汽车电气技术(XXXX)6

汽车电气技术（6）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（秋）第二节普通电子点火系统一、概述传统点火系统在汽车上的应用已有近一个世纪的历史了，虽然它的部件不断地有所改进，使其发火性能及使用寿命有所提高，结构也已定型。但由于机械触点的存在，传统点火系统已不能适应现代汽车发展的要求。（一）传统点火系统的优缺点及其分类(1)火花能量的提高受到限制现代汽车发动机以其高转速、高压缩比及燃用稀混合气为特点，对点火能量的要求越来越高。显然，传统点火系统由于其一次电流受断电器触点允许电流的限制，火花能量的提高也受到限制，已不能适应现在及将来汽车发展的需要。(2)触点故障多、寿命短传统点火系统中，一次电流的通断由断电器触点控制。当触点打开瞬间，触点间极易形成火花而将触点烧蚀。又因触点反复开闭，触点臂顶块与凸轮长期摩擦而磨损，造成触点间隙变化、点火正时不稳定，影响发动机的功率输出。当间隙小到一定程度后，由于触点断开时产生的电弧不能切断，会使触点在很短时间内烧蚀，甚至失去工作能力。此外，发动机在高速时，由于机械滞后和磁滞的存在，断电器触点易产生“回跳”或“颤动”现象，使实际闭合角减小，影响火花能量，导致高速失火。(3)对火花塞积炭和污染敏感传统点火系统中二次电压上升速率低(一般需120μs)，故对火花塞积炭和污染很敏感。当火花塞积炭时，二次电压就会显著下降。2．电子点火装置的优点电子点火装置与传统点火装置相比，它的基本功能并没有什么变化，但从改善电火花的点火性能，提高点火时间的控制精度及可靠性等方面来看，却发生了巨大的变化。(1)因为无机械触点或一次电流不经过触点，所以不存在触点氧化、烧蚀、变形、磨损等问题，使用中几乎不需要维修和经常换件，同时可增大一次断电电流值，提高二次电压，有效地改善和保证点火性能。一般传统点火系统的一次电流不超过5A，而晶体管点火装置可提高到7~8A，二次电压可达30kV。(2)电磁能量得到充分利用，高电压形成迅速，火花能量大。由于无断电器触点或触点电流很小，根本不会因触点产生火花而消耗部分电磁能量，所以高压形成很快（只需80~100μs)，火花能量大，提高了点火可靠性。(3)减小了火花塞积炭的影响。电子点火装置的火花塞间隙一般为1.1~1.2mm，在积炭阻值达100kΩ的严重情况下，仍能维持可靠的点火特性。(4)点火时间精确，混合气能得到完全燃烧，可以在稀混合气工况下照常点火，从而保证了发动机在降低油耗的基础上，减少废气污染，获得最好的动力性。(5)对无线电干扰小，结构简单，重量轻，体积小，保养维修简便。3．电子点火系统的种类当前，汽车电子点火装置大致可分为以下几种类型。(1)按控制点火线圈一次电流的电子元件分类包括晶体管点火装置，晶闸管点火装置，集成电路点火装置。(2)按点火装置有无触点分类包括触点式电子点火装置，又称半导体管或晶体管辅助点火装置；无触点电子点火装置，又称全晶体管点火装置。(3)按点火能量的储存方式分类包括电感储能式电子点火装置，其储能元件是点火线圈；电容放电式电子点火装置，其储能元件是专用的电容器。(4)按点火提前角的控制方式分类包括普通电子点火系统，微机控制点火系统。（二）普通电子点火系统简介(1)电感储能有触点电子（半导体辅助）点火系统这是最早的一种电子与机械相结合的点火系统。其主要特点为：用功率晶体管代替断电器的触点，来接通和切断点火线圈的一次电流，仍保留了机械触点式断电器，用它来接通和切断功率晶体管的基极电流。点火线圈的一次电流并不通过触点，触点仅通过微弱的、控制功率晶体管导通与截止的基极电流，解决了传统点火系统的触点烧蚀问题。半导体辅助点火系统点火提前角的调整仍使用离心式和真空式点火提前装置。这种点火系统的优点是成本低，一次电流比传统点火系统大(约8~10A)，因而二次电压高，电火花能量大，触点寿命延长（因通过电流小而无烧蚀问题）。这种点火系统主要用于少数早期出厂的汽车（如前苏联的吉尔130载货汽车、伏尔加五代轿车等），近几年已逐渐被无触点电子点火系统取代。(2)电感储能无触点电子点火系统无触点电子点火系统早在20世纪70年代初已在发达国家开始采用。该系统去掉了原有的断电器触点，用点火信号发生器（传感器）替代，从根本上消除了由机械触点所带来的一切问题。同时采用先进的电子技术，采用各种电子控制形式可获取稳定的火花参数。因此，对提高发动机的动力性、经济性以及排气净化等方面均极为有利，目前已在国内外得到广泛应用。下面将主要介绍这种电子点火系统。2．电容放电式电子点火系统（CDI）电容放电式电子点火系统的特点是它用于产生电火花的能量是以电场能的形式储存在专门的储能电容中。(1)组成与工作原理电容放电式点火系统由直流升压器、储能电容、开关元件（晶闸管）、触发器以及点火线圈、分电器等组成，其原理如下图所示。8-振荡器1-直流升压器2-晶闸管3-分电器4-火花塞5-触发器6-点火线圈7-储能电容器直流升压器一般包括振荡器、变压器和整流器三部分，作用是将蓄电池12V的低电压转变为交流电并升压，经整流器整流为300~500V的直流电，向储能电容充电；储能电容(0.5~2μF)用来储存产生火花的能量。晶闸管起开关作用，由触发器在规定的点火时间触发晶闸管。触发器又可分为有触点式和无触点式两类。有触点电容放电式电子点火系统的工作原理如下：触点闭合时，触发器发出指令信号，使晶闸管关断，直流升压器输出的300~500V直流高压电向储能电容充电；触点打开时，触发器也发出指令信号，使晶闸管导通，于是储能电容器向点火线圈的一次绕组放电，在二次绕组中感应出约20~30kV的高压电动势，使火花塞跳火，完成点火工作。无触点电容放电式电子点火系统的工作原理与上述基本相同，其区别仅在于触发信号的获得方式不同。(2)电容放电式电子点火系统的优缺点由于储能电容充电、放电的时间极短，且晶闸管的动作速率极高(5~10μs)，所以二次电压几乎不受转速的影响，而且在发动机高速运转情况下，二次电压也不降低，可保证在转速高达10000r/min的四冲程四缸的发动机和转速高达5000r/min的四冲程八缸的发动机中可靠工作。传统点火系统和电感储能式电子点火系统都是利用点火线圈一次绕组储能且在一次电流断开时产生高压火花，而电容放电式电子点火系统则是利用电容储能，在储能电容向一次绕组放电的同时产生高压火花，因此电容放电式电子点火系统的能量利用率较高。电容放电式电子点火系统的主要缺点是放电时间过短，仅5~50μs，而电感储能式可达1~2ms。由于火花持续时间太短，不能确保气缸内混合气的充分燃烧，尤其是燃气混合不良及燃用稀混合气时更是如此，使得发动机在起动和低速工况下点火不良，同时，还会使排放增加。电容放电式点火系统的另一个缺点是二次电压上升率较高，对无线电有严重的干扰。此外，该系统结构复杂，体积较大，且成本高，因此，不适于大批量生产。由于上述缺陷，限制了它在一般汽油机上的推广使用，而仅用于转速较高的汽油机，如赛车发动机等。另外，在摩托车上，由于采用磁电机作电源，省去了成本较高的直流升压器，因而在目前生产的两轮摩托车上得到了广泛的应用。二、电感储能无触点电子点火系统无触点电子点火系统的基本组成如图4-17所示，主要由点火信号发生器（传感器）、点火器（点火控制器）、点火线圈、分电器、高压阻尼线（高压线）及火花塞等组成。1-火花塞2-分电器总成3-信号发生器（传感器）4-点火开关5-点火线圈6-点火器7-蓄电池图4-17无触点电子点火系统的组成点火器的主要任务是根据点火信号发生器送来的脉冲电信号，控制点火线圈一次电路的通断。比较完善的点火控制器还具有恒电流控制、导通角（闭合角）控制、停车断电保护等多项功能，使系统工作性能进一步提高。电感储能式无触点电子点火系统中，点火线圈的作用仍为储能和变压。确定点火顺序的任务仍由分电器完成。点火提前角随转速和负荷的调节仍由分电器总成上的离心式和真空式点火提前装置保证。此外，因分电器轴随配气机构凸轮轴同步旋转，且与曲轴之间有确定的相对位置，分电器轴转角位置能准确地反映出活塞在气缸中的位置，所以点火信号发生器一般仍装在分电器内（分火头下方），也有个别发动机直接装于配气机构凸轮轴前端或后端。无触点电子点火系统的基本特点，是采用各种形式的点火信号发生器（或叫传感器）来代替断电器触点，由信号发生器产生触发或控制点火的信号，经过点火器内的放大等电路，最后控制点火器内大功率晶体管的导通和截止，达到控制点火线圈一次电流通断的目的。1．磁感应式电子点火系统磁感应式电子点火系统又称为磁脉冲式或磁电式电子点火装置，这种系统结构简单，性能可靠，已在国内外普遍使用。日本丰田轿车、国产切诺基吉普车、CA1092型载货汽车和EQ1090型载货汽车等均装有该类型点火装置。下面以日本丰田(Toyota)汽车20R型发动机所装用的无触点式磁感应电子点火系统为例加以说明。丰田车无触点式磁感应电子点火系统主要由磁感应式点火信号发生器、点火器、分电器、点火线圈、火花塞等组成，如图4-18所示。该点火系统的分电器中仍保留了传统的配电器、离心点火提前机构和真空点火提前机构。图4-18磁感应式无触点电子点火系统电路图1-点火信号发生器2-点火器3-分电器4-火花塞5-点火线圈书上指示位置有误现将其信号发生器和电子点火装置的工作过程分析如下：(1)信号发生器其功用是产生信号电压，控制点火装置的工作。它装在分电器内的底版上，主要由装在分电器轴上的信号转子、永久磁铁、铁心（支座）、和绕在铁心上的传感线圈等组成。信号转子由分电器轴驱动，转子上的凸齿数与发动机气缸数相等。如下图所示。1-信号转子2-永久磁铁3-铁心4-磁通5-传感线圈6-空气隙磁感应点火信号发生器是利用电磁感应原理工作的。当通过传感线圈的磁通发生变化时，在传感线圈内便产生交变电动势，它相当于一个极小的发电机。其永久磁铁的磁路(图4-19)是：永久磁铁N极→空气隙→信号转子→空气隙→铁心（通过传感线圈）→永久磁铁S极。当发动机未转动时，信号转子不动，通过传感线圈的磁通没有变化，传感线圈不产生电动势，因而无信号输出。当发动机转动时，信号转子便由分电器轴带动旋转，这时信号转子的凸齿与铁心间的空气隙将发生变化，使通过传感线圈的磁通发生变化，因而在传感线圈中便产生感应电动势。信号发生器的结构原理如图4-20所示。图4-20磁感应式信号发生器工作原理具体工作过程如下：当发动机工作时，信号转子便由分电器轴带动旋转，这时信号转子的凸齿与铁心间的空气隙将发生变化，使通过传感线圈的磁通发生变化，在传感线圈内便产生交变电动势。对于六缸发动机，转子每转一转，磁路的磁通Φ出现六次最大值和六次最小值，同时在线圈中感应出相应的电动势，其磁通和感应电动势的波形变化如图4-21所示。图4-21传感线圈中的磁通密度及感应电动势如图4-20a所示，当信号转子的两个凸齿中央正对铁心的中心线时，磁路中凸齿与铁心间的空气隙最长，通过传感线圈的磁通最小，且磁通变化率为零（图4-21中的A点）。如果信号转子顺时针转动，信号转子的凸齿逐渐接近铁心，凸齿与铁心间的空气隙越来越小（即磁阻逐渐变小），则穿过传感线圈的磁通逐渐增大，于是在传感线圈中便产生感应电动势。根据楞次定律，其感应电动势的方向总是阻碍磁通的增长，其大小与磁通的变化率dΦ/dt成正比。此时的磁通和感应电动势如图4-21所示(AB段)。当信号转子凸齿的齿角与铁心边缘相对时，如图4-20b所示，通过传感线圈的磁通将急剧增大，磁通的变化率dΦ/dt最大，则所对应的感应电动势最大（图4-21中的B点），即有正的最大值。当信号转子转过图4-20b所示位置后，虽然磁通仍在增大，但磁通变化率降低（图4-21中的BC段）；当信号转子的凸齿正好与铁心对正时，如图4-20c所示，转子凸齿与铁心间空气隙最小，穿过传感线圈的磁通最大（即磁阻最小），此时磁通的变化率dΦ/dt=0，故传感线圈中的感应电动势亦为零（图4-21中的C点）。信号转子继续旋转，转子凸齿逐渐转离铁心对正位置，转子凸齿与铁心间的空气隙越来越大，