数字式电控点火系统

1.电火花的产生

我们知道物质由分子组成，分子又由原子组成，原子由原子核(包括质子和中子)和电子组成，电子围绕原子核旋转运动。在通常情况下，电子的负电荷和质子的正电荷相等，两者平衡使原子的总电荷量为零。在外界能量的作用下，原子外层的电子运动的速度加快到一定程度时，就会逸出轨道与其他中性原子结合，这一原子"俘获"电子之后负电荷量增加，呈现负极性，称之为"负离子"。而失去电荷的原子负电荷量减少，呈现正极性，称之为"正离子"。 离子有规律的定向运动便形成了电流。

根据上述理论，混合气在进入气缸前 都会有微量分子游离成正离子和负离子。气缸压缩过程中，由于气体受挤压及摩擦也会产生更多的正离子和负离子。当火花塞两电极加有电压时，离子便在电场力的作用下分别向两极运动，正离子向负极运动、负离子向正极运动形成了电流。但是在电场力较小时(电压低)，原子中的电子运动的速度低，不能摆脱原子核的引力逸出轨道，形成新的离子。所以，气体中也只有原来存在的离子导电，由于他们的数量很微小，放电电流微弱,所为只存在理论导通,电路中相当于串接了一个极大电阻R。

随着电压的增高，电场力增大，原子动能增大，大量原子摆脱原子核的引力逸出轨道，混合气中产生了大量离子，同时正离子和负离子向两极运动的速度加快，正、负离子产生的动能轻而易举便能将中性分子击破，使中性子分离成正离子和负离子，这些新产生正、负离子在电场力的作用下，也以高速向两极运动，又去击破其它中性分子，这样的反应连续发生象雪崩一样,使气体中向两极运动的正离子和负离子的数目剧增，从而使气体失去绝缘性变为导体(R変成较小阻值),形成放电电离通道，即击穿跳火。其中由于正负离子高速运动及摩擦碰撞形成的高温炽热电离通道(几千度)发光，于是我们就见到火花，同时,电离通道周围气体骤然受热膨胀发出"啪啪"声。

2.发动机的工作状况对点火的影响

(1) 火花塞电极间隙越大，在同样电压下极间隙越大电场越弱，电场力越小，较难产生足够的离子，故需较高的电压才能跳火。影响击穿电压的因素还包括:火花塞电极的形状、电压的极性。

(2)气红内的气体密度大(混合气浓)，单位体积中气体的中性分子数量越多，分子间距离越小，正离子或负离越容易与分子相撞，加速的距离短，速度不高动能小，难以击破中性分子产生新的离子。故需较高的电压才能跳火。同理，火花塞电极的温度越高，电极间近旁的气体密度越小，故需较低的电压就能跳火。

(3) 混合气度温度越高，其分子内能越大，就越容易电离，因此跳火电压可降低;反之冷车启动时，由于混合气中离子运动能力低，不易电离，就需要较高的跳火电压。据测定，冷车启动时，跳火电压最高约为15kv-25 kv，温度正常后，汽车则只需要8kv-12 kV的击穿电压。

3.发动机对点火系统的要求

能产生足以击穿火花塞电极间隙的高压电

火花塞电极间能产生火花时所需要的电压，称为击穿电压或称为跳火电压。正常情况下変压器输出高压大于跳火电压，反之失火。

能够控制点火能量大小

A.要可靠点燃混合气，火花塞必须具有足够的点火能量。在发动机正常工作时，电火花只要有1~10mJ的能量即可。但是在起动时，为保证可靠点火，火花塞的点火能量可达到100mJ。

B.能根据发动机的各种工况对点火能量调整，即对高压输出晶体管导通时间(传统机械式闭合角的控制)长短的控制，达到对高压变压器初级电流大小(能量大小)的控制。

点火时刻应适应发动机的各种工况

A.发动机不同转速和负荷所要求的最佳点火提前角不同，点火系统必须能自动调节点火提前角。发动机的点火提前角表示式:

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(或延迟角)。

B.这种数字式电子点火系统还能将点火时间智能控制在临爆点或微爆点范围，使汽油机在功率、经济性、加速性和排放控制方面达到最优。

数字式电子点火系统是在使用无触点电子点火装置之后的汽油机点火系统的又一大进展，称为微型电子计算机控制半导体点火系统。

点火系统的分类:

1.电感蓄能式点火系

点火系统产生高压前以点火线圈建立磁场能量的方式储存点火能量。目前汽车使用的绝大部分点火系统为电感储能式。(重点分析介绍)

2.电容储能式点火系

点火系统产生高压前，先从电源获取能量以蓄能电容建立电场能量的方式储存点火能量。多应用于高转速发动机上，如赛车。

工作原理是把较低电源电压变换成较高直流电压(500V-1000V)对电容充电蓄能，点火时刻通过电

容放电使变压器产生高压。特点是电容充放电周期快，高压跳火火花持续期短(约1微秒)且电流大，

不存左火花尾。ECU根据发动机工况在一个点火周期内进行1-3次点火。

电感蓄能式点火系统主要有微型电子计算机(ECU)、各种传感器、高压输出部分(功率管、变压器、高压线、火花塞)三大部分组成。

数字式电控点火系统(ESA)按照结构分为分电器式与无分电器式(DLI)两种类型。分电器式电控点火系统只用一个点火线圈产生高压电，然后由分电器按照点火顺序依次在各缸火花塞点火。由于点火线圈初级线圈的通断工作由电子点火电路承担，因此分电器已取消断电器装置，仅起到高压电分配职能。

1.双缸点火方式

指两个气缸合用一个点火线圈，因此这种点火方式只能用于气缸数目为偶数的发动机上。如果在4缸机上，当两个缸活塞同时接近上止点时(一个是压缩另一个是排气)，两个火花塞共同一个点火线圈且同时点火，这时候一个是有效点火另一个则是无效点火，前者处于高压低温的混合气之中，后者处于低压高温的废气中，因此两者的火花塞电极间的电阻完全不一样，产生的能量也不一样，导致有效点火的能量大得多，约占总能量的80%左右。

2.单独点火方式

每一个气缸分配一个点火线圈，点火线圈直接安装在火花塞上的顶上，这样还取消了高压线。这种点火方式通过凸轮轴传感器或通过监测气缸压缩来实现精确点火，它适用于任何缸数的发动机，特别适合每缸4气门的发动机使用。因为火花塞点火线圈组合可安装在双顶置凸轮轴(DOHC)的中间，充分利用了间隙空间。由于取消分电器和高压线，能量传导损失及漏电损失极小，没有机械磨损，而且各缸的点火线圈和火花塞装配在一起，外用金属包裹，大幅减少了电磁干扰，可以保障发动机电控系统的正常工作。

过程中发动机状况随时在变化，因此,点火时刻和点火能量等影响发动机的因素必须相应地进行实时调整和控制[1，2].传统方法是由机械装置或驾驶员来调整和控制的，如提前角;或不加以控制，如闭合角.随着电子技术在汽车制造业中应用水平的不断提高，大大改善了汽车油耗、排污净化和动力等性能.汽车点火系统发展经历了白金触点、白金触点加电子驱动和曲轴传感加电子处理三个阶段，并将沿着微处理机智能控制和无分电器电子控制方向发展.

1.白金触点式点火系统

早期汽车都采用白金触点方式，这种点火系统我国目前还有大量汽车在使用.白金触点点火系统结构框图如图1所示.其优点是结构简单、更换方便，但存在较多问题.没有点火能量调节装置，存在高速失火和低速点火线圈过热问题;真空和离心点火提前角机械调整装置，反应速度慢、控制精度低;初级电流不能太大(≤4A)，否则会烧蚀白金触点，同时触点反应慢，影响了次级点火电压的提升(≤15kV).以上问题导致汽油燃烧不充分，引发低温启动困难、排污大、输出动力小、油耗大和怠速偏高等一系列问题.另一方面，触点容易烧蚀，需要驾驶员经常维护和更换;分电器凸轮磨损严重，工作寿命受到限制.基于此，显见白金触点式点火这种机械装置已不能适应现代发动机向高速、大动力化发展和汽车排污净化严格的要求.

2.白金触点加电子驱动式点火系统

该系统是基于白金触点式点火系统的上述诸多缺陷而提出的，是最早机电相结合的典型代表之一，其结构框图如图2所示.这种系统保留了原分电器中的白金触点，但增加了包含大功率开关晶体三极管在内的电子驱动电路.该系统曾在苏联伏尔加等轿车上使用过，其优点是:通过线圈初级的电流被晶体三极管放大了，这样当三极管截止时，初级绕组的断开电流大、相应次级绕的电压提高了;通过白金触点的电流明显减小(约为初级的1/10~1/20)，因而消除了触点严重烧蚀现象，延长了触点的使用寿命;安装时无需对原车点火系统作重大改动，且成本低.问题是:仍然采用离心和真空点火提前角调整装置;没有点火能量调节功能;机械触点还存在着.

3.曲轴传感加电子处理式点火系统

该系统因不用白金触点装置而不存在机械触点，故又称无触点电子点火系统，其构成框图如图3所示.系统根据采用的曲轴传感器类型不同而又分为磁电式(如解放CA1092)、光电式(如苏联伏尔加гA3-21)、霍尔式(如桑塔纳)和电磁振荡式(如神龙*富康)[3].电子处理部分主要由脉冲信号处理、初级线圈电流控制、稳压电路、开关晶体管输出驱动电路和过压、反接、停车断电(磁电式除外)等保护电路组成.

该系统除了点火提前角还不能实现准确控制之外，基本上克服了触点式的诸多缺陷.如:无触点、无机械磨损，工作寿命长.点火线圈初级电路的通断响应快，再加上初级电流可达6A，以在次级激发出较高的点火电压(≥30kV).若采用低阻点火线圈，则为所谓高能无触点电子点火系统，点火能量可高达100mJ.致使燃油燃烧比较充分，提高了输出动力，降低了油耗和排放污染;能够根据转速和低值采样电阻实现闭合角控制，避免了高速失火和低速点火线圈过热现象。

1)发动机转速越高，最佳点火提前角也越大.

2)如果产生爆震，说明点火提前角过大.

3)当发动机转速不变时，随着负荷的增大，最佳点火提前角逐渐减小.

4)点火能量越大，发动机的各方面性能均可以得到提高和改善.

5)磁电式传感器结构简单、价格低廉，但其磁路材料关于可靠性方面有待于进一步深入研究;霍尔式传感器存在温漂现象和价格偏高等问题.

6)进一步研究最佳点火提前角θ的近似解析式的求解问题.

7)进一步研究具有自学能力的点火专家系统.

8)进一步研究点火系统的抗电磁干扰问题.

在现代汽车的高速汽油发动机上，已经采用由微处理机控制的点火系统，也称数字式电控点火系统。这种点火系统由微电脑(计算机)、各种传感器和点火执行器三部分组成。

实际上在现代发动机中，汽油喷射与点火这两个子系统都受同一个ECU控制，合用一组传感器。传感器基本上与电控汽油喷射系统中的传感器相同，例如有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、进气歧管压力传感器、爆燃传感器等。其中爆燃传感器是电控点火专用的一个很重要的传感器(尤其是采用了废气涡轮增压装置的发动机)，它能够监测发动机是否爆燃及爆燃的程度，作为反馈信号使ECU指令实现点火提前，使发动机不会爆燃又能获得较高的燃烧效率。

数字式电控点火系统(ESA)按照结构分为分电器式与无分电器式(DLI)两种类型。分电器式电控点火系统只用一个点火线圈产生高压电，然后由分电器按照点火顺序依次在各缸火花塞点火。由于点火线圈初级线圈的通断工作由电子点火电路承担，因此分电器已取消断电器装置，仅起到高压电分配职能。

双缸点火方式指两个气缸合用一个点火线圈，因此这种点火方式只能用于气缸数目为偶数的发动机上。如果在4缸机上，当两个缸活塞同时接近上止点时(一个是压缩另一个是排气)，两个火花塞共用同一个点火线圈且同时点火，这时候一个是有效点火另一个则是无效点火，前者处于高压低温的混合气之中，后者处于低压高温的废气中，因此两者的火花塞电极间的电阻完全不一样，产生的能量也不一样，导致有效点火的能量大得多，约占总能量的80%左右。

单独点火方式是每一个气缸分配一个点火线圈，点火线圈直接安装在火花塞上的顶上，这样还取消了高压线。这种点火方式通过凸轮轴传感器或通过监测气缸压缩来实现精确点火，它适用于任何缸数的发动机，特别适合每缸4气门的发动机使用。因为火花塞点火线圈组合可安装在双顶置凸轮轴(DOHC)的中间，充分利用了间隙空间。由于取消分电器和高压线，能量传导损失及漏电损失极小，没有机械磨损，而且各缸的点火线圈和火花塞装配在一起，外用金属包裹，大幅减少了电磁干扰，可以保障发动机电控系统的正常工作。