數(shù)字式電控點(diǎn)火系統(tǒng)系統(tǒng)組成

數(shù)字式電子點(diǎn)火系統(tǒng)是在使用無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置之后的汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的又一大進(jìn)展，稱(chēng)為微型電子計(jì)算機(jī)控制半導(dǎo)體點(diǎn)火系統(tǒng)。

點(diǎn)火系統(tǒng)的分類(lèi):

1.電感蓄能式點(diǎn)火系

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

2.電容儲(chǔ)能式點(diǎn)火系

點(diǎn)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(chǎng)能量的方式儲(chǔ)存點(diǎn)火能量。多應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)上，如賽車(chē)。

工作原理是把較低電源電壓變換成較高直流電壓(500V-1000V)對(duì)電容充電蓄能，點(diǎn)火時(shí)刻通過(guò)電

容放電使變壓器產(chǎn)生高壓。特點(diǎn)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(dòng)機(jī)工況在一個(gè)點(diǎn)火周期內(nèi)進(jìn)行1-3次點(diǎn)火。

電感蓄能式點(diǎn)火系統(tǒng)主要有微型電子計(jì)算機(jī)(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。

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(yùn)動(dòng)。在通常情況下，電子的負(fù)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(yùn)動(dòng)的速度加快到一定程度時(shí)，就會(huì)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(fù)電荷量增加，呈現(xiàn)負(fù)極性，稱(chēng)之為"負(fù)離子"。而失去電荷的原子負(fù)電荷量減少，呈現(xiàn)正極性，稱(chēng)之為"正離子"。 離子有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)便形成了電流。

根據(jù)上述理論，混合氣在進(jìn)入氣缸前 都會(huì)有微量分子游離成正離子和負(fù)離子。氣缸壓縮過(guò)程中，由于氣體受擠壓及摩擦也會(huì)產(chǎn)生更多的正離子和負(fù)離子。當(dāng)火花塞兩電極加有電壓時(shí)，離子便在電場(chǎng)力的作用下分別向兩極運(yùn)動(dòng)，正離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)、負(fù)離子向正極運(yùn)動(dòng)形成了電流。但是在電場(chǎng)力較小時(shí)(電壓低)，原子中的電子運(yùn)動(dòng)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(lái)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(gè)極大電阻R。

隨著電壓的增高，電場(chǎng)力增大，原子動(dòng)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(shí)正離子和負(fù)離子向兩極運(yùn)動(dòng)的速度加快，正、負(fù)離子產(chǎn)生的動(dòng)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(fù)離子，這些新產(chǎn)生正、負(fù)離子在電場(chǎng)力的作用下，也以高速向兩極運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的正離子和負(fù)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(fù)離子高速運(yùn)動(dòng)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(jiàn)到火花，同時(shí),電離通道周?chē)鷼怏w驟然受熱膨脹發(fā)出"啪啪"聲。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況對(duì)點(diǎn)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(chǎng)越弱，電場(chǎng)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(fù)離越容易與分子相撞，加速的距離短，速度不高動(dòng)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(chē)啟動(dòng)時(shí)，由于混合氣中離子運(yùn)動(dòng)能力低，不易電離，就需要較高的跳火電壓。據(jù)測(cè)定，冷車(chē)啟動(dòng)時(shí)，跳火電壓最高約為15kv-25 kv，溫度正常后，汽車(chē)則只需要8kv-12 kV的擊穿電壓。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)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(shí)所需要的電壓，稱(chēng)為擊穿電壓或稱(chēng)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(diǎn)火能量大小

A.要可靠點(diǎn)燃混合氣，火花塞必須具有足夠的點(diǎn)火能量。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電火花只要有1~10mJ的能量即可。但是在起動(dòng)時(shí)，為保證可靠點(diǎn)火，火花塞的點(diǎn)火能量可達(dá)到100mJ。

B.能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況對(duì)點(diǎn)火能量調(diào)整，即對(duì)高壓輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)間(傳統(tǒng)機(jī)械式閉合角的控制)長(zhǎng)短的控制，達(dá)到對(duì)高壓變壓器初級(jí)電流大小(能量大小)的控制。

點(diǎn)火時(shí)刻應(yīng)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況

A.發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷所要求的最佳點(diǎn)火提前角不同，點(diǎn)火系統(tǒng)必須能自動(dòng)調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角。發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角表示式:

實(shí)際點(diǎn)火提前角=初始點(diǎn)火提前角+基本點(diǎn)火提前角+修正點(diǎn)火提前角(或延遲角)。

B.這種數(shù)字式電子點(diǎn)火系統(tǒng)還能將點(diǎn)火時(shí)間智能控制在臨爆點(diǎn)或微爆點(diǎn)范圍，使汽油機(jī)在功率、經(jīng)濟(jì)性、加速性和排放控制方面達(dá)到最優(yōu)。

1.雙缸點(diǎn)火方式

指兩個(gè)氣缸合用一個(gè)點(diǎn)火線圈，因此這種點(diǎn)火方式只能用于氣缸數(shù)目為偶數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)上。如果在4缸機(jī)上，當(dāng)兩個(gè)缸活塞同時(shí)接近上止點(diǎn)時(shí)(一個(gè)是壓縮另一個(gè)是排氣)，兩個(gè)火花塞共同一個(gè)點(diǎn)火線圈且同時(shí)點(diǎn)火，這時(shí)候一個(gè)是有效點(diǎn)火另一個(gè)則是無(wú)效點(diǎn)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(diǎn)火的能量大得多，約占總能量的80%左右。

2.單獨(dú)點(diǎn)火方式

每一個(gè)氣缸分配一個(gè)點(diǎn)火線圈，點(diǎn)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(diǎn)火方式通過(guò)凸輪軸傳感器或通過(guò)監(jiān)測(cè)氣缸壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)精確點(diǎn)火，它適用于任何缸數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，特別適合每缸4氣門(mén)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用。因?yàn)榛鸹ㄈc(diǎn)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(méi)有機(jī)械磨損，而且各缸的點(diǎn)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(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的正常工作。

過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)狀況隨時(shí)在變化，因此,點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量等影響發(fā)動(dòng)機(jī)的因素必須相應(yīng)地進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制[1，2].傳統(tǒng)方法是由機(jī)械裝置或駕駛員來(lái)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(chē)制造業(yè)中應(yīng)用水平的不斷提高，大大改善了汽車(chē)油耗、排污凈化和動(dòng)力等性能.汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了白金觸點(diǎn)、白金觸點(diǎn)加電子驅(qū)動(dòng)和曲軸傳感加電子處理三個(gè)階段，并將沿著微處理機(jī)智能控制和無(wú)分電器電子控制方向發(fā)展.

數(shù)字式電控點(diǎn)火系統(tǒng)(ESA)按照結(jié)構(gòu)分為分電器式與無(wú)分電器式(DLI)兩種類(lèi)型。分電器式電控點(diǎn)火系統(tǒng)只用一個(gè)點(diǎn)火線圈產(chǎn)生高壓電，然后由分電器按照點(diǎn)火順序依次在各缸火花塞點(diǎn)火。由于點(diǎn)火線圈初級(jí)線圈的通斷工作由電子點(diǎn)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.白金觸點(diǎn)式點(diǎn)火系統(tǒng)

早期汽車(chē)都采用白金觸點(diǎn)方式，這種點(diǎn)火系統(tǒng)我國(guó)目前還有大量汽車(chē)在使用.白金觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、更換方便，但存在較多問(wèn)題.沒(méi)有點(diǎn)火能量調(diào)節(jié)裝置，存在高速失火和低速點(diǎn)火線圈過(guò)熱問(wèn)題;真空和離心點(diǎn)火提前角機(jī)械調(diào)整裝置，反應(yīng)速度慢、控制精度低;初級(jí)電流不能太大(≤4A)，否則會(huì)燒蝕白金觸點(diǎn)，同時(shí)觸點(diǎn)反應(yīng)慢，影響了次級(jí)點(diǎn)火電壓的提升(≤15kV).以上問(wèn)題導(dǎo)致汽油燃燒不充分，引發(fā)低溫啟動(dòng)困難、排污大、輸出動(dòng)力小、油耗大和怠速偏高等一系列問(wèn)題.另一方面，觸點(diǎn)容易燒蝕，需要駕駛員經(jīng)常維護(hù)和更換;分電器凸輪磨損嚴(yán)重，工作壽命受到限制.基于此，顯見(jiàn)白金觸點(diǎn)式點(diǎn)火這種機(jī)械裝置已不能適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、大動(dòng)力化發(fā)展和汽車(chē)排污凈化嚴(yán)格的要求.

2.白金觸點(diǎn)加電子驅(qū)動(dòng)式點(diǎn)火系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于白金觸點(diǎn)式點(diǎn)火系統(tǒng)的上述諸多缺陷而提出的，是最早機(jī)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(diǎn)，但增加了包含大功率開(kāi)關(guān)晶體三極管在內(nèi)的電子驅(qū)動(dòng)電路.該系統(tǒng)曾在蘇聯(lián)伏爾加等轎車(chē)上使用過(guò)，其優(yōu)點(diǎn)是:通過(guò)線圈初級(jí)的電流被晶體三極管放大了，這樣當(dāng)三極管截止時(shí)，初級(jí)繞組的斷開(kāi)電流大、相應(yīng)次級(jí)繞的電壓提高了;通過(guò)白金觸點(diǎn)的電流明顯減小(約為初級(jí)的1/10~1/20)，因而消除了觸點(diǎn)嚴(yán)重?zé)g現(xiàn)象，延長(zhǎng)了觸點(diǎn)的使用壽命;安裝時(shí)無(wú)需對(duì)原車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)作重大改動(dòng)，且成本低.問(wèn)題是:仍然采用離心和真空點(diǎn)火提前角調(diào)整裝置;沒(méi)有點(diǎn)火能量調(diào)節(jié)功能;機(jī)械觸點(diǎn)還存在著.

3.曲軸傳感加電子處理式點(diǎn)火系統(tǒng)

該系統(tǒng)因不用白金觸點(diǎn)裝置而不存在機(jī)械觸點(diǎn)，故又稱(chēng)無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)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(lèi)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(hào)處理、初級(jí)線圈電流控制、穩(wěn)壓電路、開(kāi)關(guān)晶體管輸出驅(qū)動(dòng)電路和過(guò)壓、反接、停車(chē)斷電(磁電式除外)等保護(hù)電路組成.

該系統(tǒng)除了點(diǎn)火提前角還不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制之外，基本上克服了觸點(diǎn)式的諸多缺陷.如:無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)機(jī)械磨損，工作壽命長(zhǎng).點(diǎn)火線圈初級(jí)電路的通斷響應(yīng)快，再加上初級(jí)電流可達(dá)6A，以在次級(jí)激發(fā)出較高的點(diǎn)火電壓(≥30kV).若采用低阻點(diǎn)火線圈，則為所謂高能無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火能量可高達(dá)100mJ.致使燃油燃燒比較充分，提高了輸出動(dòng)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(shí)現(xiàn)閉合角控制，避免了高速失火和低速點(diǎn)火線圈過(guò)熱現(xiàn)象。

1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，最佳點(diǎn)火提前角也越大.

2)如果產(chǎn)生爆震，說(shuō)明點(diǎn)火提前角過(guò)大.

3)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)荷的增大，最佳點(diǎn)火提前角逐漸減小.

4)點(diǎn)火能量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但其磁路材料關(guān)于可靠性方面有待于進(jìn)一步深入研究;霍爾式傳感器存在溫漂現(xiàn)象和價(jià)格偏高等問(wèn)題.

6)進(jìn)一步研究最佳點(diǎn)火提前角θ的近似解析式的求解問(wèn)題.

7)進(jìn)一步研究具有自學(xué)能力的點(diǎn)火專(zhuān)家系統(tǒng).

8)進(jìn)一步研究點(diǎn)火系統(tǒng)的抗電磁干擾問(wèn)題.

在現(xiàn)代汽車(chē)的高速汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上，已經(jīng)采用由微處理機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)，也稱(chēng)數(shù)字式電控點(diǎn)火系統(tǒng)。這種點(diǎn)火系統(tǒng)由微電腦(計(jì)算機(jī))、各種傳感器和點(diǎn)火執(zhí)行器三部分組成。

實(shí)際上在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)中，汽油噴射與點(diǎn)火這兩個(gè)子系統(tǒng)都受同一個(gè)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(mén)位置傳感器、進(jìn)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(diǎn)火專(zhuān)用的一個(gè)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(dòng)機(jī))，它能夠監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)是否爆燃及爆燃的程度，作為反饋信號(hào)使ECU指令實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火提前，使發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)爆燃又能獲得較高的燃燒效率。

數(shù)字式電控點(diǎn)火系統(tǒng)(ESA)按照結(jié)構(gòu)分為分電器式與無(wú)分電器式(DLI)兩種類(lèi)型。分電器式電控點(diǎn)火系統(tǒng)只用一個(gè)點(diǎn)火線圈產(chǎn)生高壓電，然后由分電器按照點(diǎn)火順序依次在各缸火花塞點(diǎn)火。由于點(diǎn)火線圈初級(jí)線圈的通斷工作由電子點(diǎn)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(diǎn)火方式指兩個(gè)氣缸合用一個(gè)點(diǎn)火線圈，因此這種點(diǎn)火方式只能用于氣缸數(shù)目為偶數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)上。如果在4缸機(jī)上，當(dāng)兩個(gè)缸活塞同時(shí)接近上止點(diǎn)時(shí)(一個(gè)是壓縮另一個(gè)是排氣)，兩個(gè)火花塞共用同一個(gè)點(diǎn)火線圈且同時(shí)點(diǎn)火，這時(shí)候一個(gè)是有效點(diǎn)火另一個(gè)則是無(wú)效點(diǎn)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(diǎn)火的能量大得多，約占總能量的80%左右。

單獨(dú)點(diǎn)火方式是每一個(gè)氣缸分配一個(gè)點(diǎn)火線圈，點(diǎn)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(diǎn)火方式通過(guò)凸輪軸傳感器或通過(guò)監(jiān)測(cè)氣缸壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)精確點(diǎn)火，它適用于任何缸數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，特別適合每缸4氣門(mén)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用。因?yàn)榛鸹ㄈc(diǎn)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(méi)有機(jī)械磨損，而且各缸的點(diǎn)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(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的正常工作。