解析闭合角控制

解析闭合角控制修改稿收稿日期:2007-04-26 作者简介:刘刚 (1966-),男,江西南昌人,本科,高级讲师,现担任汽车电气设备和汽车电子控制技术的理论与实践教学。 AnalysisonAutomotiveDwellAngleControl LIUGang (WuhanTechnicalCollegeofCommunications,Wuhan430062,China) Abstract:Theauthorintroducesthedefinitionofdwellangle,elaboratesthen...

修改稿收稿日期:2007-04-26 作者简介:刘刚 (1966-),男,江西南昌人,本科,高级讲师,现担任汽车电气设备和汽车电子控制技术的理论与实践教学。 AnalysisonAutomotiveDwellAngleControl LIUGang (WuhanTechnicalCollegeofCommunications,Wuhan430062,China) Abstract:Theauthorintroducesthedefinitionofdwellangle,elaboratesthenecessityofdwellanglecontrol anditsprinciple,takingtheelectronicignitionsystemassembledoncarSANTANAasanexample;Emphasizesthe objectofdwellanglecontroloftheinductancepowerstoringignitonsystem isthelimitedcurrentbutnotthe saturationcurrent. Keywords:ignitonsystem;dwellanglecontrol;limitedcurrent 解析闭合角控制刘刚 (武汉交通职业学院汽车工程技术教研室,湖北武汉 430062) 摘要:介绍闭合角的定义,以桑塔纳轿车装用的电子点火系统为例,通过运算说明闭合角控制的必要性,阐述闭合角控制的原理;强调了电感储能式点火系统闭合角的控制目标是限流值而非饱和电流。关键词:点火系统;闭合角控制;限流值中图分类号:U463.646 文献标识码:A 文章编号:1003-8639(2007)08-0011-03 目前,在电控汽油喷射发动机中广泛采用电子控制点火系统,即通过ECU对点火系统进行控制。电控点火控制包括点火提前角的控制、通电时间控制和爆震控制3个方面。其中,通电时间的控制是指点火线圈初级绕组通电时间的控制,而通电时间亦可由闭合角来反映。 1 闭合角的定义闭合角一词来源于传统点火系统,是指在断电器触点闭合期间,分电器轴所转过的角度;而在电子点火系统中,闭合角则是指点火ECU的大功率开关管 (即达林顿管)导通期间,分电器轴所转过的角度,应称为导通角。由上所述,闭合角一词是针对传统点火系和有分电器电子点火系统的;另外,触点闭合期间或是大功率管导通期间,也正是点火线圈初级电路的接通时间。 2 闭合角的控制从闭合角和通电时间控制的界定中,可以知道闭合角控制实质上就是通电时间的控制。 2.1 闭合角控制的必要性对于电感储能 (放电)式点火系统,初级电流波形如图1所示。大量的实验和数学分析均已证明: I(t)=0,当t≤t0时 I(t)=Im[1-e-(t-t0)/τ],当t0 设计 ●研究 n———发动机转速,r/min;Z———气缸数。目前,四缸四冲程轿车发动机的转速已经高达 6000r/min,可推得此时发动机的点火周期:T= 30×4/(6000×4)=0.005s(即5ms)。有研究资料表明,在高能点火系统中,为了有助于稀薄燃烧,火花持续时间一般都比较长,在 2ms以上。依此推断,高速时的充电时间 (即通电时间)则只剩下5-2=3ms。为了保证在高速情况下足够的火花持续时间, 必须适当降低点火线圈初级回路电阻和电感量,并采用快速响应的点火线圈。这样,在较短的充电时间内就能达到所要求的峰值电流,在闭合率控制合理的情况下,还有利于降低点火线圈的热损耗。在高能点火系中,点火线圈的R、L值一般设计得比较小,R=0.5～0.8Ω,L=5.5～6.5mH。如桑塔纳轿车多采用0.65Ω,倘若电源电压U为14V,取点火ECU的末级大功率达林顿管的管压降Uce为1.5V (忽略采样电阻的压降),则初级稳定电流Im为:Im= (U-Uce)/R1=(14-1.5)/0.65=19.23A。依照上面的参数来推导,3ms内初级线圈可能达到的电流值: 时间常数:τ=L/R=5.5/0.65=8.46ms 初级电流:I1=Im[1-e-(t-t0)/τ]=19.23[1-e-3/8.46]=5.74A 当发动机转速在1000r/min时,初级电流理论值又会是多大呢? 点火周期:T=30×4/(1000×4)=0.03s(即30ms) 时间常数:不变,仍为8.46ms 初级电流:I1=Im[1-e-(t-t0)/τ]=19.23[1-e-28/8.46]=18.53A 可见,在不同的转速下,初级电流I1的变化是很大的。目前,桑塔纳、奥迪、捷达等系列轿车中都装用霍尔式电子点火系统。在霍尔式电子点火系统中,如果不加装闭合角控制电路,则其大功率开关管的导通角是由分电器中霍尔式传感器信号转子叶轮的分配角来决定的:以4缸机为例,在输出信号的一个周期 (T)90°内 (一个叶轮的转角),传感器输出高电位的时间约占70%,而其输出信号约为 63°。假如输出高电位时点火线圈初级电路接通, 输出低电位时初级电路切断,则其导通角也跟传统点火系统一样,当发动机转速变化时其触点闭合角将始终保持不变。如果导通角保持不变,则低速时初级电路通电时间长,高速时接通时间较短。由于大功率开关管的导通时间与分电器信号转子的转速成反比,又因为在一定的电源电压下,初级电流从零上升到限流值的时间是个定值 (即它不随分电器轴或发动机转速变化),所以必然造成低速时限流时间长,高速时限流时间短,甚至达不到限流值而出现高速 “断火”现象。为了保证点火系统具有足够的点火能量和次级电压,如果满足高转速初级电流上升到限流值并能稳定一定时间,则会出现低速时限流时间过长的现象,这样将会使点火线圈迅速发热。同时,由于限流期间点火电子组件大功率达林顿管在未饱和区工作,承受着较高的管压降:如初级绕组电阻为 0.65Ω,限流值为7.5A,则点火线圈两端所需电压仅为7.5×0.65=4.88V;当电源电压为14V时 (调节器调压值),则大功率达林顿管要承受14-4.88= 9.12V的管压降,将产生9.12×7.5=68.4W的功率损耗,致使限流期间大功率达林顿管发热量很大,造成点火电子组件加速损坏,同时也浪费电能,因而要设置闭合角控制电路。 2.2 闭合角控制的原理为实现闭合角控制,实用中有多种多样的方法和电路。目前,应用较多的是限流时间反馈法:它以限流时间为基准,反馈到闭合角控制电路,通过其内部控制电路驱动大功率达林顿管在低速时延迟导通,在高速时提前导通,从而实现在转速变化时,使导通时间基本上不随转速变化而变化。充电波形如图2所示。当初级电流充电上升达到恒定值时,大功率管由饱和状态转为放大状态,使电流恒定,不再上升。采用闭合角控制电路后,虽然转速变化时导通时间保持不变,但是大功率开关管的导通时间所占分电器轴的转角 (即导通角)却是变化的,即低速时导通角减小,高速时导通角增大。表1为桑塔纳轿车闭合角控制电路在发动机转速变化时所控制的闭合角的变化情况。 3 限流值Ip的确定国内外研究资料表明,采用200mJ左右的点火能量,可对空燃比高达23的稀薄燃烧产生较好效果,燃油经济性可提高10%～20%。Ip的设计应根据所要求的储能值和元器件参数来确定,一般在5～ 10A之间,Ip值过大,将产生较高的次级开路电压。 Th—大功率管非饱和导通工作状态期间 (恒流时间) T—火花周期图2 充电波形图表1 桑塔纳轿车闭合角控制的变化情况分电器轴转速/(r/min) 闭合角(β) 300 20° 750 32° 1000 43° 1200 49° 1600 63° 12 《汽车电器》2007年第8期设计●研究 Design●Research (上接第10页) 分别对应2个常开触点开关,K1控制左、右闪光电路,K2控制双闪电路,RS为负载反馈电阻,C4为电源滤波电容。 SGD173闪光器引出7个端子,其插接件输出位置如图11所示,端子的位号分别对应图10中较大圈号的位置,其中b脚是空脚。以上介绍的几种双继电器的控制电路,从原理上基本都是相同的。由于集成电路内部结构的不同,在外电路的连接上略有不同。参考文献: [1]UAA1041集成电路说明[Z]. [2]U2043B集成电路说明[Z]. (责任编辑文珍) 图9 SGD174型双继电器闪光器电气原理图 (用于柳州风行商务车) 图10 SGD173型双继电器闪光器电气原理图 (用于海南马自达轿车) 图11 SGD173闪光器插接件对桑塔纳轿车初级储能值可作如下估算:依据前面数据,当转速为1000r/min和6000r/min时,由初级储能W=LIp2/2可推出储能值范围理论上大致为 91～944mJ(推算时对限流时间未予扣除),点火能量是充足的。相对闭合率ρ的设计是十分重要的,由Ip=I(t)|t=T= Im(1-e-ρT/τ)可知:要使Ip恒定,ρT要为定值。令ρT= k,则ρ=k/T=k′n,因此,ρ应与转速成线性关系。按这种方式设计的ρ使大功率管总是工作在开关状态,功耗很小,而且实现了不同转速下的恒流 (Ip不变)、恒能输出,是十分理想的,因此,在许多微机控制的点火系中被采用。 4 结束语值得强调的是,限流值Ip与点火线圈初级充电稳定电流Im (即所谓饱和电流)是不同的,很容易混淆。在某些教材中出现的类似于 “为了满足汽油机对点火系在击穿电压和点火能量上的要求,微机控制点火系的闭合角控制以初级线圈流过电流在断开瞬间达到饱和电流为主要目标。这样不仅能满足汽油机对点火系的要求,同时也能避免初级线圈过热及节约电能”的说法是不妥当的,至少对于电感储能式点火系是不适宜的,叙述中的饱和电流应更改为限流值。闭合角的控制也称点火线圈初级线圈通电时间的控制,是在发动机转速、电源电压、点火线圈特性变化时,控制大功率管导通时间保持不变,进而使得限流值不变,既满足点火能量、次级电压的要求,又避免线圈过热,而且节约电能所必需的措施,适当的某一电流 (即限流值)而不是饱和电流才是这一控制的主要目标。参考文献: [1]戴伟辉,张岳生,等.汽车高能无触点点火系的发展趋势与研究[J].汽车电器,1993,(5):1-5. [2]杨慧玲,吴元杰.LJ276QA发动机直接点火系统设计研究 [J].汽车电器,1998,(4):10-12. [3]吴基安.汽车电子控制技术自学读本[M].北京:金盾出版社,2003. [4]陈志恒,胡宁.汽车电控技术[M].北京:高等教育出版社,2003. [5]于万海.汽车电气设备原理与检修[M].北京:电子工业出版社,2005. (责任编辑文珍) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 13《汽车电器》2007年第8期 Design●Research 设计●研究

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