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第4章汽油机电控点火系统
学习目标
通过本章的学习应掌握汽油机对点火系统的基本要求，电控点火系统主要优点、主要形式和基本工作原理；掌握点火提前角和闭合角对汽油机性能和点火系性能的影响，最佳点火提前角和闭合角控制的方法；掌握爆震检测方法、典型爆震传感器基本构造和基本工作原理、爆震反馈控制等基本内容。

4.1概述
汽油机点火系统的性能对汽油机的动力性、经济性、排放性能具有十分重要的影响，点火系统必须满足一定的基本要求才能使汽油机的各项性能指标达到较好的水平。

4．1．1汽油机对点火系统的要求
一、点火系统必须向火花塞电极提供足够高的击穿电压
火花塞电极间产生火花时的电压．称为击穿电压，汽油机正常工作所需的击穿电压与汽油机的运行工况有关。

在低速大负荷时，所需的击穿电压为8～10 kV，而在起动时所需的击穿电压最高可达17 kv。

为了能可靠地点燃可燃混合气，点火系提供的击穿电压除必须满足不同工况的要求外，点火系所能提供的电压还应有一定的宽裕度，目前大多数电控汽油机点火系所能提供的击穿电压已超过28 kV。

二、火花塞电极间产生的火花必须具有足够的能量
要可靠地点燃混合气，除了需要足够商的击穿电压外．火花塞产生的电火花还应具有足够的能量。

电火花的能量用公式表示为
电火花的能量=火花塞电极间的电压×火花塞电极间流过的电流×电火花持续时间
一般情况下．电火花的能量越大．混合气的着火性能越好。

点燃混合气所必需的最低能量与混合气的浓度、火花塞电极间隙及电极的形状等因素有关。

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发动机正常工作时，由于接近压缩终点时混合气已经具有很高的温度．因此所需的火花能量较小，一般为l～5 mJ。

在起动工况、怠速工况、节气门开度快速变化的非稳定工况，则需较高的火花能量。

为了使混合气有好的着火性能，电火花一般应具有50～80 mJ的点火能量，目前电控的高能点火装置能提供的点火能量都超过了80～100 mJ。

三、在汽油机运行的大部分工况应始终具有较佳的点火提前角
点火系统除了应按各缸的工作顺序依次点火外．还必须保证具有较住的点火提前角。

较佳的点火提前角不仅能提高汽油机的动力性．降低燃油消耗率．而且也能减少汽油机有害物的生成量。

对于以上三个要求，传统的机械式有触点点火系统只能基本满足．普通电子点火系统只能在提高击穿电压方面有所改善，只有电控点火系统，才有可能在以上三个方面都取得突破，并在发展中不断提高。

4．1_2普通电子点火系统与电控点火系统
从传统机械式有触点点火系到现代轿车普遍采用的电控点火系，汽油机点火系统的电子化经历了两个发展阶段。

一、普通电子点火系统
如图4 l所示．普通电子点火系由信号发生器2、点火控制模块4、大功率晶体管6、点火线圈5、分电器(图中未画出)、火花塞7等组成。

信号发生器由信号轮和感应线圈或霍尔信号发生器组成，信号轮通常安装在分电器轴上，曲轴转两圈，信号轮转一圈，感应线圈或霍尔信号发生器向点
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火器输出与气缸数相等的点火信号。

根据信号发生器输入的点火信号，点火控制模块控制大功率晶体管的导通和截止，使点火线圈初级接通或断开，在点火线圈次级感应出高压。

点火高压经过分电器的分火头、侧电极及分缸高压线输送到相应的火花塞，火花塞电极间产生的电火花点燃气缸内的可燃混合气。

普通电子点火系统与机械式有触点点火系统相比，由于采用了信号发生器，从根本上消除了由触点引起的缺点和故障。

同时点火控制模块还具有闭合角控制和初级线圈恒流控制功能，使初级线圈断开瞬间的电流达到饱和电流，在次级线圈上感应出足够高的电压，保证点火系在发动机全部转速范围内都能可靠工作。

另外，普通电子点火系统还具有点火提前角准确稳定，不需要维护保养等优点。

但是，普通电子点火系统对点火提前角的调整，仍采用机械式真空提前装置和离心式提前装置，因此不能对点火提前角进行精确调整。

同时，普通电子点火系统的点火提前角调整装置，不能兼顾其他因素对点火提前角的影响，也不能对爆震进行反馈控制。

在采用普通电子点火系统的汽油机中，为了避免产生爆震，点火系统确定的实际点火提前角通常小于最佳点火提前角，以致汽油机的潜能没有得到充分的发挥。

目前，普通电子点火系统除货车汽油机中仍在使用外，在轿车中已被更先进的微机控制点火系统所代替。

二、电控点火系统
电控点火系统是现代轿车汽油机广泛采用的一种新颖点火系统。

如果把电控点火系统作为一个独立控制系统看待，那么电控点火系统像其他的电控系统一样，由传感器、ECU及执行元件三部分组成，如图4．2所示。

事实上，由于电控点火系统是汽油机电控系统的一个组成部分，因此，除了点火系统专用的部件（如点火控制模块1、点火线圈2、火花塞等）和传感器（如爆震传感器）外，其他所有的传感器，包括ECU都是共用的。

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图4．2 电控点火系统的组成
l一点火控制模块；2一点火线囵
电控点火系统不但具有普通电子点火系的所有优点，而且它取消了真空式和机械离心式点火提前角调整装置，由ECU根据汽油机的运行工况对点火提前角进行调整和控制。

同时，电控点火系统采用爆震传感器对爆震进行检测，ECU 根据检测结果对点火提前角实施反馈控制。

上述两项新技术的应用，在需要进行最佳点火提前角控制的运行工况，电控点火系都能提供最佳的点火提前角，使汽油机的动力性、经济性、排放等方面的性能都达到较佳的水平。

电控点火系统，按有无分电器，可分为电控有分电器点火系统和电控无分电器点火系统两种类型。

1电控有分电器点火系统
电控有分电器点火系统的主要特点是：点火线囵次级产生的高压，通过分电器按发火顺序，依次输送到各缸火花塞。

对于点火提前角、闭合角和爆震反馈的控制，与其他类型微机控制点火系统基本相同，如图 4．3所示。

随着电控无分电器点火系统的出现，有分电器点火系统已趋于淘汰.
2．电控无分电器点火系统
电控无分电器点火系统最主要的特点是完全取消了传统的分电器，由ECU 中附加的点火控制电路和分电电路控制点火控制模块，实现对点火的控制。

对于微机控制无分电器点火系统，按点火方式可分为同时点火方式和独立点火方式两种类型。

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图4．3 微机控制有分电器点火系统构成原理图l—ECU；2一蓄电池；3一火花塞；4一点火开关；5一分电器；6一点火线圈 7一点火控制模块；8一N转子及信号线圈；9一G转子及信号线圈
(1)同时点火方式
同时点火方式的主要特点是点火过程同时发生在两个工作顺序相差360。

的气缸中。

电火花产生时，其中一个气缸的活塞位于压缩上止点附近，对这个气缸是一次有效的正式点火。

对于另一个气缸，由于其活塞正好位于排气上止点附近，因此是一次无效的空点火。

对同时点火方式，按配电方式又分为二极管分配式和点火线圈分配式两种形式。

二极管分配式同时点火系统的构成如图4.4所示。

该点火系统由Ecu l、点火控制模块2、点火线圈3和二极管4等组成。

对于图4.4所示的四缸机，点火线圈的初级线圈有2组绕组，初级绕组①对应1、4缸，初级绕组②对应2、3缸。

当ECU向点火控制模块发出1、4点火的触发信号时，点火控制模块中的V1截止，初级绕组①中的电流被切断，在次级绕组中感应出下“+”上“-”的高压电，点火高压经4、l缸火花塞构成回路，使处于压缩上止点附近的1缸正式点火，而处于排气上止点附近的4缸则空点火一次。

曲轴转过180~后，ECU向点火控制模块发出2、3缸点火的触发信号时，点火控制模块中的V2截止，初级绕组②中的电流被切断，在次级绕组中j感应出上“+”、下“-”的高压电，点火高压经2、3缸火花塞构成回路，同时在2、3缸产生电火花此时3缸为正式点火，2缸则空点火一次。

发动机曲轴转2圈，ECU发出4次点火
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触发信号，按1—3—4—2的工作顺序，各缸轮流正式点火1次。

图4.4无分电器二极管分配式同时点火系统构成原理图
l—ECU；2一点火控制模块；3一点火线圈；4一二极管点火线圈分配式同时点火系统的构成如图4．5所示。

该点火系统由曲轴位置和凸轮轴位置传感器l、ECU 5、点火控制模块2、点火线圈3和火花塞4等组成。

点火线圈分配式点火系统的主要特点是，每两个工作顺序相差360°的气缸共用一个点火线圈，对于图4.5的六缸机，共有三个点火线圈。

当ECU 向点火控制模块发出l、6缸的点火信号时，点火控制模块中控制No.1点火线圈初级绕组的晶体管截止，在次级绕组上感应出高压，串联在次级绕组上的1、6缸的火花塞同时跳火。

当曲轴转120°时，ECU向点火控制模块发出5、2缸的点火信号时，点火控制模块中控制No.2点火线圈初级绕组的晶体管截止，在次级绕组上感应出高压，串联在次级绕组上的5、2缸的火花塞同时跳火。

据此类推，曲轴再转过120°，3、4缸的火花塞将同时跳火。

对于同时点火的两个气缸，由于一个气缸的活塞已接近压缩行程终点，气缸内压力较高，放电较为困难，所需的击穿电压较高，而另一个气缸的活塞已接近排气行程终点，气缸内的压力已接近大气压，放电较容易，所需的击穿电压较低。

因此在这种火花塞串联布置的点火电路中，当两缸火花塞同时跳火时，电路的阻抗几乎都在压缩缸，压缩缸承受大部分电压降。

与普通只有一个火花塞跳火的点火系相比较，压缩缸的击穿电压相差不大，在排气缸损失的电能也不大。

曲轴转过两圈，根据l一5—3—6—2—4的工作顺序，各缸依次轮流正式点火一次。

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图4．5无分电器点火线圈分配式同时点火系统构成原理图
1一曲轴位置和判缸信号传感器；2一点火控制模块；
3一点火线圈；4一火花塞；5一电控单元
串联在每组高压回路中的二极管的作用是：利用二极管的反向截止功能，防止发动机高速运行时，初级绕组接通瞬间在次级绕组产生的感应电压(大约l 000 V)造成火花塞在进气行程末期或压缩行程初期跳火，使发动机不能正常工作。

无分电器点火系由于取消了分电器，使发动机的运动零件减少，结构更紧凑。

另外，无分电器点火系的点火线圈采用闭磁路结构，且点火线圈产生的高压直接由分缸高压线输送到火花塞，减少了高压输送的损失，有利于提高点火能量。

(2)独立点火方式
独立点火方式是多气门汽油机无分电器点火系中普遍采用的结构形式。

点火线圈分配式独立点火系统的构成如图4．6所示。

该点火系统由电控单元、点火控制模块4、点火线圈1和火花塞2等组成。

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(a)点火线圈安装位置示意图 (b)独立点火系统构成原理图
图4．6无分电器点火线圈分配式独立点火系统原理图
l一点火线圈；2一火花塞；3一电控单元；4一点火控制模块独立点火方式的主要特点是：每个气缸上配有1个点火线圈和1个火花塞，点火线圈安装在火花塞上方，取消了高压线，由点火线圈直接向火花塞供电。

发动机工作时，ECIJ按各缸工作顺序向点火控制模块发出点火信号，点火控制模块内相应的晶体管截止，使对应气缸点火线圈初级绕组断开，在次级绕组上感应出高压，火花塞产生火花，点燃已被压缩的混合气。

独立点火方式每缸配置一个超小型闭磁路点火线圈，且由点火线圈直接向火花塞供电，因此具有初级绕组充电时间短，点火能量传递损失小的突出优点，一般在高达9 000 r／min的宽广转速范围内，点火系都能提供足够高的点火电压和点火能量。

另外，独立点火方式还具有电磁干扰少、击穿电压低(火花塞中心电极均为负极)、电极寿命长等优点。

4．2点火提前角和闭合角控制
点火提前角和闭合角是与汽油机综合性能有关的两个重要控制参数。

点火提前角与汽油机的经济性、动力性及排放性能紧密相关，较好的点火提前角可以使发动机的三个基本性能同时达到较佳。

闭合角是影响击穿电压和点火能量的重要因素，合适的闭合角可以使点火系在宽广的发动机转速范围内都能可靠工作。

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4．2．1 点火提前角和点火提前角控制
汽油机缸内的混合气从火花塞点火到燃烧完成需要一定的时间(约千分之几秒)，为了使发动机的输出功率尽可能大，点火时刻不应在压缩行程上止点开始，而应当提前一定的角度，点火提前角的大小对发动机的性能具有重要影响。

一、点火提前角对发动机性能的影响
试验表明，在燃烧膨胀过程中，当最高爆发压力出现在上止点后10。

左右时，发动机的输出功率最大。

某一台汽油机，在额定工况下，以最佳的点火提前角A、较大的点火提前角C和较小的点火提前角B三种情况运行，测得的三条缸内压力变化曲线如图4.7所示。

从图中可以看到，以最佳的点火提前角A点火。

缸内压力变化曲线2围成的面积最大(斜线所表示部分)，
可以使发动机的输出功率达到最大。

虽然点火提前角对汽油机性能的影
响规律早已被人们所认识，但由于最佳
点火提前角受到许多因素的影响，汽油
机运转中，最佳点火提前角始终在图4．7
不同点火提前角对气缸压力的影响
发生变化，在没有电控技术支持前， l一点火提前角过大；
要实现精确控制，技术上存在较大 2一点火提前角最佳；3一点火提前角过小困难。

二、影响最佳点火提前角的因素
影响最佳点火提前角的因素有发动机的结构形式和汽油品质，发动机的运行工况、发动机的热状态及技术状况，发动机的运行环境条件等。

其中最主要的是汽油机的转速、负荷及汽油的抗爆性(即汽油的辛烷值或牌号)。

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1．转速对最佳点火提前角的影响
在汽油机负荷不变的条件下，随着发动机转速升高，相同时间内转过的曲轴转角增大，如果混合气的燃烧速率不变，为保证在上止点后10。

左右燃烧压力达到最高，最佳点火提前角应在原来基础上适当加大。

另一方面，随着发动机转速升高，气缸压力和温度提高，混合气的扰流增强，促使燃烧速度加快。

在这两方面因素的综合作用下，虽然总体上最佳点火提前角随发动机转速的升高而增大，但理想的最佳点火提前角与转速的关系是非线性的，如图4．8中曲线1所示。

采用机械离心式提前角调整装置的传统有触点点火系统和普通电子点火系统，受调整装置技术性能的限制，其提供的实际最佳点火提前角调节与理想的最佳点火提前角有较大的差距，如图4．8曲线3所示。

微机控制点火系统提供的实际最佳点火提前角，如图4．8曲线2所示，在微机控制技术的支持下，该实际最佳点火提前角非常接近理想最佳点火提前角。

2．发动机负荷对最佳点火提前角的影响
在发动机转速不变的情况下，当发动机负荷增大时，进入气缸的混合气量增加，压缩终了气缸内温度提高，同时残余在新鲜混合气中的百分比下降，使混合气的燃烧速度加快，因此最佳点火提前角应比原来适当减小。

然而，理想的最佳点火提前角与负荷的关系也是非线性的，如图4一曲线1所示。

采用真空点火提前角调节装置的传统点火系统和普通电子点火系统，受调整装置技术性能的限制，其提供的实际最佳点火提前角与理想最佳点火提前角相差较大，如图4．9曲线3所示。

微机控制点火系统提供的实际最佳点火提前角，如图4．9曲线2所示，该实际最佳点火提前角十分接近理想最佳点火提前角。

3．汽油的抗爆性对最佳点火提前角的影响
在实际发动机中，为了避免爆震，实际最佳点火提前角都略小于理想最佳点火提前角。

当换用高牌号汽油后，汽油的抗爆能力提高，为了充分发挥汽油机的潜能，应在原来的基础上适当加大点火提前角，反之则应减小。

为了满足选用不同辛烷值汽油的要求，在微机的ROM中预先储存了两张点火提前角数据
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表，用户在换用不同牌号的汽油后，可以开关形式通知微机控制系统进行切换。

图4.8 发动机转速对最佳点火提前角的影响
l一理想最佳点火提前角与转速的关系；
2一电控点火系的最佳点火提前角与转速的关系；
3一离心装置调整的最佳点火提前角与转速的关系
图4．9 发动机负荷对最佳点火提前角的影响
1一理想最佳点火提前角与负荷的关系；
2一电控点火系的最佳点火提前角与负荷的关系；
3一真空装置调整的最佳点火提前角与负荷关系
4．影响最佳点火提前角的其他动态因素
影响最佳点火提前角的其他动态因素还有空燃比、大气压力、冷却水温度等。

传统点火系统和普通电子点火系统无法根据上述影响因素对点火提前角进行实时调整。

在微机控制点火系统中，ECU根据各种传感器的输入信号，能根据影响因素的变化对实际最佳点火提前角进行修正，使实际最佳点火提前角基本达到理想最佳点火提前角，以保证汽油机在绝大部分运行工况都具有较佳的
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综合性能。

三、最佳点火提前角的确定与控制
在电控点火系统中，根据汽油机运行工况的特点，ECU对点火提前角的控制分为汽油机起动时的点火提前角控制和起动后的点火提前角控制两种情况。

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1．汽油机起动时点火提前角的控制
汽油机起动时，在极短的时间内，发动机从每分钟零转升高到每分钟几百转，转速的剧烈变化使电控点火系统无法实行最佳点火提前角控制。

因此，对于汽油机的起动工况，ECU不实行最佳点火提前角控制，而是根据起动开关信号和发动机的转速信号，以预先设定的点火提前角点火。

当发动机转速超过一定值(一般大于500 r／min)时，则转入起动后的最佳点火提前角控制程序。

2．起动后的最佳点火提前角控制
汽油机起动后，电控点火系对点火正时实行最佳点火提前角控制。

最佳点火提前角控制的基本控制过程是：首先，ECU根据发动机转速和负荷确定基本点火提前角。

然后，根据有关传感器的信号，确定修正点火提前角。

这两项点火提前角的代数和，再加上作为计算基准的初始点火提前角，得到实际的最佳点火提前角。

实际最佳点火提前角可用公式表示为
实际最佳点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+点火提前角修正值
(1)初始点火提前角
初始点火提前角对最佳点火提前角计算没有实质性影响，它的作用仅是确定点火提前角计算的初始基准位置。

在有些电控点火系中，Ecu把判缸信号出现后的第一个转速信号过零点定为压缩行程上止点前10。

，并以这个角度作为点火提前角计算基准点，称之为初始点火提前角。

也有一些电控点火系把压缩上止点作为点火提前角计算基准点。

在这类汽油机中，实际最佳点火提前角的计算公式变为
实际最佳点火提前角=基本点火提前角+点火提前角修正值
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(2)基本点火提前角
对于基本点火提前角的确定，Ecu按怠速工况和非怠速工况两种情况分别处理。

汽油机处于怠速工况运行时，ECu根据节气门位置传感器输入的怠速触点闭合信号，确认发动机处于怠速工况，然后根据转速传感器输入的转速信号、空调开关信号，从预先设定的怠速工况基本点火提前角数据表中选出相应的点火提前角，如图4．10所示。

图4．10 怠速工况的基本点火提前角图4．11 非怠速工况的基本点火提前角汽油机处于非怠速工况运行时，Ecu根据转速传感器输入的转速信号、节气门位置传感器输入的负荷信号，从预先设定的非怠速工况基本点火提前角数据表(也称点火提前角脉谱图)选出相应的基本点火提前角，如图4．1l所示。

(3)点火提前角修正值
除了转速和负荷这两个主要因素外，其他对点火提前角有影响的因素均归入到点火提前角修正值中。

在汽油机运转中，Ecu根据有关传感器的输入信号，分别求出对应的修正值，它们的代数和就是总的点火提前角修正值。

在大多数电控点火系中，总的点火提前角修正值包括暖机工况修正、发动机过热修正、空燃比反馈修正、发动机怠速稳定性修正、爆震传感器反馈修正等。

① 机工况修正
汽油机冷车起动后，发动机进入暖机工况，由于冷却水温度较低时，混合气燃烧速度较慢，应适当增大点火提前角。

随着暖机过程的延续，冷却水温度逐渐升高，点火提前角修正值逐渐减小，如图4．12所示。

暖机修正值大小与
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冷却水温度的对应关系随发动机不同而异，但变化规律基本相同。

暖机工况修正的主要控制信号有确认发动机处于暖机工况的节气门位置信号、冷却水温度信号和空气流量信号等。

冷却水温度/ ℃冷却水温度／℃
图4．12 暖机修正曲线图4：13 过热修正曲线
②发动机过热修正
当汽油机处于怠速工况运行时，如果冷却水温度过高，应适当增大点火提前角，以防止发动机长时间过热。

汽油机处于非怠速工况运行时，如果冷却水温度过高，则应适当减小点火提前角，以避免发生爆震。

发动机过热修正值的变化规律如图4．13所示。

发动机过热修正的主要控制信号有ECU对怠速或非怠速进行判断的节气门位置信号、冷却水温度信号等。

③空燃比反馈修正
由于混合气空燃比变化对混合气的燃烧速度有影响，因此ECU需要根据氧传感器的空燃比反馈信号对点火提前角进行修正。

EcU仅在空然比大于＊．7：I情况下，才进行空燃比反馈修正，且与喷油量修正呈负相关，即当喷油量逐渐减少，空然比从14．7：1逐渐变大时，空燃比反馈修正值由零逐渐增大。

当喷油量逐渐增加，空然比由大于回4．7：1逐渐变小时，空燃比反馈修正值由大逐渐减小。

在空然比小于14．7：1时，不进行空燃比反馈修正，如图4．14所示。

采用这种修正方法，不仅考虑到混合气的燃烧速度，而且也兼顾到提高发动机怠速的稳定性。

空燃比反馈修正的主要控制信号有氧传感器的空然比反馈信号、节气门位置信号、冷却水温度信号等。

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