第三章-微机控制电子点火系统

第三章微机控制电子点火系统及检修第一节微机控制点火系统概述第二节微机控制电子点火系统的组成及实例第三节微机控制电子点火系统的工作原理第四节微机控制电子点火系统的检修第一节微机控制点火系统概述一、微机控制点火系统的发展普通电子点火系统采用了先进的多功能点火专用芯片为核心组成的点火电子组件，配以专用的高能点火线圈，因此，点火电压高，点火能量大，并具有点火恒流控制、闭合角（初级电路导通时间）控制等多种功能，有利于改善发动机的动力性、经济性和起动性能，减少了排气污染。随着时代的发展，汽车对发动机的功率、油耗、排气净化等提出了越来越高的要求。随着电子技术的发展，在20世纪70年代初，一些发达国家将微机技术应用到汽车上以后，才找到了控制点火时刻的最有效手段。在汽车上应用，首先是从点火时刻控制开始的，接着不断扩大各种控制功能。我国自20世纪90年代开始将微机控制技术应用在汽车上，目前生产的轿车中已普遍应用微机控制点火系统。二、微机控制点火系统的分类主要有三种类型：分电器点火系统（传统点火系统）、无分电器点火系统、直接点火系统（DIS）。分电器点火系统高压电由分电器中的配电器（分火头和分电器盖组成）分配，各缸火花塞依次点火。缺点：浪费电能，干扰电脑工作，分电器盖的直径受到限制，使点火调节范围受到影响。应用：桑塔纳2000凌志LS400的AFE发动机无分电器点火系统无分电器，高压电直接送到各火花塞，由微机根据各传感器输入的信息控制火花塞点火。特点：两个气缸共用一个点火线圈，即一个点火线圈有两个高压输出端，分别与一个火花塞相连，对两个气缸同时点火。应用：别克、捷达、桑塔纳（AJR）直接点火系统高压输出端直接和火花塞相连，不需高压线，每个气缸的火花塞用一个点火线圈，单独对本缸进行点火。优点：无分电器节省了安装空间；不存在分火头和旁电极间跳火的问题，减少了高压线及能量损失；采用特制点火线圈，减少充电时间。应用：奥迪A6、日产发动机第二节微机控制电子点火系统的组成及实例一、微机控制点火系统的组成微机控制点火系统主要由传感器、发动机控制电脑（ECU）、点火器（有些发动机无点火器，点火控制电路在ECU内）、点火线圈、配电器等组成。图3-1、图3-2所示为分电器点火系统和直接点火系统二、丰田凌志微机控制电子点火系统丰田凌志LS400上采用1UZ-FE型V8发动机，点火系统是分电器点火系，主要由ECU、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、点火线圈、分电器、点火开关和蓄电池等组成。其电路原理如图3-3所示。该款凌志轿车发动机设有二组独立的点火机构，一组为1、3、5、7气缸进行点火，另一组为2、4、6、8气缸进行点火，点火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2。跳转三、桑塔纳2000微机控制电子点火系统桑塔纳2000轿车AFE发动机的点火系统采用的是带分电器的微机控制点火系，与其它电子控制点火系统不同的是，不单独设置点火器，点火的控制和放大电路设在ECU内部，由ECU直接控制点火线圈初级电流的通断，使点火线圈产生高压火。AFE发动机的点火系统如图3-4所示。AFE发动机的曲轴位置传感器采用的是霍尔传感器，安装在分电器内，用来检测发动机曲轴的转角及转速，为ECU控制点火时刻和喷油时刻提供电信号。新型桑塔纳2000采用的是AJR发动机。它的曲轴位置传感器采用的是磁脉冲式传感器，取消了分电器，采用无分电器点火系统点火，1、4缸共用一个点火线圈，2、3缸共用一个点火线圈，点火电路与上述有所不同。第三节微机控制电子点火系统的工作原理一、概述1.微机控制电子点火系统的控制主要包括点火提前角控制、通电时间控制和爆燃控制三个方面。最重要的是对点火提前角的控制，通常把发动机发出功率最大和油耗最少的点火提前角称为最佳点火提前角。2.影响最佳点火提前角的因素有发动机转速、负荷、起动及怠速还有冷却液温度、汽油的辛烷值、压缩比等。3.建立发动机点火状态下的数学模型进行优化控制，从而求出最佳点火提前角。国内外多采用实验的方法，通过最佳下的试验数据来建立此模型。首先做转速与最佳点火提前角的特性。试验时保持节气门全开，在每一转速下，将点火提前角逐渐增加，直到得到最大功率为止，此时对应的点火提前角为该转速下的最佳点火提前角。用同样的方法测出在各个转速下的最佳点火提前角，即得到一个不同转速下的最佳点火时间数据表。4.其次是做负荷（节气门开度）与最佳点火提前角的特性。先固定在某一转速下，调节节气门开度，基在每一节气门开度下都增加点火提前角，直到测得最大功率为止，记录下数据。在另一转速同样可得到另一组数据。重复多次又可得到一个数据表。将各个转速、各种负荷下的最佳点火提前角曲线合并就得到图3-5所示的图谱。将此图谱储存到发动机控制电脑内，电脑根据各有关传感器传来的信号到数据表中查到最佳点火提前角，发出指令给点火执行元件，适时对发动机进行点火。各车型使用的传感器类型、数量、结构及安装位置不同，但其作用基本相同。传感器主要有以下几种：曲轴位置和转角传感器：检测发动机曲轴位置和转速信号；凸轮轴位置传感器：检测1缸TDC信号;空气流量计（或绝对压力传感器）：检测进气量信号；冷却液温度传感器：检测冷却液温度信号；氧传感器：检测空燃比大小（混合气浓稀）信号；节气门位置传感器：检测节气门的开度和加速信号；车速传感器：检测车速信号；档位开关：检测变速器所处档位；点火开关：检测点火状态还是起动状态信号；空调开关：检测空调是开或是关信号；蓄电池：检测电池电压信号；进气温度传感器：检测进气温度信号；爆燃传感器：检测爆燃信号。二、传感器及其工作原理曲轴位置和转角传感器及凸轮轴位置传感器是微机控制点火系中最重要的传感器，主要负责向ECU输入基准缸活塞位置信号、曲轴转角信号，通常我们把曲轴位置和转角传感器称为曲轴位置传感器。ECU根据曲轴位置传感器确定某缸上止点前一个角度，根据曲轴转角信号计算曲轴转过的角度。有的发动机将活塞位置信号传感器和曲轴转角信号传感器制造成一个传感器，安装在发动机曲轴上，直接对曲轴位置和转角进行检测，就称为曲轴位置和转角传感器。有的发动机将活塞位置信号传感器和曲轴转角信号传感器分开制造，将曲轴转角信号传感器安装在发动机曲轴上，称为曲轴转角传感器。将活塞位置信号传感器安装在曲轴上，称为曲轴位置传感器。将活塞位置信号传感器安装在凸轮轴上，称为凸轮轴位置传感器。常用的曲轴位置和转角传感器型式有磁感应式、光电式、霍尔式等1.磁感应式曲轴位置传感器如图3-6所示，是安装在分电器内磁感应式传感器。功用：辨别发动机气缸顺序，检测曲轴转角，确定曲轴的原始位置，检测发动机转速。它由上下两个传感器组成。（1）曲轴转角传感器（Nе信号）：安装在分电器下部的传感器产生Nе信号，它是曲轴转角及发动机转速信号。Nе信号装置主要由信号转子与感应线圈组成，信号转子上有24个齿轮，固定在分电器轴上，感应线圈固定在外壳上。分电器转一圈（曲轴转过720°）产生24个脉冲，每30°曲轴转角产生一个脉冲，送入发动机ECU，ECU通过内部特设的转角脉冲发生器，将30°转角等分为30分或更精明些，使转角的步长成为1°或0.5°，如图3-7所示。（2）曲轴位置传感器（G信号）：安装在分电器的上部，产生G信号，判断基准气缸及检测基准气缸活塞上止点的位置。如图3-8所示，当G信号转子上的凸缘通过感应线圈G1时，产生G1信号;当G信号转子上的凸缘通过感应线圈G2时，产生G2信号。分电器轴转一圈，G1信号与G2信号分别出现一次，各相隔720°转角。跳转返回（3）G信号与Nе信号的关系:如图3-9所示，当G信号与Nе信号同时输入到发动机ECU中时,ECU可以根据两信号的关系计算出某时刻发动机活塞的位置及当时的转速，再从储存的数据表中查出最佳点火提前角，向点火执行元件发出点火命令。2.光电式曲轴位置（转角）传感器如图3-10所示，为光电式曲轴位置（转角）传感器，主要由光源、光接收器和遮光盘组成。（1）光源：光源一般采用发光二极管，发光二极管工作电流小、耐振动、耐高温、使用寿命长。（2）光接收器：光接收器可以是光电二极管，也可是光电三极管。与光源相对应，并相隔一定的距离，以使光束聚焦后照射到光电元件上。（3）遮光盘:安装在分电器轴上，位于分火头下面。该盘的形状特殊，盘上开有两圈孔（缝隙），它位于光源与接收器之间，遮挡光的通过，当遮光盘随分电器轴转动时，光源所产生的光束可通过遮光盘上的孔射入光接收器而被接收，于是光电元件就把所接受到的光信号转换为电信号输入到发动机控制电脑中。位于外圈的光接收器所产生的信号是曲轴转角信号。位于内圈的光接收器所产生的信号是曲轴位置基准信号。三、发动机控制电脑（ECU）发动机控制电脑（ECU）是发动机喷油系统和点火系统的控制中枢，作用是接受各种传感器输入的发动机信号，并按照特定的程序进行判断、运算后，给喷油系统和点火系统输出最佳控制信号。ECU的基本结构如图3-14所示。在发动机工作中，ECU根据各传感器输入的发动机信息，经过处理，再从存储器ROM中选择出最佳点火提前角,然后根据曲轴转角传感器输入的G1、G2信号与Nе信号，判断出发动机曲轴（活塞）到达规定的位置时，适时地输出点火控制信号IGt,至点火器，控制点火。1.点火时刻（点火提前角）控制信号IGt由图3-9所示曲轴位置传感器产生的G1、G2信号和Nе信号关系可知，当ECU接受到一个G2信号时，ECU可以辨别出第一缸活塞到达上止点的时刻，由第一缸上止点对应的第一个Nе信号开始记录曲轴位置，根据Nе信号脉冲数ECU便可知道某时刻的曲轴准确位置（为使测得的曲轴位置更加精确，ECU通常把一个脉冲信号等分为若干个脉冲信号，称为分频。），适时地向点火器发出一个点火控制脉冲信号，这个信号通常称作IGt信号。2.气缸辨别信号IGdA和IGdB为了实现依次对各缸点火，只有一个点火控制信号IGt还不行，ECU还向点火器输出气缸辨别信号IGdA和IGdB，以辨认出需要点火的气缸。ECU根据G1、G2信号和Nе信号的关系，经计算和分频电路，输出气缸辨别信号IGdA和IGdB，点火器则能根据点火控制信号IGt、气缸辨别信号IGdA和IGdB准确地确定需要点火的气缸。无分电器点火系统的组成如图3-15所示，电路原理框图如图3-16所示气缸辨别信号的时序波形如图3-17所示，气缸的时序判别如表3-1所示。表3-1IGdA、IGdB信号状态表点火气缸IGdAIGdB一、六缸01五、二缸00三、四缸10跳转返回返回四、点火器点火器是微机控制的执行器之一，它的作用是根据ECU的指令，通过内部的大功率三极管的导通和截止，控制初级电流的通断，完成点火工作。图3-18为点火器功能的方框图。各种发动机的点火器结构和电路各有不同，有的点火器除接通、切断初级电路的功能外，还有恒流控制、闭合角控制、气缸判别、点火监视等功能，也有的发动机不设点火器，点火器控制电路直接设在控制器内部。图3-18是丰田的ESA系统点火器电路框图,该点火器的功能有：（1）根据ECU输入的IGt信号，使大功率三极管（VT）适时导通和截止。（2）闭合角控制及恒流控制，作用与普通电子点火系中的功能相同。（3）点火监视。（4）加速感知。（5）锁止保护。五、点火线圈与电脑控制电子点火系所匹配的点火线圈为专用高能点火线圈采用闭磁路，能量损失小。直接点火系统的点火线圈高压端直接插在火花塞上；无分电器点火系统的点火线圈是特制的，同时点火系统的点火线圈有两个高压线插孔，分别和两个气缸的火花塞相连接。点火系统的点火线圈有如下几个特点：（1）两缸同时点火。（2）同时点火的两缸点火极性相反。（3）点火线圈高压回路内串联高压二极管。六、点火控制点火控制系统（ESA系统）主要包括点火提前角控制、通电时间控制和爆燃控制三个方面。(一)点火提前角控制1.ESA系统的构成ESA是ElectronicSparkAdvance的英文缩写，意思为点火提前角电子控制。点火提前角的控制系统如图3-24所示：它由发动机控制电脑(ECU)及接口、传感器、点火器、点火线圈、分电器和火花塞