微机控制电子点火系统的组成与工作原理之检修及案例分析

1.微机控制电子点火系统概述

20世纪70年代末期，随着微机控制的喷油系统的应用与发展，以微机控制点火时刻的点火系统开始在汽车上广泛使用。这种微机控制的点火系统解决了传统点火系统中点火提前装置不能适应发动机工况和状态改变时实际需要的问题，可使点火提前角获得复杂而又精确的控制，从而提高了发动机的动力性、燃油经济性和减少有害气体的排放量。

微机控制电子点火系统的英文缩写为MCI，它取消了断电器的触点，采用了先进的多功能专用点火芯片为核心的电子组件，配上高能点火线圈，使点火系统具有了点火能量高、点火电压大、能够实现点火的恒流控制和闭合角控制等多种控制功能。当发动机运转时，微型计算机（点火芯片）根据与发动机工作参数有关的各种传感器输入的信号，经过数学运算和逻辑判断，再对点火时机进行控制，因此点火提前角是由点火芯片控制的。

微机控制电子点火系统根据高压电的分配方式可分为有分电器式点火系统和无分电器式直接点火系统两种类型。

有分电器式点火系统又称为机械配电式点火系统。机械配电式就是传统的点火系统配电方式，这种方式不仅浪费点火能量，而且产生无线电和音响的干扰信号。桑塔纳2000GLi、红旗CA7220E型、夏利2000系列轿车和切诺基吉普车都采用了分配式点火系统。

无分电器式直接点火系统又称为电子配电式点火系统（DIS）。电子配电是指在点火控制器控制下，点火线圈的高压电按照一定的点火顺序，不需要分电器的分配而直接加到火花塞上的点火方式。国产桑塔纳2000GSi和捷达系列轿车采用了微机控制直接点火系统。到目前为止，微机控制的直接点火系统是最先进的点火系统。

2.有分电器式微机控制电子点火系统的组成和工作原理

微机点火系统主要由传感器、电控单元ECU、点火控制器、点火线圈、分电器和火花塞等组成，如图4-10所示。

（1）传感器 传感器的作用是用来检测与点火有关的发动机工况信息，并将信息输入电子控制器ECU，作为运算和控制点火时刻的依据。传感器（包括各种开关）主要有凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、空气流量传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、节气门位置传感器及爆燃传感器等。目前车辆所使用的传感器其结构、类型、数量和安装位置各不相同，但其作用基本相似。

1）凸轮轴位置传感器。凸轮轴位置传感器是确定曲轴基准位置和点火基准的传感器，如图4-11所示。该传感器在曲轴旋转至某一特定的位置时，将这一位置转变为脉冲信号，并传至电子控制单元ECU，ECU将这一脉冲信号作为计算曲轴位置的基准信号，再利用曲轴转角信号计算出曲轴任一时刻所处的位置。

图4-10 微机控制电子点火系统的组成

1—电子控制单元ECU 2—执行器 3—电流表 4—点火线圈 5—分电器

2）曲轴位置传感器。曲轴位置传感器（图4-12）将发动机曲轴转过的角度变换为电信号输入ECU。曲轴每转过一定角度，传感器就发出一个脉冲信号，ECU通过不断地检测脉冲次数，即可计算出曲轴转过的角度。同时，ECU根据单位时间内接收到的脉冲次数，也可计算出发动机的转速。在微机控制电子点火系统中，发动机曲轴转角信号用来计算具体的点火时刻，转速信号用来计算和读取点火提前角。凸轮轴位置信号和曲轴位置信号是保证ECU在微机控制电子点火系统中正常工作的最基本信号。

图4-11 凸轮轴位置传感器

图4-12 曲轴位置传感器

1—G₁G_t转子 2—N_e转子 3—磁路 4—轴 5—永久磁铁 6—线圈 7—信号输出 8—铁心

3）空气流量传感器。空气流量传感器（图4-13）包括流量型（L型）和压力型（D型）两种类型，主要用于确定进气量的大小。在流量型（L型）电控燃油喷射系统中，采用的是流量型传感器直接检测空气流量；在压力型（D型）电控燃油喷射系统中，采用的是进气歧管压力传感器通过检测节气门后进气歧管内的真空度来间接检测空气流量。传感器将空气流量信号输入ECU后，除了用于计算基本燃油喷射的时间之外，还用作负荷信号来计算和确定基本点火提前角。

4）进气温度传感器。进气温度传感器（图4-14）用于检测发动机吸入空气的温度。在微机控制电子点火系统中，ECU利用该信号对基本点火提前角进行修正。

图4-13 空气流量传感器

图4-14 进气温度传感器

5）冷却液温度传感器。冷却液温度传感器（图4-15）是用来检测发动机工作温度的高低。在微机控制点火系统中，ECU除了利用该信号对基本点火提前角进行修正之外，还要利用该信号控制起动和发动机暖机期间的点火提前角。

6）节气门位置传感器。节气门位置传感器（图4-16）是用来检测节气门的开度情况，并将节气门开启角度转换为电信号输入ECU，ECU利用该信号和车速传感器信号来综合判断发动机所处的工况（怠速、中等负荷、大负荷、减速），并对点火提前角进行修正。

图4-15 冷却液温度传感器

图4-16 节气门位置传感器

7）爆燃传感器。发动机发生爆燃是指气缸内可燃混合气在火焰前锋尚未到达之前自行燃烧导致压力急剧上升而引起气缸体振动的现象。爆燃传感器的作用是用来检测发动机是否发生爆燃，并将爆燃信号转变成电信号传给ECU，ECU通过计算修正点火提前角消除爆燃。通过传感器对发动机爆燃的检查方法有三种：一种是检测混合气燃烧的噪声；一种是检测燃烧室压力的变化；还有一种是检测发动机缸体的振动频率。由于对检测发动机缸体振动频率的方法，其传感器安装方便且电压高、测量精度较高，所以目前汽车普遍采用。

爆燃传感器按结构的不同可分为磁致伸缩式和压电式两种传感器。

磁致伸缩式爆燃传感器结构如图4-17所示，主要由感应线圈、伸缩杆、永久磁铁和壳体组成。伸缩杆用高镍合金制成，在其一端设置有永久磁铁。传感线圈绕制在伸缩杆的周围，线圈两端引出电极与控制线路连接。当发动机发生爆燃时，传感器的伸缩杆就会随缸体一起振动，感应线圈中的磁通量就会发生变化。由电磁感应原理可知，线圈中就会产生感应交变电动势，即传感器就有信号电压输出，输出电压高低取决于发动机的振动强度和振动频率，如图4-18所示。当发动机缸体振动频率达到6～9kHz时，振动强度最大，线圈中产生的电压最高。

图4-17 磁致伸缩式爆燃传感器结构图

1—软磁套 2—端子 3—绝缘体 4—伸缩杆 5—绕组 6—磁铁 7—弹簧 8—外壳

图4-18 磁致伸缩式爆燃传感器信号波形图

目前，国内外大多数汽车微机控制点火系统均采用压电式爆燃传感器，如桑塔纳GLi、2000GLi、2000GSi、3000型、捷达AT和GTX型等轿车。压电式爆燃传感器的结构如图4-19所示，主要由套筒底座、电压元件、惯性配重、塑料壳体和接线插座等组成。压电元件是爆燃传感器的主要部件，用压电材料制成垫圈形状，在其两侧安放有金属垫圈作为电极，并通过导线引到接线插座上。惯性配重与压电元件以及压电元件与传感器套筒之间安放有绝缘垫圈，套筒中心制作有螺孔，传感器通过螺栓固定在发动机缸体上，调整螺栓的拧紧力矩便可调整传感器输出的信号电压（注意：螺栓的拧紧力矩在出厂时已经调好，不得随意调整）。

当发动机发生爆燃时，传感器套筒底座及惯性配重随之产生振动，并将振动作用在压电元件上，由压电效应（某些晶体的薄片受到压力或机械振动之后产生电荷的现象）可知，压电元件的信号输出端就会输出与振动频率和振动强度有关的交变电压信号，如图4-20所示。试验证明：发动机爆燃产生的压力冲击波频率在6～9 kHz时振动强度较大，所以信号电压较高。发动机转速越高，信号电压幅值越大。

图4-19 压电式爆燃传感器的结构图

1—电极 2—套筒底座 3—绝缘垫圈 4—电压元件 5—惯性配重 6—塑料壳体 7—固定螺栓 8—接线插座

图4-20 压电式爆燃传感器的输出波形

8）各种开关信号。

①起动开关信号：在起动机起动时，将起动信号通知ECU使发动机处于起动状态，并以此修正起动时的点火提前角。

②空调开关信号：发动机在怠速工况下使用空调时，ECU在提高发动机转速的同时，也对点火提前角进行修正。

③空档开关信号：在配置有自动变速器的车辆上，此信号可以使ECU获得变速器位于空档的信息，对点火提前角进行必要的修正。

以上这些传感器一般都与电控燃油喷射系统的各传感器共用，确定最佳的供油量和最佳点火提前角。

（2）电控单元ECU电子控制器本身就是一台微机，其作用是根据发动机各传感器输入的信息，进行运算、处理、判断，然后输出指令（信号）控制有关执行器（如点火器）的动作，达到快速、准确地控制发动机工作的目的，基本构成如图4-21所示。

在ECU的只读存储器ROM中，存储着各种程序和该车在各种工况下的最佳点火提前角等数据；随机存储器RAM是用来存储ECU工作时暂时需要存储的数据。在发动机工作时，ECU根据各传感器及开关信号输入的信息，查出此时的基本点火提前角，并根据此时发动机的工况计算出最佳点火提前角。ECU适时按最佳点火提前角向输出回路发出指令，控制点火器切断点火线圈初级电流，产生高压电，并按发动机的点火顺序分配到各缸火花塞进行点火。

图4-21 电控单元ECU的组成

（3）点火控制器 点火控制器又称为点火电子组件或点火器，是微机控制点火系统的功率输出级，并将信号进行放大，以便驱动点火线圈工作。

车型的不同其点火控制器的电路、功能与结构各不相同，在结构方面有的点火控制器与ECU制作在同一块电路板上；有的为独立总成，并用线束和连接器与ECU相连接；有的点火控制器与点火线圈安装在一起并配有较大面积的散热器散热。在功能方面有的大功率晶体管只起开关作用，有的除起开关作用外，还有电流控制、闭合角控制、判别缸位和点火监视等功能。

图4-22 微机控制电子点火系统工作原理图

微机控制点火系统除了上述主要的组件外，还有点火线圈、火花塞以及分电器等部件，其结构原理及作用与传统点火系统基本相同，故在此不赘叙。

（4）有分电器式微机控制电子点火系统的工作原理 微机控制电子点火系统工作原理如图4-22所示。在发动机工作时，ECU通过各个传感器把发动机的工况信息采集到随机存储器RAM中，并不断检测G信号，G信号指凸轮轴位置传感器信号，判定是哪一缸即将到达压缩上止点。当接收到G信号后，ECU立即开始对Ne信号（指曲轴转角信号）进行计数，以便控制点火提前角。此时，ECU根据反映发动机工况的转速信号、负荷信号等一些与点火提前角有关的传感器信号，从只读存储器中查询出发动机相应工况下的最佳点火提前角。当ECU检测到曲轴转角等于最佳点火提前角时，ECU立即向点火控制器发出控制指令，使功率晶体管截止，点火线圈初级电流切断，次级绕组产生高压，并按发动机点火顺序分配到各缸火花塞跳火点燃可燃混合气。

3.无分电器式微机控制电子点火系统的配电方式

（1）分电器的缺陷 微机控制电子点火系统具有准确的点火正时、点火高电压和点火高能量等优点，但高电压的分配依然存在许多缺点，以下是有分电器式点火系统存在的一些缺陷：

1）分火头与分电器盖旁电极之间必须保留一定间隙才能进行高电压的分配，因此，将会损失一部分点火能量，同时也是一个主要的无线电干扰源。

2）为了抑制无线电的干扰信号，高压线采用了高阻抗导线，也要消耗一部分能量。

3）当分火头、分电器盖或高压导线漏电时，会导致高压电火花减弱、缺火或断火，使点火系统的可靠性下降。

4）曲轴位置传感器转子由分电器轴驱动，旋转机构的机械磨损会影响点火时刻的控制精度。

5）分电器安装的位置和占据的空间，会给发动机的结构布置和汽车的外形设计造成一定的困难。

（2）无分电器式微机控制电子点火系统的配电方式 为了消除分电器的缺陷，进一步提高点火性能，降低点火能量的高压传输损失，提高点火系统的可靠性和耐久性，便出现了无分电器的点火系统（DIS）。无分电器式微机控制点火系统是指在点火控制器控制下，点火线圈的高电压按照一定的点火顺序，直接加到火花塞上的直接点火方式。由于有分电器式点火系统配电方式存在上述缺陷，因此，越来越多的汽车采用了无分电器式点火系统配电方式控制点火。常用配电方式分为各缸单独点火、双缸同时点火以及二极管配电点火三种配电方式。

1）各缸单独点火方式。各缸单独点火是指每缸都有各自独立的点火线圈，即点火线圈的数量等于气缸的个数，其电路图如图4-23所示。由于各缸单独点火，即使发动机的转速很高，点火线圈也有较长的通电时间（闭合角大），可提供足够高的点火能量。与有分电器式控制点火系统相比较，在发动机转速和点火能量相同的情况下，单位时间内通过点火线圈初级电路的电流要小得多，且点火线圈不易发热，因为点火线圈的体积很小，所以可直接将点火线圈压装在火花塞上，如图4-24所示。

2）双缸同时点火方式。双缸同时点火方式是指用一个点火线圈同时为两个气缸点火，其电路图如图4-25所示。但同时点火的两个气缸其工作过程应相差360°曲轴转角，即一个气缸处于压缩行程的上止点，另一气缸处于排气行程的上止点。点火时，两个气缸的火花塞同时产生电火花，处于排气行程的气缸由于气缸内的压力很小，火花塞很容易跳火，能量损失较小。处于压缩行程的气缸内压缩压力很高，气体分子密度很大，必需有足够的点火电压。在双缸同时点火的过程中，实际加在压缩行程火花塞的电压远高于排气行程气缸火花塞的电压，保证了压缩行程气缸火花塞的正常跳火，而排气行程的火花塞的火花只是一次无效火花，不会造成大的能量损失。

图4-23 各缸单独点火方式电路图

图4-24 安装有点火线圈的火花塞

1—点火线圈 2—火花塞

图4-25 双缸同时点火方式

双缸同时点火的分配方式只适用于气缸数为双数的发动机，与单独点火方式相比，这种配电方式的电路相对简单，应用也比较广泛。

3）二极管配电点火方式。利用二极管分配高压电点火电路图如图4-26所示。点火线圈由两个初级绕组和一个次级绕组构成，次级绕组的两端通过4个高压二极管与火花塞串联。其中二极管有内装式（安装在点火线圈内部）和外装式两种。对于图4-26中所示的4缸发动机，1、4缸为一组；2、3缸为另一组。点火控制器中的两个功率晶体管分别控制一个初级绕组，两只功率晶体管由电控单元ECU按点火顺序交替控制其导通与截止。

图4-26 二极管配电方式电路图

当电控单元ECU输入1、4缸的点火触发信号给点火控制器时，功率晶体管VT₁截止，初级绕组A中的电流被切断，此时次级绕组瞬间产生高压电动势，方向如图4-26中实线箭头方向所示。在该电动势的作用下，二极管D₁、D₄正向导通，1、4缸火花塞电极上的电压迅速升高直至跳火。同时D₂、D₃反向截止，不能构成放电回路，因此2、3缸火花塞电极上无高压火花放电电流而不能跳火。

当ECU输入2、3缸点火触发信号给点火控制器时，晶体管VT₂截止，初级绕组B中的电流被切断，次级绕组产生高压电动势，方向如图4-26中虚线箭头方向所示。此时二极管D₁、D4反向截止D₂、D₃正向导通，因此2、3缸火花塞电极上的电压迅速升高直至跳火，高压放电电流经图4-26中虚线箭头所指方向构成回路。