第3章 汽油机点火系统电子控制

2）过量空气系数λ
λ增大则火焰传播期τs增大，促成爆震。 但另一方面，λ增大，则自燃准备时间τk也 增大，故又抑制爆震。 对一种确定的燃油，有一个最易爆震的λ值。 对汽油来说，当λ =0.8～0.9时最易爆震。

3）残余废气系数γ
γ增大则，τs增大，促成爆震。 但另一方面，γ增大，则新鲜混合气受到稀 释，体积效率ηV下降，燃烧压力和终燃混 合气温度下降，使自燃准备时间τk也增大， 故又抑制爆震。 两者相抵总的结果是γ增大会抑制爆震。
（3）对NOx排放的影响

不论λ为多少，NOx排 放均随着θi增大而增加。 因为随着θi增大，燃烧 温度上升。

从总体上说，点火提前角越大，排放越恶 化。点火提前角影响排放的程度仅次于过 量空气系数。
2、点火提前角的优化

优化过程就是要使发动机的扭矩最大、油 耗最少、排放最低。但是如前所述，这三 个指标随点火提前角变化的规律并不相同。 所以，所谓优化，只是一种最合理的折衷。


为了满足发动机提高转速的要求并提高可 靠性，近年来发展了无分电器点火系统。
点火提前角电子控制为爆震控制提供了可能性。 为了保证点火线圈有足够的能量用于点火，对
点火闭合角也要实施电子控制。
1、点火提前角对发动机性能和排放 的影响
1）对转矩的影响


对每一个固定的工况，即固定的负荷和转 速，随着点火提前角θi的增大，转矩先增 加，达到最大值后下降，见图。图中横坐 标为点火提前角，纵坐标为功率。因为每 条曲线对应于固定的转速，所以功率曲线 反映了扭矩变化。图中以进气歧管真空度 表示负荷。 由于工况固定，正常燃烧角θnc固定，所 以当3-2中的点1左右移动时，点3相应地 左右移动，且移动的幅度相等。如前所述， 当点3处于压缩上止点后12～15℃A时平 均有效压力达到最大值，因而扭矩也达到 最大值。此时点1对应于图中功率和扭矩 达到最大值的点火提前角，称为扭矩最佳 点火提前角。
现代点火系统基本采用无分电器点火，又 称全电子点火。 此类系统必须以电子方式进行点火正时调 节，所以需要脉冲盘感应传感器传感曲轴 位置信息。

无分电器点火系统可有以下实现方式。 （1）单火花点火线圈无分电器点火系统 （2）双火花点火线因无分电器点火系统 （3）四火花点火线圈无分电器点火系统
②外部特征： 发出金属振音； 发动机振动加剧； 轻微爆震时，发动机功率略有增加;强烈爆震时， 发动机功率下降、转速下降，运转不稳定； 冷却液温度上升； 润滑油温度上升； 气缸盖温度上升。
2） 对爆震的分类
爆震可分为加速爆震和高速爆震两类。 （1）加速爆震。

发生在大负荷情况下由低转速向高转速过渡时，

由图可见，负荷减小（进气歧管真 空度增大）或转速增加都使对应于 最大扭矩的点火提前角增大，就是 说，使扭矩最佳点火提前均增大。 这个结果与以上讨论一致。


由图还可见，在经常使用的部分负 荷范围，1600r／min时该发动机的 扭矩最佳点火提前角在40CA左右。 但这个点火提前角对应的HC和NO 排放相当差，加之过大的点火提前 角会引起爆震，所以实际采用的点 火提前角通常小于扭矩最佳点火提 前角。 因此对实际发动机而言，增大点火 提前角通常可提高动力性和经济性。
2、影响爆震的化学、物理、机械和 结构因素
一切减缓火焰传播速度即增大τs的因素都促 成爆震； 一切减缓自燃准备过程即提高τk的因素都抑 制爆震。

1）燃油
燃油碳氢化合物的分子若系单键链形结构， 则最易点燃，τk最小，最易爆震。链越长， 越易爆震。 通常用辛烷值评定爆震倾向。辛烷值增大， 则τk延长，不易爆震。
1）爆震概述
（1）爆震的特征
爆震是一种非正常燃烧，它具有以下特征： ①内部特征： 缸内压力曲线陡升，压力升高率可达约800kPa/1℃A； 缸内压力作高频大幅度波动，频率可达5～10kHz； 火焰传授速度剧增。正常燃烧时火焰传播速度为10-25m/s， 轻微爆震时为250～300m/s，强烈爆震时为2000～ 3000m/s； 放热率剧增。
3）对排放的影响

仍以上述发动机部分负荷、2000r／min为 例，见图。
（1）对HC排放的影响

在均质混合气汽油机 的过量空气系数范围 内，HC排放随着θi增 大而增大，且几乎成 线性关系。因为随着θi 增大，排气温度降低， 膨胀阶段和排气阶段 HC的后反应减弱。
（2）对CO排放的影响

在全负荷工况的过量 空气系数范围内 （λ<0.95），点火提 前角的增大使CO排放 略有增加。当λ>0.95 时，点火提前角对CO 排放几乎没有影响。
第3章 汽油机点火系统电子控制
汽油机点火系统电子控制的核心问题是点 火提前角电子控制。 点火提前角对发动机的动力性、经济性和 排放有十分重要的影响，是继燃油定量之 后的第二个必不可少的控制参数，应根据 发动机负荷和转速加以优化。

传统的汽油机同样根据发动机负荷和转速 对点火提前角实施控制，不过是以机械方 式进行的。 点火提前角电子控制系统中则由ECU根据 负荷和转速传感器提供的信息从存贮器中 调出优化的点火提前角数据，通过程序运 行进行修正，实施控制。为此，需要曲轴 位置信息。
（1）单火花点火线圈无分电器点火 系统



每缸各自配备一个单火花点火 线圈，直接装在火花塞上面， 无需分电器就能将高压电适时 地送到各个火花塞。 由于去除了高压分电器中的电 火花，要求的点火电压会降低 一些。 单火花点火线圈的构造见图。 为了区分压缩上止点和排气上 止点需要凸轮轴信号。
（2）双火花点火线圈无分电器点火 系统

就点火提前角的优化过程而言，动力性和经济性 基本上是统一的。 当缸内压力最大值出现在压缩上止点后12～ 15℃A时，动力性和经济性均为最佳。 所以，按动力性和经济性优化得出的扭矩最佳点 火提前角完全由正常燃烧角θnc决定。 所有使正常燃烧角增大的化学、物理、机械和电 气因素都使扭矩最佳点火提前角增大。

综上所述可见，点火提前角优化的原则是， 在不发生爆震和满足排放法规要求的前提 下尽量提高动力性和经济性。
3、点火系统及其点火提前角控制方 法

任何点火系统都必须具备下列功能：
能量转换；点火触发；正时调节（点火提前角的控
制）；高压分电。


点火系统将电池的电能转换成磁能贮存在线圈内， 在恰当的时刻又突然将磁能转换成电能并通过火 花塞释放出来形成火花点燃混合气。 能量转换的过程必须借助于点火线圈和火花塞， 所以任何点火系统都少不了点火线圈和火花塞。

双火花点火线圈的次级线 图有两个高压输出端，见 上图。其中的每一个端连 接一个火花塞。 结果双火花点火线圈的次 级线圈利用高压线将两个 火花塞通过它们的接地点 串联成一个闭合的回路， 见下图。
双火花点火线因组成的点火系统有如下特 点： ①两个串联的火花塞同时打火，两者极性相 反，其中必有一个与通常要求的极性（中 心电极接负极，接地电极接正极。这是由 于中心电极温度高，电子较易向接地电极 流动）相反，反极性的火花塞要求较高的 点火电压。

② 串联于同一个双火花点火线圈的两个火花塞必须分别安装 在两个点火间隔为360℃A的气缸内。在四缸机的场合， 同一个双火花点火线圈的两个火花塞分别装在第1、4缸， 另一个双火花点火线圈的两个火花塞分别装在第2、3缸。 结果，当处在压缩上止点的1缸的火花塞打火点燃混 合气时，同时打火的、处在排气上止点的4缸的火花塞没 有什么贡献（这是由于空气密度小而使此缸击穿电压低， 点火能量小）。曲轴转过360度后，情况正好相反。 2、3缸打火的时刻与1、4缸错开180度曲轴转角。这 种安排使得点火正时电子控制系统在传感曲轴位置信息方 面不必区分压缩上止点和排气上止点。就此而论，恰与单 火花点火线图相反。
（3）四火花点火线圈无分电器点火 系统


如图所示，初级线圈9和初级线圈10 极性相反，两者交替地闭合和断开。 初级线圈9或10断开时在次级线圈11 中感生出电动势。初级线圈9断开的 感生的电动势方向与初级线圈10断开 时相反。由于二极管5与6极性相反， 7与8极性相反，所以火花塞1与4通 过二极管5与8同时打火，火花塞2与 3通过二极管6与7同时打火。两组以 180℃A的间隔交替打火。 获得的效果跟两个双火花点火线圈完 全一样。一个四火花点火线圈比两个 双火花点火线圈少用一个次级线圈， 但是多用了四个二极管。
4）爆震的机理
气缸内的混合气点燃后，火焰从火花塞出 发向四周传播。 传播过程中尚未燃烧的混合气受到火焰前 锋的压缩，因而压力增大、温度升高。 剩余的未燃混合气温度过度升高可能最终 导致突然的同时自燃、即爆震。

5）爆震发生的条件


未燃混合气的自燃需要一段准备时间。如果火焰 迅速传遍整个燃烧室，便来不及发生爆震。反之， 则发生爆震。 从点燃混合气到火焰传遍整个燃烧室所经历的时 间即火焰传播期，前已记作τs。从点燃混合气到 剩余的未燃混合气自燃的时间，即自燃准备时间， 记作τk。则发生爆震的条件为： τs＞τk
③由于两个串联的火花塞同时打火，而且其中之一 具有反极性，故要求点火电压提高几千伏。但是， 由于消除了分电器上的火花，使对点火电压的要 求得到一些抵消； ④初级线图接通的瞬间也会在次红线圈感生出一个 不希望的1～2kV的反极性“接通电压。现因要求 较高的点火电压，故不加任何措施就能避免火花 塞产生“接通火花”； ⑤为避免排气缸火花塞点燃残余废气或吸入的鲜鲜 混合气，须限制点火提前角可能范围。
（4）四缸机中三种无分电器点火系 统的特点对比

四缸机中三种无分电器点火系统的特点对比见表 3-1。

由表可看出，各种点火系统的能量转换无一例外 地依靠点火线圈；各种点火系统中，电子化程度 最高的是无分电器点火系统。