第二节微机控制的点火系统的组成与原理

第二节微机控制的点火系统的组成与原理微机控制的点火系是70年代末开始使用无触点点火装置后的又一重大进展，其最大的成功在于实现了点火提前角的自动控制，即可根据发动机的工况对点火提前角进行适时控制。因而可获得混合气的最佳燃烧，从而能最大限度的改善发动机的高速性能，提高其动力性、经济性，减少排气污染。而普通的无触点点火系采用机械方式调整点火时刻，因为机械装置本身的局限性，无法保证在各种状况下点火提前角均处于最佳。此外，由于分电器中的运动部件的磨损，又会导致驱动部件松旷，影响点火提前角的稳定性和均匀性。全电子点火系则可完全避免此类现象产生。在微机控制的点火系统中，点火控制包括点火提前角的控制、通电时间控制和爆燃控制等三个方面，并具有以下特点:1)在所有的工况及各种环境条件下，均可自动获得理想的点火提前角，从而使发动机在动力性、经济性、排放性及工作稳定性等方面均处于最佳。2)在整个工作范围内，均可对点火线圈的导通时间进行控制。从而使线圈中存储的点火能量保持恒定不变，提高了点火的可靠性，可有效地减少能源消耗，防止线圈过热二此外，该系统可很容易实现在整个工作范围内提供稀薄燃烧所需恒定点火能量的目标。3)采用闭环控制技术后，可使点火提前角控制在刚好不发生爆燃的状态，以此获得较高的燃烧效率，有利于发动机各种性能的提高。微机控制的点火系统一般由电源、传感器、电子控制系统(ECU)、点火控制模块、分电器、火花塞等组成，如图5-1所示。l）电源一般由蓄电池和发电机共同组成，可供给点火系统所需的点火能量。2)点火线圈能将点火瞬间所需的能量存储在线圈的磁场中，还可将电源提供的低压电转变为足以在电极间产生击穿点火的15---20kV高压电。3)分电器可根据发动机的工作时序，将点火线圈产生的高压电依次送到各缸火花基。4)火花塞将具有一定能量的电火花引人气缸，点燃气缸内的混合气。5)传感器主要用于检测发动机各种运行参数的变化，为ECU提供点火提前角的控制依据。其中，最主要的传感器是转速传感器、曲轴位置传感器和空气进气量传感器。6)电子控制系统是点火系统的中枢。在发动机工作时，它不断地采集各传感器的信息，按事先设置的程序计算出最佳点火提前角，并向点火控制装置发出点火指令。7)点火控制模块是ECU的一个执行机构。它可将电子控制系统输出的点火信号进行功率放大后，再驱动点火线圈下作。其工作原理及控制过程如图5-1所示。发动机运行时，ECU不断地采集发动机的转速、负荷、冷却水温度、进气温度等信号，并根据存储器ROM中存储的有关程序与有关数据，确定出该工况下最佳点火提前角和初级电路的最佳导通角，并以此向点火控制模块发出指令。点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。当电路导通时，有电流从点火线圈中的初级线圈通过，点火线圈此时将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级线圈中电流被切断时，在其次级线圈中将产生很高的感应电动势(15-20kV),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。此外，在带有爆燃传感器的点火提前角闭环控制系统中，ECU还可根据爆燃传感器的输入信号来判断发动机的爆燃程度，并将点火提前角控制在轻微爆燃的范围内，使发动机能获得较高的燃烧效率。第三节点火提前角控制因点火提前角对发动机的动力性、燃油消耗率、排气净化等性能产生直接影响，因此必须予以控制。但由于点火提前角的控制本身属于相当复杂的多元求解问 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，因此难以找到精确的数学模型。但考虑影响发动机点火提前角的主要因素是转速和负荷，人们普遍采用了实验法，来获得发动机在不同转速、不同负荷时所对应的点火提前角的最佳点(集)，以此找出三维控制模型图(参见图5-2a)，再将模型图转换成二维表，便可将这些数据储存在微机的存储器中(参见图5-2b)，以供实际的点火提前角控制之用。在发动机实际运行中，ECU通常根据各传感器输入的信息，从这些二维表中找出点火提前角的最佳值，对点火系进行适时控制。一、丰田汽车TCCS系统点火提前角的控制点火提前角控制系统，因制造厂家开发点火装置的型号不同而各异，丰田汽车TCCS系统点火提前角的控制如下式所示:实际点火提前角=初始点火提前角十基本点火提前角十修正点火提前角公式中各项所对应的实际内容如下:点火提前角的修正随发动机而异，可根据发动机控制系统各白的特性曲线来进行修正。1.初始点火提前角初始点火提前角为原始设定的，也称为固定点火提前角。对于丰田汽车的IG-GEL发动机来讲，其值为上止点前10°。此外，在下列之一情况出现时，实际点火提前角等于初始点火提前角:1)当发动机起动时，由于发动机转速变化大，无法正确计算点火提前角;2)当发动机起动转速在400r/min下时;3)当T端头短路或节气门位置传感器怠速触点闭合时，当车速在2km/h时;4)当发动机ECU内的后备系统工作时。2.基本点火提前角基本点火提前角通常以二维表的形式储存在CPU的ROM存储器中，又分为怠速和正常行驶两种情况:1)怠速时的基本点火提前角，是指节气门位置传感器的怠速触点闭合时所对应的基本点火提前角。其值还根据空调是否工作及发动机的怠速转速略有不同(参见图5-3}。如空调工作时，随着发动机怠速的目标转速的提高，应适当地增加点火提前角，以利于发动机运转速度的稳定，此时怠速基本点火提前角定为8°。空调不工作时，怠速基本点火提角则定为4°。由此可见，两种情况所对应的实际点火提前角应分别为18°和14°。2)正常行驶时的基本点火提前角。是指节气门位置传感器怠速触点打开时所对应的基本点火提前角。该值主要是依据发动机的转速和负荷(用进气量表示)而定。ECU根据传感器的输出信号，利用查表法从CPU的ROM存储器中找出基本点火提前角的最佳值即可，如图5-4所示。3)点火提前角的修正通过上述方法得到点火系初始点火提前角与基本点火提前角后。再通过修正方可得到最终的用来进行实际控制的最佳点火提前兔。点火提前角修正一般分为暖机修正、怠速稳定修正、过热修正及空燃比反馈修正等四种。(1)暖机修正图5-5所示为点火提前角暖机修正特性。主要是指当节气门位置传感器怠速触点闭合时，微机根据发动机冷却水温进行修正的点火提前角。当冷却水温较低时，混合气的燃烧速度较慢，因此应适当地增大点火提前角，以促使发动机尽快暖机。但随着温度的升高点火提前角修正值应逐渐减小。(2}怠速稳定修正发动机怠速时，由于负载的变化(如空调、动力转向等动作)会引起转速不稳。ECU可根据转速差(实际转速一目标转速)动态地修正点火提前角(参见图5-6)。若发动机的怠速转速低于目标转速时，控制系统将相应地增加点火提前角，以利于怠速的稳定。此外，为使发动机怠速转速能稳定在目标转速上，点火提前角的怠速稳定修正与怠速控制系统中的怠速调整同步迸行。这样有助于提高怠速转速的控制精度及怠速稳定性，有效地防止发动机怠速熄火的现象产生。(3)过热修正当发动机处于正常行驶运行工况(节气门位置传感器无怠速信号输出)时，若冷却水温度过高，为了避免爆燃，应适当的减小点火提前角。但当发动机处于怠速运行工况时，若冷却水温度过高，为了避免发动机长时间过热，则应增加点火提前角。其过热修正特性如图5一7所示。(4)空燃比反馈修正当装有氧传感器的电控燃油喷射系统进入闭环控制时，ECU通常根据氧传感器的反馈信号对空燃比进行修正。随着修正喷油量的增加或减少，发动机的转速在一定范围内波动。为了提高发动机转速的稳定性，当反馈修正油量减少而导致混合气变稀时，点火提前角应适当地增加，反之则相反。其修正特性如图5-8所示。发动机实际的点火提前角就是上述三项点火提前角之和。当发动机工作时，曲轴每旋转一圈，ECU就会根据所测的参数值确定点火提前角并发出点火信号，并随着发动机的转速和负荷变化进行适时控制。但是，当ECU计算出的实际点火提前角超过允许的最大值及最小值范围时，发动机将难以运转。由于在初始点火提前角已被固定的情况下，受ECU控制的部分只是后两部分之和，因此该值应保证在某一允许范围之内。当超过此范围时，则ECU就应以设定的最大或最小点火提前角进行控制二、日产公司ECCS系统点火提前角的控制日产公司的ECCS控制系统如图5-9所示。日产公司的ECCS控制系统主要由传感器、电子控制装置、点火控制模块、点火线圈、分电器及火花塞等组成。电子控制装置的输人信号主要来自于曲轴传感器及空气流量计。曲轴传感器可提供点火所需的发动机转速信号及点火基准信号(各缸上止点的120°信号、曲轴转角1°信号)，而空气流量计则可提供发动机空气进气量的信号。日产公司的ECCS系统点火时刻的控制原理如图5-10所示。发动机运转时，来自曲轴转角传感器的1°和120°点火基准信号被输入到控制装置中，控制装置便以此设定一个比120°滞后4°的点火时刻基准信号。由于120°信号设定在各缸压缩行程前70°处，故实际的点火时刻基准设定在各缸压缩行程上止点前66°处。控制装置以点火时刻基准为依据，再根据各传感器的输人信号从CPU的ROM中查找出最佳点火提前角及最佳导通角，并以此计算最佳Z值(Z=66°—最佳点火提前角)。CPU在接到点火时刻基准信号的同时，其计数器开始计数曲轴转角传感器的1°信号，当计数值等于Z时，便向点火控制模块发出点火指令。点火控制模块立即切断点火线圈的初级电流，使次级线圈产生高压，并在火花塞电极处产生击穿跳火。此外，控制系统可根据最佳通电时间及发动机的转速计算最佳导通角6，完成对点火线圈储能过程的控制，使点火能量保持恒定，以此节省能源消耗，防止线圈过热。实际上，在RDM中存放的初级线圈导通时间并不是常数，可根据蓄电池电压进行修正(参见图5-11).日产ECCS系统对于点火系的控制，随发动机的工况不同则有所不同，主要分为以下三种控制模式;1.正常行驶时点火提前角的控制当ECU得到节气门位置传感器的怠速触点打开的信号时，即进人正常行驶时点火提前角的控制模式。其实际点火提前角的控制内容可用下式表示:实际点火提前角=基本点火提前角x水温修正系数式中的基本点火提前角已被事先设定并存储在CPU的ROM存储器中。只要根据发动机实际转速和负荷便可从中查出各种工况所对应的最佳点火提前角。水温修正系数的特性曲线如图5-12所示。水温修正系数也是微机根据水温传感器的信号利用查表法从ROM中求得。由此便可得到当前条件下的最佳点火提前角。2.怠速及滑行时点火提前角控制当节气门位置传感器怠速触点闭合时，即进人怠速或滑行时的点火提前角控制模式。此时，主要是根据发动机转速、冷却水温度及车速来控制点火提前角，其工作特性如图5-13所示。当发动机怠速或汽车滑行时，通常是根据转来控制点火时刻，当怠速的转速低于1000r/min时，点火提前角设定为15°;反之，则应根据水及车速来控制点火时刻(参见图5-12)。当冷却水温低于50℃、车速低于8km/h时，应按B特性曲线来推迟点火时刻，以此加快发动机及催化反应器达到正常工作温度的速度，使运转稳定。但是当冷却水温大于50℃或车速高于8km/h时，则应按A特性曲线来加大点火提前角，即利用进气管真空度的上升，补偿着火延迟期。滑行时，也希望混合气在气缸内燃烧完全，以保护排气净化用的三元催化装置。3.起动时点火提前角的控制发动机起动时，起动开关处于“ON”状态，控制系统即进人点火提前角的起动控制模式。为使发动机尽快着火运转，应根据冷却水的温度选择最佳点火提前角(如图5一14所示)。从图5-14中看出，当发动机在水温0℃上起动时，其点火提前角为设定16°,而当水温在0℃以下时，则应根据冷却水温度适当地增加点火提前角.但是当起动转速低于100r/min时，为了可靠点火，应根据起动转速的下降而适当降低点火提前角，其点火提前角为:第四节无分电器点火系统无分电器点火(DLI)系统是在微机控制的基础上将点火系中的分电器总成用电子控制装置取而代之后制造而成，又称直接点火系。它利用电子分火控制技术将点火线圈的次级绕组直接与火花塞相连，即把点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火，由此实现了点火系全电子化的目标。由于无分电器点火系统改变了传统的机械式分火方式，即用微机控制电子配电方式取而代之，故失误率小、无机构磨损、无需调整，且高压电由点火线圈直接作用在火花塞上，故可减小无线电于扰及能量损失。DLI系统的组成如图5-15所示。与前面介绍的点火控制系统不同的是，DLI系统的点火控制模块同时还具备电子配电功能，即可控制点火线圈组中的点火线圈导通与截止的时序，以此控制火花塞依次击穿点火的时序，完成点火控制过程。DLI系统根据配电方式又可分为单独点火的配电方式、双缸同时点火的配电方式及二极管配电点火方式三种类型(参见图5-16)。其中，单独点火配电方式可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。双缸同时点火配电方式因两个火花塞共用一个点火线圈且同时点火，故这种分火方式只能用在缸数为双数的发动机上。此外，与单独点火配电方式相比，其结构与点火控制电路相对简单，仍保留了点火线圈与火花塞之间的高压线，因此能量损失略大。其次，串联在高压回路的二极管，可用来防止点火线圈在初级绕组导通瞬间所产生的次级电压(约1000-2000V)加在火花塞上后发生的误点火。目前这种分火方式应用得较多。双缸同时点火配电方式要求共用一个点火线圈的两个气缸工作相位相差360°曲轴转角，以确保点火线圈点火时，同时点火的两个气缸中，处于排气行程的气缸由于缸内气体的压力较小，且缸内混合气又处于后燃期，易产生火花，故放电能量损失很少口而大部分的点火高压和点火能量被加在压缩行程的火花塞上，故处于压缩行程的火花塞的跳火情况与单独点火的火花塞跳火情况基本相同。二极管配电点火方式的特点是四个气缸共用一个点火线圈，但点火线圈则为内装双初级绕组、双输出次级绕组的特制点火线圈，且利用四个二极管的单向导电性交替完成对1、4缸和2、3缸配电过程。这种点火配电方式与双缸同时点火配电方式相比，具有相同的特性，但对点火线圈要求较高，而且发动机的气缸数应是数字4的倍数。此外，无分电器点火系同样可采用点火提前角自动控制方式(参见图5-17)。图中所示的DLI系统是一种典型的双缸同时点火配电方式无分电器点火系统。其ECU的输人信号主要来自于进气歧管压力传感器、水温传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、空调开关信号、起动开关信号等。其中，曲轴位置传感器分别输出G1、G2和Ne信号。G1与G2用于提供各缸点火时刻基准及判缸信号，Ne除了向控制系统提供用于计量的1°曲轴转角信号外，还可提供发动机转速信号。图5-18为日本丰田公司1G-GZEU型发动机采用的DLI系统电路图，ECU除向点火控制模块输出点火信号IGt外，还可同时输出气缸判别信号IGdA、IGdB，为点火控制模块提供气缸的点火时序。下面以此为例加以说明。1.来自曲轴位置传感器的信号曲轴位置传感器由G1、G2及Ne等三个线圈组成(参见图5-17),其功能是用于判别气缸及检测曲轴转角的位置，以此来确定点火提前角和导通角。(1)G1信号G1信号产生的原理与普通磁电式信号发生器的工作原理相同。因为G1传感线圈的曲轴转角位置对应于第六缸压缩行程上止点附近。因此只要G1线圈信号波峰出现时，就表示第六缸处于压缩行程上止点附近，该信号主要用于点火时刻基准的确定。(2)G2信号G2信号与G1信号相同，但由于G2线圈与G1线圈相位相差360°曲轴转角，因此当G2信号波峰出现时，即表示第一缸活塞处于压缩行程上止点的附近。其作用与G1信号相同。(3)Ne信号Ne转子有24个齿，它每转一转将产生24个信号，其信号产生原理同上。但信号的周期长度为15°分电器轴转角或30°发动机曲轴转角。此外，为了保证点火精度，需将这个脉冲信号整形，再通过电路将24个脉冲进行720个脉冲分频，即可产生1°曲轴转角信号。该信号主要用于计量点火提前角和点火线圈的导通角。2.微机的输出信号当ECU检测到发动机的转速、进气量、水温、起动开关等信号后，便可精确计算点火提前角，以此向点火控制模块发出IGd1,,IGd2及IG1。信号(参见图5-19).其中，IG1为点火信号，用于各缸点火提前角的控制，而信号IGd1和IGd2偏为判缸信号，其信号状态如表5-1所示。点火控制模块由此可判定发动机气缸的点火次序，依次完成对各点火线圈点火过程的控制，使火花塞依次产生击穿电压，点燃气缸内的可燃混合气，发动机对外作功。此外，各点火线圈导通角的控制，则是由点火控制模块中的导通角控制模块完成的。其次，由于电子控制的燃油喷射系统中，喷油器的驱动信号也来自于曲轴位置传感器，若点火系出故障使火花塞不点火，而曲轴位置传感器工作正常，喷油器会照常喷油，因此会造成气缸内喷油过多，导致发动机再起动困难或行车时三元催化反应器过热。为了避免这种现象发生，特设定当完成点火过程后，点火控制模块应及时向ECU返回Igf点火确认信号，若其3--5次均无Igf信号返回时，则ECU便以此判定点火系有故障，且强行断油，致使发动机熄火。第五节爆燃控制汽油机气缸内的混合气点燃后，通过火焰传播方式进行燃烧，以此完成可燃气体在气缸内膨胀作功过程。如果气缸压力和温度异常升高，有可能会造成部分混合气不等火焰传播，就自行着火燃烧的现象发生。此时整个燃烧室内会瞬时形成多火源燃烧，并伴随产生高温和强大的压力波，这种现象就称为爆燃。发动机工作时，如果持续产生爆燃，会引起气缸体、气缸盖和进气歧管等薄壁构件的高频振动，运动件机构产生冲击载荷，导致很大的噪声和损坏。此外，火花塞电极或活塞很可能产生过热、熔损等现象，造成发动机的严重故障。若采用带有爆燃传感器的点火闭环控制系统，则可有效地防止爆燃的产生。一、爆燃与点火时刻的关系爆燃与点火时刻有着密切的关系，其关系如图5-20所示。由此可见，点火提前角越大，燃烧压力越高，则越容易产生爆燃。此外，从图5-21中还可以看出，发动机发出最大转矩的点火时刻(MBT曲线)出现在爆燃界限的附近。因此，在有爆燃传感器的点火系闭环控制系统，可以利用爆燃传感器的反馈控制，把点火时刻控制在爆燃界限的附近，有利于提高发动机的动力性。尤其是在装有废气涡轮增压的发动机上，由于使用的是绝热增压的空气燃烧，发生爆燃的可能性会增加，更需要采用闭环控制系统。为了有效地防止发动机发生爆燃，在有的控制系统中，除了可控制点火提前角外，还可同时控制废气旁通阀的动作，更有效的抑制爆燃的产生。二、爆燃控制系统1．爆燃的检测发动机是否发生爆燃，可用爆燃传感器来进行检测。爆燃传感器大多数安装在发动机的缸体上，利用压电元件的压电效应把爆燃传到缸体上的机构振动状态转换成电压信号，再通过ECU对信号进行的处理和识别，进而控制发动机的点火提前角。爆燃传感器的种类很多，现在广泛采用的是宽幅共振压电式爆燃传感器。该类传感器虽输出电压的峰值较低，但可以在较大振动频率范围内检测出共振电压信号。由于宽幅共振式爆燃传感器具有感测频率范围较广的优点，故适用于检测随发动机转速变化而产生的不同爆燃频率的信号。2.爆燃的控制方法综上所述，安装在发动机缸体上的爆燃传感器可感应出发动机不同频率范围内的振动，且当发动机发生爆燃时，传感器可产生较大振幅的电压信号，如图5-22所示。发动机是否发生爆燃，可用ECLT中的爆燃信号识别电路(参见图5-23)来判定。先用滤波电路将爆燃信号进行过滤，只允许特定频率范围的爆燃信号通过滤波电路。再将滤波后信号的峰值电压与爆燃强度基准值进行比较，若其值大于爆燃强度基准值，控制系统可由此判定爆燃程度(参见图5-24)。并以某一固定值(1.5°一2°曲轴转角)逐渐减小点火提前角，直至无爆燃信号出现，且在一段时间内保持其值不变。若又有爆燃发生，继续前一个控制过程;若无爆燃发生，则又开始以相同固定值逐渐增大点火提前角，一直到爆燃重新产生，周而复始。其实际点火提前角控制过程如图5一24所示。爆燃强度一般是根据爆燃信号超过基准值的次数来到定。其次数越多，爆燃强度越大;次数越少，则爆燃强度越小(参见图5-25)。其次，由于发动机运行时振动频率频繁而剧烈，为了提高控制系统的可靠性，故并非任何时间均进行反馈控制。通常设定的爆燃控制范围.只限于能够识别发动机点火后爆嫩.且可能发生的一段曲轴转角范围内。只有在该范围内，控制系统才允许对爆燃信号进行信号识别。此外，试验表明，当发动机的负荷低于某一值时，一般不会出现爆燃。此时，点火控制系统亦采用开环控制，否则，则采用闭环控制。为防止线缆断裂、传感器失灵、检测电路发生故障等意外情况，系统内设置了一个安全电路。一旦出现上述情况，安全电路将点火时刻推迟。并且接通仪表警告灯，警告驾驶员爆燃控制系统发生了故障。