《汽车电器与电子技术》第04章点火系统

第4章点火系统点火系统的作用是适时地为汽油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、迅速地燃烧做功。点火系的要求1．能产生足以击穿火花塞间隙的高电压;2．火花应具有足够的能量;3．点火时刻应适应发动机的工况变化.点火系统的分类：（1）传统点火系利用机械开关（即触点的闭合和打开）来控制点火线圈初级电流的通断，完成点火工作的。（2）电子点火系利用半导体器件（如晶体三极管、晶闸管等）作为开关来控制点火线圈初级电流的通断，完成点火工作。随着对汽车发动机燃油经济性和排放指标的要求越来越高，传统点火系已无法适应现代发动机的点火要求，目前已逐渐被电子点火系统所取代。4.1传统点火系4.1.1传统点火系统的组成传统点火系统主要由电源、点火开关、点火线圈、分电器、和火花塞等部分组成，如下图所示。（1）电源及点火开关电源为蓄电池和发电机，标称电压多为12～14V，其作用是供给点火系统所需的电能。点火开关的作用是接通或断开电源电路。传统点火系统的组成l—点火开关2—起动开关3—蓄电池4—起动机5—高压导线6—阻尼电阻7—火花塞8—断电器9—电容器10—点火线圈11—附加电阻12—配电器（2）点火线圈点火线圈的功用是将12V的低压电转变为15～20kV的高压电。（3）分电器分电器主要包括断电器、配电器、电容器和点火提前机构等部分。断电器的作用是用来接通或切断点火线圈初级电路。配电器的作用是将点火线圈产生的高压电按气缸的工作顺序送往各缸的火花塞。电容器与断电器触点并联，其作用是减小断电器触点分开时的火花，延长触点的使用寿命，提高次级电压。点火提前机构的作用是随发动机转速、负荷和汽油辛烷值的变化而改变点火提前角。（4）火花塞火花塞的作用是将高压电引入气缸燃烧室，产生电火花点燃混合气。4.1.2传统点火系的工作原理传统点火系是利用电磁感应原理，把来自蓄电池或发电机的12V低压电，经点火线圈和断电器转变为15～20kV的高压电，由分电器按一定规律送入各缸火花塞，击穿其电极间隙而点燃混合气。其工作原理如图所示。传统点火系统工作原理示意图传统点火系的基本工作过程：1.断电器触点闭合初级电流按指数规律增长。如图a所示。2.断电器触点打开(1)初级电流下降为0，初级绕阻产生自感电动势200—300V;(2)次级绕阻产生更高电动势，互感作用，15—20Kv;如图b中实线所示.3.火花塞电极间火花放电过程电容放电;大电流，短时间;电感放电;小电流，时间较长实验证明：电感放电持续时间越长，点火性能越好;如图c所示.4.1.3影响次级电压的因素1.传统点火系的工作特性点火系统的工作特性是指点火系统所能产生的最大次级电压U2max随发动机转速n变化的规律。即U2max=f（n）。传统点火系的工作特性从传统点火系统工作特性曲线可知：发动机转速对点火系统最高次级电压的影响很大。次级电压随转速升高而降低，是发动机高速时容易断火的原因。2.影响次级电压的其它因素（1）发动机的气缸数（2）火花塞积炭（3）电容对次级电压的影响（4）触点间隙对次级电压的影响（5）点火线圈的温度4.1.4传统点火系的构造1.点火线圈点火线圈是将电源的低压电转变为高压电的基本元件。由初级线圈、次级线圈和铁心等组成。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）开磁路式点火线圈开磁路式点火线圈的结构如下图所示。三接线柱式点火线圈的绝缘盖上有接线柱“-”、“开关”、“+开关”和高压插孔，它们分别接断电器、起动机附加电阻短路接线柱、点火开关和配电器。与两接线柱式点火线圈的主要区别是外壳上装有一个附加电阻，为固定该电阻，增加了一个低压接线柱。开磁路点火线圈a）电路原理b）结构示意图附加电阻附加电阻就接在标有“开关”和“+开关”的两接线柱上，与点火线圈的初级绕组串联。附加电阻可用低碳钢丝、镍铬丝或纯镍丝制成。具有受热时电阻迅速增大，而冷却时电阻迅速降低的特性。因此，在发动机工作时，可自动调节初级电流，改善起动和高速时的点火特性。（2）闭磁路式点火线圈传统的开磁路点火线圈中，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，铁心自身未构成回路。开磁路式点火线圈磁路的磁阻大，漏磁较多，能量损失多。闭磁路点火线圈在“日”字形铁心内绕有初级绕组，在初级绕组的外面绕有次级绕组，磁力线经铁心构成闭合磁路，为了减少磁滞现象，常设有一个很微小的空气气隙。闭磁路点火线圈的优点是漏磁少、磁路的磁阻小，因而能量损失小，能量变换率高。闭磁路式点火线圈分电器主要由断电器、配电器、电容器和点火提前机构等部分组成。2.分电器（1）配电器配电器由配电器盖和分火头组成。配电器盖内有旁电极（旁电极的数目与气缸数相等），当分火头旋转时，它上面的导电片轮流和各旁电极相对，将点火线圈产生的高压电按气缸的工作顺序送往各缸的火花塞。（2）断电器断电器由触点副和凸轮组成（凸轮的凸角数与汽缸数相等）。其作用是用来接通和断开初级电路。当触点闭合时，初级绕组中有电流流过，而当凸轮旋转使凸角顶开触点时，初级电路便被切断。（3）电容器电容器装在分电器的壳体上，它由两条铝箔或锡箔组成，一条箔带的底部与外壳紧密接触，另一条箔带则通过与外壳绝缘的导电片由导线引出。电容器工作时要承受触点打开时初级绕组产生的200～300V自感电动势，因此要求其耐压为500V。l—蜡纸2—铝箔3—外壳4—引出线（4）点火提前机构分电器上装有随发动机转速和负荷的变化而自动改变点火提前角的离心点火提前机构和真空点火提前机构。1）离心式点火提前机构离心式点火提前调节装置是在发动机转速变化时，自动改变断电器凸轮与分电器轴之间的相位关系，而改变点火提前角的。发动机转速增高时，在离心力的作用下重块克服弹簧拉力向外甩开，销钉推动拨板连同凸轮顺着原来旋转方向相对于分电器轴转过一个角度，使凸轮提前顶开触点，点火提前角增大。随发动机转速的不断提高，点火提前角不断加大。当转速超过一定值时，销钉靠在拨板长方孔的外缘上，重块不能继续甩开，点火提前角达到最大值。发动机转速继续升高，点火提前角不再增大。转速降低时弹簧将重块拉回，使提前角自动减小。2）真空式点火提前机构真空式点火提前调节装置是在发动机负荷（即节气门开度）发生变化时，自动改变断电器触点与凸轮之间的相位关系，而改变点火提前角的。工作原理如下图所示：当发动机负荷很小时，节气门开度小如图a所示，小孔处的真空度较大，吸动膜片向右拱曲，拉杆4拉动活动底板带着断电器的触点副逆分电器轴旋转方向转动一定角度，使触点提前开启，点火提前角增大；当发动机负荷加大即节气门开度增大时如图b所示，小孔处真空度减小，膜片在弹簧作用下向左拱曲，使点火提前角自动减小。真空式点火提前机构工作原理图a）节气门开度小b）节气门开度大3）辛烷选择器为了适应不同汽油的不同抗爆性能，在换用不同品质的汽油时，应适当调整点火时刻，为此在分电器上常装有辛烷选择器。其原理基本相同，即逆着凸轮旋转方向转动分电器壳体时，点火提前角增大；反之，则点火提前角减小。壳体转动的多少，一般可从刻度板上看出。3.火花塞火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电引入发动机燃烧室，在其电极间隙中产生电火花点燃混合气。火花塞的工作条件极其恶劣，它要受到高压、高温以及燃烧产物的强烈腐蚀，因此，必须具有足够的力学强度，能够承受冲击性高压电的作用，能承受剧烈的温度变化，并具有良好的热特性，并要求火花塞采用难熔耐蚀的材料，以抵抗高温燃气的腐蚀。火花塞的结构如下图所示:在钢制壳体5的内部固定有高氧化铝陶瓷绝缘体2，使中心电极与侧电极之间保持足够的绝缘强度。绝缘体孔的上部装有金属杆3，通过接线螺母与高压分线相连，下部装有中心电极10。金属杆与中心电极之间用导电玻璃6密封。中心电极用镍锰合金制成，具有良好的耐高温、耐腐蚀和导电性能。火花塞的热特性（一）当吸收和散发的热量达到平衡（实践证明，当火花塞绝缘体裙部的温度保持在500～600℃）时，落在绝缘体上的油滴能立即烧去，不形成积炭，这个温度称为火花塞的自净温度。低于这个温度，火花塞常因产生积炭而漏电，导致不点火；高于这个温度，则当混合气与炽热的绝缘体接触时，可能早燃而引起爆燃，甚至在进气行程中燃烧，产生化油器回火。火花塞的热特性（二）火花塞的热特性主要取决于绝缘体裙部的长度。绝缘体裙部长的火花塞，受热面积大，传热距离长，散热困难，裙部温度高，称为热型火花塞；反之，裙部短的火花塞，受热面积小，传热距离短，容易散热，裙部温度低，称为冷型火花塞。热型火花塞适用于低速、低压缩比、小功率发动机；冷型火花塞适用于高速、高压缩比、大功率发动机。4.2普通电子点火系统4.2.1概述1.传统点火系存在的问题火花能量的提高受到限制；触点故障多、寿命短；对火花塞积炭和污染敏感。2.电子点火装置的优点1.因为无机械触点或初级电流不经过触点，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。同时可以增大初级断电电流值，提高次级电压，有效地改善和保证点火性能。2.电磁能量得到充分利用，高电压形成迅速，火花能量大。3.减小了火花塞积炭的影响。4.点火时间精确，混合气能得到完全燃烧，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按控制点火线圈初级电流的电子元件分类晶体管点火装置；可控硅点火装置；集成电路点火装置。按点火装置有无触点分类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。按点火能量的储存方式分类电感储能式电子点火装置，其储能元件是点火线圈；电容储能式电子点火装置，其储能元件是专用的电容器。按点火提前角的控制方式分类普通电子点火系统；微机控制点火系统。4.2.2普通电子点火系统简介普通电子点火系统的主要特点是其点火提前角的控制由机械式点火提前装置完成；微机控制点火系统点火提前角的控制则由发动机电子控制单元ECU来完成，完全取代了离心式点火提前装置和真空式点火提前装置。1.电感储能式电子点火系统（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：用功率三极管代替断电器的触点，来接通和切断点火线圈的初级电流，保留了机械触点式断电器，用它来接通和切断功率三极管的基极电流。点火线圈的初级电流并不通过触点，触点仅通过微弱的、控制功率三极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。这种点火系统的优点是成本低，初级电流比传统点火系大（约8～10A），因而次级电压高，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（如原苏联的吉尔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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。2.电容放电式电子点火系统（CDl）基本特点是它用于产生电火花的能量不是以磁场的形式储存在点火线圈中，而是以电场能的形式储存在专门的储能电容中。在需要点火时，储能电容向点火线圈的初级绕组放电，几乎同时在次级绕组中感应出高压电动势，使火花塞跳火，而完成点火工作。（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（可控硅）、触发器以及点火线圈、分电器等组成，其原理如图所示：电容放电式点火系统有触点电容放电式电子点火系统的工作原理：触点闭合时，触发器发出指令信号，使可控硅关断，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