數(shù)字式電控點火系統(tǒng)

1.電火花的產(chǎn)生

我們知道物質(zhì)由分子組成，分子又由原子組成，原子由原子核(包括質(zhì)子和中子)和電子組成，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)運動。在通常情況下，電子的負電荷和質(zhì)子的正電荷相等，兩者平衡使原子的總電荷量為零。在外界能量的作用下，原子外層的電子運動的速度加快到一定程度時，就會逸出軌道與其他中性原子結(jié)合，這一原子"俘獲"電子之后負電荷量增加，呈現(xiàn)負極性，稱之為"負離子"。而失去電荷的原子負電荷量減少，呈現(xiàn)正極性，稱之為"正離子"。 離子有規(guī)律的定向運動便形成了電流。

根據(jù)上述理論，混合氣在進入氣缸前 都會有微量分子游離成正離子和負離子。氣缸壓縮過程中，由于氣體受擠壓及摩擦也會產(chǎn)生更多的正離子和負離子。當(dāng)火花塞兩電極加有電壓時，離子便在電場力的作用下分別向兩極運動，正離子向負極運動、負離子向正極運動形成了電流。但是在電場力較小時(電壓低)，原子中的電子運動的速度低，不能擺脫原子核的引力逸出軌道，形成新的離子。所以，氣體中也只有原來存在的離子導(dǎo)電，由于他們的數(shù)量很微小，放電電流微弱,所為只存在理論導(dǎo)通,電路中相當(dāng)于串接了一個極大電阻R。

隨著電壓的增高，電場力增大，原子動能增大，大量原子擺脫原子核的引力逸出軌道，混合氣中產(chǎn)生了大量離子，同時正離子和負離子向兩極運動的速度加快，正、負離子產(chǎn)生的動能輕而易舉便能將中性分子擊破，使中性子分離成正離子和負離子，這些新產(chǎn)生正、負離子在電場力的作用下，也以高速向兩極運動，又去擊破其它中性分子，這樣的反應(yīng)連續(xù)發(fā)生象雪崩一樣,使氣體中向兩極運動的正離子和負離子的數(shù)目劇增，從而使氣體失去絕緣性變?yōu)閷?dǎo)體(R変成較小阻值),形成放電電離通道，即擊穿跳火。其中由于正負離子高速運動及摩擦碰撞形成的高溫?zé)霟犭婋x通道(幾千度)發(fā)光，于是我們就見到火花，同時,電離通道周圍氣體驟然受熱膨脹發(fā)出"啪啪"聲。

2.發(fā)動機的工作狀況對點火的影響

(1) 火花塞電極間隙越大，在同樣電壓下極間隙越大電場越弱，電場力越小，較難產(chǎn)生足夠的離子，故需較高的電壓才能跳火。影響擊穿電壓的因素還包括:火花塞電極的形狀、電壓的極性。

(2)氣紅內(nèi)的氣體密度大(混合氣濃)，單位體積中氣體的中性分子數(shù)量越多，分子間距離越小，正離子或負離越容易與分子相撞，加速的距離短，速度不高動能小，難以擊破中性分子產(chǎn)生新的離子。故需較高的電壓才能跳火。同理，火花塞電極的溫度越高，電極間近旁的氣體密度越小，故需較低的電壓就能跳火。

(3) 混合氣度溫度越高，其分子內(nèi)能越大，就越容易電離，因此跳火電壓可降低;反之冷車啟動時，由于混合氣中離子運動能力低，不易電離，就需要較高的跳火電壓。據(jù)測定，冷車啟動時，跳火電壓最高約為15kv-25 kv，溫度正常后，汽車則只需要8kv-12 kV的擊穿電壓。

3.發(fā)動機對點火系統(tǒng)的要求

能產(chǎn)生足以擊穿火花塞電極間隙的高壓電

火花塞電極間能產(chǎn)生火花時所需要的電壓，稱為擊穿電壓或稱為跳火電壓。正常情況下変壓器輸出高壓大于跳火電壓，反之失火。

能夠控制點火能量大小

A.要可靠點燃混合氣，火花塞必須具有足夠的點火能量。在發(fā)動機正常工作時，電火花只要有1~10mJ的能量即可。但是在起動時，為保證可靠點火，火花塞的點火能量可達到100mJ。

B.能根據(jù)發(fā)動機的各種工況對點火能量調(diào)整，即對高壓輸出晶體管導(dǎo)通時間(傳統(tǒng)機械式閉合角的控制)長短的控制，達到對高壓變壓器初級電流大小(能量大小)的控制。

點火時刻應(yīng)適應(yīng)發(fā)動機的各種工況

A.發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速和負荷所要求的最佳點火提前角不同，點火系統(tǒng)必須能自動調(diào)節(jié)點火提前角。發(fā)動機的點火提前角表示式:

實際點火提前角=初始點火提前角+基本點火提前角+修正點火提前角(或延遲角)。

B.這種數(shù)字式電子點火系統(tǒng)還能將點火時間智能控制在臨爆點或微爆點范圍，使汽油機在功率、經(jīng)濟性、加速性和排放控制方面達到最優(yōu)。

數(shù)字式電子點火系統(tǒng)是在使用無觸點電子點火裝置之后的汽油機點火系統(tǒng)的又一大進展，稱為微型電子計算機控制半導(dǎo)體點火系統(tǒng)。

點火系統(tǒng)的分類:

1.電感蓄能式點火系

點火系統(tǒng)產(chǎn)生高壓前以點火線圈建立磁場能量的方式儲存點火能量。目前汽車使用的絕大部分點火系統(tǒng)為電感儲能式。(重點分析介紹)

2.電容儲能式點火系

點火系統(tǒng)產(chǎn)生高壓前，先從電源獲取能量以蓄能電容建立電場能量的方式儲存點火能量。多應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速發(fā)動機上，如賽車。

工作原理是把較低電源電壓變換成較高直流電壓(500V-1000V)對電容充電蓄能，點火時刻通過電

容放電使變壓器產(chǎn)生高壓。特點是電容充放電周期快，高壓跳火火花持續(xù)期短(約1微秒)且電流大，

不存左火花尾。ECU根據(jù)發(fā)動機工況在一個點火周期內(nèi)進行1-3次點火。

電感蓄能式點火系統(tǒng)主要有微型電子計算機(ECU)、各種傳感器、高壓輸出部分(功率管、變壓器、高壓線、火花塞)三大部分組成。

數(shù)字式電控點火系統(tǒng)(ESA)按照結(jié)構(gòu)分為分電器式與無分電器式(DLI)兩種類型。分電器式電控點火系統(tǒng)只用一個點火線圈產(chǎn)生高壓電，然后由分電器按照點火順序依次在各缸火花塞點火。由于點火線圈初級線圈的通斷工作由電子點火電路承擔(dān)，因此分電器已取消斷電器裝置，僅起到高壓電分配職能。

1.雙缸點火方式

指兩個氣缸合用一個點火線圈，因此這種點火方式只能用于氣缸數(shù)目為偶數(shù)的發(fā)動機上。如果在4缸機上，當(dāng)兩個缸活塞同時接近上止點時(一個是壓縮另一個是排氣)，兩個火花塞共同一個點火線圈且同時點火，這時候一個是有效點火另一個則是無效點火，前者處于高壓低溫的混合氣之中，后者處于低壓高溫的廢氣中，因此兩者的火花塞電極間的電阻完全不一樣，產(chǎn)生的能量也不一樣，導(dǎo)致有效點火的能量大得多，約占總能量的80%左右。

2.單獨點火方式

每一個氣缸分配一個點火線圈，點火線圈直接安裝在火花塞上的頂上，這樣還取消了高壓線。這種點火方式通過凸輪軸傳感器或通過監(jiān)測氣缸壓縮來實現(xiàn)精確點火，它適用于任何缸數(shù)的發(fā)動機，特別適合每缸4氣門的發(fā)動機使用。因為火花塞點火線圈組合可安裝在雙頂置凸輪軸(DOHC)的中間，充分利用了間隙空間。由于取消分電器和高壓線，能量傳導(dǎo)損失及漏電損失極小，沒有機械磨損，而且各缸的點火線圈和火花塞裝配在一起，外用金屬包裹，大幅減少了電磁干擾，可以保障發(fā)動機電控系統(tǒng)的正常工作。

過程中發(fā)動機狀況隨時在變化，因此,點火時刻和點火能量等影響發(fā)動機的因素必須相應(yīng)地進行實時調(diào)整和控制[1，2].傳統(tǒng)方法是由機械裝置或駕駛員來調(diào)整和控制的，如提前角;或不加以控制，如閉合角.隨著電子技術(shù)在汽車制造業(yè)中應(yīng)用水平的不斷提高，大大改善了汽車油耗、排污凈化和動力等性能.汽車點火系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了白金觸點、白金觸點加電子驅(qū)動和曲軸傳感加電子處理三個階段，并將沿著微處理機智能控制和無分電器電子控制方向發(fā)展.

1.白金觸點式點火系統(tǒng)

早期汽車都采用白金觸點方式，這種點火系統(tǒng)我國目前還有大量汽車在使用.白金觸點點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、更換方便，但存在較多問題.沒有點火能量調(diào)節(jié)裝置，存在高速失火和低速點火線圈過熱問題;真空和離心點火提前角機械調(diào)整裝置，反應(yīng)速度慢、控制精度低;初級電流不能太大(≤4A)，否則會燒蝕白金觸點，同時觸點反應(yīng)慢，影響了次級點火電壓的提升(≤15kV).以上問題導(dǎo)致汽油燃燒不充分，引發(fā)低溫啟動困難、排污大、輸出動力小、油耗大和怠速偏高等一系列問題.另一方面，觸點容易燒蝕，需要駕駛員經(jīng)常維護和更換;分電器凸輪磨損嚴重，工作壽命受到限制.基于此，顯見白金觸點式點火這種機械裝置已不能適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動機向高速、大動力化發(fā)展和汽車排污凈化嚴格的要求.

2.白金觸點加電子驅(qū)動式點火系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于白金觸點式點火系統(tǒng)的上述諸多缺陷而提出的，是最早機電相結(jié)合的典型代表之一，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.這種系統(tǒng)保留了原分電器中的白金觸點，但增加了包含大功率開關(guān)晶體三極管在內(nèi)的電子驅(qū)動電路.該系統(tǒng)曾在蘇聯(lián)伏爾加等轎車上使用過，其優(yōu)點是:通過線圈初級的電流被晶體三極管放大了，這樣當(dāng)三極管截止時，初級繞組的斷開電流大、相應(yīng)次級繞的電壓提高了;通過白金觸點的電流明顯減小(約為初級的1/10~1/20)，因而消除了觸點嚴重?zé)g現(xiàn)象，延長了觸點的使用壽命;安裝時無需對原車點火系統(tǒng)作重大改動，且成本低.問題是:仍然采用離心和真空點火提前角調(diào)整裝置;沒有點火能量調(diào)節(jié)功能;機械觸點還存在著.

3.曲軸傳感加電子處理式點火系統(tǒng)

該系統(tǒng)因不用白金觸點裝置而不存在機械觸點，故又稱無觸點電子點火系統(tǒng)，其構(gòu)成框圖如圖3所示.系統(tǒng)根據(jù)采用的曲軸傳感器類型不同而又分為磁電式(如解放CA1092)、光電式(如蘇聯(lián)伏爾加гA3-21)、霍爾式(如桑塔納)和電磁振蕩式(如神龍*富康)[3].電子處理部分主要由脈沖信號處理、初級線圈電流控制、穩(wěn)壓電路、開關(guān)晶體管輸出驅(qū)動電路和過壓、反接、停車斷電(磁電式除外)等保護電路組成.

該系統(tǒng)除了點火提前角還不能實現(xiàn)準確控制之外，基本上克服了觸點式的諸多缺陷.如:無觸點、無機械磨損，工作壽命長.點火線圈初級電路的通斷響應(yīng)快，再加上初級電流可達6A，以在次級激發(fā)出較高的點火電壓(≥30kV).若采用低阻點火線圈，則為所謂高能無觸點電子點火系統(tǒng)，點火能量可高達100mJ.致使燃油燃燒比較充分，提高了輸出動力，降低了油耗和排放污染;能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速和低值采樣電阻實現(xiàn)閉合角控制，避免了高速失火和低速點火線圈過熱現(xiàn)象。

1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，最佳點火提前角也越大.

2)如果產(chǎn)生爆震，說明點火提前角過大.

3)當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變時，隨著負荷的增大，最佳點火提前角逐漸減小.

4)點火能量越大，發(fā)動機的各方面性能均可以得到提高和改善.

5)磁電式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但其磁路材料關(guān)于可靠性方面有待于進一步深入研究;霍爾式傳感器存在溫漂現(xiàn)象和價格偏高等問題.

6)進一步研究最佳點火提前角θ的近似解析式的求解問題.

7)進一步研究具有自學(xué)能力的點火專家系統(tǒng).

8)進一步研究點火系統(tǒng)的抗電磁干擾問題.

在現(xiàn)代汽車的高速汽油發(fā)動機上，已經(jīng)采用由微處理機控制的點火系統(tǒng)，也稱數(shù)字式電控點火系統(tǒng)。這種點火系統(tǒng)由微電腦(計算機)、各種傳感器和點火執(zhí)行器三部分組成。

實際上在現(xiàn)代發(fā)動機中，汽油噴射與點火這兩個子系統(tǒng)都受同一個ECU控制，合用一組傳感器。傳感器基本上與電控汽油噴射系統(tǒng)中的傳感器相同，例如有曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進氣歧管壓力傳感器、爆燃傳感器等。其中爆燃傳感器是電控點火專用的一個很重要的傳感器(尤其是采用了廢氣渦輪增壓裝置的發(fā)動機)，它能夠監(jiān)測發(fā)動機是否爆燃及爆燃的程度，作為反饋信號使ECU指令實現(xiàn)點火提前，使發(fā)動機不會爆燃又能獲得較高的燃燒效率。

數(shù)字式電控點火系統(tǒng)(ESA)按照結(jié)構(gòu)分為分電器式與無分電器式(DLI)兩種類型。分電器式電控點火系統(tǒng)只用一個點火線圈產(chǎn)生高壓電，然后由分電器按照點火順序依次在各缸火花塞點火。由于點火線圈初級線圈的通斷工作由電子點火電路承擔(dān)，因此分電器已取消斷電器裝置，僅起到高壓電分配職能。

雙缸點火方式指兩個氣缸合用一個點火線圈，因此這種點火方式只能用于氣缸數(shù)目為偶數(shù)的發(fā)動機上。如果在4缸機上，當(dāng)兩個缸活塞同時接近上止點時(一個是壓縮另一個是排氣)，兩個火花塞共用同一個點火線圈且同時點火，這時候一個是有效點火另一個則是無效點火，前者處于高壓低溫的混合氣之中，后者處于低壓高溫的廢氣中，因此兩者的火花塞電極間的電阻完全不一樣，產(chǎn)生的能量也不一樣，導(dǎo)致有效點火的能量大得多，約占總能量的80%左右。

單獨點火方式是每一個氣缸分配一個點火線圈，點火線圈直接安裝在火花塞上的頂上，這樣還取消了高壓線。這種點火方式通過凸輪軸傳感器或通過監(jiān)測氣缸壓縮來實現(xiàn)精確點火，它適用于任何缸數(shù)的發(fā)動機，特別適合每缸4氣門的發(fā)動機使用。因為火花塞點火線圈組合可安裝在雙頂置凸輪軸(DOHC)的中間，充分利用了間隙空間。由于取消分電器和高壓線，能量傳導(dǎo)損失及漏電損失極小，沒有機械磨損，而且各缸的點火線圈和火花塞裝配在一起，外用金屬包裹，大幅減少了電磁干擾，可以保障發(fā)動機電控系統(tǒng)的正常工作。