汽车发动机电控系统的组成与结构

（一）有分电器电控点火系统的组成

有分电器微机控制点火系统的组成如图3-1所示，主要由输入信号（各种传感器和开关）、电子控制单元（ECU）、分电器（内装点火控制器）、高压线和火花塞等组成，各组成部件的作用如表3-1所示。

图3-1 有分电器式微机控制点火系统的组成

表3-1 有分电器电控点火系统各组成部件的功用

1．输入信号

输入信号的作用是检测发动机各种运行参数，为控制单元提供点火控制所需的各种信号。主要包括各种传感器（曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆燃传感器、进气管绝对压力传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等）和开关（A/C开关、空档位置开关等），与电控燃油喷射系统共用输入信号。

2．控制单元（ECU）

控制单元是电控点火系统的控制中枢。在发动机工作时，它不断接收各输入信号输入的信息，并进行运算、分析、比较，按内部存储的程序计算出最佳的控制参数，并向执行器发出控制指令。同时，控制单元还具有自诊断功能，当各传感器的输入信号和执行器的工作情况出现异常时，会记录相应的故障信息，以便于诊断时读取。

3．点火线圈

点火线圈利用变压器的原理可将汽车电源提供的12V低压电转变成能击穿火花塞电极间隙的15~20kV的高压直流电。按其磁路结构形式的不同，点火线圈一般分为开磁路式和闭磁路式两种。

（1）开磁路点火线圈 开磁路点火线圈的结构如图3-2所示，点火线圈中心是用硅钢片叠成的条形铁心，由于铁心没有构成闭合回路，所以称为开磁路点火线圈，其磁路如图3-3所示。铁心外部套有绝缘的纸板套管，套管上绕有次级绕组，直径为0.06~0.10mm的漆包线，次级绕组一般约为2万匝。初级绕组是直径为0.5~1.0mm的高强漆包线，绕在次级绕组的外面，初级绕组一般约为200匝，绕组和外壳之间装有导磁钢套。为加强绝缘与防潮，条形铁心底部装有瓷绝缘支座，外壳内充满沥青或变压器油等绝缘物。点火线圈的顶部是胶木盖，并加以密封。

图3-2 点火线圈的结构

图3-3 开磁路点火线圈的磁路

1－磁力线 2－铁心 3－初级绕组 4－次级绕组 5－导磁钢套

为改善点火性能，在应用开磁路点火线圈的点火系初级电路中，一般设有附加电阻（热敏电阻），温度升高，附加电阻阻值增大。这样，当点火线圈温度高时，可减小初级电流，防止点火线圈过热。同时，在起动机起动发动机时，利用起动电路将附加电阻短路，增大初级电流，提高次级电压，有利于发动机起动。附加电阻有两种结构形式，一种是设在点火线圈外部，这种形式的点火线圈有三个接线柱；还有一种附加电阻为导线形式，用来连接点火开关与点火线圈，这种形式的点火线圈有两个接柱。

要点

在早期的点火系中，开磁路点火线圈应用较多。但由于开磁路点火线圈磁路磁阻大，磁通量泄漏多，因此，能量转换效率低，现已很少应用。

（2）闭磁路点火线圈 闭磁路点火线圈也称为高能点火线圈，其结构如图3-4所示。在“口”字形或“日”字形铁心内绕有次级绕组，在次级绕组外面绕有初级绕组，初级绕组产生的磁通量通过铁心构成闭合磁路，其磁路如图3-5所示。与开磁路点火线圈相比，闭磁路点火线圈具有漏磁少、能量损失小、转换效率高、体积小、质量轻和易散热等优点，因此在点火系中广泛应用。

图3-4 闭磁路点火线圈的结构

1－中央高压线接线柱 2－次级绕组 3－铁心 4－初级绕组

4．分电器

分电器的结构如图3-6所示，主要由配电器、信号发生器。配电器（分火关、分电器盖等）的作用是将点火线圈产生的高压电，按照发动机的工作顺序送至各缸火花塞；信号发生器的作用是产生脉冲信号，送给点火控制器，由点火控制器控制初级电路的通断。

图3-5 闭磁路点火线圈的磁路

1－初级绕组 2－磁力线 3－铁心 4－次级绕组

图3-6 分电器的结构

1－垫片 2－电容器 3－导线夹 4－分电器盖 5－点火控制器 6－分电器壳体 7－点火线圈防尘罩 8－分电器电缆 9－分火头 10－点火线圈

5．点火控制器

点火控制器也称为点火模块是电控点火系统的执行元件，其主要功用是根据控制单元（ECU）的指令来控制点火线圈初级电路的导通与截止。其内部为集成电路集成电路，全密封结构。

6．高压线

高压导线用以连接点火线圈与分电器中心插孔以及分电器旁电极和各缸火花塞。由于工作电压很高（一般在15kV以上），电流强度较小，因此高压导线的绝缘包层很厚，耐压性能好，但线芯截面积很小。汽车用高压线有铜芯线和阻尼线两种，其电阻值因车型的不同而不同。

7．火花塞

火花塞的作用是将高压电引入汽缸燃烧室，产生电火花点燃可燃混合气。由于火花塞的工作条件十分恶劣，它要承受高压、高温及燃烧产物的强烈腐蚀，因此，火花塞必须具有足够的强度，能承受温度的强烈变化，应有良好的热特性，火花塞的电极一般采用耐高温、耐腐蚀的镍锰合金钢或铬锰氮、钨、镍锰硅等合金制成，也有采用镍包铜材料制成，以提高散热性能。火花塞的结构如图3-7所示，主要由接线帽、瓷绝缘体、中心电极、侧电极和壳体等组成。中心电极用镍铬合金制成，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能，中心电极做成两段，中间加有导电玻璃，由于导电玻璃和瓷绝缘体的膨胀系数相近，因此，导电玻璃主要是起密封作用。火花塞的间隙一般为1.0~1.2mm。

图3-7 火花塞的结构

火花塞根据其热特性（用热值表示，数字越大，热值越小）的不同，可分为冷型火花塞、中型火花塞和热型火花塞。

要点

绝缘体裙部长的火花塞，其受热面积大，传热距离长，散热困难，裙部温度高，称为热型火花塞。热型火花塞用于低压缩比、低转速、小功率的发动机。

裙部短的火花塞，吸热面积小，传热距离短，散热容易，裙部温度低，称为冷型火花塞。冷型火花塞用于高压缩比、高转速、大功率的发动机。

（二）有分电器电控点火系统工作原理

发动机工作时，ECU根据接收到的各传感器信号，按存储器中存储的有关程序和相关数据，确定出该工况下最佳点火提控制参数（点火时间和通电时间)，并向点火器发出指令。点火器则根据ECU的指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。

要点

当电路导通时，有电流从点火线圈中的初级电路通过，点火线圈将点火能量以磁场的形式储存起来。

当初级电路中的电流被切断时，在次级绕组中将产生很高的感应电动势(15~20kV)。

而此时，随分电器轴一同旋转的分火头正好对准分电器盖上某缸的旁电极，高压电由分缸高压线送给火花塞，点火能量经火花塞瞬间释放，使火花塞跳火，产生的电火花点燃气缸内的混合气，使发动机完成做功过程。

根据以上分析，点火系统的工作过程可分成三个阶段：即初级电路导通，点火能量储存；初级电路截止，次级电路产生高压电；火花塞电极产生电火花，点燃混合气。

此外，在具有爆燃控制功能的电控点火系统中，ECU还根据爆燃传感器的输入信号来判断发动机有无爆燃及爆燃的强度，并对点火提前角进行闭环控制。

（三）有分电器电控点火系统的控制功能

1．点火时间控制

（1）控制方式 有分电器电控点火系统是由控制单元（ECU）来控制一次线圈电流的接通及切断。ECU根据发动机转速以及吸入的空气量即可进行点火时间的控制；此外也可以根据发动机冷却液的温度做点火正时修正。根据所使用曲轴位置传感器的不同，可分为表3-2所示的三种控制方式。

要点

方法Ⅰ中，在各缸间隔度数，即四缸为180°CA时，曲轴位置传感器产生信号；以曲轴位置信号产生时刻为基准时，只要先求出整个步骤进行的通电时间，就可以计算出从通电开始至电源切断时的点火时间，然后根据此项数据便可以利用微计算机的处理器来进行控制。此方法是三种方法中构造最简单的一种。

方法Ⅱ是采用产生气缸间隔为180°CA信号与30°CA信号的曲轴位置传感器，以180°CA信号算出通电开始时间，然后由处理器控制从30°CA信号到通电开始至电源切断的时间。

方法Ⅲ是采用产生气缸信号1°CA信号的曲轴位置传感器。以气缸信号为基准，每隔1°CA信号递减计数一次，再以所定的曲轴角度产生通电开始及切断信号，方法Ⅱ、Ⅲ的控制精度良好，但曲轴位置传感器的构造较复杂。

表3-2 三种曲轴位置传感器与点火控制方式

（续）

（2）点火时间的确定 点火时间控制可分为两个阶段控制，第一阶段是起动时点火时间控制，第二阶段是起动后点火时间控制。(www.xing528.com)

①起动时点火时间控制。起动时发动机转速通常都低于500r/min，由于进气量或进气歧管压力信号不稳定，故根据发动机形式，将点火时间固定在一定值。通常由ECU内的备用IC直接设定固定点火时间。

②起动后点火时间控制。

起动后的点火时间＝固定时间＋基本点火时间＋修正点火时间

基本点火时间是由进气量或进气歧管压力信号与发动机转速信号决定。在ESA中，基本点火时间相当于传统式的离心提前与真空提前角度。有些形式的发动机存储器中储存有两组基本点火时间数据，要使用哪一组，是由汽油的辛烷值而定，驾驶人可通过手动开关控制，或系统可自动切换。修正点火时间是由各相关传感器的信号为基础而修正。

（3）点火时间修正 ECU可根据各传感器的输入信号对点火进间进行修正，修正内容如下：

①低温修正。根据冷却液温度传感器等信号，在低温时，ECU使点火提前，以保持低温运转性能；当气温极低时，点火提前可达约15°。

②暖车修正。根据冷却液温度传感器等信号，当发动机冷却液温度低时，ECU使点火提前，以改善驾驶性能。有些形式发动机在暖车修正时，会根据空气流量计信号，以适当提前点火角度。

③怠速稳定修正。怠速运转时，转速因空调等的发动机负荷改变而变化时，ECU会改变点火时间，使怠速转速稳定。ECU不断的计算发动机转速平均值，若转速低于目标转速时，ECU使点火提前；若转速高于目标转速时，ECU使点火延后。最大点火时间修正值为±5°，当发动机转速超过预设值时，怠速稳定修正不再作用。

④高温修正。根据冷却液温度传感器信号，当冷却液温度过高时，为避免发动机过热与爆燃，ECU会使点火时滞，高温修正时的最大点火时滞为5°。

⑤空燃比回馈修正。发动机的空燃比回馈系统作用时，转速会随燃油喷射量的增加或减少而变化，而怠速对空燃比的改变特别敏感。因此根据氧传感器、节气门位置传感器、车速传感器等信号，配合空燃比回馈修正的喷油量，ECU将点火提前，以确保怠速稳定。空燃比回馈修正的最大点火提前角度为5°，在车辆行驶时，此修正会停止作用。

⑥转矩控制修正。配备电子控制自动变速器的车辆，在换档时，行星齿轮组的离合器或制动器接合时会产生某种程度的振动。因此根据曲轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等信号，在档位开始变化时，ECU使点火时滞，减低发动机转矩，以降低向上或向下换档产生的振动。当冷却液温度或蓄电池电压低于预设值时，转矩控制修正不起作用。

⑦爆燃修正。当发动机产生爆燃时，ECU根据信号的程度，分成强、中、弱三种，爆燃较强时，点火时滞较多；爆燃较弱时，点火时滞较少。当爆燃停止时，ECU停止点火延迟，并开始提前点火，一次一个固定角度。爆燃修正时的最大点火提前角度为10°。

2．通电时间控制

（1）通电时间控制方法 通电时间控制也称闭合角控制。对于电感储能式电控点火系统，当点火线圈的初级绕组被接通后，通过绕组的电流是按指数规律增大的。初级绕组被断开瞬间所能达到的断开电流值与初级绕组接通时间长短有关。只有通电时间达到一定值时，初级电流才可能达到饱和。次级绕组高压的最大值与初级断开电流成正比，而次级电压的高低又直影响点火系工作的可靠性，所以在发动机工作时，必须保证点火线圈的初级电路有足够的通电时间。但如果通电时间过长，点火线圈又会发热并增大电能消耗。要兼顾上述两方面的要求，就必须对点火线圈初级电路的通电时间进行精确控制。

影响初级绕组通过电流的主要因素有发动机转速和蓄电池电压。为了保证在不同的蓄电池供电电压和不同的转速下都具有相同的初级断开电流，电控单元根据蓄电池电压和发动机转速信号，从预置的通电时间数据表中查出相应的数值，对通电时间进行控制，如图3-8所示。

图3-8 闭合角控制模型

当发动机转速高时，适当增大闭合角，以防止初级绕组通过电流值下降，造成次级高压下降，点火困难；当蓄电池电压下降时，基于相同的理由，也应适当增大闭合角。

通过对通电时间的准确调节，不但改善了点火系统的点火性能，而且还可以防止初级绕组发热和电能的无效损耗。

（2）点火线圈恒流控制 在电控点火系统中，为了减小转速对次级电压的影响，提高点火能量，采用了初级绕组电阻很小的高能点火线圈，其初级电流最高可达30A以上。为了防止初级电流过大烧坏点火线圈，在电控点火系统的点火控制电路中增加了恒流控制电路，保证在任何转速下初级电流均为规定值（7A），既改善了点火性能，又能防止初级电流过而烧坏点火线圈。

图3-9 恒流控制电路

1－功率晶体管 2－偏流回路 3－过压保护回路 4－传感器 5－波形整形回路 6－通电发生回路 7－放大回路 8－点火器 9－通电率控制回路 10－恒流控制回路 11－电流检测电阻

恒流控制电路如图3-9所示。恒流控制的基本方法是：在点火器功率晶体管的输出回路中增设一个电流检测电阻，用电流在该电阻上形成的电压降反馈控制晶体管的基级电流，只要这种反馈为负反馈，就可使晶体管的集电极电流稳定，从而实现恒流控。

3．爆燃控制

爆燃是汽油机工作时的一种不正常燃烧现象，是汽油机运行中最有害的一种故障现象。

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燃点，同时又不能使发动机发生爆燃。要使点火系统达到这样的性能要求，除了必须采用电子控制的点火系统外，还必须对点火提前角采用爆燃反馈控制。为此，需要对发动机的气缸压力或其他能对发动机爆燃作出判断的相关参数进行检测，ECU根据检测传感器信号，对发动机是否发生爆燃作出判断，然后发出相应的执行指令。

要点

轻微的爆燃，可使发动机功率上升，油耗下降。

爆燃严重时，气缸内发出特别尖锐的金属敲击声，且会导致冷却液过热、火花塞或活塞产生过热、熔损等，造成发动机的严重损坏，因此必须防止爆燃的发生。

（1）爆燃传感器 对发动机爆燃的检测可以采用气缸压力检测、燃烧噪声检测和发动机机体振动检测等方法，燃烧噪声检测是一种非接触式检测方法，其耐久性好，但精度和灵敏度偏低。气缸压力检测方法精度最高，但传感器的耐久性差，安装困难。发动机机体振动检测方法，也称缸壁振动型检测方法，这种检测方法具有较高的检测精度，传惑器安装方便灵活，耐久性也较好，是目前最常用的爆燃检测方法。

发动机机体振动检测方法所使用的传感器安装在发动机机体上，将发动机的振动转换成电压信号输送到ECU，ECU根据输入电压信号对是否爆燃进行判断。检测机体振动所用的传感器有磁致伸缩式和压电式两种类型。

1）磁致伸缩式爆燃传感器。磁致伸缩式爆燃传感器的外形和结构如图3-10所示。它由高镍合金的磁心、永久磁铁、感应线圈、壳体等构成。

当机体振动时，磁心受到机体振动的影响，在传感器内产生轴向振动，使通过感应线圈的磁通发生变化，在感应线圈产生感应电动势，此电动势即是爆燃传感器输出电压信号。传感器输出的电压信号的大小与发动机振动的频率有关，当传感器自振频率与设定爆燃强度时发动机的振动频率产生谐振时，传感器的输出电压将达到最大值，如图3-11所示，ECU根据该传感器的输出电压，就可以对发动机是否爆燃作出判断。

2）压电式爆燃传感器。压电式爆燃传感器是一种利用压电原理检测机体振动的传感器。根据它们的结构特点，它又分为共振型、非共振型等形式。

图3-10 磁致伸缩式爆燃传感器

图3-11 磁致伸缩式爆燃传感器输出特性

①共振型压电式爆燃传感器。共振型压电式爆燃传感器，是利用产生爆燃时发动机振动频率与传感器本身的固定频率“合拍”时产生共振现象，来检测爆燃是否发生的，其结构如图3-12所示。该传感器由压电元件、振荡片、基座等构成。压电元件紧密贴合在振荡片上，振荡片则固定在传感器的基座上。

图3-12 共振型压电爆燃传感器

要点

发动机工作时，振荡片随机体的振动而振荡，振荡片的振荡使与它紧密贴合的压电元件变形，并产生电压信号，此电压信号即是传感器的输出信号。

当发动机爆燃时的振动频率与振荡片的固有频率“合拍”时，振动荡片产生共振，此时压电元件将产生最大的电压信号，如图3-13所示，这种传感器在爆燃发生时的输出电压比无爆燃时的输出电压高得多，因此不需要滤波器，ECU即可判别是否发生爆燃。

②非共振型压电式爆燃传感器。非共振型压电式爆燃传感器是以接收加速度信号的形式来判断是否产生爆燃，其结构如图3-14所示。它由两个同极性相向对接的压电元三件和配重构成，结构简单，制造时不需调整。

图3-13 共振型压电爆燃传感器的输出特性

图3-14 非共振型压电式爆燃传感器

发动机机体振动时，传感器内部的配重受机体振动的影响而产生加速度，压电元件就会受到配重加速时惯性力的作用，而产生电压信号。在爆燃发生时的频率及该频率附近，这种频率传感器输出的信号不会很大，而是具有平的输出特性如图3-15所示。因此，为了能够根据该传感器输出的电压识别发动机是否发生爆燃，必须将反映发动机振动频率的输出电压信号送到识别爆燃的滤波器中，以判别是否有爆燃信号产生。

图3-15 非共振型压电式爆燃传感器输出特性

非共振型压电式爆燃传感器感测频率茫围设计成零至数千赫兹，可检测具有较宽频率带的发动机振动频率。用于不同发动机上时，只需调整滤波器的过滤频率就可使用，而不需更换传感器，这是非共振型压电式爆燃传感器最突出的优点。

（2）爆燃控制方法 点火时刻是影响爆燃的主要因素之一，推迟点火时刻（即减小点火提前角）对消除爆燃有明显的作用。ECU对爆燃的控制过程如图3-16所示，ECU首先把来自爆燃传感器的输入信号进行滤波处理，滤波电路只允许特定范围频率的爆燃信号通过滤波电路，由此达到将爆燃信号与其他振动信号分离的作用。然后，ECU将此信号的最大值与爆燃强度基准值进行比较，对是否发生爆燃及爆燃的强弱程度作出判断，如信号最大值大于基准值，则表示发生爆燃，ECU逐渐推迟点火时刻（减小点火提前角），直到爆燃消失为止。无爆燃时则逐渐提前点火时刻（增大点火提前角），当再次出现爆燃时，ECU又开始逐渐减小点火提前角。

要点

爆燃控制过程就是对点火时刻进行反复调整的过程，爆燃控制可以使实际的点火提前角始终保持最佳，使发动机的动力性、经济性和控制有害物的排放都达到较佳的水平。

由于发动机工作时振动较剧烈，为了防止产生错误的爆燃判别，ECU对爆燃信号的监测不是连续进行的，只限于发动机点火后可能发生爆燃的时段的振动信号，才被输入比较电路进行比较和判别，如图3-17所示。

图3-16 爆燃控制过程

图3-17 爆燃判断的范围

当发动机的负荷低于一定值时，一般不会发生爆燃，此时ECU对点火提前角实行开环控制。在这种情况下，ECU对爆燃传感器的输入信号不再进行判别分析，只按预置数据及相关传感器的输入信号控制点火提前角的大小。对于应采用开环控制还是闭环控制，ECU通过对反映发动机负荷状况的传感器的输入信号的分析，作出相应的处理。