电子点火系统教具的设计与开发毕业设计说明书(编辑修改稿)

电子点火系统教具的设计与开发毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

的可靠性、动力性和经济性，现代的发动机尤其是天津工程师范学院 20xx 届本科毕业设计 7 电喷发动机的点火系统越来越多地采用无分电器电子点火。 无分电器点火系统的结构与以往的点火系统不同，它取消了分电器，消除了因分电器产生的机械磨损而引起的点火时间不准，以及点火能量损失等不利因素，因而它是新型发动机点火的主流。 无分电器点火系统根据使用点火线圈的数量以及其火花塞的跳火方式，又可分为同时点火和单独顺序点火两种方式。 无分电器同时点火方式 四缸电喷发动机无分电器同时点火的基本电路 （见 图 31）。 该电路的特点是每两个缸的火花塞共用一只点火线圈，点火线圈的次级绕组的两端采用开放式分别接两个缸上的火花塞。 点火时两个缸的火花塞形成串联电路同时跳火。 其中一个缸的火花塞在常规方向跳火，即从正中央电极到负旁电极；而另一个缸的火花塞跳火则从负旁电极到正中央电极。 在两个缸的火花塞同时跳火时，只有处于压缩行程气缸的火花塞的跳火才是有效的，而处于排气行程的另一个气缸的火花塞的跳火是无效的多余的，所以也有称这种点火为 “ 浪费 ” 火花型点火。 在两个缸的火花塞同时跳火时，一个缸的活塞处于排气行程的上止点；另一个缸的活塞处于压缩行程的上止点。 即点火应在处于压缩行程气缸活塞的上止点位置的 1缸进行。 因此发动机电子控制器（ ECU）根据曲轴位置 传感器 送来的活塞上止点信号和同步信号传感器送来的判缸信号，经计算处理后输出正确的点火指令， 使 1 缸点火。 点火线圈的次级绕组电路中增加的一只高压 二极管 ，是为了防止三极管 T1 和 T2 在导通的瞬间，次级绕组产生的感应 电动势 使火花塞跳火。 在无分电器同时点火方式中，为了降低成本和节省发动机周围的空间，还采用一种初级绕组带中间抽头的点火线圈，独立完成对各缸的点火 ]9[。 该同时点火电路的基本原理是： ECU 根据曲轴位置 传感器 和同步信号传感器送来的信号，经计算处理后向电子点火组件中的驱动三极管 T1 发出点火信号（ 1 缸和 4缸的同时点火信号），这时三极管 T1 导通 T2 截止。 点火 电流 从 蓄电池 的 +12V→ 三极管 T1 的集电极和发射极 → 初级绕组的 L2→ 蓄电池负极。 这时初级绕组的 L1 中的电流中断，次级绕组中感应产生高压电，其极性为上负下正。 其电流流向为：次级绕组的ｂ端 → 二极管 D4→ 4 缸火 花塞的中央电极和旁电极 → 蓄电池负极（车身） → 1 缸火花塞的旁电极和中央电极 → 二极管 D1→ 次级绕组的ａ端。 这时 1 和 4 两个缸的火花塞同时跳火。 由于点火工作顺序为 1342， 4 缸的活塞处于排气行程， 1 缸的活塞处于压缩行程的上止点位置，因而 1 缸的火花塞跳火是有效的，而 4 缸的火花塞跳是无效的。 当发动机的曲轴旋转 180176。 后，发动机 ECU 根据曲轴的位置 传感器 和同步信号 传感器送来的信号，向三极管 T2 发出点火信号（ 2 缸和 3 缸的同时点火信号），这时三极管 T2 导通 T1 截止。 点火 电流 从 蓄电池 的 +12V→ 初级绕组中的 L1→ 三极管 T2 的集天津工程师范学院 20xx 届本科毕业设计 8 电极和发射极 → 蓄电池的负极。 这时初级绕组 L2 中的电流中断， 次级绕组中感应产生高压电，其极性为上正下负。 其电流流向为：次级绕组的ａ端 → 二极管 D2→ 2 缸火花塞的中央电极和旁电极 → 蓄电池负极（车身） → 3 缸火花塞的旁电极和中央电极 →二极管 D3→ 次级绕组的ｂ端。 这时 2 和 3 两个缸的火花塞同时跳火， 3 缸的活塞处于压缩行程的上止点位置，火花塞的跳火是有效的，而 2 缸的活塞是处于排气行程，因而其火花塞的跳火是无效的。 发动机转两圈（ 720176。 ）在一个工作循环内，各缸的火花塞有效跳火一次。 无分电器单独顺序点火方式 （见 图 32） 是一个四缸电喷发动机无分电器单独顺序点火的基本电路。 图 32 无分电器单独顺序点火的基本电路 该无分电器点火系统中的工作点火顺序与常规的发动机按工作顺序点火的原理相同。 不同的是因无分电器单独点火，每个缸的火花塞均需一个点火线圈，并且工作时还需要判缸信号。 ECU 根据曲轴位置 传感器 和同步信号传感器送来的信号，经处理后向电子点火组件中的驱动三极管 T1 发出点火信号。 这时三极管 T1 截止，使点火线圈的初级绕组中的 电流 中断，次级绕组便感应产生高压电，使１缸的火花塞跳火。 随着发动机的旋转， ECU 将按照该发动机的工作点火顺序（如 1342）依次向 1 缸、 3 缸、 4 缸、 2 缸发出点火信号，使相应气缸的火 花塞跳火。 点火正时的控制 点火正时是指活塞处于压缩行程的上止点时刻点火，它由安装在飞轮边缘的曲轴位置 传感器 给 ECU 提供信息， ECU 经判断处理后输出指令使电子点火器工作。 曲 轴位置传感器是点火系统的重要器件。 对于四缸发动机来说，在其飞轮的 相对方向上天津工程师范学院 20xx 届本科毕业设计 9 各有均等的 4 个槽。 4 个槽为一组，两组槽相隔 180176。 ，每组槽齿间隔 20176。 （见图 33）点火正时信号 产生的原理 ]10[。 图 33 点火正时信号产生原理 曲轴位置 传感器 多由霍尔传感器担任，当发动机飞轮旋转时，其上的槽齿经过霍尔传感器时产生霍尔效应输出 5V 的高 电平 信号。 当飞轮上的槽齿不经过霍尔传感器的期间，无霍尔 电压 产生，输出 的低电平信号。 飞轮旋转一圈（ 360176。 ），每组槽齿共产生 4 个霍尔电压脉冲信号（见图 34）。 图 34 脉冲信号 图 35 曲轴 位置与 ECU 工作关系 四缸发动机工作时有两个气缸的活塞同时到达上止点：一是排气行程的上止点；另一个是压缩行程的上止点。 点火只应在活塞处于压缩行程的气缸发生。 ECU 根据曲轴位置 传感器 送来的信号，就可知道有两个气缸的活塞已到达上止点，但它不知道是哪个气缸的活塞处于压缩行程，因此它还不能发出点火指令，还需要一个点火时 刻 的重要信号 —— 气缸差别（判缸）信号。 曲轴位置 传感器与 ECU 的工作关系 （ 见图 35）点火正时信号 产生的原理。 点火时序（判缸）的控制 点火时序也就是发动机工作时每个气缸的先后点火顺序。 气缸判别是由安装在分电器内的同步信号 传感器 来完成的，它也多是霍尔传感器（见图 36） 点火时序信号产生的原理。 天津工程师范学院 20xx 届本科毕业设计 10 图 36 霍尔传感器 同步信号 传感器 由脉冲转子和霍尔传感器组成。 发动机工作时脉冲转子旋转，当脉冲转子的 D 点进入霍尔传感器时，产生 5V 的霍尔 电压 脉冲信号；当脉冲转子的Ｃ点离开霍尔传感器时，不产生霍尔电压脉冲信号（ 0V）。 发动机 曲 轴转两圈（ 720176。 ），经 2： 1 传动脉冲转子转一圈（ 360176。 ）， 霍尔器件 产生脉冲 高低电平各一 次（见图 37）点火时序信号 产生的原理 ]11[。 图 37 同步信号 图 38 同步信号传感器与 ECU 工作关系 当 ECU 接收到同步信号 传感器 送来的高 电平 脉冲信号后，经过计算处理后就可判定活塞同时到达上止点的 1 缸和 4 缸中， 1 缸的活塞处于压缩行程的上止点，4 缸的活塞处于排气行程的上止点。 这时 ECU 再结合曲轴位置传感器送来的曲轴位置信号， 对 1 缸发 出正确的点火指令。 同步信号传感器也是发动机点火的重要传感器，一旦其发生故障，发动机将不可启动。 其与 ECU 的工作关系 （ 见图 38）点火时序信号 产生的原理。 点 火提前角与爆震的控制 点火提前角的控制 点火提前角是指从火花 塞 开始 跳火 到活塞到达上止点的时间内曲轴转过的角度。 天津工程师范学院 20xx 届本科毕业设计 11 它对发动机工作时的动力性和经济性影响很大。 发动机工作时因使用的燃料品质不同、转速和负荷的不同以及进气量和水温的不同等诸多因素，会引起最佳点火时刻的偏移，甚至还会产生发动机爆震。 因此必须不断地及时修正点火提前角，使发动机的油耗、排污最小，功率最大和避免产生爆震。 点火提前角主要与发动机的转速和负荷有关。 不同发动机的最佳点火提前角 不尽 相同，且同一发动机在不 同的 工况下最 佳点火提前角也不相同。 实际工作时它由初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角三者组成。 （ 1） 初始点火提前角 初始点火提前角也称为固定点火提前角。 在发动机起动过程中，节气门（油门）位置 传感器 的 怠速触点接近闭合 时，发动机的转速低，缸内的混合气燃烧速度慢，因此 ECU 不控制其点火提前。 点火提前角是厂家设定的固定模式，一般为 10176。 左右或不提前点 火。 （ 2） 基本点火提前角 在发动机正常运转时，节气门位置 传感器 的怠速触点处于打开的位置，这时 ECU 开始起控。 ECU 根据送来的发动机转速信号、进气量信号以及空调请求信号等，与其内部的存储器数据比较处理后，送出最佳的点火提前角指令。 （ 3） 修正点火提前角 发动机工作暖机后，由于各项外界参数变化较大，尤其是发动机的转速和负荷以及水温（发动机温度）变化最大。 因 此 ECU 根据各种 传感器 送来的信号，要不断地修正点火提前角。 如发动机的负荷大时，缸内吸入的混合气多，燃烧速度快，容易造成爆燃，这时应减小点火提前角，反之亦反。 发动机温度高时，也会引起缸内燃烧加快易爆燃，同时也使发动机的排污增加。 这时也应稍减小点火提前角，降低缸内燃烧温度。 ECU 时刻监视着各种传感器送来的信号，不断地修正发动机工作时的点火提前角。 2 爆震的控制 燃油的品质越低，发动机的负荷越大，温度越高，点火提前角也越大，越容易产生爆震。 爆震是一种炽热点火现象，当活塞未到上止点时，即发生点火，使缸内产生阻止活塞运动的力，并使缸内温度上升至约 1000℃。 发生爆震时不仅会产生 噪声 ，降低发动机的功率，严重时会损坏缸内的部件。 因此必须加以控制。 引起爆震的原因主要有以下几个 ]12[ ： （ 1） 燃 油的品质越低（如汽油的辛烷值低），其抗爆性就越差。 发动机工作时，在缸内的高温高压下会自燃进而形成爆燃即产生爆震。 这时应适当减小点火提前角。 天津工程师范学院 20xx 届本科毕业设计 12 图 39 爆震控制 的原理分析 （ 2） 点火提前角过大容 易 产生爆震。 尤其是发动机在大负荷（进气量大）时，吸 入 缸内的混合气多，压缩终了的压力和温度高，使燃烧速度加快，如不减小点火提前角，极易发生爆震。 （ 3） 发动机的负荷越大，温度越高，缸内的燃烧速度及压力越高，尤其是在使用低品质的燃油时容易发生爆震。 爆震的检测一般采用压电 传感器 ，分为共振式和非共振式两种。 它安装在发动机机体上，直接检测机体的振动。 根据 ECU 对其控制与否又分为开环和闭环控制。 在发动机小负荷工作的情况下，由于进气量少，缸内燃烧速度也慢，缸内的温度和压力不是很高，这时不会发生爆震。 ECU 实行开环控制，不处理爆震 传感器 的信号，只按正常时其存储器的数据控制点火提前角的大小。 在发动机大负荷工作时由于进气量大，缸内燃烧速度快，发动机温度升高，这时极易发生爆震（爆震的 频率 为 6kHz 左右）， ECU 开始实行闭环控制（见图 39） 爆震控制的原理分析。 ECU 根据爆震 传感器 送来的爆震信号，经计算处理后输出指令逐步调整点火提前角。 调整的过程是：当发动机电子控制器（ ECU）中的 CPU 接收到爆震信号后，经过与存储器里的数据比较处理后输出指令使点火提前角减小。 为了不降低发动机的最大输出功率，减小点火提前角是一点点地调整的。 当 ECU 每使 点火提前角减小一点时，就 “ 查看 ” 一下是否还存在爆震。 若还存在爆震， ECU 就再使点火提前角减小一点，直 到完全消除爆震。 如果爆震消失了， ECU 再令点火提前角一点点地增大（以增大发动机的输出功率）。 ECU 根据爆震传感器送来的信号反复地调整点火提前角，使发动机始终工作在爆震的边缘，保证发动机输出功率最大，而又不产生爆震。 这一系列调整是利用电子技术在瞬间完成的 ]13[。 发动机的工作状况对点火的影响 火花塞电极间隙越大，在同样电压下间隙越大电场越弱，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。 气 缸 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。 混合气温。