汽车的发动机点火系统的现状及发展趋势.doc

目 录中文摘要、关键词1英文摘要、关键词2第1章 绪论31.1 课题研究的背景31.2 课题研究的目的及意义31.3 论文的主要内容及结构安排3第2章 汽车点火系统概述52.1 汽油发动机点火系统发展历程52.1.1 传统点火系52.1.2 有触电电子点火系52.1.3 无触点普通电子点火系62.1.4 微机控制电子点火系72.2 国内汽车点火系发展概况8第3章 汽车点火系统的现状分析103.1 微机控制电子点火系的组成103.2 电控单元ECU103.2.1 ECU的组成103.2.2 微机控制点火系ECU控制工作原理123.3 微机控制点火系的分类143.3.1 微机控制有分电器点火系143.3.2 微机控制无分电器点火系153.4 汽车点火系统发展现状分析173.4.1 国内发展现状173.4.2 目前国内外在电子点火领域的研究18第4章 汽车微机控制点火系统的发展趋势194.1 发动机对点火系统的要求194.1.1 点火系统应满足的要求194.1.2 影响最佳点火提前角的主要因素204.2 微机控制电子点火系的优化控制224.2.1 点火提前角优化控制234.2.2 闭合角优化控制254.2.3 爆震优化控制254.3 微机控制电子点火系统的发展趋势264.3.1 微机控制264.3.2 传感器技术274.3.3 控制理论274.3.4 低耗能电子元件294.3.5 点火能量29结 论32致 谢34参考文献35汽车发动机点火系统的现状及发展趋势摘要：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。本文介绍了汽油发动机点火系统的基本工作原理。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。关键词：点火系统； 微机控制； 发展趋势；The situation and development trend of the ignition systemAbstract: Gasoline engine ignition system is an important part of the performance of the engine have a decisive influence. With the continuous development of automobile industry, increasing degree of automotive electronics, car ignition system has been the development of the traditional battery ignition system widely used at home and abroad electronic ignition systems, electronic ignition system, ignition system, also known as semiconductor or transistor ignition system. More and more car manufacturers of electronic technology to the car.This article describes the basic working principle of the gasoline engine ignition system.On this basis，the application of modern electronic ignition systems, with the engine to high speed, the direction of lean mixture, common electronic ignition system can not meet the requirements of high-energy ignition system will be computer controlled ignition systems for future development.Key words: ignition system； computer control； dvelopment rends；第1章 绪论1.1 课题研究的背景随着入们对汽油机的动力性、燃油经济性的要求不断提高，以及污染问题的日益严重，各生产厂家纷纷采用电控汽油机。电控汽油机主要是对发动机的喷油和点火进行控制，通过各种传感器传回的发动机工况参数，经过CPU计算出最佳喷油量和点火时刻，使发动机工作在各种性能指标限制下的最佳状态。点火系统是发动机的一个重要部分，它的设计的好坏对汽油机的动力性、燃油经济性、和排放等性能有很大的影响。目前，国内电控系统大多采用国外的产品，自主设计的电控系统尚在实验室中不能形成产品，主要问题是控制的精确性、可靠性难以达到且成本较高，而国外却经历了近五十年的发展，已经形成完整的开发体系和完善的市场。汽车工业是一个国家工业化发展的重要标志，我国近年来汽车的销售量和汽车的保有量迅速增长，我国每年都要花费大量外汇进口外国电控产品，并且这也成了制约我国汽车工业发展的瓶颈，点火控制是电控单元的一个主要控制部分，对它的分析与研究对我国汽车工业的发展有现实的意义。1.2 课题研究的目的及意义本课题针对汽车点火系统的发展现状；论述了微机控制点火系统的组成和工作原理；指出了我国汽车点火系统当今发展存在的问题与不足，分析了微机控制点火系统今后的发展趋势；从而提出相应的解决方向，为指导我国汽车点火系统今后的研究和发展提供一定的参考。为进一步研究和开发汽油发动机点火控制系统提供较有价值的资料。1.3 论文的主要内容及结构安排论文共分四章。第一章 绪论，提出了课题研究的背景，课题研究的目的及意义。第二章 汽车点火系统发展概述，介绍汽车发动机点火系统的发展历程并阐述了我国汽车点火系统的发展概况。第三章 汽车点火系统的现状分析，阐述微机控制点火系统的工作原理，分析汽车点火系统的发展现状。第四章 汽车微机控制点火系统的发展趋势，针对当今我国汽车点火系统发展存在的主要问题，探讨我国汽车点火系统的发展趋势并提出今后我国汽车发动机点火系统的发展应对措施和方向。第2章 汽车点火系统概述2.1 汽油发动机点火系统发展历程根据点火系统的发展经历，点火系可分为传统点火系和电子点火系，电子点火系又可分为有触点电子点火系、无触点普通电子点火系和微机控制电子点火系。2.1.1 传统点火系最早应用于汽车的是传统点火系，其组成如图2.1所示，它采用机械触点控制初级电流，当触点闭合时，点火线圈初级电路接通，储存能量；当触点打开时，点火线圈初级电路断开，在次级线圈中产生高电压，并经分电器加于火花塞，击穿火花塞，产生电火花点燃混合气。图2.1 传统点火系统其优点是结构简单、更换方便。缺点是初级电流受机械触点允许电流限制不能过大，点火能量低；闭合角不能调整；次级电压上升速率较慢，在火花塞积炭时形成漏电流，次级电压下降；机械触点易烧蚀，凸轮易磨损，工作不可靠；机械调整装置调节点火提前角，反应速度慢，控制精度低。目前，传统的点火系已经淘汰。2.1.2 有触电电子点火系有触点电子点火系是最早机电相结合的产品之一，其组成如图2.2所示，它保留了原分电器中的机械触点，增加了一个电子驱动电路，大功率开关晶体三极管串联在点火线圈初级电路中，机械触点接在三极管的基极电路中。当触点闭合时，大功率三极管导通，接通初级电路；当触点打开时，大功率三极管截止，断开初级电路，次级线圈产生高压电而点火。图2.2 有触电电子点火系其优点是：减小了机械触点的电流，消除了触点烧蚀现象,并取消了和触点并联的电容器，降低了故障率。缺点是：由于机械触点的存在，继承了传统点火系的缺点，仍然采用机械调节装置调节点火提前角，无闭合角调节功能，这些限制了点火性能的提高。2.1.3 无触点普通电子点火系无触点普通电子点火系主要由点火开关、点火信号发生器、点火器、点火线圈、分电器以及火花塞组成。如图2.3所示：1- 点火信号发生器；2-点火器；3-分电器；4-火花塞；5-点火线圈图2.3 无触点普通电子点火系统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。因此，与触点有关的各种故障和保修作业均不复存在。当发动机工作时，分电器信号发生器产生电信号，经电子点火组件的放大、整形后，控制末级大功率晶体管的导通与截止，使点火线圈中的初级电流发生变化，在次级绕组中感应出高电压。由于采用了闭合角和恒流控制，普通电子点火系统的初级电流在发动机高速或低速时都为一定值，从而在次级绕组中产生的感应电动势也为一定值，从而提高了点火性能。另外，从根本上解决了由触点带来的问题，使之具有一定的免维修化。该点火系统最大的缺点是点火提前角仍采用传统的真空和离心机构机械控制，点火提前角控制不够精确。另外，点火触发信号仍采用机械控制，点火可靠性仍有待提高。2.1.4 微机控制电子点火系上述点火系统均采用机械调节装置调节点火提前角，一方面，机械装置反应慢，实时性差，控制精度低；另一方面，点火提前角不仅与发动机转速和负载有关，而且与其它因素有关，如汽油的抗爆性能、混合气的空燃比、发动机工作温度和进气终了的压力等，因而越来越不能满足现代发动机的需要。随着微处理机技术的发展，在70年代中期，汽车上开始应用微处理机控制点火。微机控制电子点火系的组成如图2.4所示，它主要由电源、传感器、电控单元（ECU）、点火控制器、分电器、高压线、火花塞等组成。该系统根据各种传感器检测发动机工况信息，由控制单元对点火提前角和闭合角进行精确的控制，点火时机更准确、合理，使发动机性能更加优越。该点火系中的分电器只起到分配高压电的作用，取消了点火提前角机械调节机构。微机控制点火系可以实现点火提前角控制、闭合角控制和爆震控制的功能，具有如下特点：1.在各种工况及环境条件下，均可获得最佳点火提前角，从而使发动机在动力性、经济性、排放性及工作稳定性等方面均处于最理想的情况。2.在全部工作范围内，均可对点火线圈的导通时间进行控制，从而使线圈中存储的点火能量保持不变，提高了点火的可靠性，有效地防止了点火线圈过热，减少了能源消耗。此外，该系统很容易实现在全部工作范围内提供稀薄燃烧所需恒定点火能量的目标。3.通过采用闭环控制技术，可使各缸点火提前角控制在刚好不发生爆震的临界状态，从而获得较高的燃烧效率，有利于提高发动机的各种性能。图2.4 微机控制电子点火系组成2.2国内汽车点火系发展概况当前我国发动机点火系统发展很快，传统点火系统已基本淘汰，电子点火系统已在微型车及普通型轿车中普及，中、高档轿车已开始采用计算机控制。在电子点火系统中，又以磁感应式和霍尔式为主。从90年代后期开始，国内轿车开始采用电控燃油喷射系统(EFI)，点火控制系统也开始采用计算机控制点火装置，如桑塔纳2000型、捷达王、广州本田、富康988等轿车及重庆长安之星等微型车已开始采用计算机控制点火系统。我国对汽油发动机计算机控制点火系统的研究始于80年代中期，一些研究单位对汽油喷射系统、点火系统、氧传感器反馈系统等电控项目的研究与开发，取得了一些进展，在一些轿车如国产CA7200小红旗等轿车装用了这些系统。但由于我国汽车工业基础还较薄弱，在电子化程度上与国外先进水平相比，还存在较大的差距。国内主机厂需求的计算机控制的点火系统，大多来自于进口或德国博世公司及美国德尔福公司等在华办的合资企业。汽车工业的水平，是衡量一个国家工业化水平高低的一个重要标志。世界汽车工业正在进行一场新的技术革命，围绕环保节能、安全、可靠及舒适等性能，各国都制定了长远发展规划。我国“十五”规划经济工作重点将发展汽车工业放在非常重要的位置，根据世界汽车工业新的发展动向，随着国家加入WTO后国际市场的挑战，迫切要求国内企业快速提高点火系统的技术水平和生产能力。第3章 汽车点火系统的现状分析随着我国汽车工业的快速发展及国家环保政策要求，我国汽油机的传统点火系统已被电子点火系统和计算机控制点火系统所取代。近阶段卡车和中、低档轿车、微型车等将是电子点火系统与计算机控制点火系统并存，而采用电控燃油喷射系统的高档车辆都将采用计算机点火系统，且其分电器将由有分电器式向无分电器式发展，点火线圈将全部采用干式点火线圈，并向直接点火式方向发展。熟悉点火系统的组成和工作原理，是汽车技术从业人员所必须的知识；微机控制电子点火系统是当今汽车发动机点火系统的主流形式。本章借用现今部分车型的点火系统阐述微机控制电子点火系统的基本组成及工作原理并对其发展现状进行分析。3.1 微机控制电子点火系的组成微机控制点火系一般由电源、传感器、电控单元（ECU-Electronic Control Unit）、点火控制器、分电器、高压线、火花塞等组成，如上图2.4所示。1.电源：供给点火系统所需的点火能量，一般由蓄电池和发电机共同组成。2.传感器：检测发动机各种状态参数，为ECU提供点火提前角的控制依据。3.电控单元：点火系统中的控制元件。其作用是不断地采集各传感器的信息，按特定的程序进行判断、运算，向点火控制器或点火线圈发出最佳控制信号。4.点火控制器：ECU的一个执行机构。其作用是将电控单元输出的点火信号进行功率放大，再驱动点火线圈工作。5.点火线圈：其作用是存储点火能量，并将电源的低电压转变为高电压。6.分电器：其作用是将点火线圈产生的高压电按点火顺序依次分配至各缸火花塞。7.火花塞：其作用是将点火线圈产生的高压电引入气缸，点燃气缸内的可燃混合气。3.2 电控单元ECU3.2.1 ECU的组成电控单元ECU是点火系统的控制中心，如图3.1所示，它主要是由输入电路（包括A/D 转换器）、微机（单片机）、输出电路等组成的,其中单片机主要由微处理器（CPU）、存储器(RAM、ROM)、输入/输出(I/O)接口、总线等组成。各部分电路的功能介绍如下：1.输入电路各传感器的信号首先送到输入电路中,经输入电路处理后再送至单片机。如图2.1所示,输入电路对输入信号的处理功能包括：过滤混入信号中的干扰；将正弦波信号（例如曲轴位置信号）变成脉冲信号（矩形波）；降低超过5V的信号，保证单片机的正常工作。2.单片机其作用是分析、处理数字信号：与外部设备进行数据交换；协调单片机内各系统的工作。（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元是单片机的指挥中心，它是具有中央控制功能的芯片，具有参数检测、数据处理、控制运算与逻辑判断功能，可通过接口向系统各个部分发出指令。图3.1 ECU的组成（2）存储器存储器具有存放程序和记忆数据的功能，它包括运行数据存储器(RAM)与程序和数据存储器(ROM)。运行数据存储器(RAM)：RAM又称随机存储器或读写存储器，用于暂时存放计算机操作的数据，可以随时写入,也可随时读出，当电源断开时,数据随之消失。在点火系中是将各传感器输入的数据信息储存起来，直到被单片机调用，或者被以后输入的运行数据所替换。程序和数据存储器(ROM)：ROM又称只读存储器，用于存放永久性的程序和数据，其内容可以读出,但不可以再写入。当电源断开时,存储信息不会消失，通电后又可以立即使用。在点火系中用来存储控制程序、点火脉谱等预定的控制参数。（3）输入/输出(I/O)接口输入/输出(I/O)接口是单片机与被控对象进行信息交换的纽带，起着数据缓冲和时序匹配的功能。（4）总线(BUS)总线是将单片机中CPU、RAM、ROM、I/O接口等连接起来的一组电缆线。它包括地址总线、数据总线和控制总线。数据总线用于传送数据与指令。地址总线用于传送地址码。CPU通过控制总线随时掌握各器件状态，并根据需要向各器件发出控制指令。3输出电路输出电路的作用是将单片机的指令转变为控制信号来驱动执行器，它起着控制信号的生成和放大的功能。3.2.2 微机控制点火系ECU控制工作原理ECU向点火控制器发送点火控制信号和气缸判别信号，并接收点火控制器反馈的点火确认信号。下面以图3.2所示的丰田皇冠轿车的微机控制点火系统为例，说明ECU的控制信号。图3.2 丰田皇冠轿车的微机控制点火系1点火时刻（点火提前角）控制信号IGt在发动机工作时，ECU 根据传感器输入的发动机状态信息，计算出最佳点火提前角，然后再根据曲轴位置传感器的信号，判断曲轴（活塞）的位置，当曲轴（活塞）达到最佳点火提前角的位置时，即向点火控制器发出点火控制信号IGt，控制点火线圈断路而点火。2气缸判别信号IGdA和IGdBECU根据曲轴位置传感器的信号判断曲轴（活塞）的位置，产生气缸判别信号IGdA和IGdB，点火控制器根据此信号判定需要点火的气缸。气缸判别信号IGdA和IGdB的波形如图3.3所示：图3.3 气缸判别信号IGdA和IGdB的波形图气缸判别信号IGdA和IGdB确定的气缸时序如表3.1所示。点火气缸IGdAIGdB一、六缸01五、二缸00三、四缸10表3.1 气缸判别信号IGdA 和IGdB的状态表3.3微机控制点火系的分类微机控制电子点火系可分为微机控制有分电器点火系和微机控制无分电器点火系两类。3.3.1 微机控制有分电器点火系如图3.4所示，丰田LS400发动机等采用了这种点火系；在该系统中安装有两个分电器，点火线圈产生的高压电经分电器中的配电器按点火顺序分配至各气缸。该点火系的缺点是，由于存在分电器，在分火头与分电器盖之间有间隙，高压电跳过时要产生火花，消耗电能，产生电磁波干扰。图3.4 丰田LS400微机控制有分电器点火系1.三个传感器阻值都为950-1350；2.各传感器安装与位置；（1）G1：信号作用主要判别1缸控制点火。安装于左侧凸轮轴前侧正时皮带稍后点，接着一件插头为感应齿。由正时皮带驱动也可以说整个分电器（分火头）由正时皮带轮带动。（2）G2：信号主要作用检测6缸控制点火。安装于右侧凸轮轴前侧正时皮带稍后点。（3）CKP：曲轴位置传感器安装于曲轴皮带轮低端直接两线插头齿数为12齿。作用来检测曲轴转角和转速来控制下缸点火查出三个齿。（4）高压包点火器信号V型缸的后端，变速器与发动机连接点正上方。固定有两个高压包两个点火器。3.电路特点：两排气缸交叉工作在点火电路中分别采用了两个点火器（4线和5线）、两个高压包，4线比5线少了一根EXT线。左侧无高压时如1、4、6、7无高压此时可以把2、3、5、8点火器调换看是否正常G1/G2信号当某个传感器损坏后不影响着车，但起动时间较长如两个都损坏直接无高压无喷油信号。4.工作原理：（1）key-on时给ECU、高压包、点火器工作电源。（2）ST时电脑会根据G1、G2、CKP信号，当收到1缸压缩上止点6缸排气上止点会给1缸点火。（3）ST着车后收不到STA信号会根据CKP数齿来进行工作，每数3个齿凸轮轴转动45/曲轴转动90；按点火顺序点火完成全部点火。当收不到IGF信号时会切断燃油防止淹缸造成污染。3.3.2 微机控制无分电器点火系微机控制无分电器点火系又叫直接点火系，在该系统中取消了分电器，点火线圈的高压电直接加于火花塞，由ECU和点火控制器确定点火顺序。微机控制无分电器点火系统有两种类型，即同时点火方式和单独点火方式。1.同时点火方式如图3.5所示，在该系统中无分电器，点火线圈的高压线直接与火花塞相连，一个点火线圈连接两个缸的火花塞，两缸火花塞串联，同时点火，一缸处于压缩（作功缸），一缸处于排气（废火缸），同时点火的两缸火花塞极性相反。微机控制点火顺序。别克、捷达、发动机等采用了这种点火系。图3.5 同时点火方式的点火系2.单独点火方式丰田2NZ-FE汽油机点火系统(ESA)采用计算机控制,可精确控制点火提前角、点火间隔角和点火闭合角,提高点火能量。同时,由于电器元件减少,也减少了故障点,提高了点火系统工作的可靠性。电控丰田2NZ-FE汽油机点火系统采用独立点火系统。主要包括:曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、空气流量传感器、水温传感器、爆震传感器、空档起动开关信号、起动信号、电脑、点火线圈以及点火器、各缸火花塞等,如图3.6所示。图3.6 丰田2NZ-FE发动机点火系统组成电脑对各传感器及开关的输入信号进行分析、计算,然后由IGT1、IGT2、IGT3、IGT4分别输出点火控制信号给点火器。每个缸的点火器与点火线圈装在一起,点火器控制点火线圈初级电流的通断,控制点火。各缸的点火反馈信号经中继接线盒合为一条由IGF反馈给电脑。如果发动机在工作过程中某一缸不点火,而喷油器一直在喷油,则未燃的汽油不仅加大了三元催化和氧传感器的负担,而且由于汽油对缸壁的冲刷,造成活塞、活塞环与气缸壁的润滑性能变差, 从而降低气缸的使用寿命,同时还造成了汽油的浪费。因此在丰田TCCS系统中,设置了点火反馈控制功能：利用点火器的初级电路切断时产生的点火反馈信号来检测点火系统的工作情况,这样,发动机电脑始终监测点火系统的工作情况,一旦发动机电控单元连续6次收不到点火反馈IGF信号,则立即停止所有喷油器的喷油动作,发动机立即熄火。3.4 汽车点火系统发展现状分析3.4.1国内发展现状目前国内汽油发动机车点火系统中，电子点火系统已占有较大比例，传统点火系统已处于淘汰的状况。在电子点火系统中，原有的凸轮驱动被脉冲发生器所取代，靠磁变化(无触点)产生电流及电压脉冲，并通过该系统的电器来触发高压点火脉冲。电子点火系统电路的简图如图3.7所示：图3.7 电子点火系统电路简图在电子点火系统中，又以磁感应式的霍尔式为主，系统的工作特点及配套车型如表3.2所示：结构信号触发部件特点配套车型磁感应式磁感应式脉冲发生器结构较复杂、成本低神龙富康、北京切诺基霍尔式霍尔式（HALL）脉冲发生器结构简单、成本高上海桑塔纳、南京英格尔、一汽捷达表3.2 电子点火系统特点及配套车型目前国内电子点火系统的生产基率都是按主机厂要求采用相应的国外标准主要来自德国VOLKSWAGEN、法国PEVGEOT及美车GM公司。80年代中期，上海大众公司开始生产桑塔纳轿车。长沙汽车电器厂引进德国BOSCH公司的霍尔无触点分电器技术，为该车配套、并率先实现了国产化，促使国内电子点火系统真正进入批量生产阶段。现阶段国产电子点火系统也日益完善：点火电子组件中由分立元件发展到厚膜混合集成再发展到目前普遍使用的IC全集成电路；点火线圈由油浸式发展为干式且多为高能线圈，整个系统向高能点火系统发展：系统中分电器、点火线圈和点火电子组件由三者分别安装发展到将三者做为一体的整体式结构。由于我国汽车工业基础还较薄弱，在电子化程度上与国外先进水平相比，还存在较大的差距。国内主机厂需求的计算机控制的点火系统，大多来自于进口或德国博世公司及美国德尔福公司等在华办的合资企业。3.4.2 目前国内外在电子点火领域的研究发动机经生产出来后,对其性能影响最大的可控因素主要有两个其一是空燃比,其二是点火提前角。点火系统的工作对发动机的性能有着决定性的影响,它直接影响燃烧过程的质量,从而影响发动机的动力性、经济性、排放污染及工作稳定性。因而,人们对发动机点火系统的研究一天也没停止。电子点火系统的发展趋于多样化,目前日本国内的点火系统可分成多种类型,并还会增多。人们对电子点火系统的研究也越来越多样化。近几年国外研究情况,如日本有人研究点火电极形状,利用涡流进行多重多点点火也有人采用反馈控制方式,研究了可求出火花点火发动机的最佳点火定时和曲轴转角的热力学模型还有人研究了发动机中火花塞位置的最佳化问题。在英国等研制了轨型火花塞,火花塞由封人枪筒形空腔的两根平行电极“轨道”组成,利用电极间等离子电弧点火。近几年国内研究情况：1.黄佐华研究了运转参数对火花点火发动机未燃排放的影响,得出提高转速、燃用较稀混合气、适当推迟点火、提高润滑油温度,可降低排放浓度2.有人将三维点火定时图分解为点火定时-发动机转速和点火定时-节气门开度两个二维关系曲线处理,研究点火定时特性3.也有人在研究点火线圈控制与喷油器控制的定时关系与正时优化,以及对缸内混合气浓度分布与燃烧过程的影响4.还有人在研究电极形态对点火与燃烧过程的影响。第4章 汽车微机控制点火系统的发展趋势普通电子控制点火系统根据各相关传感器信号，判断发动机的运行工况和运行条件，选择最理想的点火提前角点燃混合气，从而有效排除传统点火系统的缺点，改善发动机的燃烧过程，以实现提高发动机动力性、经济性和降低排放污染的目的。点火时刻的精确控制对发动机性能有很大影响,但是普通电子点火系统不能对点火正时实现优化控制。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,显然对点火能实现优化控制的高能微机控制点火系统将是今后电子点火系统发展的主流。4.1 发动机对点火系统的要求4.1.1 点火系统应满足的要求点火系统应在发动机各种工况和使用条件下保证可靠而准确地点火。为此点火系统应满足以下基本要求：1. 能产生足以击穿火花塞两电极间隙的电压实践证明，当火花塞的电极温度超过混合气的温度时，击穿电压可降低30-50。试验表明，发动机正常运行时，火花塞的击穿电压为7-8kV，发动机冷起动时达19kV。为了使发动机在各种不同的工况下均能可靠地点火，要求火花塞击穿电压应在15-20kV。2. 电火花应具有足够的点火能量为了使混合气可靠点燃，火花塞产生的火花应具备一定的能量。发动机工作时，由于混合气压缩时的温度接近自燃温度，因此所需的火花能量较小(1-5mJ)，传统点火系统的火花能量(15-50mJ)，足以点燃混合气。但在起动、怠速以及突然加速时需要较高的点火能量。3. 点火时刻应与发动机的工作状况相适应首先发动机的点火时刻应满足发动机工作循环的要求；其次可燃混合气在气缸内从开始点火到完全燃烧需要一定的时间(千分之几秒)，所以要使发动机产生最大的功率，就不应在压缩行程终了(上止点)点火，而应适当地提前一个角度。这样当活塞到达上止点时，混合气已经接近充分燃烧，发动机才能发出最大功率。4.1.2 影响最佳点火提前角的主要因素发动机的最佳点火提前角与发动机型号、发动机工况和发动机使用条件有关。不同的发动机，发动机的不同工况，最佳点火提前角是不同的。影响最佳点火提前角的主要因素是发动机的转速和负荷，其次是汽油的辛烷值、混合气的成分、发动机压缩比、水温、进气压力、火花塞数量等因素。1. 发动机转速的影响最佳点火提前角随发动机转速升高而加大，如图4.1所示。在普通点火系统中，用机械式离心调节器控制点火提前角，只能分段按线性规律随转速调节点火提前角，所以调节曲线与理想曲线相差较大。当采用电子控制点火系统ESA时，可以使发动机的实际点火提前角更接近于理想的点火提前角。图4.1 转速对最佳点火提前角的影响2. 发动机负荷的影响如图4.2所示，最佳点火提前角随发动机负荷增大而减小。在普通点火系统中，由于点火提前角随负荷变化是由进气管真空度控制的真空提前调节器来实现的，只能在一定范围内按简单的线性规律调节，所以调节曲线与理想曲线相差较大。当采用电子控制点火系统ESA时，可以使发动机的实际点火提前角更接近于理想的点火提前角度。图4.2 负荷对最佳点火提前角的影响3空燃比的影响图4.3是最佳点火提前角随空燃比变化的曲线，当空燃比A/F在11.7左右时，所需的最佳点火提前角最小，因为此时燃烧速度最快。图4.3 空燃比对最佳点火提前角的影响4点火时刻对发动机排放的影响点火时刻对排放物HC的影响如图4.4所示，推迟点火时刻，增高了排气温度，促进了HC和CO的氧化，降低了HC。若将点火时刻从上止点前30º推迟到上止点前20º，HC的浓度减少1×104，燃油消耗增大约10%。点火时刻对排放物CO的影响如图4.5所示，点火时刻对CO的排放浓度影响不太大，但过分推迟点火，会因CO没有时间完全氧化，引起CO排放浓度增大。点火时刻对NOX的影响如图4.6所示，推迟点火，发动机的最高温度降低，NOX的排放量随之减少。但同时也降低了发动机的动力性和经济性。由此看来，通过改变点火时刻来降低有害排放物，必然要牺牲发动机的动力性和经济性。图4.4 点火时刻对排放物HC的影响 图4.5 点火时刻对排放物CO的影响图4.6 点火时刻对NOX的影响5. 点火时刻对发动机爆燃的影响高率增加，使末端混合气处的压缩压力上升，增加了爆燃的可能性点火过早，由于上止点附近的压力升。相反，推迟点火，可以避免爆燃的产生。因此，在现代发动机中，都设有通过调节点火时刻来消除爆燃的爆燃控制系统。4.2 微机控制电子点火系的优化控制微机控制电子点火系的控制功能包括点火提前角控制、通电时间控制和爆震控制。其中最重要的是对点火提前角的控制。4.2.1 点火提前角优化控制影响最佳点火提前角的因素很多，一般点火装置是无法达到最优控制的，只有在微机控制电子点火系中利用微机和自动控制技术才能使点火提前角控制在最佳值。要进行优化控制就要建立发动机点火状态的数学模型，从而求出最佳点火提前角。而点火提前角的控制是相当复杂的多变量求解问题，实践证明很难找到进行控制的精确数学模型，而且也没有这个必要。考虑到影响发动机点火提前角的主要因素是发动机转速和负荷，目前普遍采用的方法是通过试验来获得发动机在不同转速、不同负荷时所对应的最佳点火提前角，以此获得三维点火正时脉谱图，如图4.7所示，再将该脉谱图储存在控制电脑的存储器中，电脑再根据发动机转速传感器、进气流量传感器的检测参数，从对应的数据表中找出对应的点火提前角，再根据其他传感器信息进行修正，就可得到最佳点火提前角。图4.7 三维点火正时脉谱图点火提前角控制系统，因各制造厂家开发点火装置的型号不同而各异。下面以日本丰田公司开发的丰田计算机控制系统（TCCS）为例说明点火提前角的控制。该系统的点火提前角控制包括两种基本情况：一种是起动期间的点火提前角控制，另一种是发动机正常运行期间的点火提前角控制。本文主要论述发动机正常运行期间的点火提前角控制。发动机正常运行期间的点火提前角是由电脑根据发动机转速传感器、进气流量（或进气压力）传感器的检测参数，从三维点火正时脉谱图中找出对应的基本点火提前角，再根据其他传感器信息进行修正而得到的实际点火提前角。所以实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角1.初始点火提前角初始点火提前角是原始设定的，是由机械安装位置所确定的，又称固定点火提前角。初始点火提前角一般为上止点前5°-10°，丰田汽车的IG-GEL发动机的初始点火提前角为上止点前10°。出现下列情况之一时，实际点火提前角等于初始点火提前角：（1）当发动机起动或发动机起动转速在400r/min以下时；（2）节气门位置传感器怠速触点闭合，车速在2km/h时；（3）当发动机ECU的后备系统工作时。2.基本点火提前角基本点火提前角是电脑根据发动机转速传感器、进气流量（或进气压力）传感器的检测参数，由三维点火正时脉谱图确定的点火提前角。又分为怠速和正常运行两种情况：（1）怠速时的基本点火提前角所谓怠速，一般指发动机在无负荷的情况下(对外无功率输出)的稳定运转工况，此时节气门位置传感器的怠速触点闭合。在怠速工况下发动机转速不稳定，转速存在急变情况，此时与正常的控制逻辑不同，由于其转速变化没有规律，所以点火控制不能采用自适应控制，而是采用开环控制。而喷油系统此时采用以氧传感器作为反馈环节的闭环控制，以改善排放特性。怠速工况下的点火提前角的确定有使用怠速时的MAP图再结合其他修正量进行控制的，这固然能对点火提前角进行精确控制，但是对发动机怠速状态的点火提前角的标定却加大了标定的工作量，而且怠速时发动机无负荷，燃烧混合气较浓，排放特性的控制主要依靠喷油量的调节，且发动机转速变化无规律，所以对点火提前角的控制的意义不是很大。在该系统中怠速时的基本点火提前角是根据发动机的怠速转速及空调是否工作而控制的。当空调不工作时，怠速基本点火提前角定为4°；当空调工作时，随发动机怠速转速的提高，点火提前角增大为8°。再考虑到初始点火提前角，两种工况所对应的实际点火提前角分别为14°和18°。（2）正常运行时的基本点火提前角正常运行时的基本点火提前角是指节气门位置传感器的怠速触点打开时所对应的基本点火提前角。当发动机正常工作时，发动机工作稳定，气缸燃烧充分，此时的基本点火提前角是根据转速和负荷的信息，通过查找储存在MAP图中的值来确定的，它是通过发动机的台架实验测量得到的，发动机在某一转速、负荷下的最佳点火提前角存储在点火MAP图中，形成一个三维表，查找时需要插值计算。3.修正点火提前角通过上述方法获得初始点火提前角和基本点火提前角之后，再根据其他传感器的检测参数进行修正，就可能得到实际点火提前角。点火提前角的修正项目随发动机各异，TCCS系统的修正项目有暖机修正、稳定怠速修正、过热修正、空燃比反馈修正、爆燃修正等。4.2.2 闭合角优化控制闭合角控制又称通电时间控制。当闭合角不变时，发动机转速或蓄电池电压变化会引起初级线圈通电时间的变化，从而引起次级电压变化。在ECU中存储有闭合角控制模型，如图4.8所示，闭合角随发动机转速的增大和蓄电池电压的减小而增大。发动机工作时，ECU根据发动机转速信号和蓄电池电压信号确定最佳的闭合角，保证初级线圈导通时间不变。图4.8 闭合角控制模型4.2.3 爆震优化控制增大点火提前角，发动机燃烧的最高压力增大，燃油利用率提高，同时爆震倾向加剧。所以，如果根据爆震传感器的信号对点火提前角进行闭环控制（爆震控制），就可以控制点火提前角，使发动机工作在微爆震状态，获得最佳燃油利用率。图4.9 爆震传感器输出信号处理框图爆震控制电路框图如图4.9所示，爆震传感器把缸体震动信号转换成电信号输入ECU，ECU对这些信号进行放大、滤波、比较、计算等处理后，判定是否发生爆震，再由CPU根据此信号调整点火提前角。即当发生爆震时，减小点