电控点火系统的认知

【任务目标】

【任务描述】

一辆丰田卡罗拉车启动一次就不着火了，后经检测是点火系统出了故障。更换元件后，故障排除。

【知识准备】

一、电控点火系统的组成与原理

1-电控点火系统的组成

电控点火系统一般由4部分组成：电源和点火开关；监测发动机运行状况的传感器；处理信号并发出工作指令的电控单元ECU；执行ECU指令的执行器。

（1）电源和点火开关

电控点火系统的电源和点火开关与普通电子点火系统相同。电源为蓄电池或发电机，其功用是给点火系统提供所需的电能，点火开关则用来接通或断开电源电路。

（2）传感器

电控点火系统中的传感器用于检测发动机各种运行参数的变化，为ECU提供点火提前角的依据。传感器主要有凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、爆震传感器等。

（3）电控单元ECU

电控单元ECU是电控点火系统的核心。在发动机工作时，ECU不断地接收各传感器输送来的信号，并按内存的程序对接收到的信号进行运算、存储和分析处理，最后向点火器发出控制指令，以完成对点火提前角、通电时间及爆震的控制。

（4）执行器

1）点火器

点火器是电控点火系统的执行元件，其功用是对ECU输送来的控制指令进行功率放大，以便驱动点火线圈工作。它有分立式和组合式两种。

2）点火线圈

在电控点火系统中，有些只有一个点火线圈（有分电器电控点火系统），有些则有多个点火线圈（无分电器电控点火系统）。在所有类型的电感储能式点火系统中，点火线圈的功用是相同的：在不需要点火时，以磁场能的形式储存点火所需的能量；在需要点火时，释放点火能量，并将电源提供的12～14V的低压电转变为足以击穿火花塞电极间隙的高压电。

3）分电器

它主要是根据发动机的点火顺序，将点火线圈产生的高压电依次分配给各汽缸火花塞。

4）火花塞

火花塞的功用与普通电子点火系统相同，主要是利用点火线圈产生的高压电产生电火花，点燃汽缸内的混合气。

2-电控点火系统的分类

（1）非直接点火系统

该系统仍然保留分电器，点火线圈产生的高压电是经过分电器中的配电器进行分配的，即由分火头和分电器盖组成的配电器，依照点火顺序适时地将高压电分配至各汽缸，使各缸火花塞依次点火。

（2）直接点火系统（无分电器点火系统）

直接点火系统取消了分电器，该系统中点火线圈上的高压线直接与火花塞相连，工作时，点火线圈产生的高压电直接送至各缸火花塞，由微机根据各传感器输入的信息，依照发动机的点火顺序，适时控制各缸火花塞点火。无分电器点火系统由于废除了分电器，因此不存在分火头和侧电极间跳火的问题，减小了能量损失，不存在分火头与侧电极之间产生火花问题，电磁干扰小，节省了安装空间。

直接点火系统可分为以下两类：

1）同时点火方式

两个汽缸合用一个点火线圈，对两个汽缸同时点火。

2）单独点火方式

每个汽缸的火花塞配一个点火线圈，单独对本缸点火。

3-电控点火系统的工作原理

发动机工作时，ECU不断采集发动机的转速、负荷、冷却水温度、进气温度等信号，并根据存储器中存放的与点火提前角和初级电路导通时间有关的角度和数据，确定出该工况下的最佳点火提前角和点火线圈一次绕组通电时间，并根据冷却水温和进气水温加以修正。再以曲轴位置传感器的点火基准信号为依据，向点火器发出控制信号。点火器则根据ECU的控制指令，控制点火线圈一次绕组回路的接通和切断。当点火线圈一次绕组回路被接通时，点火线圈将点火能量以磁场能的形式储存起来。当一次绕组回路被切断时，在点火线圈二次绕组中就会产生很高的互感电动势（15～20kV），经分电器或直接送至工作汽缸的火花塞。点火能量经火花塞电极瞬间释放，产生的电火花点燃汽缸内的混合气，使发动机完成做功过程。

此外，在具有爆震控制功能的电控点火系统中，ECU还根据爆震传感器的信号来判断发动机有无爆震及爆震的强度，并对点火提前角进行闭环控制。

二、主要传感器信号

1-曲轴位置传感器信号（Ne信号）

Ne信号指发动机曲轴转角信号，它是根据曲轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。在电控点火系统中，Ne信号主要用来计量点火提前角和通电时间。ECU计算点火提前角或通电时间时，其控制精度要求必须精确到1°曲轴转角，而目前车用汽油发动机的最高转速高达6000r/min以上。发动机正常工作时，1°曲轴转角所用的时间相当短，用传感器产生1°曲轴转角信号有一定的困难。为此，在发动机电控系统中，通常利用微型计算机系统，将曲轴位置传感器产生的Ne信号分频转换成1°信号。

2-凸轮轴位置传感器信号（G信号）

G信号是指活塞运行到压缩上止点位置的判别信号，它是根据凸轮轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。在电控点火系统中，G信号主要用来确定计量点火提前角的基准。G信号一般为周期等于做功间隔角的脉冲信号，而且G信号发生时，并不是各汽缸活塞运行到压缩上止点的时刻，而是在压缩上止点前某一固定的曲轴转角，一般为上止点前70°。部分发动机的凸轮轴位置传感器，曲轴每转两圈产生两个信号，两个信号分别对应第一缸的压缩上止点和排气上止点，两个信号分别称为G1信号和G2信号。

3-控制信号IGt和IGd

电控点火系统工作中，ECU向点火器发出的控制信号有IGt和IGd两个信号。

IGt信号是ECU向点火器中功率晶体管发出的通断控制信号；IGd信号是在无分电器的电控点火系统中，为保证点火顺序，ECU向点火器输送的判别汽缸的信号，以便与G信号共同决定需点火的汽缸。IGd信号存储在ECU内的存储器中，实际就是点火顺序信息。在采用同时点火方式的无分电器电控点火系统中，IGd信号又分为IGdA信号和IGdB信号。同时，点火方式是指给接近压缩上止点的汽缸与接近排气上止点的汽缸同时点火的方式，这种点火方式应用在部分无分电器电控点火系统中，给接近压缩上止点的汽缸点火是有效的，给接近排气上止点的汽缸点火是无效的（即不起作用）。

4-点火确认信号IGf

IGf信号是指完成点火后，点火器向ECU输送的点火确认信号。由于电控燃油喷射系统中，喷油器的驱动信号也来自于曲轴位置传感器，若点火系统出故障使火花塞不能点火时，曲轴位置传感器工作正常，喷油器仍会照常喷油。为了防止因喷油过多，导致燃油浪费、发动机再启动困难或行车时三元催化反应器过热等现象的发生，特设定当完成点火过程后，点火器应及时向ECU返回点火确认信号（IGf信号）。

发动机工作时，ECU向点火器发出点火控制信号（IGt信号）后，若有3～5次收不到返回的点火确认信号（IGf信号），ECU便以此判定点火系统有故障，并强行停止电控燃油喷射系统继续喷油，使发动机熄火。

5-点火器

点火器的工作电路如图4-3-1所示。点火器的最基本功能是接收ECU输出的IGdA，IGdB和IGt信号，依次驱动各点火线圈初级绕组的接通和截止，实现ECU控制下的点火。

图4-3-1　点火器的工作电路

当点火器从ECU接收到IGdA，IGdB和IGt信号后，点火器内的汽缸判别电路判别出需要点火的汽缸，点火器通过驱动电路，控制相应的点火线圈的大功率晶体管导通，初级绕组通电。当点火信号IGt变为低电位时，初级绕组断电，次级绕组产生高压电。整个发动机的点火正时流程图如图4-3-2所示。

6-点火线圈

DLI（无分电器电控点火系）所用的点火线圈采用小型闭磁路点火线圈，如图4-3-3所示。它由初级线圈、次级线圈、铁芯、高压二极管、外壳、低压接柱及高压引线等组成。每组点火线圈供应两缸同时点火，如图4-3-4所示。当初级绕组电流被切断时，两个汽缸中都有跳火现象发生。在能量分配上，压缩行程的汽缸压力较高，所需跳火电压高；排气行程汽缸压力接近大气压，所需电压低。因此，能保证压缩行程汽缸有足够的点火能量。

图4-3-2　点火正时流程图

图4-3-3　闭磁路点火线圈

图4-3-4　两缸同时点火

三、电控点火系统的控制功能

点火系统对发动机的工作有着十分重要的影响。其功用是在发动机的各种工况和使用条件下都能及时、可靠地点燃汽缸内的混合气。点火及时是要求点燃混合气的时间适当，点火可靠是要求产生的电火花有足够的能量，以保证能点燃汽缸内的混合气。

电控点火系统（ESA）的功能包括点火提前角控制、通电时间（闭合角）控制和爆震控制3个方面。

1-点火提前角控制

（1）怠速工况基本点火提前角的确定

发动机处于怠速工况时，ECU根据节气门位置传感器信号（IDL信号）、发动机转速传感器信号（Ne信号）和空调开关信号（A/C信号）确定基本点火提前角，如图4-3-5所示。怠速时的基本点火提前角可根据空调是否工作及发动机的怠速转速略有不同来确定。如空调工作时，随着发动机怠速的目标转速的提高，应适当增加点火提前角，以保证发动机运转速度的稳定。

图4-3-5　怠速运转时基本点火提前角的确定

（2）非怠速工况基本点火提前角的确定

发动机处于非怠速工况以外的其他行驶工况时，ECU主要是依据发动机的转速和负荷（用进气量表示）确定基本点火提前角，不同转速和负荷时的基本点火提前角数值存储在ECU内的存储器中，ECU根据传感器的输出信号利用查表法从中找出基本点火提前角的最佳值即可。

发动机处于怠速工况以外的其他工况时，控制点火提前角的信号主要有进气管绝对压力传感器信号（PIM信号）或空气流量计信号（Vs信号）、发动机转速信号（Ne信号）、节气门位置传感器信号（IDL信号）、燃油选择开关或插头信号（R-P信号）、爆震信号（KNK信号）等。按燃油的辛烷值不同，在ECU存储器中存有两张基本点火提前角的数据表格，驾驶员可根据使用燃油的辛烷值，通过燃油选择开关或插头进行选择。具有爆震控制功能的电控点火系统中，ECU内还存有专用于爆震控制点火提前角的数据。

（3）发动机启动后对点火提前角的修正方法

不同的发动机控制系统中，对点火提前角的修正方法是不同的，主要有以下两种。

1）修正系数法

如在日本日产车系ECCS系统中，实际点火提前角等于基本点火提前角与点火提前角修正系数之积，即

实际点火提前角＝基本点火提前角×点火提前角修正系数

2）修正点火提前角法

如在日本丰田车系TCCS系统中，实际点火提前角等于初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角之和，即

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

修正系数或修正点火提前角都是存储在ECU中，发动机工作时，ECU根据初始点火提前角、基本点火提前角和修正系数（或修正点火提前角）计算实际点火提前角。

2-通电时间（闭合角）控制

在电感储能式点火系统中，点火线圈一次绕组回路接通后，其一次电流是按指数规律增长的，必须有足够的通电时间才能使一次电流达到饱和。如果一次绕组通电时间不足，点火线圈一次绕组回路被断开瞬间，一次电流达不到额定值，将导致点火线圈二次绕组产生的最高电压下降，影响点火系统工作的可靠性。但点火线圈一次绕组的通电时间也不能过长，否则会导致点火线圈发热并增大电能消耗。为此，无论是哪一种类型的点火系统，只要是采用电感储能方式，就必须对点火线圈一次绕组的通电时间进行控制。

发动机工作时，由于随蓄电池电压的降低，在相同的通电时间里，点火线圈一次电流所达到的峰值将会减小。因此对通电时间进行控制时，应随蓄电池电压的下降，适当增加通电时间，以保证断开点火线圈一次绕组回路时，能有足够大的一次电流。

在电控点火系统中，点火线圈一次绕组的通电时间由ECU控制通电时间控制模型。通电时间控制模型存储在ECU内，发动机工作时，ECU根据发动机转速信号（Ne信号）和电源电压信号确定合适的通电时间，并向点火器输出执行信号（IGt信号），以控制点火器中晶体管的导通时间。随发动机转速提高和电源电压下降，通电时间增长。

在电控点火系统中，为了减小转速对二次电压的影响，提高点火能量，采用了一次绕组电阻很小的高能点火线圈，其一次电流最高可达30A以上。为了防止一次电流过大烧坏点火线圈，在部分电控点火系统中，除对点火线圈一次绕组的通电时间进行控制外，还增加了对其一次电流进行控制的恒流控制电路，以保证在任何转速下的一次电流均为规定值（7A）。

3-爆震控制

爆震是汽油机工作时的一种不正常燃烧现象，轻微的爆震，可使发动机功率上升，油耗下降，但爆震现象严重时，汽缸内发出特别尖锐的金属敲击声，且会导致冷却水过热，功率下降，耗油率上升，成为汽油机运行中最有害的一种故障现象。

爆震产生的原因：在正常火焰传播的过程中，处在最后燃烧位置上的那部分未燃混合气（常称末端混合气），进一步受到压缩和热辐射的作用，加速了先期反应。如果在正常火焰前锋尚未到达之前，末端混合气开始自燃，则这部分混合气燃烧速度极快，火焰速度可达每秒百米甚至数百米以上，使燃烧室内的局部压力、温度很高，并伴随有冲击波。爆震严重时，爆震产生的冲击波反复撞击缸壁，会发出尖锐的金属敲击声。冲击波还会破坏附着在汽缸壁表面的气膜和油膜，使传热损失增加、润滑遭破坏，从而导致发动机过热、功率下降、耗油率增加，甚至会造成活塞、气门烧坏等故障。因此，汽油机工作时，应对爆震加以控制。

点火提前角是影响爆震的主要因素之一。推迟点火（即减小点火提前角）是消除爆震的最有效措施。在电控点火系统中，ECU根据爆震传感器信号，判定有无发生爆震及爆震的强度，并根据其判定结果对点火提前角进行反馈控制，使发动机处于爆震的边缘工作，既能防止爆震发生，又能有效地提高发动机动力性和经济性。

图4-3-6　爆震控制过程

爆震控制过程如图4-3-6所示。爆震传感器安装在汽缸体或汽缸盖上，其功用是将爆震时传到汽缸体或汽缸盖上的机械振动转换成电压信号输送给ECU，ECU则根据此电压信号判断发动机是否发生爆震及爆震的强度。有爆震时，则逐渐减小点火提前角（推迟点火），直到爆震消失为止。无爆震时，则逐渐增大点火提前角（提前点火），当再次出现爆震时，ECU又开始逐渐减小点火提前角，爆震控制过程就是对点火提前角进行反复调整的过程。

爆震控制实质就是对点火提前角的反馈控制。爆震传感器向ECU输入爆震信号时，电控点火系统采用闭环控制模式，并以固定的角度使点火提前角减小，若仍有爆震存在，则再以固定的角度减小点火提前角，直到爆震消失为止。爆震消失后的一定时间内，电控点火系统使发动机维持在当前的点火提前角下工作，此时间内若无爆震发生，则以一个固定的角度逐渐增大点火提前角，直到爆震再次发生，然后又重复上述过程。

发动机负荷较小时，发生爆震的倾向几乎为零，因此，电控点火系统在此负荷范围内采用开环控制模式。而当发动机的负荷超过一定值时，电控点火系统自动转入闭环控制模式。发动机工作时，ECU根据节气门位置传感器信号判断发动机的负荷大小，从而决定点火系统采用开环控制还是闭环控制。

【任务实施】

一、实施内容

电控点火系统部件识别。

二、准备工作

1-所需设备、工具和材料

实训用车辆，拆装工具，前栅格布，翼子板防护套，环保三件套，以及干净抹布、车轮挡块等。

2-安全防护用品

标准作业装、安全鞋、线手套等。

3-信息收集

车辆VIN码：____________

三、技术规范与注意事项

①严禁违规操作。

②使用维修手册和电路图时，要注意避免残缺不全，资料应与使用车辆型号相对应。

③要遵守维修手册规定的其他技术和安全要求。

四、任务实施步骤及方法

1-一般准备工作

①清点所需工量具数量和种类。　　□任务完成

②检查设备、工量具性能是否良好。　　□任务完成

2-安全防护准备工作

①安装车轮挡块阻挡车轮。　　□任务完成

②使用空挡和驻车制动。　　□任务完成

③安装好前栅格布、翼子板防护套、环保三件套。　　□任务完成

3-电控点火系统拆装

①断开点火开关。　　□任务完成

②取下蓄电池搭铁线。　　□任务完成

③拆卸曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆震传感器。　　□任务完成

④取下电控单元ECU。　　□任务完成

⑤拆装执行器元件。　　□任务完成

⑥安装执行器元件。　　□任务完成

⑦安装电控单元ECU。　　□任务完成

⑧安装曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆震传感器。　　□任务完成

⑨安装蓄电池搭铁线。　　□任务完成

4-现场恢复

①收回、清点、整理工具及设备。　　□任务完成

②与小组成员共同清洁场地及实训车辆。　　□任务完成

【任务检测】

一、填空题

1-电控点火系统的组成有_______、_______、_______及_______4部分。

2-电控点火系统的类别有_______和_______。其中，_______又分为两类，即_______和_______。

3-曲轴位置传感器的作用_____________________。

4-凸轮轴位置传感器的作用_____________________。

5-点火控制信号有_______和_______两种。其中_______，使用于无分电器点火系统之中。

6-爆震传感器的作用是_____________________。

二、简答题

1-简述电控点火系统的原理。

2-简述电控点火系的控制功能。它是如何控制的？

【评价与反馈】

【教师评估】