论文-汽车点火系统101

1、目录摘要 2前言 3第一章 汽车电子点火系统41.1 汽车电子点火系统概述41.2 汽车电子点火系统的组成和类型4第二章 汽车磁感应与霍尔点火系统的比较61.1 磁感应式点火系61.2 霍尔式点火系9第三章 微机控制点火系统12结论 16致谢 17参考文献 18 摘 要点火系统是汽油发动机重要的组成部分,对发动机的性能有着决定性的影响。随着汽车工业的不断发展，汽车电子化程度不断提高 ,汽车的点火系统已由传统的蓄电池点火系统发展到国内外广泛采用的电子点火系统，电子点火系统又称为半导体点火系统或晶体管点火系统，越来越多的汽车厂家将电子技术应用到了汽车上，特别是在点火系统上，各个厂家都不断推出各自的

2、电子点火应用系统，与传统的白金触点点火系统相比，电子点火系寿命长，性能高，稳定性好。为了更好的了解和认识汽车电子点火系，并能够懂得其故障诊断及维修的基本方法，本文详尽介绍了现代电子点火系统，包括电子点火系统的优点、分类、构造、工作原理、点火控制特性及其故障诊断维修实例，尤其是现代汽车上应用较广的霍尔传感器基本工作原理。在此基础上,综述了现代电子点火系统,随着发动机向高转速、稀混合气方向发展,普通电子点火系统已不能满足要求,高能微机控制点火系统将成为今后点火系统的发展方向。关键词：霍尔传感器 电子点火系统 点火控制 微机控制 前言随着人们对汽车使用的要求不断提高和计算机技术及控制理论的发展,汽车

3、电子化程度越来越高。汽车电子化的发展过程基本上可以分为三个阶段:第一阶段,从20 世纪60 年代中期到70 年代末期,在汽车产品中采用电子装置,以改善部分机械部件的性能;第二阶段,从20 世纪70 年代末期到90 年代中期,在汽车设计和生产中形成“机电一体化”的思想与技术;第三阶段,从20 世纪90 年代中期至今,重点开始广泛应用计算机网络与信息技术,使汽车更加自动化、智能化。作为汽车电子控制系统的一部分,点火控制系统也经历了磁电机点火系传统触点点火系晶体管辅助点火系普通电子式点火系微机控制式点火系的发展过程。点火系统是汽油发动机重要的组成部分,对发动机的性能有着决定性的影响。电子点火系统取消

4、了机械式断电器及触点,从而避免了凸轮、触点等机械磨损所造成的点火正时变化、触点烧蚀等缺陷。但是电子点火系统仍没有摆脱真空式和离心式点火提前角调节机构,不能对点火正时实现优化控制。点火时刻的精确控制对发动机性能有很大影响,显然对点火实现优化控制的微机控制是今后电子点火系统的发展趋势。在此基础上,综述了现代电子点火系统,尤其是点火能量及点火控制系统研究的现状、发展趋势。随着发动机向高转速、稀混合气方向发展,普通电子点火系统已不能满足要求,高能微机控制点火系统将成为今后点火系统的发展方向。第一章 汽车电子点火系统1.1汽车电子电子点火系统概述1.1.电子点火系统 以蓄电池和发电机为电源，借点火线圈和

5、由半导体器件(晶体三极管)组成的点火控制器将电源提供的低压电转变为高压电，再通过分电器分配到各缸火花塞，使火花塞两电极之间产生电火花，点燃可燃混合气。与传统蓄电池点火系统相比具有点火可靠、使用方便等优点，是目前国内外汽车上广泛采用的点火系统。1.2.电子点火系统的组成和类型1.1.组成和作用电子点火系统又称为半导体点火系统或晶体管点火系统，它主要由点火电子组件、分电器及位于分电器内的点火信号发生器、点火线圈、火花塞等组成，如图所示。图11 电子点火系统的组成点火电子组件也称电子点火器(简称点火器)，它是由半导体元器件(如三极管、可控硅等)组成的电子开关电路，其主要作用是根据点火信号发生器产生的

6、点火脉冲信号，接通和断开点火线圈初级电路，起着传统点火系统中断电器触点同样的作用。点火信号发生器装在分电器内，它可根据各缸的点火时刻产生相应的点火脉冲信号，控制点火器接通和断开点火线圈初级电路的具体时刻。1.2.电子点火系统的类型目前使用的电子点火系统，按储能方式的不同可分为电感点火系统和电容放电式点火系统两大类(前者的储能元件为点火线圈，后者的储能元件为电容器)。按控制方式分为：电子控制式（点火控制比较精确可靠）和微机控制式（点火控制精确可靠）。按点火信号的产生方式，两者又各有触点式和无触点式之分。2.2.2.1.触点式电子点火系统触点式电子点火系统也称半导体辅助点火系统或半晶体管点火系统，

7、其点火信号仍由分电器内的凸轮和断电器触点所产生，但通过触点的电流仅作为点火器的控制信号，其值很小，故可避免烧触点的现象，并且结构简单、成本低，但仍有传统点火系统的某些缺陷，如高速时触点臂可能发生跳动而影响点火，并且由于顶块、凸轮的磨损，点火正时尚需经常调节等。2.2.2.2.无触点电子点火系统无触点电子点火系统也称全晶体管点火系统 ,主要由点火开关，点火器，点火线圈，分电器，火花塞组成。如下图：其特点是利用各种无触点点火信号发生器来代替上述断电器触点产生点火信号，控制点火器的工作，因此，与触点有关的各种故障和保修作业均不复存在。它是目前使用最广泛的电子点火系统。 无触点电子点火系统中，按点火信

8、号发生器产生点火信号的原理不同，可分为以下几种型式： (1)磁感应式(磁脉冲式)； (2)霍尔效应式； (3)光电式； (4)电磁振荡式第二章 汽车磁感应式与霍尔式电子点火系统比较2.1磁感应式点火系2.1.磁感应式无触点电子点火系统组成磁感应式无触点电子点火系统也叫磁脉冲式无触点电子点火系统，它主要由磁感应式分电器(内装磁感应点火信号发生器)、点火电子组件、专用点火线圈、火花塞等组成。 2.1.2磁感应信号发生器的组成 磁感应信号发生器用来产生点火控制信号，装在分电器内的底板上，如下图所示，它由装在分电器轴上的信号转子以及永久磁铁、铁心和绕在铁心上的传感线圈等组成。信号转子由分电器轴驱动，转

9、子上的凸齿数与发动机气缸数相等。图21磁感应信号发生器的组成磁感应点火信号发生器是利用电磁感应原理工作的，当通过传感线圈的磁通发生变化时，在传感线圈内便产生交变电动势，它相当于一个极小的发电机。其永久磁铁的磁路是；永久磁铁N极一空气隙一信号转子一空气隙一铁心(通过传感线圈)一永久磁铁S极。当发动机未转动时，信号转子不动，通过传感线圈的磁通未发生变化，传感线圈不产生电动势，因而无信号输出。当发动机转动时，信号转子便由分电器轴带动旋转，这时信号转子的凸齿与铁心间的空气隙将发生变化，使通过传感线圈的磁通发生变化，因此在传感线圈中便产生感应电动势。信号发生器的具体工作过程如下： 当信号转子的两个凸齿中

10、央正对铁心的中心线时，如图210a所示，磁路中凸齿与铁心间的空气隙最长，通过传感线圈的磁通量最小，且磁通变化率为零。 图22 磁感应信号发生器的具体工作过程如果信号转子顺时针转动，信号转子的凸齿逐渐接近铁心，凸齿与铁心间的空气隙越来越小，通过传感线圈的磁通逐渐增大。当信号转子凸齿的齿角与铁心边线相对时，如图22b所示，通过传感线圈的磁通急剧增加，磁通变化率最大；当信号转子转过图4-2后，虽然磁通仍在增加，但磁通变化率降低；当信号转子凸齿的中心正对铁心的中心线时，如图22c所示，空气隙最小，通过传感线圈的磁通最大，但此时磁通变化率为零。 当信号转子继续顺时针转动时，凸齿与铁心间的空气隙逐渐增大，

11、通过传感线圈的磁通逐渐减小；当信号转子凸齿的齿角正对铁心的边缘时，如图210d所示，磁通急剧的减小，通过传感线圈的磁通变化率为负向最大值。 由上述分析可知，信号转子转动过程中，通过传感线圈的磁通的变化情况如图22a所示，图中a、b、c、d各点与图22工作过程中的a、b、c、d位置相对应。当信号转子转一周时，通过传感线圈的磁通出现六次最大值和六次最小值。 图23 传感线圈的磁通的变化图由于传感线圈感应电动势的大小与线圈磁通变化率成正比，因而当图22a中a、c点磁通变化为零时，其感应电动势也为零。图中b、d点磁通变化率为最大时，其感应电动势也为最大，所不同的是b点的磁通为增加，d点的磁通为减小，致

12、使两点产生的感应电动势极性相反，如图22b所示，可见信号转子转动时，传感器线圈两端产生的信号是交变电动势。信号转子转一周，产生六个交变信号，该交变信号输入到点火器，以控制点火系统工作。 当发动机转速变化时，传感线圈中的磁通变化率也跟着变化。转速越高、磁通变化率越大，感应电动势也越高。不同转速时，传感线圈内的磁通及感应电动势的变化情况如图24所示。 图24 传感线圈内的磁通及感应电动势的变化情况由于信号转子的凸齿和铁心之间的空气间隙，直接影响到磁路的磁阻和传感线圈输出信号电压的高低，因而使用中空气间隙的大小不能随意变动。如间隙变化，应进行正确调整。 磁感应信号发生器结构较简单，便于批量生产，耐高

13、温。由于次级电压和点火能量的提高，使其对火花塞积炭不敏感，且可以加大火花塞电极间隙，点燃较稀的混合气，从而有利于改善发动机的动力性、经济性和排气净化性能。 可以减少触点火花，避免触点烧蚀，延长触点的使用寿命；有的还可以取消触点，因而克服了与触点相关的一切缺点，改善了点火性能。2.2.霍尔效应式电子火系以霍尔信号发生器进行触发的点火系统，称为霍尔式电子点火系统。 霍尔信号发生器是应用霍尔效应原理制成的。在我国生产的桑塔纳、红旗、捷达等轿车及一些进口汽车上广泛采用霍尔式电子点火系统。它由内装霍尔信号发生器的分电器、点火器、点火线圈和火花塞等组成。2.2.1.霍尔信号发生器的工作原理和基本结构 2.

14、2.1.1.霍尔效应 霍尔效应的原理如下图所示，当电流通过放在磁场中的半导体基片(称霍尔元件)且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁通的半导体基片的横向侧面上即产生一个电压，这个电压称为霍尔电压。霍尔电压的高低与通过的电流I和磁感应强度B成正比。霍尔信号发生器是根据霍尔效应原理制成的，它装在分电器内。霍尔信号发生器的示意图和基本结构如下图所示： 图25霍尔信号发生器的基本结构霍尔信号发生器是一个有源器件，它需要提供电源才能工作，霍尔信号集成块的电源由点火器提供。霍尔集成电路输出级的集电极为开路输出形式，其集电极的负载电阻设置在点火器内。霍尔信号发生器有三根引出线且与点火器件相连接，其中一

15、根是电源输入线，一根是霍尔信号输出线，一根是接地线。 2.2.1.2.霍尔信号发生器的工作原理图 图26 霍尔信号发生器的工作原理图2.2.1.3.霍尔信号发生器的优点 1)工作可靠性高，霍尔信号发生器无磨损部件，不受灰尘、油污的影响，无调整部件，小型坚固，寿命长。 2)发动机起动性能好，霍尔信号发生器的输出电压信号与叶轮叶片的位置有关，但与叶轮叶片的运动速度无关。也就是说它与磁通变化的速率无关，它与磁感应信号发生器不同，它不受发动机转速的影响，明显地增强了发动机的起动性能，有利于低温或其他恶劣条件下起动。 3）大大减轻了对无线电的干扰。4)结构简单，质量轻，体积小，使用和维修方便5)可以不受

16、触点的限制，增大初级电流，提高次级电压，改善发动机高速时的点火性能。一般传统点火系统的低压电流不超过5A，而电子点火系统可提高到78A，次级电压可达30kV。第三章 微机控制电子点火系统在发动机的电子集中控制系统中，点火系统由微机控制称为微机控制点火系统。微机控制可使发动机在各种工况下均能实现点火的最优控制,从而提高发动机的动力性、经济性,改善排放指标。现在大部分轿车都采用微机控制点火系统。3.1.微机控制电子点火系统组成该点火系统主要由传感器、电子控制器（ECU）、点火线圈和火花塞等组成。1）传感器是检测发动机工况信号的装置。传感器的结构型式和装配数量依车而异，主要有曲轴位置传感器、空气流量

17、传感器、节气门位置传感器、爆震传感器、冷却水温度传感器、进气温度压力传感器、车速传感器、空挡起动开关、点火开关、空调开关、蓄电池等。2）电子控制器用ECU表示。ECU是发动机的控制核心。电子控制器的名称并不统一，生产厂家或公司不同，生产年代和控制内容不同，采用的名称也不尽相同。电子控制器主要包括输入回路、输出回路、模数A/D转换器或模数D/A转换器、单片微型计算机和电源电路等。由于电子控制器的核心部件是单片微型计算机，通常将电子控制器称为微机或电脑。电子控制器的作用是根据发动机各传感器输入的信息和微机内存数据，通过运算处理和逻辑判断，然后输出指令信号，控制有关执行器工作。3）点火控制器是发动机

18、控制系统的执行器，其作用是根据微机发出的指令信号，通过内部大功率三极管的导通与截止来控制点火线圈初级绕组电路的通断，使点火线圈产生高压电。图3-1 微机控制电子点火系统的基本组成图3 为微机控制电子点火系统的基本组成。电子控制器通过各种传感器把发动机的工作状态信号,采集到内存RAM中。然后微机不断检测基准脉冲,微机收到基准信号后,开始对曲轴转角脉冲的计数，同时检测此时的发动机转速和负荷,并修正到标准工况;并根据此标准工况对存储器进行二维查询,找到发动机在该工况下的最佳点火时刻。以前的微机控制系统大都采用复杂的可编程通用微处理器,编程复杂,精确度低,且处理器之间存在干涉,因此专门用于汽车电子的微

19、处理器开发成为紧迫的课题,使其能实现精确控制,且易于编程。如RTEC 就是专门为发动机控制设计的处理器,它能提供全时跟踪发动机工况和精确的燃油计量,并根据发动机的工况、燃油经济性和废气排放来控制最优化点火。随着集成度更高、控制功能更复杂的微处理器的不断研制及人们对汽车的动力性、经济性、舒适性等方面越来越高的要求,使点火系统在汽车的各种工况下保持在最佳状态的微机控制电子点火系统成为今后点火系统的发展趋势。其应用主要有以下几点：3 .2 .传感器技术传感器是汽车的神经,目前一辆普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器,而豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。要实现对点火的最优控制就对传感器的数量、

20、精度及稳定性等方面提出更高的要求,如转速传感器、负荷传感器、进气温度传感器、氧传感器以及车速传感器等,各种传感器都要具有在高温、高压、高腐蚀等不利条件下高稳定性、高精度和高可靠性。传感器技术的发展趋势是实现多功能化、集成化和智能化,不仅要能提供用于模拟和处理的信号,而且还能对信号作放大和处理。同时,它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正,具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力,保证传感器信号的质量不受影响,即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。3.3.控制理论控制理论是编制应用和优化控制软件的理论基础。利用自动控制理论而建立的开环、闭环、最优自适应控制系统,在汽车优化控制中都有采用。建立汽

21、车电子控制系统的一般规律是首先对汽车的某个系统,如点火提前角优化控制系统进行系统辨识,建立数学模型,然后采用相应的控制方法进行优化控制。但是发动机结构比较复杂,影响点火的因素较多,理论推导出优化点火状态下的数学模型比较困难。因此,一般采用实验方法找出各种工况下的最佳点火提前角,然后以数据形式存入微机内存。在实行控制的过程中,微机不断检测发动机工况,用查表的方法查出该工况下的最佳点火提前角,经修正,输出信号控制点火,这是目前国外应用较多的优化控制方法。3.4. 低耗能电子元件随着电子技术在汽车中的大量应用,电子元件的能耗问题逐渐显现出来。如表1 霍尔式电子点火系统在不同转速下点火线圈能耗。发动机

22、在低速运转时,点火线圈耗损的能量约占其电流上升时间内输入能量的59 %左右;而在正常运转时,约占50 %左右。这些能量不但浪费了电能,而且使系统中电器元件温度迅速升高,如果不能很好的散热最终将导致整个系统的工作寿命及可靠性降低。因此,在选择电子点火元件时,其工作时能量的损耗必须被考虑在内。如何减少电子点火元件的能量损失以及开发低能耗电子元件还有待于进一步的研究。表1 霍尔式电子点火系统在不同转速下点火线圈能耗分电器轴转速/ (r/ min) 100 200 300 400 1000 1600 2000 24电流上升时间内的能量Wq/ J 0.431 0.392 0.405 0.118 0.11

23、3 0.102 0. 107 0. 108点火线圈耗损的能量Ws1/ J 0.263 0.233 0.229 0.064 0. 057 0. 056 0. 056 0.052Ws1/ Wq/ % 61. 02 59. 44 56. 54 54. 24 50. 44 54. 90 52. 34 48. 153.5. 点火能量随着发动机向高压缩比、稀混合气方向发展,传统的点火能量已经越来越不能适应现代汽油发动机的需要,必须提高点火能量。传统的点火能量只有3050mJ ,点火高压1215kV ,不能满足发动机在所有工况下可靠的点火。从表2 中可看出,传统的点火初级电流和能量较小,而且随转速升高显著下

24、降,而高能点火的初级电流和能量较大,而且在相当宽的速度变化范围内变化很小,这样就有足够的点火能量保证发动机在各种工况下都能可靠点火。另外,高能点火能在稀混合燃料下使燃烧火焰增强和加速,缩短燃烧持续时间,增加发动机的稳定性,减少燃油消耗,因此可通过提高点火能量来提高发动机性能。然而,点火能量并不是越高越好,点火能量过高会产生电子元件过热及高能耗等不利因素。因此,研究发动机在各种工况下不同的点火能量与发动机动力性、经济性及排放的关系,并在此基础上,开发随发动机工况的变化而精确调节点火能量的装置有着相当重要的经济价值和理论价值。由于发动机结构与工况的复杂性,及点火能量随着空燃比及气缸内温度的不同而变

25、化很大,使得点火能量精确测量变得十分困难。使用通用设备代价低,精度也低,而使用专用设备及相应的传感元件,虽然精度很高,但是代价很高。因此,研制高精度、低成本的测试点火能量专用设备也是今后研究点火能量的重要内容之至高转速, 连续5次后熄火,拆下火花塞, 若电极潮湿, 说明火花塞电阻值过低,火花塞漏电, 应更换同类型的新火花塞。 结论综上所述,电子点火系统今后的发展趋势及技术创新可行点如下。(1) 更为复杂、精确的微机控制点火系统已成为电子点火系统的发展要求,同时也对传感器的开发提出了更高的要求。(2) 模糊控制和神经网络技术将更多的应用于点火系统的研究中,而且今后也将会有新的控制理论出现并在点火系统中应用。(3) 随着能源问题的日益突出及系统的散热问题,开发低耗能电子元件是目前电子点火系统也是汽车电子控