04-汽车电子控制技术

汽车电子控制技术ElectronicControlTechnologyforAutomobile第四章汽油机点火控制1电控点火系统的组成和分类2点火提前角和闭合角的控制3发动机爆燃（爆震）的控制4典型电控点火系统概述电子控制的点火系统则能很好地根据转速、负荷等因素进行综合考虑，以电子的手段控制发动机各工况下的点火提前角，并进行通电时间控制和爆震控制，使发动机的功率、经济性和排放各方面达到最佳。电控点火系统控制的主要内容：点火提前角控制点火原理通电时间控制爆震控制第一节电控点火系统的组成和分类一、电控点火系统的组成与功能微机控制点火系的一般组成：监测发动机运行状况的传感器、处理信号、发出指令的微处理机；响应微机发出指令的点火器、点火线团等组成。一般组成：传感器→ECU→点火执行器点火系统由电源、点火线圈、分电器、传感器、ECU、点火器（点火控制模块）和火花塞组成。点火系统组成⒈基本组成组成：⑴电源:由蓄电池和发电机组成，提供点火能量⑵点火线圈:低电压转变为15~20kV高电压⑶分电器:依据发动机工作时序，将点火线圈的高电压分送火花塞⑷火花塞:将具有一定能量的电火花引入汽缸⑸传感器:有转速传感器、曲轴位置传感器、爆燃传感器⑹ECU⑺点火控制模块:是一个功率放大的驱动电路将点火信号送给点火线圈。点火线圈点火线圈由初级线圈和次级线圈组成，工作时控制点火线圈初级电路的导通和截止。当导通时，有电流从初级线圈电路通过，点火线圈将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级电路被切断时，次级线圈中产生很高的感应电动势，经分电器或直接送至工作气缸的火花塞。点火线圈火花塞⒉点火系统的工作原理发动机工作时，ECU根据接收的传感器信号，按存储器中的相关程序和数据，确定出最佳点火提前角和通电时间，并向点火控制器发出指令。点火控制器根据指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。当电路导通时，电流从点火线圈中的初级电路通过，点火线圈将点火能量以磁场形式储存；当初级电路被切断时，次级线圈中产生很高的感应电动势，经分电器或直接送至工作气缸的火花塞。工作原理图⒊对点火系的基本要求⑴能产生击穿电压点火电压影响击穿电压的因素：①火花塞间隙②汽缸内混合气的压力和温度（密度）③电极的温度和极性④发动机工作情况⑵电火花具有足够的能量发动机正常工作时：1~5mJ，一般提供15~50mJ发动机混合气较稀时：提供50~80mJ发动机起动时：提供大于100mJ⑶点火时刻适应发动机工作情况点火时序按发动机时序：四缸机1－3－4－2六缸机1－5－3－6－2－4点火提前角：在压缩行程上止点前点火过迟：燃烧压力小、热损失大、发动机过热、功率下降点火过早：燃烧压力过大、负功多、易爆燃、功率下降汽油机的燃烧过程点火时刻对发动机示功图的影响点火提前角对气缸压力的影响⒋最佳点火提前角：能使发动机获得最佳动力性、经济性和最佳排放时的点火提前角，称为最佳提前角。其一般保证燃烧压力最大值出现在上止点后10~15°。影响最佳点火提前角的因素：⑴转速：转速高提前角大，转速低提前角小。⑵负荷：负荷大提前较小，负荷小提前角大。⑶起动与怠速：提前角减小或不提前。⑷汽油的辛烷值：辛烷值大提前角适量增大。⑸压缩比：压缩比大提前角减小。⑹混合气成分：α=0.8~0.9时燃烧速度最快，此时提前角最小；过浓和过稀，提前角都增大。⑺火花塞数量：两个火花塞比一个火花塞提前角小。⑻进气压力：进气压力小、提前角增大。二、电控点火系统分类电控点火系统分为：有分电器式：ECU根据各输入信号，确定点火时间，并将点火正时信号送至点火控制器(简称点火器)。当正时信号变为低电平时，点火线圈初级电路由于功率晶体管的截止而被切断，次级感应出高电压，由分电器按发火顺序送至相应气缸的火花塞产生电火花。无分电器式：现代的点火控制系统都是由计算机控制的直接点火系统，直接点火是指不用分电器而用计算机控制点火线圈，直接使火花塞跳火。它始于80年代中期，最初装在某些萨伯斯和通用汽车的发动机上，目前已广泛地应用于各种型号的电控燃油喷射发动机。有分电器式分电器1、2—凸轮轴／曲轴位置传感器3—空气流量计或过气管绝对压力传感器4—冷却液温度传感器5—节气门位置传感器6—起动开关7—空调开关8—车速传感器9、10—输入回路11—A／D转换器12—输出回路13—存储器14—恒定电压电源15—点火器16—点火线圈17—分电器有分电器式电控点火系统1—主继电器；2—压力传感器；3—温度传感器；4—基准位置传感器；5—转速传感器；6—ECU；7—EFI控制；8—ESA控制；9—点火信号；10—通电开始；11—点火；12—电子点火器；13—点火监视回路；14—闭合角控制；15—点火线圈；16—点火开关；17—蓄电池；18—至分电器；19—至发动机转速表无分电器式特点：用电子控制装置取代了分电器，利用电子分火控制技术将点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火，点火线圈的数量比有分电器电控点火系统多。优缺点：分火性能较好，但其结构和控制电路复杂。根据点火线圈的数量和高压电分配方式的不同，该点火系统又可分为：①单独点火方式②同时点火方式③二极管配电点火方式①单独点火方式特点是每缸一个点火线圈，即点火线圈的数量与气缸数相等。②同时点火方式特点：点火线圈的数等于气缸数的一半③二极管配电点火方式特点：四个气缸共用一个点火线圈。无分电器二极管分配式点火线圈分配式双缸同时点火各缸单独点火电控点火系统有分电器电控点火系统分类无分电器式电控点火系统⒈双缸同时点火⑴一缸在压缩上止点前时点火，另一缸在排气上止点前点火。曲轴转360°，两缸冲程对调。⑵一个点火线圈的次级绕组分别与两个火花塞串联同时跳火。⑶压缩行程一缸的压力高，火花塞击穿电压高，排气行程一缸的压力低，火花塞击穿电压低。阻抗绝大部分在压缩一缸的火花塞上，点火能量主要通过该火花塞释放。双缸同时点火丰田DLI系统框图丰田DLI系统电路图高压二极管的作用点火系统产生高压电的方法，是利用载流的初级线圈周围充满磁场时，迅速切断初级电流，使其周围磁场立即消失，次级线圈从而产生高压电使火花塞跳火。当大功率晶体管导通时，也有磁场的变化，并产生感应反电动势。初级线圈最大反电动势为电源电压12V～14V，次级线圈产生大约1000V的电压。无分电器点火器当大功率晶体管导通时次级电压全部作用于火花塞上，可能产生跳火。在次级线圈内串连一个高压二极管，利用其反向截止功能，防止火花塞跳火。⒉单独点火方式这种点火方式相当于每一气缸单独采用一套独立的点火装置，分别独立对每一缸进行点火。在每一个气缸的火花塞上各配有一个点火线圈。这种点火方式特别适合在四气门发动机上装用，火花塞可安装在双凸轮轴中间，在每一缸火花塞上直接压装一个点火线圈，充分利用了安装空间，这对V型多缸发动机舱的合理紧凑布置具有重要的实用意义。无分电器单独点火日产六缸机点火电路1-点火线圈2-火花塞3-分电电路4-ECU5-传感器信号奥迪五缸机点火电路1-点火线圈2-火花塞3-分电电路4-ECU5-传感器信号⒊二极管分配式点火方式点火顺序1-3-4-2的四缸发动机，采用同时点火方式。VT1截止，一次线圈上的电流切断，二次线圈感应高压电为上“-”下“+”，2、3缸火花塞构成回路跳火；VT2截止，一次线圈下的电流切断，二次线圈感应高压电为上“+”下“-”，1、4缸火花塞构成回路跳火。二极管分配式同时点火的工作原理图1—1、4缸触发信号；2—电子点火控制器；3—控制部分；4—稳压器；5一初级绕组A；6—高压二极管；7—次级绕组；8—初级绕组B；9—2、3缸触发信号第二节点火提前角和闭合角的控制点火提前角的控制分为开环控制和闭环控制。开环控制方式的基本点火提前角是靠预先台架上的试验方法测得的数据来确定的。这些数据存入ECU的只读存储器中，工作时根据发动机工况来选择调取。闭环控制方式是根据发动机实际运行结果的反馈信息来控制点火提前角，又称反馈控制。点火的闭环控制通常利用爆燃爆震传感器反馈爆震信号来控制点火提前角。目前广泛应用的电控点火系统是在开环控制的基础上配再和闭环控制的混合控制方式。一、点火提前角的控制㈠点火提前角的控制模型实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角㈡点火提前角的项目丰田汽车TCCS系统点火提前角的控制⒈初始点火提前角丰田IG—GEL发动机为上止点前10°。在下列情况下，实际点火提前角等于初始点火提前角：⑴起动时，发动机转速变化大，无法计算点火提前角⑵发动机转速低于400r/min⑶发动机ECU后备系统工作⑷T端头短路或节气门怠速触点闭合，车速在2km/h⒉基本点火提前角⑴怠速时基本点火提前角无空调4°有空调8°实际提前角为无空调14°有空调18°⑵正常行驶时基本点火提前角依据发动机转速和负荷（进气量）负荷大提前较小，负荷小提前角大。点火提前角调整特性（转速、进气真空度）转速高，提前角大；转速低，提前角小。进气真空度大（压力小），提前角大；进气真空度小（压力大），提前角小。⒊修正点火提前角⑴暖机修正发动机冷车起动后的暖机过程中，随冷却水温的提高，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。⑵怠速稳定修正怠速时，ECU根据实际转速与目标转速的差来修正点火提前角，低于目标转速，应增大点火提前角，反之，推迟点火提前角。怠速时空调接通、负荷加大、点火应推后。⑶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变化进行修正。⑷过热修正发动机正常工作时，若过热，为避免爆燃，减小点火提前角；发动机怠速时，若过热，为避免长时间过热，增加点火提前角。⑸最大和最小提前角控制在初始提前角已设定时，受ECU控制的实际点火提前角应保证在某一范围。最大提前角为35°～45°，最小提前角为-10°～0°。二、闭合角的控制闭合角控制的作用是根据发动机转速和蓄电池电压调节闭合角，以保证足够的点火能量。在发动机转速上升和蓄电池电压下降时，使闭合角加大，防止一次线圈储能下降，确保点火能量；在发动机转速下降和蓄电池电压上升时，使闭合角减小，确保一次线圈安全。⑴根据蓄电池电压确定导通时间⑵发动机转速电源电压12V，大功率晶体管导通时间5ms，发动机转速2000rpm则闭合角为60°6010005602000360第三节发动机爆燃的控制汽油发动机是利用火花塞点燃混合气，使火焰在混合气内不断传播进行燃烧。火焰传播途中，如果压力异常升高时，一些部位的混合气在火焰未到时就会发生自燃，造成瞬时爆发燃烧，这种现象称为爆燃。爆燃的主要危害：⑴振动大、噪声大；⑵发动机所受冲击负荷大，易损坏。消除爆燃的方法：采用抗爆性能好的燃油、改进燃烧室结构、加强冷却水循环、推迟点火提前角。尤其是推迟点火提前角对消除爆燃有明显作用。爆燃控制电控发动机常用闭环控制方式进行爆燃控制。利用发动机爆震信号作为反馈信息，ECU进行分析处理发出调整点火提前角的指令，控制点火时刻。一般使发动机始终处于临界爆燃的工况，此工况可获得最大动力性、经济性能也较高。爆燃现象⒈爆燃与点火时刻的关系点火提前角越大，燃烧压力越大，越容易产生爆燃。⒉爆燃控制系统用发生爆燃的循环次数与实际工作循环次数之比（爆燃率）衡量爆燃强度，分为4个等级：爆燃率在5%以下为微爆燃；5%～10%为轻爆燃；10%～25%为中爆燃；25%以上为重爆燃。当发动机出现1%～5%的轻微爆燃时，其动力性、经济性接近最佳值，闭环控制按轻微爆燃来确定最佳点火提前角。⑴爆燃控制的工作原理闭环控制时，ECU测出爆燃率对点火提前角进行调节。一定时间内无爆燃时就逐步增大点火提前角，直至发生轻微爆燃；爆燃率大于5%时减小点火提前角，直至爆燃消除。传感器信号⑵爆燃控制的工作过程爆燃控制使点火时刻保持在爆震边界曲线附近，提高发动机的功率，降低燃油消耗。爆燃的控制方法：发生爆燃时，每次将点火提前角减小1°或更小值，直至爆燃消失或进入轻微爆燃区。一定