汽车构造第2版：电控点火系统分类

电控点火系统可分为有分电器式和无分电器式两种形式,其中无分电器式电控点火系统又可根据点火线圈的数量和高压电分配方式的不同,分为无分电器线圈配电式同时点火系统、无分电器二极管配电式同时点火系统和无分电器单独点火系统三种形式。

1.有分电器的电控点火系统

(1)基本组成和原理。有分电器的电控点火系统的分电器中只有配电器(可能有曲轴位置传感器),没有真空点火提前装置和离心提前装置。点火提前角由计算机根据各传感器的信号控制,克服了电子点火系统点火提前角控制不够精确的缺点,进一步提高了发动机的动力性和经济性,同时排放污染进一步减小。其组成和基本电路如图7-8所示,主要由电源、传感器、ECU、点火器、点火线圈、分电器和火花塞等组成。有分电器的电控点火系统的主要特点:只有1个点火线圈。

图7-8　有分电器的电控点火系统组成

(2)有分电器的电控点火系统的工作过程。各种车型有分电器电控点火系统的工作过程基本相同,下面以丰田系列轿车常用的有分电器电控点火系统为例加以说明。

如图7-9所示,丰田轿车电控点火系统电路主要由点火线圈、点火器、发动机ECU和分电器(包含配电器和磁感应式曲轴位置传感器)等组成。工作时由点火开关提供的电源同时进入点火线圈正极、点火器和发动机ECU,向点火线圈、点火器和发动机ECU供电,点火线圈的初级线圈通电。该电流由点火线圈的“+”端子→点火线圈的“-”端子→点火器接线柱1,经点火器内部三极管搭铁,从而形成初级电流。随后ECU根据转速信号(Ne)和曲轴位置信号(G)、进气歧管真空度(或进气流量)信号以及启动开关信号等计算最佳点火提前角,通过IGT端向点火器接线柱4输出点火正时信号,控制点火器接线柱1和搭铁之间的三极管饱和和截止的时刻。三极管截止时,在点火线圈的次级线圈产生很高的感应电动势,经分电器送至工作气缸的火花塞,点火能量被瞬间释放,并迅速点燃气缸内的混合气,发动机完成作功过程。点火控制器在执行ECU的点火正时信号的同时,还向ECU送回一个已点火信号(IGF)。当ECU接收不到点火控制器反馈的IGF信号时,会立即控制喷油器停止喷油,使发动机熄火,以避免点火不正常或不点火时喷入的燃油未经燃烧直接由气缸排入排气管中,造成三元催化反应器因过量的氧化反应而被烧坏。

此外,ECU还会在发动机工作期间不断地检测爆震传感器输出的信号,在产生爆震时将点火提前角减小,爆震消除后又分步将点火提前角调回到爆震前的状态,实现点火提前角的闭环控制。

图7-9　丰田凌志轿车电控点火系统电路

2.无分电器的电控点火系统

无分电器的电子点火控制系统又称为直接点火系统(Distributorless Ignition System或Direction Ignition System,DIS),用电子控制装置取代了分电器,电控单元控制点火线圈模块实现点火高压的分配。它取消了传统点火系统或普通电子点火系统中的分电器总成,直接将点火线圈次级绕组与火花塞相连,即把点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火。利用电子分火控制技术将点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火,点火线圈的数量比有分电器电控点火系统多,其结构和控制电路复杂。无分电器的电子点火控制系统具有以下优点:由于废除分电器,节省空间;没有配电器,不存在分火头与分电器旁电极间产生火花,因此有效地降低点火系统对无线电的干扰;点火系统为全电子电路,无机械零件,无机械故障。无分电器的电子点火系统可分为双缸同时点火的配电方式和单独点火的配电方式,如图7-10所示。

图7-10　无分电器点火配电方式

(a)同时点火点火线圈配电;(b)同时点火二极管配电;(c)单独点火

(1)同时点火的无分电器电控点火系统。同时点火方式是利用一个点火线圈对活塞接近压缩上止点和排气上止点的两个气缸进行点火的高压配电方式。其中,活塞接近压缩行程上止点的气缸点火后,混合气燃烧做功,该气缸火花塞产生的电火花是有效火花;活塞接近排气行程上止点的气缸,火花塞产生的电火花是无效火花。由于排气气缸内的压力远低于压缩气缸内的压力,排气气缸中火花塞的击穿电压也远低于压缩气缸中火花塞的击穿电压,因而绝大部分点火能量主要释放在压缩气缸的火花塞上。同时在点火方式中,由于点火线圈仍然远离火花塞,所以点火线圈与火花塞仍然需要高压线连接。同时点火方式的主要特点:点火线圈的个数等于气缸数的一半。同时点火方式只能用于气缸数为偶数的发动机。同时点火方式又分为点火线圈配电式和二极管配电式两种。

1)点火线圈配电式同时点火系统。点火线圈配电方式是一种直接用点火线圈分配高压电的同时点火方式。几个相互屏蔽的、结构独立的点火线圈组合成一体,称为点火线圈组件。点火控制器中有与点火线圈数量相等的功率三极管,各控制一个点火线圈的工作。点火控制器根据电脑提供的点火信号,由气缸判别电路按点火顺序轮流触发功率三极管,使其导通或截止,以此控制点火线圈初级绕组的通断,产生次级电压而点火。

有些点火线圈分配式同时点火系统,在点火线圈的次级绕组中串联一个高压二极管,其作用是防止高速时初级绕组导通而产生的次级电压形成误点火。

2)二极管配电式同时点火系统。二极管配电式同时点火方式[图7-10(b)]是利用二极管的单向导通特性,对点火线圈产生的高压电进行分配的同时点火方式。与二极管配电方式相配的点火线圈有两个初级绕组,一个次级绕组,相当于是共用一个次级绕组的两个点火线圈的组件。次级绕组的两端通过两个高压二极管与火花塞构成回路,其中配对点火的两个气缸的活塞必须同时到达上止点,即一个处于压缩上止点时,另一个处于排气上止点。电控单元根据曲轴位置等传感器输入的信息,计算、处理,输出点火控制信号,通过点火控制器中的两大功率三极管,按点火顺序控制两个初级绕组的电路交替接通和断开。二极管配电式同时点火系统的主要特点是:四个气缸共用一个点火线圈,发动机气缸数必须是四的整数倍,因此特别适宜于四缸或八缸发动机。

下面以丰田皇冠汽车无分电器同时点火系统为例分析同时点火的无分电器电控点火系统基本控制原理。其控制电路如图7-11所示,曲轴位置传感器可向ECU输出G1、G2和Ne三个信号,用于判别气缸、检测曲轴转角和确定初始点火提前角。

a.G1信号的作用是用来判别六缸压缩行程上止点的位置:G1信号线圈产生电压波形的时刻设定在六缸压缩行程上止点,因此只要G1信号出现,电控单元(ECU)即可断定为六缸处在压缩行程上止点附近。

b.G2信号与G1信号波形相同,但两信号相隔180°凸轮轴转角(360°曲轴转角)。因此,其作用是用来判别一缸压缩行程上止点的位置,即当G2信号出现时,表示一缸在压缩行程附近。

c.Ne信号的转子上有24个齿,每旋转一周(发动机旋转两周)产生24个信号,其波形与G1和G2信号波形基本相同。每个Ne信号波形表示15°凸轮轴转角(即30°曲轴转角)。由于每个波形表示的曲轴转角过大,点火控制会引起较大误差,因此需要通过电控单元(ECU)中的转角脉冲发生器将传感器产生的每个信号转换成60个脉冲,从而将Ne信号转子每转产生的24个脉冲转变成为1440个脉冲,即每个脉冲表示0.5°曲轴转角,从而提高了点火提前角和闭合角的控制精度。实际点火控制就是以信号G为基准信号,根据Ne信号确定点火提前角和闭合角。

图7-11　丰田皇冠汽车无分电器点火电路

d.电控单元(ECU)通过曲轴位置传感器接收到G1、G2、Ne信号后,向电子点火器输出IGt、IGdA、IGdB三个信号(图7-12)。其中IGt信号是点火正时信号,IGdA和IGdB信号是ECU输送给点火器的判断信号,点火器中的气缸判别电路根据输入的IGdA和IGdB的信号状态,决定接通哪条驱动电路,并将点火正时的IGt信号送往与此驱动电路相连接的三极管。当IGt的下边沿到来时,与该三极管相连接的点火线圈产生高电压,完成该缸的点火。

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图7-12　IGt、IGdA和IGdB信号和点火时刻

在点火系统完成正常点火的同时,电子点火系统向电控单元(ECU)反馈IGf点火确认信号,即将点火线圈初级电路通、断的信号反馈给电控单元(ECU)。在发动机工作过程中,当IGf点火确认信号连续3～5次无反馈时,ECU则判断为点火系统有故障,发出指令强制停止喷油器工作,以免造成缸内喷油过多,使发动机再次启动困难或加大三元催化转化装置的负荷。

(2)单独点火的无分电器电控点火系统。单独点火的无分电器电控点火系统是将点火线圈直接安装在火花塞的顶上,这样不仅取消了分电器,也同时取消了高压线,故分火性能较好。相比而言,其结构与点火控制电路最为复杂。

单独点火方式每个气缸的火花塞配一个点火线圈,单独对本缸点火,单独点火方式可用于任意气缸数的发动机,如图7-13所示。绝大部分无分电器点火系统均采用无高压线的直接点火方式,这也是目前点火系统发展的最高阶段。其主要特点是:每缸一个点火线圈,即点火线圈的数量与气缸数相等。由于无机械分电器和高压导线,因而能量损失、漏电损失小,各缸的点火线圈和火花塞均由金属罩包覆,其电磁干扰大大减小。由于每缸都有点火线圈,该特制点火线圈的充放电时间极短,能在发动机转速高达9000r/min时提供足够的点火电压和点火能量。无机械分电器,恰当地将点火线圈安装在双凸轮轴的中间,充分利用了有限空间,因而节省了发动机周围的安装空间,使其结构更加紧凑、安装更加合理。

该点火系统的点火线圈次级绕组与火花塞之间的高压电路中留有3～4mm的间隙,其作用是防止初级电路接通时的误点火。

3.电控点火系统点火提前角的控制方式

在电控点火系统中,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。在发动机启动时,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控制点火正时信号IGt。

(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根据G1或G2信号把点火提前角定为压缩行程上止点前10°,ECU计算点火正时,就把这一点作为参考点。这个角度称作初始点火提前角,其大小随发动机而异。

图7-13　单独点火的无分电器电控点火系统

1—发动机ECU;2—点火线圈和点火控制器总成;3—凸轮轴位置传感器;4—曲轴位置传感器;5—火花塞

(2)点火提前角的确定。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+基本点火提前角+修正点火提前角(或延迟角),修正点火提前角受水温、进气温度等因素影响(图7-14)。

图7-14　实际点火提前角组成

(3)点火提前角的控制。

点火提前角的控制如图7-15所示。

图7-15 点火提前角的控制

1)启动期间的点火时间控制。发动机在启动时,在固定的曲轴转角位置点火,与发动机的工况无关。

2)启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。

4.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。

在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,这样既控制了爆震的发生,又能更有效地得到发动机的输出功率。

(1)爆震控制系统它由爆震传感器和ECU两大部分组成。从硬件上看,爆震控制系统实际上就是加了爆震传感器的电控点火控制系统。

(2)爆震控制方法。其工作原理是: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。