汽车电控点火系统：组成与原理

1.电控点火系统的发展概况与特点

（1）电控点火系统发展概况 在1976年，美国克莱斯勒汽车公司首次将微型计算机应用于点火时刻控制。这种电子点火提前调节装置可满足对点火时刻控制高精度的要求，因此得到了迅速的推广应用。微型计算机控制的燃油喷射系统出现后，点火提前角控制功能通常作为发动机电控系统的一部分，由发动机电控系统协调控制。仅将点火提前角控制电子化的点火控制技术称为改进型电控点火系统，因为它还采用了传统的高压配电方式。随后出现的全电控点火装置则采用电子高压配电方式，这种电控点火装置无分电器，有的甚至无高压导线，其点火性能进一步提高。目前，全电子点火控制装置已在汽车上得到了广泛的应用。

（2）电控点火系统的特点 电控点火系统由微型计算机根据各有关传感器的电信号确定最佳的点火时间并进行实时调整，这种点火提前角控制方式具有如下的优点：

1）可实现最佳点火时间控制。电子控制点火实现了非线性控制，使发动机在各工况下都能处于最佳的点火状态。

2）可针对各种影响因素修正点火时间。电控点火系统ECU根据发动机温度传感器、进气压力传感器和混合气浓度传感器等的信号，及时对点火提前角进行修正，使发动机在任何状态下都不偏离最佳的点火提前角控制。

3）可与其他电控系统实现协调控制。电控点火系统可接受其他电控系统的有关信号，及时对点火提前角进行适当的调整，以使发动机的运转和汽车的运行更加平稳。

相比于改进型电控点火系统，全电控点火系统还具有如下的优点：

1）减少了点火能量的损失。传统的高压配电方式工作时，分电器与旁电极之间的跳火和具有较高电阻的高压导线均会损失部分点火能量，电子高压配电避免了这部分能量损失，提高了有效的点火能量。

2）降低了点火系统的故障率。配电器在高压下工作，分电器盖、分电器及高压导线等的漏电或烧损是电子点火装置常见的故障，采用电子高压配电则避免了这些故障可能，从而提高了点火系统的工作可靠性。

3）增加了点火线圈（或初级线圈）的个数。对于每个点火线圈来说，初级线圈的可通电时间增加了2～6倍。因此，即使发动机在极高的转速下，初级线圈也有充足的通路时间，从而保证了发动机在高速时具有足够的点火能量和次级电压。

2.电控点火系统的组成

目前，电控点火系统在设计和结构上随着汽车生产厂家、生产年代的不同都有所不同，但基本结构是大同小异，主要由传感器、ECU、点火器、点火线圈和火花塞等组成，如图2-1所示。

图2-1 电控点火系统的组成

（1）传感器及其传递的信号 传感器是监测发动机各种运行工况信息的装置，主要有曲轴位置传感器、空气流量计、冷却液温度传感器、氧传感器、节气门位置传感器、车速传感器、空档开关、点火开关、空调器开关、蓄电池、进气温度传感器和爆燃传感器。

1）曲轴位置传感器。曲轴位置传感器用于提供曲轴转角（发动机转速）信号和活塞位置（上止点）信号。

2）空气流量计（绝对压力传感器）。空气流量计用于提供进气量信号。

3）冷却液温度传感器。冷却液温度传感器用于提供冷却液温度信号。

4）氧传感器。氧传感器用于提供空燃比浓稀信号。

5）节气门位置传感器。节气门位置传感器用于提供节气门开度或全开、全闭、加速信号。

6）车速传感器。车速传感器用于提供车速信号。

7）空档开关。空档开关用于提供变速器空档信号。

8）点火开关。点火开关用于提供点火开关接通及起动信号。

9）空调器开关。空调器开关用于提供空调信号。

10）蓄电池。蓄电池用于提供电池电压信号。

11）进气温度传感器。进气温度传感器用于提供进气温度信号。

12）爆燃传感器。爆燃传感器用于提供爆燃信号。

（2）ECU 电控系统的核心部件是ECU。在发动机工作时，ECU接收各传感器的信号，经分析、比较和计算后确定控制对象和范围，发出指令控制执行器，使发动机有最佳的进气量、空燃比、点火时刻，同时视情况调节发动机的怠速转速。

ECU根据转速、负荷和冷却液温度传感器的信号确定实际工况的最佳点火提前角，再由发动机转速传感器（曲轴位置传感器或凸轮轴位置传感器）确定活塞在气缸内的实际位置，并发出指令控制电子点火组件（电子点火器），由电子点火组件完成点火线圈一次电路接通和断开的控制，从而在次级线圈内产生出20000V左右的高电压，高压击穿火花塞间隙产生电火花，点燃可燃混合气。

ECU的基本构成包括输入/输出接口电路、A-D转换器、微型计算机以及电源电路等。

（3）执行元件

执行元件包括点火器、点火线圈、分电器和火花塞。

1）点火器。点火器将电控系统输出的点火信号进行功率放大后，驱动点火线圈工作。

2）点火线圈。点火线圈将火花塞跳火所需的能量存储在其产生的磁场中，同时将电源提供的低压电转变为足以在火花塞电极间产生击穿点火的15～20kV高电压。在有分电器的电控点火系统中只有一个点火线圈，而在无分电器的点火系统中则有多个点火线圈。

3）分电器。在有分电器的点火系统中，分电器根据发动机的点火顺序将点火线圈产生的高压电依次输送给各缸火花塞。

4）火花塞。火花塞主要是利用点火线圈产生的高压电产生电火花，从而点燃气缸内的混合气。

（4）控制软件 电控点火系统采用实时控制，控制精度高，运算速度快，因此一般都采用汇编语言编程。为了便于程序编写与调试，一般采用模块化结构将程序分成若干个子程序进行编写与调试。

点火控制软件的流程主要由主程序、自检程序、故障报警程序、起动子程序、滑行子程序和怠速子程序等组成，如图2-2所示。

图2-2 电控点火系统的控制流程简图

主程序的主要功用：监测并判定发动机的工作状态，从点火脉谱图中查询、计算、确定点火时间和点火提前角并发出点火指令，控制初级线圈中的电流接通与切断。

3.电控点火系统的种类及工作原理

（1）有分电器点火系统 图2-3所示为丰田皇冠3.0轿车2JZ-GE发动机点火系统的工作原理。该发动机采用的是有分电器点火系统（Distributor Ignition，DI），曲轴位置传感器装在分电器内，其中G1、G2耦合线圈和G转子配合产生G1、G2信号，用来确定活塞上止点的位置；Ne耦合线圈和Ne转子配合产生Ne信号，用来确定曲轴转速。

发动机工作时，ECU根据发动机转速和发动机负荷等传感信号确定出最佳点火提前角，根据曲轴位置传感器信号确定出各缸活塞的位置，并在适当时刻向点火器输出点火信号IGt，点火器则根据ECU的指令控制点火线圈一次电路周期性地接通与断开，从而在次级线圈中产生高压电，再由分电器按照发动机的点火顺序将点火线圈产生的高压电依次输送给各缸火花塞。在点火过程中，一次电路每通断一次，点火器都会向ECU反馈一个点火确认信号IGf。当ECU连续6次接收不到IGf信号时，便判定点火系统有故障，控制喷油器停止喷油。

（2）无分电器点火系统 无分电器点火系统（Distributorless Ignition，DLI）是指在点火器控制下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的点火系统。无分电器点火系统能够将点火线圈产生的高压电不经过分电器直接送到火花塞，因此无分电器点火系统又称为直接点火系统。无分电器点火系统彻底取消了传统点火系统中的分电器，分电器原有的功能（断电、配电和点火提前）由电控装置和传感器来完成，点火性能更加可靠。

无分电器点火系统有两种类型，即同时点火方式和单独点火方式。(www.xing528.com)

1）同时点火方式。同时点火方式是指两个气缸共用一个点火线圈，该点火线圈的高压电使两缸的火花塞同时跳火，如图2-4所示。这种点火方式是将次级线圈的两端作为高压输出端，直接与两个火花塞相连。同时跳火的两缸应满足如下条件：当一缸处于压缩行程上止点时，另一缸处于排气行程上止点。曲轴旋转一圈后，两缸所处的行程正好相反。例如6缸发动机，1缸和6缸、2缸和5缸、3缸和4缸共用一个点火线圈，火花塞串联，同时点火。由于压缩缸的压力大，所需击穿电压高，而排气缸的压力小（接近于大气压力），易放电，所需的击穿电压低，因此，当两缸火花塞同时跳火时，压缩缸承受大部分电压降，而排气缸承受的电压降则很小（电能损失也小），使得压缩缸能跳出强烈的火花，点燃可燃混合气。

注意：双缸同时点火系统在维修和使用时要注意火花塞电极的极性，必须保证从哪个缸拆下装回哪个缸，不能互换。更换新火花塞时按原厂资料要求进行更换，否则由于装错缸位（或更换不同型号的火花塞，双缸点火的同位缸跳火的极性不同）改变了火花塞的跳火极性，造成火花塞烧蚀过快，使用寿命缩短。拆下的火花塞装错缸位，易改变火花塞极性以及导致装上的火花塞间隙与原缸火花塞间隙不同（即与原缸火花塞产生的火花能量不同而改变该缸的混合气燃烧条件），使发动机气缸工作不稳定、性能下降等。

同时点火系统的高压配电方式有两种：点火线圈分配方式和二极管分配方式。

①点火线圈分配方式。如图2-4所示，在6缸发动机上共有3个独立的点火线圈，每个点火线圈向配对的火花塞供电。点火器中功率晶体管的数量与点火线圈的数量相同，每个功率晶体管控制一个点火线圈的工作。发动机工作时，发动机ECU向点火器输出点火控制信号，点火器按点火顺序依次控制功率晶体管导通或截止，使一次电路周期性地接通与断开，点火线圈周期性地产生高压，高电压使配对的两缸火花塞跳火。

丰田皇冠轿车无分电器同时点火系统的主要组成部分包括曲轴位置传感器、发动机ECU、点火器、点火线圈和火花塞等。

图2-3 丰田皇冠3.0轿车2JZ-GE发动机点火系统的工作原理

图2-4 丰田皇冠汽车无分电器电控点火系统

曲轴位置传感器有G1、G2、Ne三个线圈，用于产生三个电信号（G1信号、G2信号和Ne信号）向ECU提供曲轴位置信号和曲轴转速信号，以判别气缸、检测曲轴转角并决定点火时间的原始设定位置，如图2-5所示。

图2-5 G1、G2、Ne信号之间的关系

a.G信号。通过合理设计G1信号，使之产生于6缸活塞到达压缩行程上止点附近。因此，只要产生G1信号，就表示6缸活塞位于压缩行程上止点附近。同理，使G2信号产生于1缸活塞到达压缩行程上止点附近，只要产生G2信号，就表示1缸活塞位于压缩行程上止点附近。G2信号与G1信号相隔180°（曲轴转角为360°）。

b.Ne信号。产生Ne信号的正时转子的作用是根据点火时间的原始设定位置与点火提前角，通过Ne脉冲信号计算出实际点火时刻。Ne正时转子有24个齿，它每转一圈在Ne线圈上就会产生24个脉冲信号。每个脉冲信号占用的正时转子角度为15°（曲轴转角为30°）。ECU将接收到的正时转子每转一圈的24个脉冲信号转变为曲轴每转一圈的720个脉冲信号，即转变为每0.5°曲轴转角产生一个脉冲信号。ECU以这种小角度的脉冲信号进行计算，会使点火控制的精度大大提高。

c.IGt信号。IGt为点火信号，是ECU根据G1、G2和Ne信号输出的点火信号。G1信号产生于6缸压缩行程上止点附近，以G1信号为基准就可以利用Ne信号计算出其后3个缸（6缸、2缸和4缸）的点火时刻。同样，G2信号产生于1缸压缩行程上止点附近，以G2信号为基准就可以利用Ne信号计算出其后3个缸（1缸、5缸和3缸）的点火时刻。将这6个缸的点火信号以脉冲的形式输出即IGt信号，如图2-6所示。

图2-6 IGt信号

d.IGdA、IGdB信号。IGdA、IGdB信号是根据G1、G2和Ne信号向点火器输送的判缸信号，其状态如图2-7所示。点火器中的气缸判别电路根据输入的IGdA、IGdB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点火线圈，由点火线圈产生高电压完成某缸的点火。例如：当输入的IGdA、IGdB信号状态分别为0和1时，气缸判别电路使晶体管VT1导通，ECU将点火正时信号送往1缸和6缸的点火线圈。当输入的IGdA、IGdB信号状态分别为0和0时，气缸判别电路使晶体管VT2导通，ECU将点火正时信号送往5缸和2缸的点火线圈。同样，当输入的IGdA、IGdB信号状态分别为1和0时，气缸判别电路使晶体VT3导通，ECU将点火正时信号送往3缸和4缸的点火线圈，见表2-1。ECU输出的点火控制信号如图2-7所示。

表2-1 气缸识别电路逻辑功能

e.IGf信号。IGf信号是指完成点火后，点火器向ECU输送的点火确认信号。

反馈信号IGf是指将点火器通断点火线圈一次电路的状态反馈给ECU的信号。IGf信号的作用是当点火系统出现故障、火花塞不点火时，ECU会发出信号使喷油器停止喷油。

在电控燃油喷射发动机中，喷油器的驱动信号来自曲轴位置传感器。当点火系统出现故障使火花塞不点火而曲轴位置传感器工作正常时，喷油器会正常喷油，造成气缸喷油过多，结果会出现再次起动困难或三元催化转化器过热。为避免这种现象发生，当IGf信号连续3～5次无反馈信号送入ECU时，则ECU判断点火系统有故障，并强行停止喷油器工作。

②二极管分配方式。二极管分配方式点火线圈的主要结构特点是有两个初级线圈5、6和一个次级线圈4（4缸发动机），次级线圈4的两端分别通过高压二极管与4个火花塞形成回路。二极管有内装式和外装式之分，图2-8所示为内装式。当发动机的点火顺序为1—3—4—2时，1缸和4缸、2缸和3缸分别配对，同时点火。点火器内部有两个功率晶体管，分别控制点火线圈中的两个初级线圈。

图2-7 ECU输出的点火控制信号

图2-8 二极管分配式电控点火系统（内装式）

1—点火器 2—功用线圈 3—气缸盖 4—初级线圈 5、6—次级线圈

当1、4缸点火触发信号输入点火器时，功率晶体管VT1截止，初级线圈A断开，在次级线圈中产生电动势e₁，其电流方向如图2-8中实线所示。在该电动势的作用下，二极管VD1、VD4正向导通，1、4缸火花塞电极电压迅速升高并击穿跳火；VD2、VD3反向截止，2、3缸火花塞无高压电，不跳火。当2、3缸点火触发信号输入点火器时，功率晶体管VT2截止，初级线圈B断开，在次级线圈中产生电动势e₂，其电流方向如图2-8中虚线所示。在该电动势的作用下，二极管VD2、VD3正向导通，2、3缸火花塞击穿跳火；VD1、VD4反向截止，1、4缸火花塞不跳火。

③点火线圈分配方式。在6缸发动机上共有3个独立的点火线圈，每个点火线圈向配对的火花塞供电。点火控制器中功率晶体管的数量与点火线圈的数量相同，每个功率晶体管控制一个点火线圈的工作。发动机工作时，发动机ECU向点火器输出点火控制信号，点火器按点火顺序依次控制功率晶体管导通或截止，使一次电路周期性地通断，点火线圈周期性地产生高电压，高电压使配对的两缸火花塞跳火。

2）单独点火方式。单独点火方式就是一个气缸配一个点火线圈，该点火线圈产生的高压电只送往这一个缸。单独点火方式所用次级线圈的一端直接与火花塞连接，另一端可靠搭铁。这种点火方式的点火线圈一般直接压在火花塞上，节省空间。

单独点火方式是德国BOSCH（博世）公司于1983年研制的，适合四气门（每个气缸有两个进气门和两个排气门）发动机上使用。火花塞安装在两根凸轮轴的中间，然后在每缸火花塞上直接安装一个点火线圈。单独点火式无分电器点火系统的工作原理和同时点火式相同，其特点是各缸分别有一个点火线圈，该点火线圈由点火器的功率晶体管控制。整个点火系统的工作由ECU控制，ECU的主要作用是判断点火气缸、计算点火提前角和闭合角以及将点火信号分配到指定的气缸。

图2-9 奥迪轿车四气门5缸发动机单独点火式无分电器点火系统的控制电路

图2-9所示为奥迪轿车四气门5缸发动机单独点火式无分电器点火系统的控制电路。该系统共使用5个点火线圈，每个点火线圈通过导向座用4个螺钉固定在气缸盖的盖板上，然后扣压到各缸火花塞上。该点火器的5个点火线圈N、N128、N158、N163和N164分别接到两个点火器N122、N127上。其中，N122控制1、2、3缸的点火线圈，N127控制4、5缸的点火线圈。两个点火器分别通过导线（点火信号输出线）和ECU相连。发动机工作时，ECU通过1、2、23、20、21接线柱上的点火信号输出线适时地输出点火信号，通过点火器控制各缸点火。

日产六缸发动机单独点火式无分电器点火系统的控制原理如图2-10所示。该系统由各缸独立的点火线圈、点火器和ECU等组成。发动机工作时，ECU根据曲轴位置传感器、空气流量计、点火基准信号传感器、冷却液温度传感器及开关输入信号，依据ROM中存储的数据，计算后适时地输出点火信号至点火器，由点火器中的功率晶体管分别接通或切断各缸点火线圈一次电路，从而在次级线圈中产生高压电并点燃气缸内的混合气。

单独点火方式的特点如下：

1）由于无分电器和高压导线，因而能量传导损失和漏电损失少。

2）机械磨损或失效的概率减小。

3）各缸的点火线圈和火花塞均由金属罩包裹，其电磁干扰减少。

4）由于采用了与气缸数相同的点火线圈，其充电时间极短，能够在高达9000r/min的宽广转速范围内提供足够的点火能量和高电压。

图2-10 日产六缸发动机单独点火式无分电器点火系统的控制原理