第5章-点火系统--汽车电气设备

汽车电气设备配套教材信息教材名称：汽车电气设备（第2版）教材主编：凌永成教材定价：38RMB出版社：北京大学出版社出版时间/版次：2010年3月第2版国际标准书号（ISBN）：978-7-301-16916-2教材所属系列：21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材第5章点火系统5.1点火系统概述5.1.1点火系统基本组成汽油发动机点火系统的作用是适时地为发动机气缸内已压缩的可燃混合气提供足够能量的电火花，使发动机能及时、迅速地起动并连续运转。图5-1点火系统基本结构5.1.2汽油发动机连续运转（正常着车）的必备条件为使汽油发动机连续运转（正常着车），必须具备“有油、有电、有压缩”这三个基本条件。（1）进入气缸的可燃混合气浓度必须适宜，既不能太浓，也不能太稀。（2）点火系统必须在正确的点火时刻进行点火，且电火花要足够强烈。（3）在压缩行程接近终了时，燃烧室内要有较高的压缩压力。5.1.3对点火系统的基本要求点火系统性能好坏对发动机的工作有十分重要的影响。点火系统应在发动机各种工况和使用条件下保证可靠而准确地点火。为此，对点火系统有下列要求：（1）点火系统应能产生足以击穿火花塞电极间隙的高电压。能够击穿火花塞电极间隙，在火花塞电极间产生电火花的最低电压，称为火花塞击穿电压。汽车在行驶中，发动机在满载低速时需8~10kV的高压电，正常点火一般均在15kV以上，起动时可达19kV。为保证点火可靠，点火系统所能产生的最高电压必须总是高于火花塞的击穿电压。考虑各种不利因素的影响，通常将点火装置的设计能力控制在30kV以内。（2）电火花应具有足够的点火能量。发动机正常工作时，因混合气压缩终了的温度已接近其自燃温度，这时所需电火花能量为1～5mJ即可点火。但在发动机起动、怠速运转以及节气门急剧打开时，则需较高的电火花能量。为保证发动机能在较高经济性和污染物排放指标的基础上正常工作，其可靠的点火能量应达到50～80mJ，起动时应产生大于100mJ的电火花能量。（3）点火系统应按照发动机的工作顺序进行点火。一般直列四缸发动机的点火顺序为1→3→4→2，直列六缸发动机的点火顺序为1→5→3→6→2→4。但也有采用其他点火顺序的，应以制造厂商提供的技术数据为准。（4）点火时刻应适应发动机各种工况的变化。发动机的负荷、转速和燃油品质等，都直接影响到气缸内混合气的燃烧速度。为使发动机输出功率最大、油耗最小、排放污染物最少，点火系统必须能适应各种工况的变化，在最有利的时刻点火（实现最佳点火）。点火时刻一般用点火提前角来表示，压缩行程中，从点火开始到活塞运行到上止点时曲轴所转过的角度，称为点火提前角。如果点火提前角过大（即点火过早），混合气的燃烧主要在压缩过程中进行，气缸压力急剧上升，在活塞到达上止点之前即达到较大压力，给正在上升的活塞一个很大的阻力，会阻止活塞向上运动。这样不仅使发动机功率下降，油耗增加，还会引起爆燃，加速机件损坏。如果点火提前角过小（即点火过迟），则混合气边燃烧，活塞边下行，即燃烧过程是在容积增大的情况下进行的，不仅导致发动机功率下降，还会引起发动机过热，油耗增加。一般把发动机发出最大功率或油耗最小时的点火提前角，称为最佳点火提前角。发动机在不同工况和不同使用条件下最佳点火提前角也不相同，影响最佳点火提前角的主要因素有：①发动机转速。点火提前角应随转速的升高而增大，但不是线性关系。②发动机负荷。在发动机转速不变的情况下，发动机的点火提前角应随发动机负荷的增加而减小。③起动及怠速。发动机起动和怠速时，要求点火提前角减小甚至不提前点火。④汽油的辛烷值。随着汽油辛烷值的增大，点火提前角可适当增加。⑤发动机压缩比。随着发动机压缩比的增高，点火提前角可相应减小。⑥混合气的浓度。混合气的浓度直接影响燃烧速率，当过量空气系数时，燃烧速度最快，最佳点火提前角最小。过稀或过浓的混合气，由于燃烧速率降低，故必须相应增加点火提前角。9.0~8.05.1.4点火系统的发展历程1.传统点火系统传统点火系统也称蓄电池点火系统、触点式点火系统。这种点火系统具有最基本的结构，在该系统中，通过机械凸轮接通和断开触点，使点火线圈的初级电流间歇流动，从而在点火线圈次级产生点火高压，如图5-2所示。图5-2传统点火系统结构传统点火系统的断电器触点因为使用中会发生氧化、烧蚀，需要定期保养，且触点的机械惯性大，响应速度慢，因而性能不佳，已经被新型点火系统取代。2.无触点电子点火系统在无触点电子点火系统中，用信号发生器取代凸轮触点机构，利用电子控制的方法使点火线圈的初级电流间歇流动，从而在点火线圈次级产生点火高压。图5-3无触点电子点火系统结构3.电控电子点火系统在电控电子点火系统中，电控点火提前装置取代了传统的点火提前机构（真空及离心提前机构），并开始利用发动机电子控制单元控制点火提前角。图5-4电控电子点火系统结构4.无分电器点火系统无分电器点火系统简称DLI（Distributor-lessIgnition）系统。该系统使用多个点火线圈，直接向火花塞输送高电压，取消了机械式分电器结构，沿用了发动机电子控制单元控制点火提前角的方法。图5-5无分电器点火系统结构5.1.5点火系统的分类1.按照点火能量的储存方式分类①电感储能式电子点火系统（亦称电感放电式电子点火系）。在这类点火系统中，电火花的点火能量以磁场的形式储存在点火线圈中。②电容储能式电子点火系统（亦称电容放电式电子点火系）。在这类点火系统中，电火花的点火能量以电场的形式储存在专门的储能电容器中。2.按照点火信号发生原理分类①电磁感应式电子点火系统（如一汽解放车系、丰田车系）。②霍尔效应式电子点火系统（如德国大众车系）。③光电式电子点火系统（如日本日产车系）。3.按初级电路的控制方式分类①传统点火系统。传统点火系统只在早期生产的汽车上使用，现已淘汰。②电子点火系统。电子点火系统多应用于采用化油器供油的发动机上，如解放CA1092、东风EQ1091以及早期生产的普通桑塔纳、捷达、奥迪100、红旗等车型。③电控电子点火系统。目前，电控电子点火系统广泛应用于电控发动机上。4.按照高压电的配电方式分类①机械配电式点火系统（有分电器点火系统）。②计算机配电式点火系统（无分电器点火系统）。在以上各种点火装置中，相对于电容储能式点火系统而言，电感储能式点火系统应用广泛；而在电感储能式点火系统中，以电磁感应式和霍尔效应式点火系统的应用最为广泛；对于高压电的配电方式而言，有分电器点火系统在中低档车型中应用较多，无分电器点火系统在中高档车型中应用较多。总体来说，采用电子控制无分电器点火系统是汽车点火技术的发展趋势。注：限于篇幅并考虑到课程体系和认知规律，本书只讲授无触点电子点火系统。关于电控电子点火系统（包括计算机配电式无分电器点火系统）将在汽车电子控制技术课程中进行详细介绍，读者可参阅本书参考文献[2]、[3]项。5.2点火系统构造与工作原理5.2.1点火系统的工作原理1.点火系统的基本组成无触点电子点火系统一般由点火信号发生器、点火控制器、点火线圈、火花塞等组成。图5-6无触点电子点火系统组成1-电源；2-点火开关；3-附加电阻；4-点火线圈；5-分电器；6-火花塞；7-点火信号发生器；8-点火控制器2.点火系统的基本原理无触点电子点火系统的基本原理为：转动分电器使点火信号发生器产生脉冲电压信号，此脉冲电压信号经点火控制器大功率晶体三极管前置电路的放大、整形等处理后，控制串联于点火线圈初级回路的大功率晶体三极管的导通和截止。大功率晶体三极管导通时，点火线圈初级通路，点火系统储能；当输入点火控制器的点火信号脉冲使大功率晶体三极管截止时，点火线圈初级断路，次级绕组便产生高压电。在点火系统中，电源（蓄电池或发电机）供给的12V低压电，经点火线圈和点火控制器转变为高压电，再经配电器分送到各缸火花塞，使其电极间产生电火花。其工作原理如图5-7所示。图5-7无触点电子点火系统工作原理3.点火系统工作过程分析（1）大功率晶体三极管导通，初级电流增长。（2）大功率晶体三极管截止，次级绕组中产生高压电。（3）火花塞电极间隙被击穿，产生电火花，点燃混合气。火花塞电极间隙击穿以后，储存在C中的电场能首先放出。这部分由电容器储存的能量维持的放电称为“电容放电”，其特点是放电时间极短，放电电流很大。由于电火花是在次级电压达到最大值以前发生的，所以电容放电只消耗了磁场能的一部分。max2U火花塞间隙击穿以后，阻力大大减小，铁心中剩余的磁场能将沿着电离了的火花塞间隙缓慢放电，形成“电感放电”（又称“火花尾”），其特点是放电时间较长，放电电流较小，放电电压较低。实验证明，电感放电的持续时间越长，点火性能越好。发动机工作期间，点火信号发生器转子每转一周各缸按点火顺序轮流点火一次。若要停止发动机的工作，只要断开点火开关，切断初级电路即可。5.2.2点火系统的构造1.点火线圈点火线圈（Ignitioncoil）由初级绕组、次级绕组和铁心等组成。1）开磁路式点火线圈按磁路的结构形式不同，可分为开磁路式点火线圈和闭磁路式点火线圈。1-瓷杯；2-铁心；3-初级绕组；4-次级绕组；5-导磁钢套；6-外壳；7-低压接线柱负极；8-绝缘胶木盖；9-高压接线柱；10-低压接线柱正极或“开关”；11-低压接线柱“+开关”；12-附加电阻当初级电流流过开磁路式点火线圈的初级绕组时，使铁心磁化，其磁路如图5-10所示。由于磁路的上、下部分都是从空气中通过的，初级绕组在铁心中产生的磁通，需经壳体内的导磁钢套形成回路，磁路的磁阻大，漏磁较多，能量损失较大。图5-10开磁路点火线圈的磁路1-磁力线；2-铁心；3-初级绕组；4-次级绕组；5-导磁钢套2）闭磁路式点火线圈a）日字铁心的磁路分布b）口字铁心的磁路分布图5-11闭磁路点火线圈的磁路1-初级绕组；2-次级绕组；3-铁心图5-12常见的闭磁路式点火线圈与开磁路点火线圈相比，闭磁路点火线圈具有漏磁少、转换效率高、体积小、重量轻、铁心裸露易于散热等优点，故已在高能电子点火系中广泛应用。3）点火线圈的型号根据QC／T73－93的规定，国产点火线圈的型号由以下几部分组成。其中，产品代号用汉语拼音字母表示。电压等级代号：1表示12V；6表示6V。点火线圈用途代号用数字表示，具体含义见表5-1。2.分电器分电器（Distributor）由配电器、点火信号发生器和点火提前机构等组成。分电器的壳体通常用铝合金或铸铁制成，下部压有石墨青铜衬套，分电器轴由发动机曲轴直接或间接驱动。图5-14分电器1-屏蔽罩；2-分电器盖；3-分火头；4-防尘罩；5-弹簧夹；6-分电器轴；7-点火信号转子；8-真空提前装置；9-点火信号发生器；10-离心提前装置；11-分电器壳体；12-橡胶密封圈；13-驱动齿轮1）配电器配电器安装在点火信号转子的上方，由绝缘材料制造的分电器盖和分火头组成。分电器盖的中央有一高压线（中央电极）座孔，其内装有带弹簧的炭柱，压在分火头的导电片上。分电器盖的四周均布有与发动机气缸数相等的旁电极，可通过高压分线与各缸火花塞相联。分火头装在分电器轴的顶端，随分电器轴一起旋转，当点火控制器大功率晶体三极管截止（点火线圈初级电路断开）时，分火头上的导电片总是正对某一旁电极。发动机工作时，在点火线圈初级电路断开的瞬间，来自点火线圈的高压电经中央电极的炭柱、分火头上导电片，以火花形式跳到旁电极上，再经高压分线送往相应的火花塞。2）点火信号发生器常用的点火信号发生器有三种类型，分别是电磁感应式、霍尔效应式和光电式。当分电器轴转动时，点火信号发生器转子连同分火头随分电器轴一起转动。这时，即在点火信号发生器内产生反映曲轴位置的电信号，点火信号发生器将该信号送入点火控制器，以控制点火线圈产生高压电，进行点火。关于各种点火信号发生器的具体结构和工作原理将在5.3节作详细介绍。3）点火提前调节机构在分电器中一般设有两套自动调节点火提前角的装置。一套是能随发动机转速的变化自动调节点火提前角的离心式点火提前角调节装置，另一套是能按发动机负荷不同自动调节