内部和连接在点火线圈外部两种结构形式,如图2.90、图2.91所示。

图2.90 二极管分配同时点火方式的点火线圈(内装式)

1—低压插接器端子;2—初级绕组;3—次级绕组;4—高压二极管;5—高压接线柱

图2.91 二极管分配同时点火方式的点火线圈(外接式)

1—点火线圈;2—高压二极管;3、11—接电子点火模块;4—弹簧;5—初级绕组Ⅰ;6—初级绕组Ⅱ;7—铁心;8、16—高压导电片;9、18—电源接线柱;10、19—高压线插座;12—外壳;13—导磁板;14—衬纸;15—次级绕组;17—变压器油

2)适用于点火线圈分配的点火线圈

适用于点火线圈分配的点火线圈每个都有一个初级绕组和一个次级绕组,两个或三个点火线圈多采用组合安装的形式。适用于六缸发动机的组合式点火线圈(Ⅰ)如图2.92所示。

图2.92 点火线圈分配同时点火方式的点火线圈(Ⅰ)

1—点火线圈A高压线插座;2—点火线圈B高压线插座;3—点火线圈C高压线插座;4—点火线圈低导线插座;5—点火线圈内部电路

图2.93所示的点火线圈分配式点火线圈内部也装有高压二极管,其作用是防止误点火。点火线圈分配方式由于点火线圈与火花塞直接通过导线相连,点火线圈初级通路瞬间在次级所产生的电压(约1000V左右)直接加在火花塞电极两端,如果该火花塞所在的气缸是处于进气终了或压缩行程开始等气缸压力较低且又有可燃混合气的行程,就可能会误点火。

图2.93 点火线圈分配同时点火方式的点火线圈(Ⅱ)

1—支架;2—点火线圈;3—低压插座;4—高压二极管;5—高压引线;6—盖;7—填充材料;8—低压接线柱;9—外壳;10、13—铁心;11—次级绕组;12—初级绕组

在高压回路中串联一个高压二极管(图2.94),利用其单向导电性,使初级绕组通路的瞬间次级产生的电压不能加在火花塞电极上,从而消除了误点火的可能。

图2.94 点火线圈分配同时点火高压回路二极管的作用

e1e2—初级通路瞬间初、次级绕组的感应电动势e1e2—初级断路瞬间初、次级绕组的感应电动势

在一些无分电器电子控制点火系统中,点火线圈与火花塞的连接电路中,有一个3~4mm的间隙,其目的也是为了防止点火线圈初级通路瞬间的误点火。

3)单独点火方式的点火线圈

单独点火方式的点火线圈通常是将点火线圈直接安装在火花塞上端,如图2.95所示。这种点火线圈可省去高压导线,使点火能量的损失和点火系统的故障率进一步降低。

图2.95 单独点火方式的点火线圈

1—接ECU;2—初级绕组;3—次级绕组;4—火花塞

4)桑塔纳GLi、2000GLi轿车闭磁路式点火线圈

现代汽车微机控制点火系统普遍采用闭磁路式点火线圈,如丰田轿车、桑塔纳GLi、2000GLi、2000GSi型轿车及捷达、红旗等轿车微机控制点火系统均采用闭磁路式点火线圈。

(1)结构特点。桑塔纳GLi、2000GLi轿车闭磁路式点火线圈主要由铁心、初级绕组和次级绕组构成,如图2.96所示。

图2.96 闭磁路式点火线圈(桑塔纳GLi、2000GLi轿车)

1—点火线圈负极;2—次级绕组;3—初级绕组;4—高压插孔;5—铁心;6—气隙;15—点火线圈正极;J220—ECU

铁心由浸有绝缘漆的片状“山”字形硅钢片叠合成“日”字形。铁心内绕次级绕组,初级绕组绕在次级绕组的外面,以利于散热。

为了减小磁滞现象,铁心设有一个微小的气隙。由于铁心构成的磁路几乎是闭合回路,因此称为闭磁路式点火线圈。

闭磁路式点火线圈的优点是漏磁少、磁阻小、能量损失小,因此在产生的感应电动势相同的情况下,所需匝数少、体积小。

(2)工作原理。电路连接如图2.96(c)所示。当点火开关接通时,低压电源经点火开关15端子和15号电源线加到点火线圈15端子(点火线圈正极)上。点火线圈1端子(点火线圈负极)与ECU内部的大功率三极管连接,其初级电流的接通与切断由发动机ECU内部电路进行控制。

ECU通过计算导通角大小来控制点火线圈初级绕组的通电时刻,通过计算点火提前角大小来控制初级电流的切断时刻。

2.6.3 MCI控制原理

1.基本控制原理

MCI控制原理如图2.97所示,空气流量传感器(AFS)和节气门位置传感器向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)、空调开关信号及爆燃传感器(DS)信号等,用于修正点火提前角。

图2.97 MCI控制原理

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。当发动机起动、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。

2.点火提前角的确定

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。

理论和实践证明,发动机的最佳点火提前角应能够使发动机的燃烧临近爆燃而又不发生爆燃,发动机的最佳点火提前角随发动机转速和负荷的变化实际上是非线性的,如图2.98所示。

图2.98 最佳点火提前角曲面

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3部分组成。

1)初始点火提前角

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型号,并由曲轴位置传感器的初始位置决定,一般为上止点前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)发动机起动时。

(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。

2)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。

3)修正点火提前角

为使实际点火提前角适应发动机的运转状况,以便得到良好的动力性、经济性和排放性能,必须根据相关因素(如冷却液温度、进气温度、开关信号等)适当增大或减小点火提前角,即对点火提前角进行必要的修正。修正点火提前角的方法有多种,主要有暖机修正和怠速修正。

发动机的实际点火提前角是上述3个点火提前角之和。发动机曲轴每转一圈,ECU计算处理后就输出一个点火提前角信号,因此当传感器检测到发动机转速、负荷、冷却液温度发生变化时,ECU自动调整点火提前角。

当ECU确定的点火提前角超过允许的最大点火提前角或小于允许的最小点火提前角时,发动机很难正常运转,此时ECU将以最大或最小点火提前角允许值进行控制。

3.MCI配电方式

微机控制点火系统高压配电方式分为机械配电和电子配电。

1)机械配电(有分电器电控电子点火系统)

机械配电是由分火头将高压电分配至分电器盖旁电极,再通过高压线输送到各缸火花塞上的传统配电方式。

在这种点火系统的分电器中,有的除保留了传统的机械式配电结构外,不再有传统的分电器中的断电器、离心式和真空式点火提前角调节器。在有些车型的分电器中装有曲轴位置传感器(Ne信号)和凸轮轴位置传感器(G信号)。丰田CAMRY的3S、5S发动机、红旗CA7220E型轿车都采用了该配电方式。

图2.99所示为有分电器电控点火系统电路。ECU根据各输入信号,确定点火时间,并将点火正时信号IGt送至点火控制器(简称点火器)。当IGt信号变为低电平时,点火线圈初级电路由于功率晶体管的截止而被切断,次级感应出高电压,再由分电器按发火顺序送至相应气缸的火花塞上产生电火花。

图2.99 有分电器的电控点火系统

1—主继电器;2—压力传感器;3—温度传感器;4—基准位置传感器;5—转速传感器;6—ECU;7—EFI控制;8—ESA控制;9—点火指令信号;10—电子点火器的IGt接线端子;11—ECU的IGt接线端子;12—电子点火器;13—点火监视回路;14—闭合角控制;15—点火线圈;16—点火开关;17—蓄电池;18—至分电器;19—至发动机转速表

为了产生稳定的次级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)发生电路。

闭合角控制回路的作用是根据发动机转速和蓄电池电压(电源电压)的变化调节闭合角,保证闭合时间(初级绕组通电时间)稳定,以保证足够的点火能量和次级电压。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增大,延长初级绕组的通电时间,防止初级储能下降,确保点火能量。

点火确认信号发生电路的作用是在点火线圈初级电流切断,初级绕组产生自感电动势时,输出点火确认信号IGf给ECU,以监视点火控制电路是否工作正常。

当点火器中的功率晶体管不能正常导通和截止时,ECU就接收不到由点火器反馈回来的点火确认信号IGf,表明点火系统发生故障,ECU将切断燃油喷射脉冲信号,使电磁喷油器停止喷油。

如果由于某种原因,偶尔出现一次不正常信号,ECU并不会判定为故障,一般需点火器6~8次没有点火确认信号(IGf)反馈给ECU,才判定为点火系统故障,停止喷油。

机械配电存在以下缺点。

(1)分火头与分电器盖旁电极之间必须保留一定间隙,以实现高压电分配,因此必然损失一部分火花能量,还会产生无线电干扰源。

(2)曲轴位置传感器转子由分电器轴驱动,旋转机构的机械磨损会影响点火时刻的控制精度。

(3)为了抑制无线电的干扰信号,高压线采用了高阻抗电缆,也要消耗能量。

(4)分火头、分电器盖或高压导线漏电时,会导致高压电火花减弱、缺火或断火。

(5)分电器的布置影响发动机的结构布置和汽车的外形设计。

2)电子配电(无分电器电控电子点火系统)

电子配电由点火控制器控制,点火线圈的高压电按照一定的点火顺序,直接加到火花塞上,实现直接点火,也称为无分电器点火(Distributor-Less Ignition, DLI)系统。

目前,DLI点火系统在汽车上应用广泛,常见的电子配电方式又分为双缸同时点火和各缸单独点火两种,如图2.100所示。

图2.100 常见的电子配电方式

(1)双缸同时点火控制。双缸同时点火是指点火线圈每产生一次高压电,使两个气缸的火花塞同时跳火。次级绕组产生的高压电将直接加在两个气缸(四缸发动机的1、4缸,或2、3缸;六缸发动机的1、6缸,2、5缸,或3、4缸)的火花塞电极上跳火。

双缸同时点火时,一个气缸处于压缩行程末期,是有效点火;另一个气缸处于排气行程末期,缸内温度较高而压力很低,火花塞电极间隙的击穿电压很低,对有效点火气缸火花塞的击穿电压和火花放电能量影响很小,是无效点火。

曲轴旋转一圈后,两缸所处行程恰好相反。双缸同时点火时,高压电的分配方式有二极管分配和点火线圈分配两种形式。

①二极管分配式双缸同时点火。利用二极管分配高压电的双缸同时点火电路,如图2.101所示。点火线圈由两个初级绕组和一个次级绕组构成,次级绕组的两端通过4只高压二极管与火花塞构成回路。4只二极管有内装式(安装在点火线圈内部)和外装式两种。

图2.101 二极管分配高压电的双缸同时点火电路

对于点火顺序为1→3→4→2的发动机,1、4缸为一组,2、3缸为另一组。点火控制器中的两只功率三极管分别控制一个初级绕组,两只功率三极管由ECU按点火顺序交替控制其导通与截止。

当ECU将1、4缸的点火触发信号输入点火控制器时,功率三极管VT1截止,初级绕组A中的电流切断,次级绕组中产生高电压,方向如图2.101中实线箭头所示。

在该电压的作用下,二极管D1、D4正向导通,1、4缸火花塞电极上的电压迅速升高直至跳火,高压放电电流经图中实线箭头所指方向构成回路;D2、D3反向截止,不能构成放电回路,因此2、3缸火花塞电极上无高压火花放电电流而不能跳火。

当ECU将2、3缸点火触发信号输入点火控制器时,三极管VT2截止,初级绕组B中的电流切断,次级绕组产生高压电动势,方向如图2.101中虚线箭头所示。

此时二极管D1、D4反向截止,D2、D3正向导通,因此2、3缸火花塞电极上的电压迅速升高直至跳火,高压放电电流经图中虚线箭头方向构成回路。

②点火线圈分配式双缸同时点火。点火线圈直接分配高压的同时点火电路如图2.102所示,桑塔纳2000GSi、捷达AT和奥迪200轿车点火系统采用了这种配电方式。

点火线圈组件由两个(四缸发动机)或三个(六缸发动机)独立的点火线圈组成,每个点火线圈供给两个火花塞工作(四缸发动机的1、4缸和2、3缸分别共用一个点火线圈;六缸发动机1、6缸,2、5缸,和3、4缸分别共用一个点火线圈)。点火控制组件中设置有与点火线圈数量相等的功率三极管,分别控制一个点火线圈工作。点火控制器根据ECU输出的点火控制信号,按点火顺序轮流触发功率三极管导通与截止,从而控制每个点火线圈轮流产生高压电,再通过高压线直接输送到成对的两缸火花塞电极间隙上跳火点燃混合气。

图2.102 点火线圈直接分配高压的同时点火电路

③高压二极管的作用。在部分点火线圈分配高压的同时点火系统中,点火线圈次级回路中连接有一只高压二极管,用于防止次级绕组在初级电流接通时产生的电压(约为1000V)加到火花塞电极上而导致误跳火。

(2)各缸单独点火控制。点火系统采用单独点火方式时,每一个气缸都配有一个点火线圈,并安装在火花塞上方。在点火控制器中,设置有与点火线圈数目相同的大功率三极管,分别控制每个线圈次级绕组电流的接通与切断,其工作原理与同时点火方式相同。

单独点火省去了高压线,点火能量耗损少,所有高压部件安装在气缸盖上的金属屏蔽罩内,对无线电的干扰降低。

4.发动机爆燃的控制原理

发动机发生严重爆燃时,其动力性和经济性严重下降;当发动机工作在爆燃临界点或有轻微爆燃时,其动力性和经济性最好。利用点火提前角闭环控制系统能有效地控制点火提前角,使发动机工作在爆燃的临界状态。

1)发动机爆燃控制系统的组成

发动机爆燃控制系统由传感器、带通滤波电路、信号放大电路、整形滤波电路、比较基准电压形成电路、积分电路、点火提前角控制电路和点火控制器等组成,如图2.103所示。

爆燃传感器用于检测发动机是否发生爆燃,每台发动机一般安装1~2个。带通滤波器只允许发动机爆燃信号(频率为6~9kHz的信号)或接近爆燃的信号输入ECU进行处理,其他频率的信号则被衰减。

图2.103 发动机爆燃控制系统的组成与控制

信号放大器对输入ECU的信号进行放大,以便整形滤波电路进行处理。接近爆燃的信号经过整形滤波和比较基准电路处理后,形成判定是否发生爆燃的基准电压Ub。爆燃信号经过整形滤波和积分电路处理后,形成的积分信号用于判定爆燃强度。

2)爆燃的判别与控制

发动机爆燃一般发生在大负荷、中低转速(小于3000r/min)时,由于爆燃传感器输出电压的振幅随发动机转速高低不同而变化很大,因此不能根据爆燃传感器输出电压的绝对值判别发动机是否发生爆燃,通常将发动机无爆燃时的传感器输出电压与产生爆燃时的输出电压进行比较,从而作出判别。

(1)基准电压的确定。利用发动机即将爆燃时,爆燃传感器输出信号电压作为判定爆燃的基准电压,如图2.104所示。

图2.104 基准电压的确定方法

首先对传感器输出信号进行滤波和半波整流,利用平均电路求得信号电压的平均值,然后再乘以常数倍即可形成基准电压Ub,平均值的倍数由设计制造时试验确定。因为发动机转速升高时,爆燃传感器输出电压的幅值增大,所以基准电压不是一个固定值,其值将随发动机转速升高而增大。

(2)爆燃强度的判别。发动机爆燃的强度取决于爆燃传感器输出信号电压的振幅和持续时间。爆燃信号电压值超过基准电压值的次数越多,爆燃强度越大;反之,超过基准电压值的次数越少,说明爆燃强度越小。

确定爆燃强度常用的方法如图2.105所示,首先利用基准电压值对传感器输出信号进行整形处理,然后对整形后的波形进行积分,求得积分值Ui。爆燃强度越大,积分值Ui越大;反之,爆燃强度越小,积分值Ui越小。当积分值Ui超过基准电压值Ub时,ECU将判定发动机发生爆燃。

图2.105 爆燃强度的判定方法

(3)发动机爆燃的控制。发动机工作时,缸体振动频繁、剧烈,为使监测得到的爆燃信号准确无误,在监测爆燃过程中,并非随时都在进行,而是在发出点火信号后的一定范围内进行,因为发动机产生爆燃的最大可能性是在点火后的一段时间内。

爆燃控制系统是一个闭环控制系统,发动机工作时,ECU根据各传感器输入的信号,从存储器中查寻出相应的点火提前角控制点火时刻,控制结果由爆燃传感器反馈到ECU输入端,ECU再对点火提前角进行修正。

爆燃传感器的信号输入ECU后,ECU将积分值Ui与基准电压Ub进行比较。当积分值Ui高于基准电压Ub时,ECU立即发出指令,控制点火时刻推迟,一般每次推迟0.5°~1.5°曲轴转角,直到爆燃消除。爆燃强度越大,点火时间推迟越多;爆燃强度越小,点火时间推迟越少。当积分值Ui低于基准电压Ub时,说明爆燃已经消除,ECU又递增一定量的点火提前角控制点火,直到再次产生爆燃为止。爆燃控制系统控制的点火提前角曲线如图2.106所示。

图2.106 爆燃反馈控制曲线

1—点火提前角极限值;2—ECU控制;3—分电器调节

从中不难看出,ECU动态调节点火提前角,使点火提前角始终“游走”在发动机发生爆燃的边缘(“总在河边走,就是不湿鞋。”),以期获得最佳的动力性、经济性和排放性能。