汽油机电控燃油喷射系统的点火控制(上)
XXX
(XX汽车电器研究所 )
摘要:在发动机控制系统中,电控点火装置对发动机的点火控制包括点火提前角控制、通电时间控制和爆震
控制3个方面。分别介绍了它们的控制原理、控制方式、控制方法、控制电路。
在发动机的集中电控系统中, ECU (电子控制
器)是一种电子综合控制装置。它不仅用来控制燃
油喷射系统,同时还具有点火控制、怠速控制、排
放控制、进气控制、增压控制、自诊断、失效保护
和备用控制等多项控制功能。其中的点火控制是重
要功能之一。在发动机控制系统中,电控点火装置
(Electronic Spark Advance,简称ESA)对发动机的
点火控制包括点火提前角控制、通电时间控制和爆
震控制3个方面。
1 发动机点火控制的发展
在传统的化油器式汽油机中,点火控制系统经
过了传统式(触点式)向无触点式发展的过程。在
这一过程中,系统中的分电器仍一直采用机械式离
心和真空提前机构来控制发动机的点火提前角。
燃油喷射控制系统经历了机械控制(K系统)、
机电混合式控制(K-E系统)到电子控制(EFI
系统)的过程。随着EFI系统的出现和发展,点火
控制系统开始采用电控点火装置(ESA)。
EFI系统的点火控制随着电子工业的发展也经
历了普通(传统)式到电控式的过程。在K系统或
带普通分电器式的EFI系统中,由于仍采用机械式
离心和真空提前机构,不能实现对影响发动机工况
的多种因素的多元及非线性控制,这类EFI系统被
称为普通EFI系统。而采用电控点火装置(ESA)
的EFI系统中,去掉了分电器的机械式离心和真空
提前机构,甚至去掉了分电器,其功能完全由ESA
来承担,它可以使发动机在任何工况下均处于最佳
点火提前状态,并实现3方面的功能:点火提前角
控制、通电时间控制和爆震控制。
2 ESA的点火提前角控制
在ECU中,预先存储记忆发动机在各种工况
及运行条件下最理想的点火提前角。发动机运转
时, ECU根据发动机的转速和负荷信号,确定基
本点火提前角,并根据其他有关信号进行修正,最
后确定点火提前角,并向点火电子组件输出点火指
示信号,以控制点火系统的工作。
2·1 最佳点火提前角
通常把发动机发出功率最大和油耗最小时的点
火提前角称为最佳点火提前角。对现代汽车而言,
最佳的点火提前角不仅应保证发动机的动力性和燃
油经济性都达到最佳,还必须保证排放污染最小。
2·2 影响点火提前角的因素
2·2·1 发动机转速 当发动机转速升高时,点火
提前角相应增大(但非线性关系),在普通式的
EFI系统中,由于采用的是机械式离心提前调节
器,所以调节曲线与理想点火调节曲线相差较大。
当采用ESA时,可以使发动机的实际点火提前角
接近于理想的点火提前角。
2·2·2 进气歧管绝对压力(负荷) 当进气歧管
压力高(真空度小、负荷大)时,要求点火提前角
小;当进气歧管压力低(真空度高、负荷小)时,
要求点火提前角大。但它们也非线性关系。在普通
式的EFI系统中,由于采用的是机械式真空提前调
节器,所以调节曲线与理想点火调节曲线相差较
大。当采用ESA时,可以使发动机的实际点火提
前角接近于理想的点火提前角。
2·2·3 汽油的辛烷值 发动机在一定条件下,会
出现爆震现象。爆震使发动机动力下降、油耗增
加、发动机过热,对发动机极为有害。发动机的爆
震与汽油品质有密切关系,常用辛烷值来表示汽油
的抗爆性能。汽油的辛烷值越高,抗爆性越好,点
火提前角可增大;辛烷值越低,抗爆性越差,点火
提前角则应减小。在无电控的普通点火系统中,是
靠人工对分电器初始位置进行调节来实现的。在
EFI中,为了适应不同辛烷值的汽油的需要,在
ECU中存储了2张点火正时图,在实际使用中,可
根据不同的汽油品种进行选择。在出厂时,一般开
关设定在无铅优质汽油的位置上。
2·2·4 其它因素 最佳点火提前角还与发动机燃
烧室的形状、燃烧室内温度、空燃比、大气压力、
冷却水温度等因素有关。在普通EFI系统中,当上
述因素变化时,系统无法对点火提前角进行调整。
当采用ESA时,发动机在各种工况和运行条件下,
都能提供理想的点火提前角,因此发动机的动力
性、经济性和排放都可以达到最佳。
2·3 点火提前角控制系统的组成及功用(表1)
表1 点火提前角控制系统的组成及功用
名 称 功 用
传 感 器
空气流量计(用于L型EFI)
进气歧管绝对压力传感器(用于D型EFI)检测进气量
分电器曲轴位置传感器(NE信号)检测曲轴角度(转速)凸轮轴位置传感器(G1、G2信号)检测凸轮轴(曲轴)角度基准位置
节气门位置传感器向ECU输入点火提前角修正用信号
水温传感器检测发动机冷却水温度,向ECU输入点火提前角修正用信号
起动开关(起动信号)向ECU输入发动机正在起动中的信号
空调开关A/C向ECU输入空调的工作状态(ON、OFF)信号
车速传感器检测车速,向ECU输入车速信号
空档起动开关检测换档手柄置于N档或P档
爆震传感器检测发动机爆震信号
点火电子组件(点火模块) 根据ECU输出的点火控制信号,控制点火线圈初级电流
的通断,产生次级高压。同时,向ECU反馈点火确认信号
ECU 根据各传感器输入的信号,计算出最佳点火提前角,并
将点火控制信号输送给点火电子组件
2·4 点火提前角的控制方式
2·4·1 点火正时控制
在ESA中,点火提前角的控制包括发动机起
动期间和起动后的2种基本情况。
a·起动期间点火时间控制(图1a) 当发动
机在起动期间时,转速较低(通常在500 r/min以
下),由于进气歧管压力信号或进气量信号不稳定,
因此常将点火时间固定在初始点火提前角(其大小
随发动机而异)。此时点火时刻与发动机工况无关,
故不经ECU计算,直接由传感器信号控制一个固
定的初始点火提前角。当发动机转速超过一定值
时,自动转换为由ECU的点火正时信号IGT控制。
b·起动后点火时间控制(图1b) 根据有关
传感器送来的信号, ECU计算出最佳点火时刻,
输出点火正时信号IGT,控制点火电子组件点火。
此时,点火时间由进气歧管压力信号(或进气量信
号)和发动机转速确定的基本点火提前角和修正量
决定。修正项目随发动机而异,并根据发动机各自
图1 点火时间控制
(a)起动期间点火时间控制 (b)起动后点火时间控制
的特性曲线进行修正。
以上2种情况可归纳如下:
汽油发动机的工作原理
基本理论
汽油发动机将汽油的能量转化为动能来驱动汽车，最简单的办法是通过在发动机内部燃烧汽油来获得动能。因此，汽车发动机是内燃机----燃烧在发动机内部发生。有两点需注意：
1．内燃机也有其他种类，比如柴油机，燃气轮机，各有各的优点和缺点。
2．同样也有外燃机。在早期的火车和轮船上用的蒸汽机就是典型的外燃机。燃料（煤、木头、油）在发动机外部燃烧产生蒸气，然后蒸气进入发动机内部来产生动力。内燃机的效率比外燃机高不少，也比相同动力的外燃机小很多。所以，现代汽车不用蒸汽机。
相比之下，内燃机比外燃机的效率高，比燃气轮机的价格便宜，比电动汽车容易添加燃料。这些优点使得大部分现代汽车都使用往复式的内燃机。
二．燃烧是关键
汽车的发动机一般都采用4冲程。（马自达的转子发动机在此不讨论，汽车画报曾做过介绍）
4冲程分别是：进气、压缩、燃烧、排气。完成这4个过程，发动机运转两周。
理解4冲程
过程如下
1．活塞在顶部开始，进气阀打开，活塞往下运动，吸入油气混合气
2．活塞往顶部运动来压缩油气混合气，使得爆炸更有威力。
3．当活塞到达顶部时，火花塞放出火花来点燃油气混合气，爆炸使得活塞再次向下运动。
4．活塞到达底部，排气阀打开，活塞往上运动，尾气从汽缸由排气管排出。
注意：内燃机最终产生的运动是转动的，活塞的直线往复运动最终由曲轴转化为转动，这样才能驱动汽车轮胎。
三．汽缸数
发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。
不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用和外型上有着各自的优点和缺点，配备在相应的汽车上。
四．排量
混合气的压缩和燃烧在燃烧室里进行，活塞往复运动，你可以看到燃烧室容积的变化，最大值和最小值的差值就是排量，用升（L）或毫升（CC）来度量。汽车的排量一般在1.5L~4.0L之间。每缸排量0.5L，4缸的排量为2.0L，如果V型排列的6汽缸，那就是V6 3.0升。一般来说，排量表示发动机动力的大小。
所以增加汽缸数量或增加每个汽缸燃烧室的容积可以获得更多的动力。
五．发动机的其他部分
凸轮轴 控制进气阀和排气阀的开闭
火花塞 火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。
阀门 进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气和排出尾气。在压缩和燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。
活塞环 在气缸壁和活塞中提供密封：
1．防止在压缩和燃烧时油气混合气和尾气泄漏进润滑油箱。
2．防止润滑油进入汽缸内燃烧。
大多“烧机油”的汽车就是因为发动机太旧：活塞环不再密封引起的（尾气管冒青烟）
活塞杆 连接活塞环和曲轴，使得活塞和曲轴维持各自的运动。
润滑油槽 包围着曲轴，里面有相当数量的油
汽油的分类
90号、93号、97号是三种标号的无铅汽油（现在的汽油早已告别了有铅的时代），此外还有95号，100号等。不同的标号指的是此标号汽油辛烷值的大小，如：93号汽油，指汽油的辛烷值是93,而辛烷值又表示此标号汽油的抗爆性，汽油的标号越高，也就是辛脘值含量越高，越不容易发生爆燃，也就是说燃烧时发动机的抗爆性越好。应根据发动机的压缩比选用汽油，压缩比高的车辆应该选用高标号汽油，从而保证在发动机不发生爆燃的情况下动力输出最佳、成本最低。
压缩比是指发动机气缸的总容积(即工作容积+燃烧室容积)与燃烧室容积之比(压缩比=气缸的总容积/燃烧室容积)。压缩比是发动机的一个非常重要的结构参数，它表示活塞在下止点压缩开始时的气体体积与活塞在上止点压缩终了时的气体体积之比。从动力性和经济性方面来说，压缩比应该越大越好。压缩比高，动力性好、热效率高，车辆加速性、最高车速等会相应提高。但是受汽缸材料性能以及汽油燃烧爆震的制约，汽油发动机的压缩比又不能太大。
通常，压缩比在7.5～8.0应选用90号车用汽油；压缩比在8.0～8.5应选用90号～93号车用汽油；压缩比在8.5～9.5应选用93号～95号车用汽油；压缩比在9.5～10应选用95号～97号车用汽油。一般可以在汽车说明书中查到压缩比，除说明书以外，有的车辆生产厂也会在油箱盖内侧标注推荐使用的燃油标号。车主应严格按发动机不同的压缩比，选用相应标号的车用汽油，才能使发动机发挥出最佳的效能。
如使用比规定要求低号数的无铅汽油，发动机将出现爆震现象。一般在急加速及爬坡时出现爆震现象，如果由于汽油标号低，使发动机长期出现爆震，将会损坏发动机，甚至打坏活塞、缸体等。
但是选择汽油也不是标号越高越好，汽油标号选择的主要依据是发动机的压缩比。压缩比、点火提前角等参数已经在发动机电脑中设置，车主只要严格按照使用说明的要求选择汽油就没有问题。盲目使用高标号汽油，其高抗爆性的优势无法发挥出来，也会造成金钱的浪费。
如果查不到自己车辆的压缩比，请尽量使用高标号汽油，以免对你的爱车造成伤害
汽油发动机柴油发动机有何不同
两篇论文请参考
(1)车用汽油的牌号是按辛烷值区分的。共有66、70、76、 80、.
85等号。根据辛烷值测定结果确定汽油的牌号。
(2)辛烷值是表示汽化器式发动机燃料的抗暴性能好坏的-一项重要.
指标。辛烷值越高，抗暴性越好，发动机压缩比就可以提高，既提高.
了发动机的功率，又节约了燃料。
(3)辛烷值与汽油的化学组成，特别是汽油中烃类分子结构有密切.
关系。测定不加抗暴剂的汽油的辛烷值,可以大略判断油的主要成分。
测定加有抗暴剂的汽油的辛烷值，可估量抗暴剂的效果，找出适宜的
抗暴剂加入量。
