汽车电器与电控技术 课件 06 点火爆燃控制技术（3讲）

《汽车电器与电子控制技术》军事交通学院舒华AutomobileElectricalEquipmentand

ElectronicControlTechnology中国人民解放军

主讲：舒华教授汽车电控技术

AutomobileElectronicControlTechnology中国人民解放军军事交通学院第8讲汽油机点火控制技术主讲：舒华教授

第3章发动机点火与爆燃控制技术

EngineIgnitionandDetonationControlTechnology

3.1点火系统的功用与分类

汽车发动机工作循环是由吸气、压缩、做功与排气四个行程组成。柴油发动机在压缩行程末期，汽缸内压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，从喷油器喷出的雾状柴油遇到热空气可立即燃烧，因此无需设置点火装置。——汽油的燃点较高，汽缸内的汽油混合气需用高压电火花点着才能燃烧。3.1.1点火系统的分类1.电子点火系统：

知识链接

传统点火（触点点火）系统——早已淘汰

电子点火系统

微机控制点火系统——普遍采用按结构形式

霍尔式电子点火系统

磁感应式电子点火系统

光电式电子点火系统按信号类型3.1.1点火系统的分类2.微机控制点火系统——指由微型计算机（单片机）根据发动机传感器（如曲轴位置传感器、空气流量传感器、节气门位置传感器、发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、车速传感器等）输入的信号，经过数学运算和逻辑判断，再对点火时机、点火高压和点火能量等参数进行控制的系统。

电感储能式电子点火系统——点火线圈储能

电容储能式电子点火系统——电容器储能按储能方式机械配电式点火系统电子配电式点火系统按点火高压分配方式3.1.2点火系统的功用与要求

把汽车电源系统10~15V的低压电源转变成15~20kV的高压电源，并按照发动机汽缸工作顺序适时地引入汽缸形成电火花点着混合气，从而使发动机正常工作。汽油发动机对点火系统的要求1.点火电压：高于击穿电压Uj：击穿火花塞电极间隙时的电压。高压电火花的产生：——在正常状态下，任何气体中都有少量的气体分子游离成正离子和电子，该电子或独立存在、或与中性分子结合而形成负离子。当正、负电极两端加有电压时，在电场力作用下，电极间的正离子便会向负电极运动，负离子和电子便会向正电极运动，图3-1示。离子和电子在运动中都会撞击中性分子，从而形成电流。——当正、负电极两端施加的电压较低时，离子和电子的运动速度较慢、动能较小，不能将中性分子撞破，气体中只有原有少量离子和电子导电，因此电流微小，正、负电极之间不能形成电火花。功用3.1.2点火系统的要求1.点火电压：高于击穿电压Uj。——当正、负电极两端施加的电压升高时，离子和电子的运动速度加快，动能增大；当电压升高到击穿电压时，离子和电子便将中性分子撞破，使中性分子分裂成正离子和负离子，新产生的离子和电子在电场力的作用下，也以高速分别向正负两极运动，并又撞击其他中性分子。如此进行链式反应，电极间隙之间的离子和电子便骤然增多。离子、电子激烈地运动与碰撞就会发出大量的热，当温度达到一定值时，便会产生弧光放电，放电电流急剧增大，并产生轻脆响声。火花塞电极间隙的大小电极温度的高低电极的形状和电极的极性混合气的压力大小与温度发动机的工况Uj影响因素3.1.2点火系统的要求1.点火电压：高于击穿电压Uj。2.点火能量：电火花必须具有足够的能量。——当高压电在电极间隙之间跳火时，其电能将变成热能，从而点着可燃混合气。——火花能量越大，则混合气越易点着，发动机的着火性能就越好；反之则越差。为使混合气能可靠点着，火花塞产生的电火花必须具有足够的能量。——保证可靠点火，提供50mJ以上的点火能量。高能点火：100~200mJ。3.点火时机：适应汽油机的点火顺序和点火时刻。三缸发动机：点火顺序为1−2−3；四缸发动机：点火顺序为1−2−4−3或1−3−4−2；六缸发动机：点火顺序为1−5−3−6−2−4；八缸发动机：点火顺序为1−8−4−3−6−5−7−2（汽缸次序自车前向后：左边为1、3、5、7；右边为2、4、6、8）点火顺序3.1.2点火系统的要求点火时刻：在最有利的时刻进行点火，用点火提前角“θ”来表示。

从火花塞开始跳火到活塞运行至上止点的时间内曲轴转过的角度，称为点火提前角，用字母“θ”表示。——在发动机汽缸内，混合气从开始点着到完全燃烧需要一定的时间（2~5ms）。为使混合气在活塞压缩终了时能充分燃烧，以使发动机发出最大功率，点火就不应在压缩终了进行，而应适当提前。——如果点火时刻过迟，会导致燃烧最高压力降低，发动机功率下降；由于高温气体与缸壁的接触面积增大，容易导致发动机过热，耗油量也会大大增加。——如果点火时刻过早，在活塞到达上止点之前就达到最高压力，正在向上运动的活塞将受到很大的阻力，使发动机功率降低、油耗增加，还会引起爆燃。

当负荷一定时，发动机发出功率最大和油耗最低时的点火提前角。点火提前角θ最佳点火提前角3.2微机控制点火系统的组成

控制点火提前角。——微机控制点火系统与发动机爆燃控制系统EDC（EngineDetonationControlSystem）相互配合，能将点火提前角控制在最佳值，使可燃混合气燃烧后产生的温度和压力达到最大值，能显著提高发动机动力性、经济性和排放性能。3.2.1微机控制点火系统的组成传感器

点火控制器N152、点火线圈N128/N；电控单元J220控制实质曲轴位置传感器G28：发动机转速转角信号凸轮轴位置传感器G40：上止点位置信号空气流量传感器G70：负荷信号节气门位置传感器G69：负荷信号冷却液温度传感器G62：修正点火提前角进气温度传感器G72：修正点火提前角执行器3.2.2微机控制点火系统控制原理1.点火高压电的产生

一个线圈中的电流变化而使另一个线圈产生感应电动势的现象。——汽油发动机点火系统都是利用互感原理，先由点火线圈将低压电源转变为高压电源，然后将高压电分配到各缸火花塞产生电火花。——当发动机转动时，各种传感器（或信号发生器）产生的信号输入ECU后，ECU再向点火控制器发出指令，控制大功率三极管VT导通与截止。——在点火开关SW接通的情况下，当点火控制器的三极管VT导通时，初级绕组中就有电流流过（初级电流i1用实线表示）。互感现象3.2.2微机控制点火系统控制原理1.点火高压电的产生

蓄电池正极→电流表A→点火开关SW→点火线圈“+15”端子→初级绕组W1→点火线圈“−1”端子→大功率三极管VT→搭铁→蓄电池负极。——电流流过线圈时，便在铁芯中产生磁场并将磁场能量储存在线圈之中。——当三极管VT截止时，初级电路被切断，初级电流i1消失，铁芯中的磁通量迅速变化，在初级绕组W1和次级绕组W2中都会感应产生电动势。W2匝数多，高压电足以击穿电极间隙。

次级绕组W2→线圈“+15”端子→点火开关SW→电流表A→蓄电池→搭铁→火花塞旁电极→中心电极→配电器旁电极→中心电极→点火线圈高压插孔“4”→次级绕组W2。低压电路i1高压电路i23.2.2微机控制点火系统控制原理2.微机控制点火原理——当微机点火系统工作时，各种传感器输入ECU的信号先经接口电路或A/D转换器进行处理，然后存储在RAM中备用。

发动机转动时，CPU首先根据发动机转速与负荷传感器信号，从预先存储在只读存储器（ROM）中的点火提前角三维数据MAP（数据图谱或数字地图）中查询得到相应工况下的基本点火提前角，再根据其他传感器信号确定点火提前修正量，并计算确定最佳点火提前角。然后，CPU不断检测凸轮轴位置传感器信号（标志位信号），判定是哪一缸即将到达压缩上止点。当接收到标志位信号时，CPU立即开始对曲轴转角信号进行计数，并对点火提前角进行控制。控制原理3.2.2微机控制点火系统控制原理2.微机控制点火原理

当计数到曲轴转角等于最佳点火提前角时，CPU立即向点火控制器发出控制指令，使其大功率晶体管VT截止，点火线圈初级电流切断，次级绕组产生高压，并按发动机的点火顺序分配到相应汽缸的火花塞跳火点着可燃混合气。——当发动机起动、怠速或汽车滑行工况时，由预先设定的程序进行控制。控制原理正常点火控制过程课程小结（8）主要介绍了：1.点火系统的功用与分类2.汽油发动机对点火系统的要求3.微机控制点火系统的组成与点火控制原理

今天这一讲的重点是微机控制点火系统的组成与点火控制原理，希望同学们认真复习，融会贯通，掌握重点。

接下来，请同学们根据讲授内容阅读教材，并完成课后作业。同学们，下次课再会！第9讲微机控制点火系统控制过程主讲：舒华教授

第3章发动机点火与爆燃控制技术

EngineIgnitionandDetonationControlTechnology

3.2.3微机控制点火提前角的确定——点火提前角的大小直接影响发动机的输出功率、油耗和排放。发动机工况不同，需要的最佳点火提前角也不相同，怠速时的最佳点火提前角是为了使怠速运转平稳；部分负荷时的最佳点火提前角是为了减小燃油消耗量和有害气体排放量，提高经济性和排放性能；大负荷时的最佳点火提前角是为了增大输出转矩，提高发动机的动力性。1.最佳点火提前角的影响因素影响因素（1）发动机转速（2）发动机负荷（3）发动机工况（4）汽油品质3.2.3微机控制点火提前角的确定

采用初始点火提前角点火（1）当发动机起动时。（2）发动机转速低于400r/min时。（3）检查初始点火提前角时。3.2.3微机控制点火提前角的确定

3.2.3微机控制点火提前角的确定

修正点火提前角（1）暖机修正。（2）怠速修正。3.2.4微机控制点火提前角控制【应用案例】大众轿车四缸发动机点火控制——汽缸判别信号在第1缸压缩BTDC88°时产生，设曲轴转速2000r/min时最佳点火提前角为BTDC30°曲轴转角。1.点火提前角的控制控制逻辑：ECU工作情况1）点火提前角控制。2）点火导通角控制。控制过程ECU监测CIS信号控制VT截止对CPS信号计数产生高压电点火3.2.4微机控制点火导通角控制

控制过程导通角控制导通角3.2.5微机控制点火高压的分配方式1.双缸同时点火——指点火线圈每产生一次高压电，都使两个汽缸的火花塞同时跳火。次级绕组产生的高压电将直接加在两个汽缸（四缸发动机：1、4缸或2、3缸；六缸发动机：1、6缸，2、5缸或3、4缸）的火花塞电极上跳火。

双缸点火时，一个汽缸处于压缩行程末期，是有效点火；另一个缸处于排气行程末期，缸内温度较高而压力很低，击穿电压很低，是无效点火。曲轴旋转一转后，两缸所处行程恰好相反。1）机械配电方式2）电子配电方式配电方式特点1）双缸同时点火2）各缸单独点火电子配电3.2.5二极管分配式双缸同时点火

1）二极管分配式2）点火线圈分配式双缸点火3.2.5二极管分配式双缸同时点火

1）二极管分配式2）点火线圈分配式双缸点火3.2.5点火线圈分配式双缸同时点火2）点火线圈分配式双缸同时点火——每个点火线圈供两只火花塞工作。四缸机：2个线圈；六缸机：3个线圈。——点火控制器根据ECU输出的点火控制指令，按点火顺序轮流触发功率晶体管VT导通与截止，从而控制每个点火线圈轮流产生高压电，再通过高压线直接输送到成对的两缸火花塞电极间隙上跳火点着可燃混合气。1）二极管分配式2）点火线圈分配式双缸点火3.2.5各缸单独点火的控制

在每一个汽缸都配有一个点火线圈，并安装在火花塞上方。——在点火控制器中，点火线圈数＝功率晶体管VT数，分别控制每个线圈初级绕组电流接通与切断进行点火。单独点火优点：省去高压线，能量损耗减少；点火系统对无线电的干扰可大幅度减弱。3）高压二极管的作用。

防止初级电流接通时，在次级绕组中产生的电压加到火花塞电极上而导致误跳火。——在初级电流接通瞬间，次级绕组可产生1000V左右的感应电动势。如果汽缸处于进气行程接近终了时刻或压缩行程刚刚开始时刻，由于缸内压力低，又有可燃混合气体，1000V左右电压就有可能击穿火花塞电极间隙而产生火花跳火。

在次级绕组回路中串接一只反向击穿电压较高的二极管，利用其反向截止功能，不能形成放电回路，就不可能引起误跳火。单独点火作用避免误跳火课程小结（9）主要介绍了：1.微机控制点火提前角的确定2.微机控制点火提前角与导通角的控制过程3.微机控制点火高压电的分配方式（双缸同时点火）

今天这一讲的重点是微机控制点火提前角与导通角的控制过程，希望同学们认真复习，融会贯通，掌握重点。

接下来，请同学们根据讲授内容阅读教材，并完成课后作业。同学们，下次课再会！第10讲汽油机爆燃控制技术主讲：舒华教授

第3章发动机点火与爆燃控制技术

EngineIgnitionandDetonationControlTechnology

3.6.1汽油机爆燃控制系统组成

指汽缸内的可燃混合气在火焰前锋尚未到达之前，自行燃烧导致压力急剧上升而引起缸体振动的现象。

（1）发动机输出功率降低；（2）发动机使用寿命缩短甚至损坏。3.6.1汽油机爆燃控制系统组成点火系统＋爆燃传感器：1~2只带通滤波器：6~9kHz爆燃信号通过信号放大器：信号处理整形滤波器：信号处理基准电压：判定爆燃的基准电压UB积分电路：判定爆燃强度的电压Ui提前角控制电路：输出回路

图3-31点火提前角闭环控制系统组成爆燃定义爆燃危害3.6.2爆燃检测方法与爆燃传感器（1）检测发动机缸体振动频率；精度较高、安装方便，汽车广用。

（2）检测发动机燃烧室压力变化；精度较高，安装困难，仪器采用。

（3）检测混合气燃烧噪声。非接触，测量精度和灵敏度较低，少用。3.6.3爆燃传感器——点火提前角闭环控制系统必不可少的传感器

将汽油机爆燃信号转换为电信号输入发动机ECU，以便ECU

修正点火提前角来消除爆震。

共振型、非共振型

压电式、磁致伸缩式——共振型爆燃传感器结构特点：内设共振体，其共振频率与爆燃频率一致。优点：输出电压高，不需滤波器。缺点：只适用特定发动机，不能互换使用。——非共振型爆燃传感器优点：适用于各种型号的发动机，装车自由度很大。缺点：输出电压较低，频率特性平坦且频带较宽，需要配用带通滤波器（即只允许特定频带的信号通过，对其他频率的信号进行衰减的滤波器。带通滤波器一般由线圈和电容器组合而成），信号处理比较复杂。——中国、日本和欧洲汽车采用。检测方法功用检测方式分类按结构分类3.6.3

压电式爆燃传感器1.非共振型压电式爆燃传感器结构套筒底座：支承作用绝缘垫圈：绝缘作用压电元件：压电材料、垫圈形状惯性配重：传递惯性力塑料壳体：封装传感器固定螺栓：拧入缸体传力接线插座、电极引线：从压电元件两侧的金属垫圈引出电极。——惯性配重与塑料壳体之间安装有盘形弹簧，借弹簧张力将惯性配重、压电元件和垫圈等部件压紧在一起，用以传递发动机振动产生的惯性力。——传感器插座：3根引线＝2根信号线＋1根屏蔽线。非共振型压电式爆燃传感器＋共振体→共振型压电式爆燃传感器压电式传感器3.6.3压电式爆燃传感器——工作原理

指某些晶体(石英、陶瓷)受到外力或机械震动时，产生电荷(输出电压)的现象。当外力去掉时，晶体又恢复到不带电状态。晶体受力产生的电荷量与外力大小成正比。2.非共振型压电式爆燃传感器原理压电元件：压电材料压电半导体：硫化锌ZnS、氧化锌ZnO压电单晶体：石英晶体SiO2

——承压能力(20～30)×105kPa。压电多晶体：压电陶瓷：钛酸钡BaTiO3、钛酸铅PbTiO3

缸体振动惯性力→壳体→惯性配重振动→压电元件产生与振动频率、强度成比的电压。试验证明：爆燃频率6~9kHz，发动机转速越高，信号电压幅值越大。爆燃在活塞运行到压缩上止点附近产生，缸体振动强度最大，传感器输出电压较高。压电式传感器压电效应3.6.3

磁致伸缩式爆燃传感器1.磁致伸缩式爆燃传感器结构——共振型弹性元件：共振体，将缸体振动传给伸缩杆伸缩杆：高镍合金构成导磁回路，振动改变磁通永久磁铁：产生磁场感应线圈：感应产生信号电压线束插座：3根引线＝2根信号线＋1根屏蔽线2.磁致伸缩式爆燃传感器工作原理缸体振动→伸缩杆振动→线圈磁通变化→US爆燃时：共振频率6~9kHz→US＝Usmax

特点：无油压孔3.6.3

压力检测式爆燃传感器1.压力检测式爆燃传感器——间接检测燃烧压力安装：火花塞垫圈下面——奥迪轿车采用拧紧力矩：25±5N·m（最大力矩：40N·m）——垫圈式爆燃传感器——非共振型压电效应式爆燃传感器结构原理：同压电式爆燃传感器传感器安装在火花塞垫圈与发动机汽缸盖之间，汽缸内可燃混合气燃烧产生的压力作用到火花塞上，并经火花塞垫圈传递给传感器。当作用力变化时，传感器信号电压随之变化，从而间接地测量燃烧压力。压电式传感器3.6.4爆燃的判别方法发动机产生爆燃：一般仅在大负荷、中低转速（3000r/min以下）时产生。∵爆燃传感器输出电压的振幅随发动机转速不同而变化，∴判定发动机是否发生爆燃不能根据爆燃传感器输出信号电压的绝对值进行判别。

将无爆燃时传感器输出电压信号与产生爆燃时输出的电压信号比较来做出判定结论。1.基准电压确定基准电压：利用发动机即将产生爆燃时的传感器输出信号电压来确定。——首先对传感器输出信号进行滤波和半波整流，利用平均电路求得信号电压的平均值，然后再乘以常数倍形成基准电压UB，倍数由设计制造时通过试验确定。——基准电压UB并不固定，UB随发动机转速升高而增大。∵转速升高时，爆燃传感器输出电压的幅值增大。爆燃判别方法3.6.4爆燃的判别方法2.爆燃强度判别爆燃强度取决于传感器信号电压振幅和持续时间。——爆燃信