汽车电控点火系统功能概述

汽油机电控点火系统的功能主要包括点火提前角、通电时间和爆燃控制三个方面。

1.点火提前角控制

（1）点火提前角对发动机的影响 点火提前角是从火花塞发出电火花到该缸活塞运行至压缩行程上止点时曲轴转过的角度。

当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角的改变而改变。对应于发动机每一工况都存在一个最佳点火提前角，对于现代汽车而言，最佳的点火提前角不仅要保证发动机的动力性和燃油经济性都达到最佳值，还必须保证排放污染最小。

如果点火提前角过大（点火过早），则大部分混合气在压缩行程中燃烧，活塞所消耗的压缩功增加，且缸内最高压力升高，末端混合气自燃所需的时间缩短，爆燃倾向增大。点火过迟，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率、热效率降低，但爆燃倾向减小，NO_x排放量降低。试验证明，最佳的点火提前角应使发动机气缸内的最高压力出现在上止点后10°～15°。如图3-43所示，适当的点火提前角可使发动机每循环所做的机械功最多（C曲线下的阴影部分）。

（2）最佳点火提前角的确定依据最佳点火提前角的数值必须视燃料性质、转速、负荷和混合气浓度等多种因素而定。

1）发动机转速。如图3-44所示，点火提前角应随发动机转速的升高而增大。这是因为随发动机转速的提高，以秒计的燃烧过程所需时间缩短，但燃烧过程所占的曲轴转角增大，为保证发动机气缸内的最高压力出现在上止点后的最佳位置，就必须适当地提前点火（即增大点火提前角）。

与采用机械式离心提前器的传统点火系统相比，采用电控点火（ESA）系统时，可以使发动机的实际点火提前角接近于理想的点火提前角。

2）负荷。汽油发动机的负荷调节是通过节气门进行的量调节，随着负荷的减小，进气管真空度增大，进气量减少，气缸内的温度和压力均降低，燃烧速度变慢，燃烧过程所占的曲轴转角增大，应适当增大点火提前角，如图3-45所示。

图3-43 点火提前角对发动机性能的影响

A—不点火 B—点火过早 C—点火适当 D—点火过迟

图3-44 转速对点火提前角的影响

图3-45 负荷对点火提前角的影响

与采用真空提前器的传统点火系统相比，采用电控点火（ESA）系统时，可以使发动机的实际点火提前角接近于理想的点火提前角。

3）燃料性质。汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可适当增大，以提高发动机的性能；辛烷值较低的汽油，抗爆性差，点火提前角则应减小。在有些发动机的ECU中存储了两张点火正时图，实际使用中可根据使用燃料的不同进行选择，在出厂时一般开关设定在无铅优质汽油的位置上。

4）其他因素。最佳点火提前角除应根据发动机转速、负荷和燃料性质确定之外，还应考虑发动机燃烧室形状、燃烧室内温度、空燃比、大气压力和冷却液温度等因素。在传统点火系统中，当上述因素变化时，系统无法对点火提前角进行调整。当采用ESA系统时，发动机在各种工况和运行条件下，ECU都能保证理想的点火提前角，因此发动机的动力性、燃油经济性和排放性都可以达到最佳。

（3）控制点火提前角的基本方法 电控点火系统中，在主ECU内首先存储有发动机在各种工况及运行条件下最理想的点火提前角。点火提前角控制可分为起动时的点火提前角控制和起动后的点火提前角控制。

发动机起动时，ECU内存储的初始点火提前角（设定值）对点火提前角进行控制。起动时，点火提前角的设定值随发动机而异，对一定的发动机而言，起动时的点火提前角是固定的，一般为10°左右。

发动机正常运转时（起动后），主ECU根据发动机的转速和负荷信号确定基本点火提前角，并根据其他有关信号进行修正，最后确定实际的点火提前角，并向电子点火器输出点火指令，以控制点火系统的工作。

发动机起动后正常运转时，实际点火提前角的控制方法各车型有所不同，可分为以下两种类型：

1）如在日本丰田车系TCCS中，实际点火提前角等于初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角之和，即

实际的点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角

2）如在日本日产车系ECCS中，实际点火提前角等于基本点火提前角与点火提前角修正系数之积，即

实际的点火提前角=基本点火提前角×点火提前角修正系数

（4）起动时的点火提前角控制 在发动机起动过程中，发动机转速变化大，而且由于转速较低（一般低于1000r/min），进气管绝对压力传感器信号或空气流量计信号不稳定，ECU无法正确计算点火提前角，一般将点火时刻固定在设定的初始点火提前角。此时的控制信号主要是发动机转速信号（Ne信号）和起动开关信号（STA信号）。

（5）起动后基本点火提前角的确定 发动机起动后怠速运转时，ECU根据节气门位置传感器信号（IDL信号）、发动机转速传感器信号（Ne信号）和空调开关信号（A/C信号）确定基本点火提前角。

发动机怠速工况下，为保证发动机工作稳定，空调工作时的基本点火提前角比空调不工作时的大，如图3-46所示。

图3-46 怠速时基本点火提前角的确定

发动机起动后在除怠速以外的工况下运转时，ECU根据发动机的转速和负荷（单位转数的进气量或基本喷油量）确定基本点火提前角，不同转速和负荷时的基本点火提前角数值存储在ECU内的存储器中。基本点火提前角的控制模型如图3-47所示。

发动机起动后在正常工况下运转时，控制点火提前角的信号主要有进气管绝对压力传感器信号（PIM）或空气流量计信号（VS信号）、发动机转速信号（Ne信号）、节气门位置传感器信号（IDL信号）、燃油选择开关或插头信号（R-P信号）和爆燃信号（KNK信号）等。按燃油辛烷值的不同，在ECU存储器中存有两张基本点火提前角的数据表格时，驾驶人可根据使用燃油的辛烷值，通过燃油选择开关或插头进行选择。具有爆燃控制功能的ESA系统中，ECU内还存有用于爆燃控制点火提前角的数据。

（6）点火提前角的修正 不同的发动机电控系统中，对点火提前角的修正项目和修正方法也不同。修正方法有修正系数法和修正点火提前角法两种。修正系数（或修正点火提前角）与修正项目之间的关系曲线都是存储在ECU中，ECU根据初始点火提前角、基本点火提前角和修正系数（或修正点火提前角）计算实际点火提前角。主要修正项目有冷却液温度修正、怠速稳定修正和空燃比反馈修正等。

1）冷却液温度修正。冷却液温度修正可分为暖机修正和过渡修正。在发动机冷车起动后的暖机过程中，随冷却液温度的提高，混合气的燃烧速度加快，燃烧过程所占的曲轴转角减小，点火提前角也应适当减小，如图3-48所示。修正曲线的形状与提前角的大小随车型不同而异。暖机修正控制信号主要有冷却液温度传感器信号（THW信号）、进气管绝对压力传感器信号（PIM信号）或空气流量计信号（VS信号）和节气门位置传感器信号（IDL信号）等。

发动机工作时，随着冷却液温度的提高，爆燃倾向逐渐增大。冷却液温度过高时，为了避免产生爆燃，必须修正点火提前角，如图3-49所示。发动机处于怠速工况运行（IDL接通）时，一般是由于燃烧速度慢、燃烧过程所占的曲轴转角过大，为了避免发动机长时间过热，应增大点火提前角，以提高燃烧速度，减小散热损失。正常运行工况（IDL断开）下，当冷却液温度过高时，为了避免产生爆燃，应减小点火提前角。过热修正控制信号主要有冷却液温度传感器信号（THW信号）和节气门位置传感器信号（IDL信号）等。

图3-47 基本点火提前角的控制模型

a）按喷油量和转速确定 b）按进气量和转速确定

图3-48 点火提前角的暖机修正曲线

图3-49 点火提前角的过热修正曲线

2）怠速温度修正。发动机怠速运转过程中，由于负荷等因素的变化会导致转速改变，所以ECU必须根据实际转速与目标转速的差值修正点火提前角，以便保持发动机在规定的怠速转速下稳定运转，如图3-50所示。怠速稳定修正控制信号主要有发动机转速信号（Ne信号）、节气门位置传感器信号（IDL信号）、车速传感器信号（SPD信号）和空调开关信号（A/C信号）等。

3）空燃比反馈修正。由于空燃比反馈控制系统是根据氧传感器的反馈信号调整喷油量的多少来达到最佳空燃比控制的，所以这种喷油量的变化必然带来发动机转速的变化。为了稳定发动机转速，点火提前角需根据喷油量的变化进行修正，如图3-51所示。

图3-50 点火提前角的怠速稳定修正曲线

图3-51 点火提前角的空燃比反馈修正曲线

2.通电时间控制

根据通电时间对发动机工作的影响，按点火能量的储存方式，汽油机点火系统可分为电感储能式（电感放电式）和电容储能式（电容放电式）两大类。对于电感储能式电控点火系统，当点火线圈的一次电路被接通后，其一次电流是按指数规律增长的。一次电路被断开瞬间，一次电流所能达到的值（即断开电流）与一次电路接通的时间长短有关，只有通电时间达到一定值时，一次电流才可能达到饱和。由于断电电流影响二级电压最大值（成正比关系），一次电压的高低又直接影响点火工作的可靠性，所以在发动机工作时必须保证点火线圈的一次电路有足够的通电时间。但是，如果通电时间过长，则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，就必须对点火线圈一次电路的通电时间进行控制。

此外，当蓄电池的电压变化时，也将影响一次电流。当蓄电池电压下降时，在相同的通电时间内一次电流所达到的值会减小。因此，还必须根据蓄电池电压对通电时间进行修正。通电时间的蓄电池电压修正曲线如图3-52所示。

图3-52 通电时间的蓄电池电压修正曲线

（1）通电时间的控制方法 在传统的汽油机点火系统中，由分电器轴上的凸轮来控制断电器触点的开闭，分电器的凸轮决定了断电器触点的闭合角，一般4缸发动机为50°、6缸发动机为38°、8缸发动机为33°。点火线圈一次电路的接通时间（即通电时间）取决于断电器触点的闭合角和发动机转速。对一定的发动机而言，断电器触点的闭合角是一定的，点火线圈一次电路的通电时间随发动机转速的提高而缩短，这必将导致发动机高速时点火能量降低，点火系统工作可靠性下降。因此，传统点火系统已逐渐被电控点火系统所取代。

在现代电控点火系统中，用灵敏、可靠的传感器（凸轮轴/曲轴位置传感器）和晶体管开关取代了传统点火系统中的断电器和分电器中的凸轮，甚至无分电器，点火线圈一次电路的通电时间由ECU控制，其控制模型如图3-53所示。闭合角（通电时间）控制模型存储在ECU内，在发动机工作时，ECU根据发动机转速信号（Ne信号）和电源电压信号确定最佳的闭合角（通电时间），并向点火器输出指令信号（IGt信号），以控制点火器中晶体管的导通时间。随着发动机转速的提高和电源电压的下降，闭合角（通电时间）增大（增长）。(www.xing528.com)

图3-53 闭合角（通电时间）控制模型

（2）点火线圈的恒流控制 在电控点火系统中，为了减小转速对二次电压的影响，提高点火能量，采用了初级线圈为电阻很小的高能点火线圈，其一次电流最高可达30A以上。为了防止一次电流过大而烧毁点火线圈，在部分电控点火系统的点火控制电路中增加了恒流控制电路，保证在任何转速下二次电流均为规定值（7A），既改善了点火性能，又能防止次级电流过大而烧毁点火线圈。

恒流控制电路如图3-54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极电流，只要这种反馈为负反馈，就可以使晶体管的集电极电流稳定，从而实现回路控制。

图3-54 恒流控制电路

1—功率晶体管 2—偏流回路 3—过电压保护回路 4—传感器 5—波形整形回路 6—通电率发生回路 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

3.爆燃控制

（1）爆燃的危害 爆燃是汽油机工作时的一种不正常燃烧现象。轻微的爆燃可使发动机功率上升，油耗下降；但当爆燃严重时，气缸内会发出特别尖锐的金属敲击声，而且会导致冷却液过热，功率下降，耗油率上升，成为汽油机运行中最有害的一种故障现象。

爆燃产生的原因是在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称为末端混合气），进一步受到压缩和热辐射的作用，加速了先期反应。如果在火焰前锋尚未到达之前，末端混合气已经自燃，则这部分混合气燃烧速度极快，火焰速度可达每秒百米甚至数百米以上，使燃烧室内的局部压力和温度很高，并伴随有冲击波。

压力冲击波反复撞击气缸壁，发出尖锐的敲击声，严重时会破坏附着在气缸壁表面的气膜和油膜，使传热增大，气缸盖和活塞顶温度升高，冷却液过热，汽油机功率下降，耗油率增加，甚至会造成活塞和气门烧坏、轴瓦破裂、火花塞绝缘体破坏、润滑油氧化成胶质、活塞环卡死在环槽内等故障。因此，汽油机故障时应对爆燃加以控制。

（2）爆燃的控制方法 点火提前角是影响爆燃的主要因素之一，推迟点火（即减小点火提前角）是消除爆燃的最有效措施。在无爆燃控制的传统点火系统中，为防止爆燃产生，其点火时刻的设定必然远离爆燃边缘，这样做必然会导致发动机动力性和燃油经济性不能发挥到最佳。在电控点火系统中，ECU根据爆燃传感器信号判定有无发生爆燃及爆燃的强度，并根据其判定结果对点火提前角进行反馈控制，使发动机处于爆燃的边缘工作，既能防止爆燃发生，又能有效地提高发动机的动力性和燃油经济性。

（3）爆燃控制系统的组成 爆燃控制系统的组成如图3-55所示。爆燃控制系统实际就是增加了爆燃传感器的电控点火系统，ECU根据爆燃传感器的信号对点火提前角实行反馈控制。

图3-55 爆燃控制系统的组成

1—爆燃传感器 2—ECU 3—其他传感器 4—点火器和点火线圈 5—分电器 6—火花塞

（4）爆燃的识别 发动机工作时，由于其他因素导致气缸体产生机械振动是不可避免的，为防止爆燃传感器误检测而导致系统非正常工作，提高控制系统的可靠性，并非任何时间爆燃控制系统都对点火提前角进行反馈控制。ECU内设有爆燃识别电路（见图3-56），用以确定发动机是否发生爆燃。只有能够识别发动机点火后爆燃且可能发生的一般曲轴转角范围内，电控系统才允许对爆燃信号进行识别。

（5）爆燃强度的确定 ECU根据爆燃信号超过基准值的次数来判定爆燃强度，其次数越多，爆燃强度越大；次数越少，则爆燃强度越小，如图3-57所示。

图3-56 爆燃识别电路

图3-57 爆燃的确定

1—爆燃识别区间 2—爆燃确定基准 3—爆燃传感器输出信号 4—爆燃确定曲线

（6）爆燃控制过程 爆燃控制过程如图3-58所示。爆燃传感器安装在气缸体上，其功用是利用压电晶体管的压电效应，把爆燃时传到气缸体上的机械振动转换成电压信号输送给ECU。ECU把爆燃传感器输入的信号进行滤波处理，并判断有无爆燃及爆燃的强度。有爆燃时，则逐渐减小点火提前角（推迟点火），直到爆燃消失为止。无爆燃时，则逐渐增大点火提前角（提前点火），当再次出现爆燃时，ECU又开始逐渐减小点火提前角，爆燃控制过程就是对点火提前角进行反复调整的过程。

爆燃时点火提前角的反馈控制如图3-59所示。爆燃传感器向ECU输入爆燃信号时，电控点火系统采用闭环控制模式，并以固定的角度使点火提前角减小；若仍有爆燃存在，则再以固定的角度减小点火提前角，直到爆燃消失为止。

图3-58 爆燃控制过程

图3-59 爆燃时点火提前角的反馈控制

爆燃消失后的一定时间内，系统使发动机维持在当前的点火提前角下工作，此时间内若无爆燃发生，则以一个固定的角度逐渐增大点火提前角，直至爆燃再次发生，然后又重复上述过程。

发动机负荷较小时，发生爆燃的倾向几乎为零，因此电控点火系统在此负荷范围内采用开环控制模式。而当发动机负荷超过一定值时，电控点火系统自动转入闭环控制模式。

发动机工作时，ECU根据节气门位置传感器信号判断发动机的负荷大小，从而决定点火系统采用闭环控制或开环控制。

（7）爆燃传感器 爆燃传感器是爆燃控制系统的重要组件，用来检测发动机有无爆燃发生及爆燃强度。

检测发动机有无爆燃及爆燃强度可以通过检测发动机振动、气缸压力或燃烧噪声来实现。检测气缸压力的传感器安装困难且耐久性差，检测噪声的方法灵敏度和精度都比较低，因此一般采用检测发动机振动的方法来判断有无爆燃发生及爆燃强度。爆燃传感器有电感式和压电式两种类型，压电式爆燃传感器又可分为共振型、非共振型和火花塞金属垫片型三种。

1）电感式爆燃传感器。电感式爆燃传感器主要由铁心、永久磁铁、电磁线圈及外壳等组成，如图3-60a所示。

电感式爆燃传感器利用电磁感应原理检测发动机爆燃。当发动机发生爆燃时，铁心受振动而使电磁线圈磁通发生变化，从而产生感应电动势。当传感器的固有振动频率与发动机爆燃时的振动频率相同时，传感器输出的信号电压最大，如图3-60b所示。

2）压电式爆燃传感器。压电式爆燃传感器利用压电效应检测发动机爆燃。与其他压电式传感器一样，必须配合一定的电压放大器或电荷放大器将信号放大，并将高阻抗输入转换为低阻抗输出。

图3-60 电感式爆燃传感器

1—线圈 2—铁心 3—壳体 4—永久磁铁

①压电式共振型爆燃传感器。该传感器主要由压电元件、振子、基座和外壳等组成，如图3-61所示。压电元件紧贴在振子上，振子则固定在基座上。压电元件检测振子的振动压力，并转换成电信号输送给ECU，输出信号与电感式爆燃传感器相似。

由于共振型爆燃传感器振子的固有频率与发动机爆燃时的振动频率一致，所以必须与发动机配套使用，通用性差。但当爆燃发生时，振子与发动机共振，压电元件输出的信号电压有明显的增大，易于测量。

②压电式非共振型爆燃传感器。如图3-62所示，与压电式共振型爆燃传感器相比，压电式非共振型爆燃传感器内部无振荡片，但设置了一个配重块以一定的预应力压紧在压电元件上。压电式非共振型爆燃传感器是以接收加速度信号的形式来检测爆燃的。当发动机发生爆燃时，配重块以正比于振动加速度的交变力施加在压电元件上，压电元件则将此压力信号转换成电信号输送给ECU。

图3-61 压电式共振型爆燃传感器

1—压电元件 2—振子 3—O形圈 4—插接器 5—插头 6—密封剂 7—壳体 8—引线

压电式非共振型爆燃传感器输出的信号电压，在爆燃时与无爆燃时没有明显增加，爆燃是否发生是靠滤波器检测出传感器输出信号中有无爆燃频率来判别的，爆燃信号的检测比较复杂。但当此种传感器用于不同发动机时，只需调整滤波器的频率范围，通用性强。

③压电式火花塞金属垫型爆燃传感器。如图3-63所示，压电式火花塞金属垫型爆燃传感器是将压电元件安装在火花塞的垫圈处，每缸安装一个，根据各缸的燃烧压力直接检测各缸的爆燃信息，并转换成电信号输送给ECU。

图3-62 压电式非共振型爆燃传感器

1—配重块 2—压电元件 3—引线

3）爆燃传感器的检修。在使用中，拆开爆燃传感器线束插接器，用万用表在传感器侧检查传感器端子与传感器壳体之间的电阻，应不导通（电阻为无穷大），否则，说明内部短路，应更换传感器。

爆燃传感器工作情况的检查可在怠速运行时进行。拆开爆燃传感器线束插接器，用示波器检查传感器端子与搭铁之间的信号电压，应有脉冲信号输出，否则，说明传感器不良，应更换新件。

图3-63 压电式火花塞座金属垫型爆燃传感器

1—火花塞 2—爆燃传感器