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论汽车点火系统计算机控制正文
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1 绪论
1.1 课题背景及目的
汽车点火系统的基本功能是依据发动机的工作顺序适时的向发动机提供强烈的高
压火花。点火系统的功能体现在点火的时机和产生点火火花的强度。自从本世纪 20 年
代汽车使用有触点(白金)点火系统开始,传统的白金点火系统到目前为止还在大量使
用,但由于它因有的缺点已不能适用现代发动机对点火系统的要求。因为早期汽车点火
只要 10~15kV 电压就足够了,而现在高速发动机为提高经济性,舒适性和改善排放,需
要高达 15~30kV 的电压来点燃稀混合气。为此,常装有一种低阻电感线圈。但由于通过
该线圈的电流比普通线圈大得多,使断电器(白金)触点烧蚀非常严重,难以满足使用
要求。
不仅如此,机械断电器还由于断电臂顶块的磨损问题,发动机高速时断电臂的浮动
问题,使用期间点火时间的变化,使装用机械断电器的发动机难以满足世界很多地区现
行排放的要求。迫使生产厂家研制代替机械断电器的新系统即电子点火系统。早在 1964
年,美国通用汽车公司和福特汽车公司装用晶体管式点火放大器。1967 年美国通用汽车
公司开始装用混合 IC 式点火放大器。
1.2 国内外研究状况
70 年代,国外已经开始将微机技术用于汽车点火系统控制。1976 年,美国通用汽
车公司实车装用了利用数字系统实现点火系统最佳化的 MISAR 系统(Microprocessed
Sensing and Automatic Regulation)。1977 年福特汽车公司和东芝公司共同研制成功了专
用微机控制的发动机综合控制系统 EEC-I,并实际装车使用,这项研究历时 6 年之久。
自 80 年代以来,汽车电子技术获得更加惊人的发展。这一方面是因为各国汽车排
放法规、油耗法规越来越严格,只能采用汽车电子技术才能使汽车符合各国最新法规的
要求,而另一方面是以微机为代表的半导体制造技术的迅速发展,使计算机技术普遍运
用到汽车成为可能,因此到目前为止,国外已经普遍对发动机进行了计算机综合控制,
包括点火系统、燃油供应系统、0 自动变速系统等。
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1.3 课题研究方法
目前国内生产的轿车,除了 6 缸的奥迪,部分车型的红旗,桑塔纳 2000 型和富康车
以外,均是采用专用芯片的普通电了点系统,并未对点火系统实施计算机控制。另外在
国内生产量很大工业的排量在 1.0L 以下的微型汽车上,采用的仍是传统的白金点火系
统为主。因此,研究一种低价位,高性能的汽车点火系统,对于减少汽车尾气对大气的
污染,降低燃油的消耗,增加汽车驾驶及乘坐舒适性具有重要的意义。
1.4 论文构成及研究内容
随着电子技术的发展及对发动机性能要求的提高,本文提出一种基于微型计算机技术的
新型数字式汽车点火系统,该系统通过微机控制器接收传感器收集到的信号,并且在按
照一定的程序进行判断、计算后,给电子点火组件输出最佳点火时刻和初级电路导通时
间的控制信号。本系统可使发动机在任何工况下都处于最佳的点火时刻,实现了更为精
确的点火时刻和点火能量的控制,从而更进一步改善发动机的动力性和经济性,降低排
气污染,本文将介绍它的运行原理,系统构成,工作特点和实验研究。
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2 微机控制点火系统构成
本系统主要由以下几个部份组成:微处理机(ECU),点火线圈,电子驱动模块,
高压点火线,火花塞,以下对这几部份性能进行介绍。
2.1 微处理机(ECU)
微处理机 ECU 全称:electronic control unit 属于电子控制单元。它由输入信号传感
器、电子控制单元(ecu)及点火执行器三部分组成。是由一些主要的传感器:如发动机转
速、冷却水温、进气温度、节气门位置、氧传感器、进气压力...等信号经 ecu 计算处
理后送给执行单元进行修正,以实现高精度的空燃比和最佳的点火正时的控制。ecu 除
了依照不同的行驶状态来供给适当的油料、调整点火角度与时机外,还必须负责控制各
种电子配备,如冷气系统、冷却系统以及自我检测系统等,对于车辆来说,ecu 相当于
人体的大脑,负责接受各种信号,经由内建的基础程式判别后,来控制各个系统,以维
持车辆正常的行驶。ecu 按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息,经过处理以
后,并把各个参数限制在允许的电压电平上,再发送给各相关的执行机构,执行各种预
定的控制功能。
微处理机根据输入数据和储存在 map 中的数据,计算喷油时间、喷油量、喷
油率和喷油定时等。并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量。以发
动机的转速、负荷为基础,经过 ecu 计算和处理,向喷油器、供油泵等发送动作指令,
使每一个汽缸都有最合适的喷油量、喷油率和喷油定时,保证每一个汽缸进行最佳的燃
烧。由于发动机的工作是高速变化的,而且要求计算精度高,处理速度快,因此,ecu
的性能应当随发动机技术的发展而发展,微处理器的内存越来越大,信息处理能力越来
越强。
这个信号输入电子点火控制器,经过大功率晶体管前置电路放大、整形处理后,
控制高能干式点火线圈初级的充电和放电过程,当功率管导通时,点火线圈初级也导通,
点火线圈贮能,当信号使控制器功率管截止时,点火线圈初级断路,在线圈次级感应出
瞬时高压。
由微控制器发出的控制信号经过点火器中的功率三极管的驱动放大,实现了对初级
电路的通断电控制。即点火控制:包括点火顺序控制、点火定时控制和点火能量控制。
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点火系统应按发动机的工作顺序进行点火,即点火顺序应与发动机的工作顺序一致,
否则不能适时点着混合气,发动机就不能正常工作。点火定时控制的目的是使发动机功
率输出大、油耗低、爆震小和排放低,点火系统必须在最有利的时刻点火,并需在上述目
标之间进行折衷。点火时刻用点火提前角来表示,从火花塞开始跳火到活塞运行至压缩
行程上止点的时间内曲轴转过的角度被称为点火提前角。发动机在不同工况下的最佳点
火提前角是不同的。在微机控制的点火系统中,根据发动机转速、负荷等传感器的信号
确定发动机运行工况,计算出最佳的点火时刻,并由微控制器输出控制信号,使功率三极
管截止、初级电路断电,从而实现控制。
2.2 点火线圈
在汽车发动机点火系统中,点火线圈是为点燃发动机汽缸内空气和燃油混合物提供
点火能量的执行部件。它基于电磁感应的原理,通过关断和打开点火线圈的初级回路,
初级回路中的电流增加然后又突然减小,这样在次级线圈就会感应产生点燃火花塞所需
的高电压。点火线圈可以认为是一种特殊的脉冲变压器,它将 10-12v 的低电压转换成
25000v 或更高的电压。主要是通过初级线圈绕组的电流作为磁场储存。当初级线 圈绕
组电流突然被切断(通过功率晶体管断开电路接地端)时,磁场衰减,使次级线圈绕组
产生感应电动势,该感应电动势的电压足以使火花塞放电,我们称其为电感放电式点火。
另外也有电容放电式点火系统,通常被称为 cdi 点火方式。
本系统用的是闭磁路 固体式点火线圈,主要由低压线圈绕组、高压线圈绕组再串
联高压阻尼电阻后分二路输出、闭磁路铁芯、外壳以及固体填充物等组成。
点火线圈中另一组成部件—高压线。
高压导线顾名思义就是肩负着传输由高压线圈所发出的高压电流到火花塞的任务。
高压线其实是很简单的绝缘导线,一条最普通的金属导线外包上高强度绝缘体就是了。
它的最主要质量指标就是能在较高、低温下有良好的绝缘强度。它通过的电流很小,对
里面的金属导线要求甚低;通过的电压很高(15000v-40000v),所以要求的绝缘材料绝
缘系数甚高。它的主要毛病就是绝缘材料老化绝缘强度下降而产生漏电。一组优良的高
压导线必须具备最少的电流损耗及避免高压电传输过程产生的电磁干扰。因此高压点火
线设计成为带电阻值的,这个电阻在电路学里面叫阻尼电阻。高压线电阻的大小是根据
各种不同的高压输出系统设计而不同,有的只有几百欧姆,有的达到 10k 以上。
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高压线阻尼电阻的主要作用是:
(1)防止由于高压产生的电磁泄露, 又称为 EMI 防护, 从而保护车辆中的电器
的安全, 让行车电脑 ECU 稳定, 所以 EMI 是最需要考虑的问题。实际上 ECU 接收的信
号都是低压模拟信号,包括曲轴位置,ECU 接受这些信号都是在 ECU 内部 a/d 转换后
才使用, 而这种来自导线的辐射/EMI 泄露,很有可能会对本来就是低压信号的汽车传感
器信号带来本质的干扰,从而信号出现很大的偏移,自 a/d 转换后,ECU 很容易从错误
的信号中而错误报警甚至使用保护模式参数工作。
(2)是防止高压电流意外过大损坏高压输出系统电子元件的。高压通路正常时这个
电 阻 可 当 作 直 通 即 电 阻 为 零 , 因为通常汽车火花塞点火电阻值为 30mΩ 左 右 ,
1mΩ=1000kΩ。这个点火电阻相对高压线电阻是非常大的,所以高压线限流电阻在高压
输出系统的总阻值中是可忽略的,但当高压线后面的电路中意外短路时限流电阻就可把
电流限制在高压系统可承受不被损坏的范围内。作为 ECU 的点火系统,如果有短路的
话,任何线圈次级的瞬时高压电压都会被释放掉,同时 ECU 会停止工作。
(3)为了让高压线圈的初级输入回路与次级高压输出回路具有良好的阻抗匹配,
从而在高压输出线和火花塞中都设置有阻尼电阻。带阻尼电阻的高压输出线能有效地和
初级输入回路中的电子部件(功率管)作阻抗匹配。对于以前的车辆,基本上是使用白
金点火系统,就不需在高压输出线和火花塞中设置有阻尼电阻。
2.3 火花塞工作原理
火花塞高压放电点燃混合气,使其爆炸做工,工作过程非常短,但从点火到爆炸中
间有几个过程。首先点火线圈产生的高压电流,通过火花塞电极间隙时高压在火花塞正
极形成电势(可以理解成高电压),因电位差必向最近和电阻最小的地方放电,那么正
常情况下肯定是往负极放电,因中间有空隙形成电弧,从而产生火花来点燃汽缸燃烧室
内的混合气。对火花塞的性能要求当然是火花越强、越稳定越好。由于火花塞的地极(外
壳)和高压的中心电极之间的绝缘体要有耐高温和优良的绝缘能力,因此大多用以氧化
铝为基础的陶瓷制造,但高性能型号火花塞在电极的材料上则讲究得多。现在高质量的
火花塞大都采用铱或铂(白金)等贵金属来制造电极,除了可发出更强而稳定的火花外,
更比用铜镍合金制造的普通型号耐用多倍,但售价亦是呈倍数上升。另一方面,火花塞
的又一重要作用是把气缸内的热量带走,以维持一个适当的工作温度(500-850℃)。如果
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