汽車電器與電控技術(shù) 課件 06 點火爆燃控制技術(shù)（3講）

《汽車電器與電子控制技術(shù)》軍事交通學(xué)院舒華AutomobileElectricalEquipmentand

ElectronicControlTechnology中國人民解放軍

主講：舒華教授汽車電控技術(shù)

AutomobileElectronicControlTechnology中國人民解放軍軍事交通學(xué)院第8講汽油機點火控制技術(shù)主講：舒華教授

第3章發(fā)動機點火與爆燃控制技術(shù)

EngineIgnitionandDetonationControlTechnology

3.1點火系統(tǒng)的功用與分類

汽車發(fā)動機工作循環(huán)是由吸氣、壓縮、做功與排氣四個行程組成。柴油發(fā)動機在壓縮行程末期，汽缸內(nèi)壓縮空氣的溫度已經(jīng)超過柴油的燃點，從噴油器噴出的霧狀柴油遇到熱空氣可立即燃燒，因此無需設(shè)置點火裝置?！偷娜键c較高，汽缸內(nèi)的汽油混合氣需用高壓電火花點著才能燃燒。3.1.1點火系統(tǒng)的分類1.電子點火系統(tǒng)：

知識鏈接

傳統(tǒng)點火（觸點點火）系統(tǒng)——早已淘汰

電子點火系統(tǒng)

微機控制點火系統(tǒng)——普遍采用按結(jié)構(gòu)形式

霍爾式電子點火系統(tǒng)

磁感應(yīng)式電子點火系統(tǒng)

光電式電子點火系統(tǒng)按信號類型3.1.1點火系統(tǒng)的分類2.微機控制點火系統(tǒng)——指由微型計算機（單片機）根據(jù)發(fā)動機傳感器（如曲軸位置傳感器、空氣流量傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、發(fā)動機冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、車速傳感器等）輸入的信號，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算和邏輯判斷，再對點火時機、點火高壓和點火能量等參數(shù)進行控制的系統(tǒng)。

電感儲能式電子點火系統(tǒng)——點火線圈儲能

電容儲能式電子點火系統(tǒng)——電容器儲能按儲能方式機械配電式點火系統(tǒng)電子配電式點火系統(tǒng)按點火高壓分配方式3.1.2點火系統(tǒng)的功用與要求

把汽車電源系統(tǒng)10~15V的低壓電源轉(zhuǎn)變成15~20kV的高壓電源，并按照發(fā)動機汽缸工作順序適時地引入汽缸形成電火花點著混合氣，從而使發(fā)動機正常工作。汽油發(fā)動機對點火系統(tǒng)的要求1.點火電壓：高于擊穿電壓Uj：擊穿火花塞電極間隙時的電壓。高壓電火花的產(chǎn)生：——在正常狀態(tài)下，任何氣體中都有少量的氣體分子游離成正離子和電子，該電子或獨立存在、或與中性分子結(jié)合而形成負離子。當正、負電極兩端加有電壓時，在電場力作用下，電極間的正離子便會向負電極運動，負離子和電子便會向正電極運動，圖3-1示。離子和電子在運動中都會撞擊中性分子，從而形成電流?！斦⒇撾姌O兩端施加的電壓較低時，離子和電子的運動速度較慢、動能較小，不能將中性分子撞破，氣體中只有原有少量離子和電子導(dǎo)電，因此電流微小，正、負電極之間不能形成電火花。功用3.1.2點火系統(tǒng)的要求1.點火電壓：高于擊穿電壓Uj?！斦⒇撾姌O兩端施加的電壓升高時，離子和電子的運動速度加快，動能增大；當電壓升高到擊穿電壓時，離子和電子便將中性分子撞破，使中性分子分裂成正離子和負離子，新產(chǎn)生的離子和電子在電場力的作用下，也以高速分別向正負兩極運動，并又撞擊其他中性分子。如此進行鏈式反應(yīng)，電極間隙之間的離子和電子便驟然增多。離子、電子激烈地運動與碰撞就會發(fā)出大量的熱，當溫度達到一定值時，便會產(chǎn)生弧光放電，放電電流急劇增大，并產(chǎn)生輕脆響聲?；鸹ㄈ姌O間隙的大小電極溫度的高低電極的形狀和電極的極性混合氣的壓力大小與溫度發(fā)動機的工況Uj影響因素3.1.2點火系統(tǒng)的要求1.點火電壓：高于擊穿電壓Uj。2.點火能量：電火花必須具有足夠的能量?！敻邏弘娫陔姌O間隙之間跳火時，其電能將變成熱能，從而點著可燃混合氣?！鸹芰吭酱?，則混合氣越易點著，發(fā)動機的著火性能就越好；反之則越差。為使混合氣能可靠點著，火花塞產(chǎn)生的電火花必須具有足夠的能量?！ＷC可靠點火，提供50mJ以上的點火能量。高能點火：100~200mJ。3.點火時機：適應(yīng)汽油機的點火順序和點火時刻。三缸發(fā)動機：點火順序為1?2?3；四缸發(fā)動機：點火順序為1?2?4?3或1?3?4?2；六缸發(fā)動機：點火順序為1?5?3?6?2?4；八缸發(fā)動機：點火順序為1?8?4?3?6?5?7?2（汽缸次序自車前向后：左邊為1、3、5、7；右邊為2、4、6、8）點火順序3.1.2點火系統(tǒng)的要求點火時刻：在最有利的時刻進行點火，用點火提前角“θ”來表示。

從火花塞開始跳火到活塞運行至上止點的時間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度，稱為點火提前角，用字母“θ”表示。——在發(fā)動機汽缸內(nèi)，混合氣從開始點著到完全燃燒需要一定的時間（2~5ms）。為使混合氣在活塞壓縮終了時能充分燃燒，以使發(fā)動機發(fā)出最大功率，點火就不應(yīng)在壓縮終了進行，而應(yīng)適當提前?！绻c火時刻過遲，會導(dǎo)致燃燒最高壓力降低，發(fā)動機功率下降；由于高溫氣體與缸壁的接觸面積增大，容易導(dǎo)致發(fā)動機過熱，耗油量也會大大增加。——如果點火時刻過早，在活塞到達上止點之前就達到最高壓力，正在向上運動的活塞將受到很大的阻力，使發(fā)動機功率降低、油耗增加，還會引起爆燃。

當負荷一定時，發(fā)動機發(fā)出功率最大和油耗最低時的點火提前角。點火提前角θ最佳點火提前角3.2微機控制點火系統(tǒng)的組成

控制點火提前角?！C控制點火系統(tǒng)與發(fā)動機爆燃控制系統(tǒng)EDC（EngineDetonationControlSystem）相互配合，能將點火提前角控制在最佳值，使可燃混合氣燃燒后產(chǎn)生的溫度和壓力達到最大值，能顯著提高發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能。3.2.1微機控制點火系統(tǒng)的組成傳感器

點火控制器N152、點火線圈N128/N；電控單元J220控制實質(zhì)曲軸位置傳感器G28：發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角信號凸輪軸位置傳感器G40：上止點位置信號空氣流量傳感器G70：負荷信號節(jié)氣門位置傳感器G69：負荷信號冷卻液溫度傳感器G62：修正點火提前角進氣溫度傳感器G72：修正點火提前角執(zhí)行器3.2.2微機控制點火系統(tǒng)控制原理1.點火高壓電的產(chǎn)生

一個線圈中的電流變化而使另一個線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象?！桶l(fā)動機點火系統(tǒng)都是利用互感原理，先由點火線圈將低壓電源轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏弘娫?，然后將高壓電分配到各缸火花塞產(chǎn)生電火花。——當發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，各種傳感器（或信號發(fā)生器）產(chǎn)生的信號輸入ECU后，ECU再向點火控制器發(fā)出指令，控制大功率三極管VT導(dǎo)通與截止?！邳c火開關(guān)SW接通的情況下，當點火控制器的三極管VT導(dǎo)通時，初級繞組中就有電流流過（初級電流i1用實線表示）?；ジ鞋F(xiàn)象3.2.2微機控制點火系統(tǒng)控制原理1.點火高壓電的產(chǎn)生

蓄電池正極→電流表A→點火開關(guān)SW→點火線圈“+15”端子→初級繞組W1→點火線圈“?1”端子→大功率三極管VT→搭鐵→蓄電池負極?！娏髁鬟^線圈時，便在鐵芯中產(chǎn)生磁場并將磁場能量儲存在線圈之中?！斎龢O管VT截止時，初級電路被切斷，初級電流i1消失，鐵芯中的磁通量迅速變化，在初級繞組W1和次級繞組W2中都會感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。W2匝數(shù)多，高壓電足以擊穿電極間隙。

次級繞組W2→線圈“+15”端子→點火開關(guān)SW→電流表A→蓄電池→搭鐵→火花塞旁電極→中心電極→配電器旁電極→中心電極→點火線圈高壓插孔“4”→次級繞組W2。低壓電路i1高壓電路i23.2.2微機控制點火系統(tǒng)控制原理2.微機控制點火原理——當微機點火系統(tǒng)工作時，各種傳感器輸入ECU的信號先經(jīng)接口電路或A/D轉(zhuǎn)換器進行處理，然后存儲在RAM中備用。

發(fā)動機轉(zhuǎn)動時，CPU首先根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷傳感器信號，從預(yù)先存儲在只讀存儲器（ROM）中的點火提前角三維數(shù)據(jù)MAP（數(shù)據(jù)圖譜或數(shù)字地圖）中查詢得到相應(yīng)工況下的基本點火提前角，再根據(jù)其他傳感器信號確定點火提前修正量，并計算確定最佳點火提前角。然后，CPU不斷檢測凸輪軸位置傳感器信號（標志位信號），判定是哪一缸即將到達壓縮上止點。當接收到標志位信號時，CPU立即開始對曲軸轉(zhuǎn)角信號進行計數(shù)，并對點火提前角進行控制。控制原理3.2.2微機控制點火系統(tǒng)控制原理2.微機控制點火原理

當計數(shù)到曲軸轉(zhuǎn)角等于最佳點火提前角時，CPU立即向點火控制器發(fā)出控制指令，使其大功率晶體管VT截止，點火線圈初級電流切斷，次級繞組產(chǎn)生高壓，并按發(fā)動機的點火順序分配到相應(yīng)汽缸的火花塞跳火點著可燃混合氣?！敯l(fā)動機起動、怠速或汽車滑行工況時，由預(yù)先設(shè)定的程序進行控制?？刂圃碚｜c火控制過程課程小結(jié)（8）主要介紹了：1.點火系統(tǒng)的功用與分類2.汽油發(fā)動機對點火系統(tǒng)的要求3.微機控制點火系統(tǒng)的組成與點火控制原理

今天這一講的重點是微機控制點火系統(tǒng)的組成與點火控制原理，希望同學(xué)們認真復(fù)習，融會貫通，掌握重點。

接下來，請同學(xué)們根據(jù)講授內(nèi)容閱讀教材，并完成課后作業(yè)。同學(xué)們，下次課再會！第9講微機控制點火系統(tǒng)控制過程主講：舒華教授

第3章發(fā)動機點火與爆燃控制技術(shù)

EngineIgnitionandDetonationControlTechnology

3.2.3微機控制點火提前角的確定——點火提前角的大小直接影響發(fā)動機的輸出功率、油耗和排放。發(fā)動機工況不同，需要的最佳點火提前角也不相同，怠速時的最佳點火提前角是為了使怠速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；部分負荷時的最佳點火提前角是為了減小燃油消耗量和有害氣體排放量，提高經(jīng)濟性和排放性能；大負荷時的最佳點火提前角是為了增大輸出轉(zhuǎn)矩，提高發(fā)動機的動力性。1.最佳點火提前角的影響因素影響因素（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速（2）發(fā)動機負荷（3）發(fā)動機工況（4）汽油品質(zhì)3.2.3微機控制點火提前角的確定

采用初始點火提前角點火（1）當發(fā)動機起動時。（2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于400r/min時。（3）檢查初始點火提前角時。3.2.3微機控制點火提前角的確定

3.2.3微機控制點火提前角的確定

修正點火提前角（1）暖機修正。（2）怠速修正。3.2.4微機控制點火提前角控制【應(yīng)用案例】大眾轎車四缸發(fā)動機點火控制——汽缸判別信號在第1缸壓縮BTDC88°時產(chǎn)生，設(shè)曲軸轉(zhuǎn)速2000r/min時最佳點火提前角為BTDC30°曲軸轉(zhuǎn)角。1.點火提前角的控制控制邏輯：ECU工作情況1）點火提前角控制。2）點火導(dǎo)通角控制。控制過程ECU監(jiān)測CIS信號控制VT截止對CPS信號計數(shù)產(chǎn)生高壓電點火3.2.4微機控制點火導(dǎo)通角控制

控制過程導(dǎo)通角控制導(dǎo)通角3.2.5微機控制點火高壓的分配方式1.雙缸同時點火——指點火線圈每產(chǎn)生一次高壓電，都使兩個汽缸的火花塞同時跳火。次級繞組產(chǎn)生的高壓電將直接加在兩個汽缸（四缸發(fā)動機：1、4缸或2、3缸；六缸發(fā)動機：1、6缸，2、5缸或3、4缸）的火花塞電極上跳火。

雙缸點火時，一個汽缸處于壓縮行程末期，是有效點火；另一個缸處于排氣行程末期，缸內(nèi)溫度較高而壓力很低，擊穿電壓很低，是無效點火。曲軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，兩缸所處行程恰好相反。1）機械配電方式2）電子配電方式配電方式特點1）雙缸同時點火2）各缸單獨點火電子配電3.2.5二極管分配式雙缸同時點火

1）二極管分配式2）點火線圈分配式雙缸點火3.2.5二極管分配式雙缸同時點火

1）二極管分配式2）點火線圈分配式雙缸點火3.2.5點火線圈分配式雙缸同時點火2）點火線圈分配式雙缸同時點火——每個點火線圈供兩只火花塞工作。四缸機：2個線圈；六缸機：3個線圈?！c火控制器根據(jù)ECU輸出的點火控制指令，按點火順序輪流觸發(fā)功率晶體管VT導(dǎo)通與截止，從而控制每個點火線圈輪流產(chǎn)生高壓電，再通過高壓線直接輸送到成對的兩缸火花塞電極間隙上跳火點著可燃混合氣。1）二極管分配式2）點火線圈分配式雙缸點火3.2.5各缸單獨點火的控制

在每一個汽缸都配有一個點火線圈，并安裝在火花塞上方?！邳c火控制器中，點火線圈數(shù)＝功率晶體管VT數(shù)，分別控制每個線圈初級繞組電流接通與切斷進行點火。單獨點火優(yōu)點：省去高壓線，能量損耗減少；點火系統(tǒng)對無線電的干擾可大幅度減弱。3）高壓二極管的作用。

防止初級電流接通時，在次級繞組中產(chǎn)生的電壓加到火花塞電極上而導(dǎo)致誤跳火?！诔跫夒娏鹘油ㄋ查g，次級繞組可產(chǎn)生1000V左右的感應(yīng)電動勢。如果汽缸處于進氣行程接近終了時刻或壓縮行程剛剛開始時刻，由于缸內(nèi)壓力低，又有可燃混合氣體，1000V左右電壓就有可能擊穿火花塞電極間隙而產(chǎn)生火花跳火。

在次級繞組回路中串接一只反向擊穿電壓較高的二極管，利用其反向截止功能，不能形成放電回路，就不可能引起誤跳火。單獨點火作用避免誤跳火課程小結(jié)（9）主要介紹了：1.微機控制點火提前角的確定2.微機控制點火提前角與導(dǎo)通角的控制過程3.微機控制點火高壓電的分配方式（雙缸同時點火）

今天這一講的重點是微機控制點火提前角與導(dǎo)通角的控制過程，希望同學(xué)們認真復(fù)習，融會貫通，掌握重點。

接下來，請同學(xué)們根據(jù)講授內(nèi)容閱讀教材，并完成課后作業(yè)。同學(xué)們，下次課再會！第10講汽油機爆燃控制技術(shù)主講：舒華教授

第3章發(fā)動機點火與爆燃控制技術(shù)

EngineIgnitionandDetonationControlTechnology

3.6.1汽油機爆燃控制系統(tǒng)組成

指汽缸內(nèi)的可燃混合氣在火焰前鋒尚未到達之前，自行燃燒導(dǎo)致壓力急劇上升而引起缸體振動的現(xiàn)象。

（1）發(fā)動機輸出功率降低；（2）發(fā)動機使用壽命縮短甚至損壞。3.6.1汽油機爆燃控制系統(tǒng)組成點火系統(tǒng)＋爆燃傳感器：1~2只帶通濾波器：6~9kHz爆燃信號通過信號放大器：信號處理整形濾波器：信號處理基準電壓：判定爆燃的基準電壓UB積分電路：判定爆燃強度的電壓Ui提前角控制電路：輸出回路

圖3-31點火提前角閉環(huán)控制系統(tǒng)組成爆燃定義爆燃危害3.6.2爆燃檢測方法與爆燃傳感器（1）檢測發(fā)動機缸體振動頻率；精度較高、安裝方便，汽車廣用。

（2）檢測發(fā)動機燃燒室壓力變化；精度較高，安裝困難，儀器采用。

（3）檢測混合氣燃燒噪聲。非接觸，測量精度和靈敏度較低，少用。3.6.3爆燃傳感器——點火提前角閉環(huán)控制系統(tǒng)必不可少的傳感器

將汽油機爆燃信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入發(fā)動機ECU，以便ECU

修正點火提前角來消除爆震。

共振型、非共振型

壓電式、磁致伸縮式——共振型爆燃傳感器結(jié)構(gòu)特點：內(nèi)設(shè)共振體，其共振頻率與爆燃頻率一致。優(yōu)點：輸出電壓高，不需濾波器。缺點：只適用特定發(fā)動機，不能互換使用?！枪舱裥捅紓鞲衅鲀?yōu)點：適用于各種型號的發(fā)動機，裝車自由度很大。缺點：輸出電壓較低，頻率特性平坦且頻帶較寬，需要配用帶通濾波器（即只允許特定頻帶的信號通過，對其他頻率的信號進行衰減的濾波器。帶通濾波器一般由線圈和電容器組合而成），信號處理比較復(fù)雜?！袊⑷毡竞蜌W洲汽車采用。檢測方法功用檢測方式分類按結(jié)構(gòu)分類3.6.3

壓電式爆燃傳感器1.非共振型壓電式爆燃傳感器結(jié)構(gòu)套筒底座：支承作用絕緣墊圈：絕緣作用壓電元件：壓電材料、墊圈形狀慣性配重：傳遞慣性力塑料殼體：封裝傳感器固定螺栓：擰入缸體傳力接線插座、電極引線：從壓電元件兩側(cè)的金屬墊圈引出電極?！獞T性配重與塑料殼體之間安裝有盤形彈簧，借彈簧張力將慣性配重、壓電元件和墊圈等部件壓緊在一起，用以傳遞發(fā)動機振動產(chǎn)生的慣性力?！獋鞲衅鞑遄?根引線＝2根信號線＋1根屏蔽線。非共振型壓電式爆燃傳感器＋共振體→共振型壓電式爆燃傳感器壓電式傳感器3.6.3壓電式爆燃傳感器——工作原理

指某些晶體(石英、陶瓷)受到外力或機械震動時，產(chǎn)生電荷(輸出電壓)的現(xiàn)象。當外力去掉時，晶體又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。晶體受力產(chǎn)生的電荷量與外力大小成正比。2.非共振型壓電式爆燃傳感器原理壓電元件：壓電材料壓電半導(dǎo)體：硫化鋅ZnS、氧化鋅ZnO壓電單晶體：石英晶體SiO2

——承壓能力(20～30)×105kPa。壓電多晶體：壓電陶瓷：鈦酸鋇BaTiO3、鈦酸鉛PbTiO3

缸體振動慣性力→殼體→慣性配重振動→壓電元件產(chǎn)生與振動頻率、強度成比的電壓。試驗證明：爆燃頻率6~9kHz，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，信號電壓幅值越大。爆燃在活塞運行到壓縮上止點附近產(chǎn)生，缸體振動強度最大，傳感器輸出電壓較高。壓電式傳感器壓電效應(yīng)3.6.3

磁致伸縮式爆燃傳感器1.磁致伸縮式爆燃傳感器結(jié)構(gòu)——共振型彈性元件：共振體，將缸體振動傳給伸縮桿伸縮桿：高鎳合金構(gòu)成導(dǎo)磁回路，振動改變磁通永久磁鐵：產(chǎn)生磁場感應(yīng)線圈：感應(yīng)產(chǎn)生信號電壓線束插座：3根引線＝2根信號線＋1根屏蔽線2.磁致伸縮式爆燃傳感器工作原理缸體振動→伸縮桿振動→線圈磁通變化→US爆燃時：共振頻率6~9kHz→US＝Usmax

特點：無油壓孔3.6.3

壓力檢測式爆燃傳感器1.壓力檢測式爆燃傳感器——間接檢測燃燒壓力安裝：火花塞墊圈下面——奧迪轎車采用擰緊力矩：25±5N·m（最大力矩：40N·m）——墊圈式爆燃傳感器——非共振型壓電效應(yīng)式爆燃傳感器結(jié)構(gòu)原理：同壓電式爆燃傳感器傳感器安裝在火花塞墊圈與發(fā)動機汽缸蓋之間，汽缸內(nèi)可燃混合氣燃燒產(chǎn)生的壓力作用到火花塞上，并經(jīng)火花塞墊圈傳遞給傳感器。當作用力變化時，傳感器信號電壓隨之變化，從而間接地測量燃燒壓力。壓電式傳感器3.6.4爆燃的判別方法發(fā)動機產(chǎn)生爆燃：一般僅在大負荷、中低轉(zhuǎn)速（3000r/min以下）時產(chǎn)生?！弑紓鞲衅鬏敵鲭妷旱恼穹S發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同而變化，∴判定發(fā)動機是否發(fā)生爆燃不能根據(jù)爆燃傳感器輸出信號電壓的絕對值進行判別。

將無爆燃時傳感器輸出電壓信號與產(chǎn)生爆燃時輸出的電壓信號比較來做出判定結(jié)論。1.基準電壓確定基準電壓：利用發(fā)動機即將產(chǎn)生爆燃時的傳感器輸出信號電壓來確定?！紫葘鞲衅鬏敵鲂盘栠M行濾波和半波整流，利用平均電路求得信號電壓的平均值，然后再乘以常數(shù)倍形成基準電壓UB，倍數(shù)由設(shè)計制造時通過試驗確定?！鶞孰妷篣B并不固定，UB隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高而增大?！咿D(zhuǎn)速升高時，爆燃傳感器輸出電壓的幅值增大。爆燃判別方法3.6.4爆燃的判別方法2.爆燃強度判別爆燃強度取決于傳感器信號電壓振幅和持續(xù)時間。——爆燃信