數字式電控點火系統(ESA)按照結構分為分電器式與無分電器式(DLI)兩種類型。分電器式電控點火系統只用一個點火線圈產生高壓電，然後由分電器按照點火順序依次在各缸火花塞點火。
基本介紹
- 中文名：數字式電控點火系統
- 外文名：ESA
- 結構：分電器式與無分電器式
- 分來方式：雙缸點火方式、單獨點火方式
基本介紹,分來方式,基本原理,系統組成,存在問題,發展方向,專家建議,
基本介紹
由於點火線圈初級線圈的通斷工作由電子點火電路承擔，因此分電器已取消斷電器裝置，僅起到高壓電分配職能。
分來方式
1.雙缸點火方式
指兩個氣缸合用一個點火線圈，因此這種點火方式只能用於氣缸數目為偶數的發動機上。如果在4缸機上，當兩個缸活塞同時接近上止點時（一個是壓縮另一個是排氣），兩個火花塞共同一個點火線圈且同時點火，這時候一個是有效點火另一個則是無效點火，前者處於高壓低溫的混合氣之中，後者處於低壓高溫的廢氣中，因此兩者的火花塞電極間的電阻完全不一樣，產生的能量也不一樣，導致有效點火的能量大得多，約占總能量的80%左右。
2.單獨點火方式
每一個氣缸分配一個點火線圈，點火線圈直接安裝在火花塞上的頂上，這樣還取消了高壓線。這種點火方式通過凸輪軸感測器或通過監測氣缸壓縮來實現精確點火，它適用於任何缸數的發動機，特別適合每缸4氣門的發動機使用。因為火花塞點火線圈組合可安裝在雙頂置凸輪軸（DOHC）的中間，充分利用了間隙空間。由於取消分電器和高壓線，能量傳導損失及漏電損失極小，沒有機械磨損，而且各缸的點火線圈和火花塞裝配在一起，外用金屬包裹，大幅減少了電磁干擾，可以保障發動機電控系統的正常工作。
過程中發動機狀況隨時在變化，因此,點火時刻和點火能量等影響發動機的因素必須相應地進行實時調整和控制[1，2].傳統方法是由機械裝置或駕駛員來調整和控制的，如提前角；或不加以控制，如閉合角.隨著電子技術在汽車製造業中套用水平的不斷提高，大大改善了汽車油耗、排污淨化和動力等性能.汽車點火系統發展經歷了白金觸點、白金觸點加電子驅動和曲軸感測加電子處理三個階段，並將沿著微處理機智慧型控制和無分電器電子控制方向發展.
基本原理
1.電火花的產生
我們知道物質由分子組成，分子又由原子組成，原子由原子核（包括質子和中子）和電子組成，電子圍繞原子核旋轉運動。在通常情況下，電子的負電荷和質子的正電荷相等，兩者平衡使原子的總電荷量為零。在外界能量的作用下，原子外層的電子運動的速度加快到一定程度時，就會逸出軌道與其他中性原子結合，這一原子“俘獲”電子之後負電荷量增加，呈現負極性，稱之為“負離子”。而失去電荷的原子負電荷量減少，呈現正極性，稱之為“正離子”。 離子有規律的定向運動便形成了電流。
根據上述理論，混合氣在進入氣缸前 都會有微量分子游離成正離子和負離子。氣缸壓縮過程中，由於氣體受擠壓及摩擦也會產生更多的正離子和負離子。當火花塞兩電極加有電壓時，離子便在電場力的作用下分別向兩極運動，正離子向負極運動、負離子向正極運動形成了電流。但是在電場力較小時(電壓低)，原子中的電子運動的速度低，不能擺脫原子核的引力逸出軌道，形成新的離子。所以，氣體中也只有原來存在的離子導電，由於他們的數量很微小，放電電流微弱,所為只存在理論導通,電路中相當於串接了一個極大電阻R。
隨著電壓的增高，電場力增大，原子動能增大，大量原子擺脫原子核的引力逸出軌道，混合氣中產生了大量離子，同時正離子和負離子向兩極運動的速度加快，正、負離子產生的動能輕而易舉便能將中性分子擊破，使中性子分離成正離子和負離子，這些新產生正、負離子在電場力的作用下，也以高速向兩極運動，又去擊破其它中性分子，這樣的反應連續發生象雪崩一樣,使氣體中向兩極運動的正離子和負離子的數目劇增，從而使氣體失去絕緣性變為導體(R変成較小阻值),形成放電電離通道，即擊穿跳火。其中由於正負離子高速運動及摩擦碰撞形成的高溫熾熱電離通道(幾千度)發光，於是我們就見到火花，同時,電離通道周圍氣體驟然受熱膨脹發出“啪啪”聲。
2.發動機的工作狀況對點火的影響
(1) 火花塞電極間隙越大，在同樣電壓下極間隙越大電場越弱，電場力越小，較難產生足夠的離子，故需較高的電壓才能跳火。影響擊穿電壓的因素還包括:火花塞電極的形狀、電壓的極性。
(2)氣紅內的氣體密度大（混合氣濃），單位體積中氣體的中性分子數量越多，分子間距離越小，正離子或負離越容易與分子相撞，加速的距離短，速度不高動能小，難以擊破中性分子產生新的離子。故需較高的電壓才能跳火。同理，火花塞電極的溫度越高，電極間近旁的氣體密度越小，故需較低的電壓就能跳火。
(3) 混合氣度溫度越高，其分子內能越大，就越容易電離，因此跳火電壓可降低；反之冷車啟動時，由於混合氣中離子運動能力低，不易電離，就需要較高的跳火電壓。據測定，冷車啟動時，跳火電壓最高約為15kv-25 kv，溫度正常後，汽車則只需要8kv—12 kV的擊穿電壓。
3.發動機對點火系統的要求
能產生足以擊穿火花塞電極間隙的高壓電
火花塞電極間能產生火花時所需要的電壓，稱為擊穿電壓或稱為跳火電壓。正常情況下変壓器輸出高壓大於跳火電壓，反之失火。
能夠控制點火能量大小
A．要可靠點燃混合氣，火花塞必須具有足夠的點火能量。在發動機正常工作時，電火花只要有1～10mJ的能量即可。但是在起動時，為保證可靠點火，火花塞的點火能量可達到100mJ。
B．能根據發動機的各種工況對點火能量調整，即對高壓輸出電晶體導通時間(傳統機械式閉合角的控制)長短的控制，達到對高壓變壓器初級電流大小(能量大小)的控制。
點火時刻應適應發動機的各種工況
A.發動機不同轉速和負荷所要求的最佳點火提前角不同，點火系統必須能自動調節點火提前角。發動機的點火提前角表示式：
實際點火提前角=初始點火提前角+基本點火提前角+修正點火提前角（或延遲角）。
B.這種數字式電子點火系統還能將點火時間智慧型控制在臨爆點或微爆點範圍，使汽油機在功率、經濟性、加速性和排放控制方面達到最優。
系統組成
數字式電子點火系統是在使用無觸點電子點火裝置之後的汽油機點火系統的又一大進展，稱為微型電子計算機控制半導體點火系統。
點火系統的分類：
1.電感蓄能式點火系
點火系統產生高壓前以點火線圈建立磁場能量的方式儲存點火能量。目前汽車使用的絕大部分點火系統為電感儲能式。(重點分析介紹)
2.電容儲能式點火系
點火系統產生高壓前，先從電源獲取能量以蓄能電容建立電場能量的方式儲存點火能量。多套用於高轉速發動機上，如賽車。
工作原理是把較低電源電壓變換成較高直流電壓(500V-1000V)對電容充電蓄能，點火時刻通過電
容放電使變壓器產生高壓。特點是電容充放電周期快，高壓跳火火花持續期短(約1微秒)且電流大，
不存左火花尾。ECU根據發動機工況在一個點火周期內進行1-3次點火。
電感蓄能式點火系統主要有微型電子計算機(ECU)、各種感測器、高壓輸出部分(功率管、變壓器、高壓線、火花塞)三大部分組成。
存在問題
1.白金觸點式點火系統
早期汽車都採用白金觸點方式，這種點火系統我國目前還有大量汽車在使用.白金觸點點火系統結構框圖如圖1所示.其優點是結構簡單、更換方便，但存在較多問題.沒有點火能量調節裝置，存在高速失火和低速點火線圈過熱問題；真空和離心點火提前角機械調整裝置，反應速度慢、控制精度低；初級電流不能太大(≤4A)，否則會燒蝕白金觸點，同時觸點反應慢，影響了次級點火電壓的提升(≤15kV).以上問題導致汽油燃燒不充分，引發低溫啟動困難、排污大、輸出動力小、油耗大和怠速偏高等一系列問題.另一方面，觸點容易燒蝕，需要駕駛員經常維護和更換；分電器凸輪磨損嚴重，工作壽命受到限制.基於此，顯見白金觸點式點火這種機械裝置已不能適應現代發動機向高速、大動力化發展和汽車排污淨化嚴格的要求.
2.白金觸點加電子驅動式點火系統
該系統是基於白金觸點式點火系統的上述諸多缺陷而提出的，是最早機電相結合的典型代表之一，其結構框圖如圖2所示.這種系統保留了原分電器中的白金觸點，但增加了包含大功率開關晶體三極體在內的電子驅動電路.該系統曾在蘇聯伏爾加等轎車上使用過，其優點是：通過線圈初級的電流被晶體三極體放大了，這樣當三極體截止時，初級繞組的斷開電流大、相應次級繞的電壓提高了；通過白金觸點的電流明顯減小(約為初級的1/10～1/20)，因而消除了觸點嚴重燒蝕現象，延長了觸點的使用壽命；安裝時無需對原車點火系統作重大改動，且成本低.問題是：仍然採用離心和真空點火提前角調整裝置；沒有點火能量調節功能；機械觸點還存在著.
3.曲軸感測加電子處理式點火系統
該系統因不用白金觸點裝置而不存在機械觸點，故又稱無觸點電子點火系統，其構成框圖如圖3所示.系統根據採用的曲軸感測器類型不同而又分為磁電式(如解放CA1092)、光電式(如蘇聯伏爾加гA3-21)、霍爾式(如桑塔納)和電磁振盪式(如神龍*富康)[3].電子處理部分主要由脈衝信號處理、初級線圈電流控制、穩壓電路、開關電晶體輸出驅動電路和過壓、反接、停車斷電(磁電式除外)等保護電路組成.
該系統除了點火提前角還不能實現準確控制之外，基本上克服了觸點式的諸多缺陷.如：無觸點、無機械磨損，工作壽命長.點火線圈初級電路的通斷回響快，再加上初級電流可達6A，以在次級激發出較高的點火電壓(≥30kV).若採用低阻點火線圈，則為所謂高能無觸點電子點火系統，點火能量可高達100mJ.致使燃油燃燒比較充分，提高了輸出動力，降低了油耗和排放污染；能夠根據轉速和低值採樣電阻實現閉合角控制，避免了高速失火和低速點火線圈過熱現象。
發展方向
微處理機智慧型控制點火系統
上述點火系統均採用離心提前與真空提前點火機構，點火正時不夠理想.一方面，機械裝置反應慢，實時性差、精度低；另一方面，點火提前角不僅與發動機轉速和負載有關，而且與其它因素有關，如：汽油的抗爆性能、混合氣的空燃比、發動機工作溫度和進氣終了的壓力等.隨著微處理機技術的發展，汽車上開始套用微處理機控制點火.該系統在高能無觸點點火系統的基礎上，採用微處理機來控制點火提前角和閉合角，使發動機處於最佳點火狀態，從而大大改善了排放污染和油耗等指標.微處理機控制點火仍採用分電器，但在系統中，分電器只起到高壓電的分配作用，取消了離心提前和真空提前機械機構.結構框圖如圖4所示.
現在研究者的思路是：微處理機根據曲軸位置感測器提供的位置信號，判斷出發動機各缸的活塞上止點位置，並由這些脈衝信號計算出發動機轉速值，再通過燃油噴射系統的節氣門位置感測器或空氣流量感測器確定出負載大小.根據發動機轉速和負荷大小,微處理機從存儲單元中查出此工況的點火提前角和初級導通時間，根據這些數據對點火進行控制，從而實現點火系統的精確控制[1].
導通時間的確定由微處理機從導通時間與電源電壓關係曲線中查得，再根據發動機轉速算成曲軸轉角，以決定線圈中電流的大小.為了防止初級電流過大損壞點火線圈，在點火控制電路中增加恆流控制.點火提前角θ的控制分為定值控制、修正值控制.定值控制發生在：對於一些參數變化較大的工況或是由於系統故障而起用備用系統時，由於微處理機很難得到準備的輸入數據，也就無法計算和確定控制參數的數值.修正值控制方法為:
θ=θ0+θb+θm
原始點火提前角θ0為一固定值，在發動機一生產出來之後便有的，任何工況此提前角保持恆定；基本點火提前角θb為存儲在微處理機的存儲器中的試驗數值，只與發動機的轉速和負荷有關；修正點火提前角θm為對發動機冷卻水溫度、爆震等其它因素的修正值.目前，實際上只考慮了發動機轉速和負載兩個主要因素，同時由試驗獲得數據先存於存儲器內，在實際使用中由查表得到.由上述分析可知，點火提前角θ是個多參數函式，即 ：
θ=f(x，y，z，…)
式中:x為發動機轉速，y為發動機負載，z為發動機爆震，…，至今還沒有人找出θ的函式解析式.顯然，由試驗加查表方法實現多參數控制存在諸多問題，如無法獲得完備的先驗數據；數據量極大；查表困難等.顯然今後的研究方向是：如何獲得θ的近似解析式；研製具有自學能力的專家系統；系統抗電磁干擾問題，此點容易被人忽略.
無分電器電子控制點火系統
在微處理機控制點火系統中的分電器只起到高壓電的分配作用，因此人們日益希望完全取消分電器.無分電器電子控制點火系統，是在微處理機控制點火基礎上進行的.最簡單的辦法是每個汽缸配置一個點火線圈.另一辦法，也是目前較常用的辦法是每對汽缸配置一個點火線圈，汽缸組合的原則是：兩個汽缸的活塞運動位置為同一曲軸轉角，而作功間隔為360°.這樣可保證每次只有一個汽缸處於點火上止點，而另一個為排氣上止點.發動機曲軸轉過一周后，兩缸的工作行程正好相反.在無分電器系統中需要採用專門的小型閉磁路點火線圈，次級線圈的兩端分別與兩個火花塞相聯接.同時需要獲得活塞上止點位置信號和增加汽缸辯別電路[4].結構框圖如圖5所示.
與微處理機控制點火系統相比，無分電器系統沒有分電器，它直接把點火線圈的高壓送到火花塞進行點火，因此減少了分電器分火頭與旁電極這一中間跳火間隙的能量損耗，以及由此產生的電磁波對無線電的干擾.在這裡也必須解決點火提前角θ等問題.
專家建議
1)發動機轉速越高，最佳點火提前角也越大.
2)如果產生爆震，說明點火提前角過大.
3)當發動機轉速不變時，隨著負荷的增大，最佳點火提前角逐漸減小.
4)點火能量越大，發動機的各方面性能均可以得到提高和改善.
5)磁電式感測器結構簡單、價格低廉，但其磁路材料關於可靠性方面有待於進一步深入研究；霍爾式感測器存在溫漂現象和價格偏高等問題.
6)進一步研究最佳點火提前角θ的近似解析式的求解問題.
7)進一步研究具有自學能力的點火專家系統.
8)進一步研究點火系統的抗電磁干擾問題.
