Tianjin University of Technology and Education

毕 业 设 计

专 业： 汽车维修工程教育

班级学号： 汽修0403 - 21

学生姓名： 沈洁

指导教师： 魏健 高级实验师

二〇〇九年 六 月

天津工程师范学院本科生毕业设计

电子点火系统教具的设计与开发

Electronic Ignition System Design and Development of teaching aids

专业班级：汽修0403

学生姓名：沈洁

指导教师：魏健 高级实验师

系 别：汽车与交通学院

2009年 6 月

摘 要

20世纪90年代，一种新型的点火系统被用于许多汽车上。这种点火系统叫做无分电器点火系统，也可以称它为直接点火系统。这种点火系统不用许多高压部件就可以提供很高的高压电。这种点火系统可以提供更高的电压且更好的减少部件的磨损。随着计算机技术的飞速发展和发达国家对汽车排放限制及对其他性能要求的提高，微机开始在汽车上应用—用微机控制点火正时，形成微机控制点火系统。由于微机具有响应速度快、控制精确等优点，以此点火系统为基础，外加传统点火系统和电子点火系统，设计和制作出可用于实训教学的点火系统实验台。教师在利用此实验台进行授课时，学生更容易理解，记忆也更深刻，学习效率将大幅提高。

设计说明书对点火系统的结构组成进行了讲解，对其工作原理进行了深入的分析，最主要的是对实验台的设计过程进行了全面的总结和详细的说明。实验台的总体设计工作包括教具实验台台架结构的设计、教具实验面板的设计、教具实验台面板接线图的设计、故障点的设计以及诊断端子的设计。在完成点火系统实验台的设计和制作后，设计了点火系统故障设置与诊断实验的方法。

关键词：点火系统；实验台；设计与制作；故障设计

ABSTRACT

In the early 1990s a new type of ignition system began to appear on many automobiles. It is called the distributorless ignition system, or direct ignition system. This system provides a high voltage spark at the spark plug without many of the secondary system parts. The system can provide higher voltages and does so with fewer parts to wear out. With the rapid development of computer technology and developed countries to limit emissions from vehicles and other performance requirements for the improvement of computer applications in the car - with computer control of ignition timing to form a microcomputer-controlled ignition system, as the computer has a fast response, control high precision, Take this ignition as foundation to design ,Plus a traditional ignition system and electronic ignition system, and make ignition system experiment table. When teacher use this experiment table in teaching, the students comprehends more easily, remember much deeper and the study efficiency will be significantly improved.

The design specification explain the mechanical structure of ignition system and analysis the working principle and the drive route in detail. It is the main contents that the design process of ignition system experiment table is explained and summarized. The total design work ignition system experiment table include the design of experiment table structure, the design of front-panel, the design of control chart, the design of fault. Overall design, structural features and the terminal of diagnose. Fault installed air conditioning and automatic electronic control circuit and the modified circuit bonding technology.

Key Words： ignition system；experiment table；design and fabrication；fault design

1 引 言

一百多年来，点火技术伴随着汽车的发展而逐渐提高。1886年第一辆以四冲程内燃机为动力的汽车使用的是磁电机点火系统。一直到了1931年，美国人才首先使用了能自动根据发动机负荷和转速来调节点火提前角的真空、离心点火提前调节装置。此后，这种点火装置逐步得到完善，并在汽车上得到了广泛的使用，故也被称之为“传统点火系统”。

随着人们对汽车发动机动力性、经济性及排放控制要求的日益提高，传统点火系

统结构本身固有的缺陷也越来越显现出来。为了从根本上克服传统点火系统的缺陷,早在50年代初期人们就已经开始探索用晶体管控制点火系统的工作，即用电子手段来控制点火线圈初级电流的通断。60年代，美国摩托罗拉公司生产了有触点电容放电式半导体辅助点火系统，并安装在美国部分小轿车上，以解决触点烧蚀、火花塞积碳及高速断火等问题。在这种系统中，电容器所储存的能量可达80MJ，点火线圈不再起储能作用而只起变压器的作用。电容器储存的电能突然通过点火线圈初级绕组放电时，次级绕组感应出很高的次级电压并输向火花塞。因次级电压上升速率很高，火花塞积碳而漏电所造成的能量损失较小，因而提高了点火系统的抵抗火花塞积碳的能力；因电容器所储存的能量几乎不受发动机转速的影响，使点火系统在各种转速下均有一个较恒定的点火能量输出，改善了高低速时的点火能量特性；因通过触点的电流较小，基本排除了触点烧蚀现象。由于上述优点，特别是抵抗火花塞积碳能力较强，这种点火系统至今仍在一些二冲程发动机上应用。但这种点火系统也存在火花持续时间短、对无线电干扰强、结构复杂、体积庞大、造价高等缺陷，因而只在汽车上得到短期的应用，没有能进一步发展和推广。紧随上述点火系统之后。摩托罗拉公司又开发、生产了有触点电感式半导体辅助点火系统，并在短期内应用于汽车发动机。因该系统保留了断电器触点，虽然解决了触点烧蚀等问题，但磨损等传统点火系统的部分缺陷依然存在，故也未得到推广，而很快被无触点电子点火系统所取代。60年代末至70年代初，摩托罗拉公司已开始大量生产无触点电子点火系统，完全取消了机械式断电器及其触点，从而避免了凸轮，顶块等机械磨损所造成的点火正时变化、触点烧蚀及初级能量消耗过大等缺陷。该系统用点火信号发生器取代了传统点火系统的断电器和触点，用点火模块(电子点火控制器)控制初级电流的通断;不仅提高了点火系统的工作可靠性，点火能量也得到一定的提高。其点火信号发生器也出现了磁感应式、霍尔效应式、光电效应式、电磁振荡式等多种形式。这种点火系统至今仍被广泛应用于多种汽车上。

1976年美国通用公司首次将微处理器应用于点火时刻控制，此后微机控制的电子点火系统的应用日渐增多，并与汽车喷射、怠速等发动机其他电子控制系统一起，进行综合控制，其点火性能也有了进一步的提高。目前，全电子点火控制装置已在汽车上得到了广泛的应用。各种点火系统基本构成比较如图1-1所示：

图1-1各种点火系统基本构成比较

a)传统触电式点火系统 b)晶体管辅助点火系统 c)无触点电子点火系统

1、点火开关 2、点火线圈附加电阻 3、点火线圈 4、触电 5、火花塞 6、电容

7、点火信号感应线圈 8、电子点火器 9、电子放大器

2微机控制电子点火系统主要组成部件

2.1ECU

ECU（电子控制单元）就是整部汽车的智能控制中心，指挥协调汽车的各部分工作，同时ECU还有自动诊断功能。其中处理控制点火系统工作是ECU众多工作重要的一项。ECU只读存储器ROM中存有500多万组数据，这些数据大多数是发动机通过各种实际工作情况测量优选得出的，包括了整个汽油机工作范围内各种转速和负荷下的最佳点火提前角及喷油脉宽等有关全部数据。不同型号整车的ECU的存储数据是不同的，各厂家对数据都是保密不公开的；这些数据保证了汽油机在功率性、加速性、经济性和排放控制方面达到最优组合。

ECU控制点火原理

发动机启动后，ECU每10ms采集一次发动机的各传感器动态参数，按预先编好的程序处理这些数据，并存入随机存储器RAM中；同时ECU还要根据电源电压大小、从其只读存储器ROM中选取出适应当前工况的高压变压器初级线圈电流导通时间，（即ECU输出宽度不同的方波电压控制高压输出系统变压器初级线圈电流大小，实现对高压输出电压大小的控制）ECU综合这些数据，从其只读存储器ROM中查找出（计算出）适应当前发动机工况的最佳点火提前角存入随机存储器RAM中，然后利用发动机转速（或转角）信号和曲轴位置信号，将最佳点火提前角转换成点火时刻,即切断高压变压器初级电流的时刻。在下列情况下ECU点火实行开环控制，点火按预设程序工作。A、发动机启动时。B、重负荷时。C、节气门全开时。

2.2传感器

传感器就是各种不同类型及功用的测量元件，安装在发动机不同的有关部位，把发动机工况各种参数变化反馈给ECU作计算数据。在点火系统中应用的传感器主要有空气流量计及进气温度传感器、发动机转速及曲轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器及爆震传感器、氧传感等。

1、发动机转速传感器 用来检测发动机曲轴的转速，作为控制系统进行运算的主要依据。

2、凸轮轴位置传感器 确定曲轴基准位置和点火基准的传感器。它是保证ECU控制电子点火系统正常工作最基本的信号。

3、空气流量传感器 确定进气量大小的传感器，其除了用于计算基本喷油时间之外，还用作负荷信号来计算和读取基本点火提前。

4、爆震传感器 用于点火提前角闭环控制系统，ECU可根据它输出的信号来判断发动机是否发生爆震，从而对点火提前角进行修正。

5、节气门位置传感器 将节气门开启角度转换为电信号输入ECU，ECU根据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。

6、发动机冷却液温度传感器 此传感器信号反映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启动和发动机暖机期间的点火提前角。

7、发动机进气温度传感器 此传感器信号反映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。

2.3 高压输出

1、高压输出功率三极管：在电路中起开关作用。

2、高压输出变压器：在电路中把低电压转换成高电压供火花塞点火。

3、高压线：在电路中把高压电传输到火花塞。

4、火花塞：在电路中把高压电引进汽缸并把电能量转换成热能。

2.4 点火控制器

点火控制器又称为点火电子组件、点火器或功率放大器，是微机控制点火系统的功率输出级，它接受ECU输出的点火控制信号并进行功率放大，以便驱动点火线圈工作。点火控制器的电路、功能与结构依车而异，有的与ECU制作在同一块电路板上如北京切诺基4.0L发动机集中控制系统；有的为独立总成，并用线束和连接器与ECU相连接，如丰田轿车采用的TCCS系统；有的点火控制器结构十分简单，如奥迪200型轿车发动机电控系统和日本日产公司的ECCS系统，其点火控制器仅是一只控制点火线圈初级电流的大功率开关三极管，该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。

2.5点火系统的分类：

1、电感蓄能式点火系统

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。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。其基本组成如图2-1所示：

图2-1电感储能式点火系统

1、点火信号发生器2、电子点火器3、附加电阻4、点火线圈5、点火开关6、火花塞

2、电容储能式点火系统

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。其基本组成如图2-2所示：

图2-2电容储能式点火系统

1、振荡器 2、触发电路 3、点火信号发生器 C、储能电容

3 微机控制电子点火系统的控制过程

电喷发动机是电控燃油喷射（EFI）发动机的简称，电喷发动机点火系统的控制主要包括：点火电流的恒定控制、无分电器点火控制、点火正时控制、点火时序（判缸）控制以及点火提前与爆震的控制等。

3.1点火电流的恒定控制

图3-1 点火电流的恒定控制原理

点火线圈的初／次级绕组的匝数比确定后，点火时的高压（点火线圈的次级电压）主要由初级绕组中通过的电流大小来决定。现代的发动机电子点火系统为了提高点火时的高压，点火线圈的初级均采用粗导线绕制，其内阻只有0.5Ω左右，但这又会引起电流过大，如不加以控制会使点火线圈因电流过大而影响寿命。点火电流的恒定控制原理（见图3-1）。

当功率三极管T1或T2导通时，电流经发射极负反馈电阻Rf到地。通过电阻Rf的电流越大，其上的压降也越大。如果点火电流超过规定值时（一般为6.5A），电路Rf上的压降增大，恒流控制电路开始控制使闭合角减小。继而减小了三极管T1、T2的导通时间，最终通过点火线圈的初级绕组中的电流减小，避免点火线圈发热和三极管T1、T2的损坏。若点火电流小于规定值6.5A时，恒流控制电路也将起控，增大闭合角使三极管T1或T2的导通时间增加，使点火电流增大，最终恒定在6.5A的标准值上。

3.2无分电器电子点火控制

为了进一步提高发动机工作时的可靠性、动力性和经济性，现代的发动机尤其是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。

1、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3-1）。

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。

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1-3-4-2，4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180°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（720°）在一个工作循环内，各缸的火花塞有效跳火一次。

2、无分电器单独顺序点火方式

（见图3-2）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3-2 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1-3-4-2）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。

3.3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各有均等的4个槽。4个槽为一组，两组槽相隔180°，每组槽齿间隔20°（见图3-3）点火正时信号产生的原理。

图3-3 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0.3V的低电平信号。飞轮旋转一圈（360°），每组槽齿共产生4个霍尔电压脉冲信号（见图3-4）。

图 3-4 脉冲信号 图 3-5 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3-5）点火正时信号产生的原理。

3.4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3-6）点火时序信号产生的原理。

图3-6 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（720°），经2：1传动脉冲转子转一圈（360°），霍尔器件产生脉冲高低电平各一次（见图3-7）点火时序信号产生的原理。

图3-7 同步信号 图3-8 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3-8）点火时序信号产生的原理。

本科毕业论文 - 电子点火系统教具的设计与开发说明书