发动机点火系统

发动机点火系统

一、概述

发动机点火方式有炽热点火、压缩着火和电火花点火三种，柴油机用压缩着火，汽油机一般采用电火花点火。

1、对点火系统的要求

点火系统应在发动机各种工况和使用条件下，保证可靠而准确的点火。为此，点火装置应满足下列三个基本要求

1．能产生足以击穿火花塞电极间隙的高压电

实践证明，汽车发动机在满负荷低速时需8~10kV的高压，启动时则常需9~17kV的高压，正常点火一般在15kV以上，为了保证点火可靠，考虑各种不同因素的影响，点火高电压必须有一定的储量，所以点火装置产生的电压一般在15~20kV之间，而且高电压的升值要快。

2．火花塞应具有足够的能量

要使混合气可靠点燃，火花塞产生的火花应具有一定的能量，发动机正常工作时，由于混合气压缩终了的温度已接近其自燃温度，因此所需的火花能量很小（1~5MJ）。蓄电池点火系统能发出15~50 MJ的火花能量，足以点燃混合气。但在发动机启动、怠速运转以及节气门急剧打开时，则需较高的火花能量。

启动时，由于混合气雾化不良，废气稀释严重，电极温度低，故所需的点火能量最高。另外，为了提高发动机的经济性，当采用空燃比α=1.2~1.25的稀混合气时，由于稀混合气难于点燃，也需增加火花能量。考虑上述情况，为了保证可靠点火，火花塞一般应保证有50~80MJ 的点火能量，启动时应产生大于100MJ的火花能量。

3．点火时刻应适应发动机的工作情况

因为混合气在发动机的气缸内从开始点火到完全燃烧需要一定的时间（千分之几秒），所以要使发动机产生最大的功率，就不能在压缩行程终了活塞行至上止点才点火，而是需要适当提前一些。

因为发动机气缸的多少，负荷的大小，转速的变化，燃油品质的不同，即是同一发动机由于工况和使用条件的不同等等，都直接影响气缸内混合气的点火时间，为了使发动机能发出最大工功率，点火装置必需适应上述情况的变化实现最佳点火。

2、点火系统的分类

按照点火系统的组成和产生高压的方式不同，发动机的点火系统分为：传统点火系统、半导体点火系统、微机控制点火系统以及磁电机点火系统。

1）．传统点火系统

2）．半导体点火系统

3）．微机控制点火系统

4）．磁电机点火系统

二、传统点火系统组成与工作原理

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、配电器、火花塞等组成，如图9-3所示。

（1）电源电源为蓄电池和发电机，供给点火系统所需电能，标称电压一般是12V。

（2）点火开关点火开关的作用是接通或断开点火系统初级电路。

（3）点火线圈点火线圈即变压器，其功用是将蓄电池12V的低压电变为15~20kV的高压电。

（4）配电器配电器的功用是接通和切断低压电路，使点火线圈及时产生高压电，按发动机各气缸的点火顺序送至火花塞；同时可调整点火时间。

（5）电容器减小断电器的火花，防止触点烧蚀，延长其使用寿命，同时加速点火线圈中磁通的变化速率，提高点火高电压。

（6）火花塞其功用是将高压电引入燃烧室产生电火花，点燃混合气。

（7）高压导线用以连接点火线圈至配电器中心电极和配电器旁电极至各缸火花塞。

图9-3 传统点火系统的组成

1-点火开关 2-电流表 3-蓄电池 4-启动机 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、传统点火系统的工作原理

在传统点火系统中，由蓄电池或发电机供给12V的低压电，是借点火线圈和断电器将其转变为高电压，再通过配电器分配到各缸火花塞，使其电极之间产生电火花。其工作原理如图9-4所示。

发动机工作时，断电器凸轮在配气凸轮轴的驱动下也随之旋转。凸轮旋转时，交替地将触点闭合和打开。

在点火开关（SW）接通的情况下，当触点闭合时，初级绕组中有电流流过（初级电流I1

用实线表示），电流从蓄电池正极→点火开关SW→点火线圈“+开关”接线柱→附加电阻→“开关”接线柱→点火线圈的初级绕组→“-”接线柱→断电器触点→搭铁→蓄电池负极。

初级电流在线圈的铁芯中形成磁场，经过一定时间后，当凸轮将触点打开时，初级电路被切断，初级电流消失，它所形成的磁场也随之迅速变化，在两个绕组中都感应出电动势。由于次级绕组的匝数多，因而在次级绕组内就感应出15~20kV的电动势，它足以击穿火花塞的电极间隙，产生火花点燃混合气。

高压电流（I2用虚线箭头表示）的回路为：次级绕组→“开关”接线柱→附加电阻→“+开关”接线柱→点火开关→电流表→蓄电池→搭铁→火花塞旁电极、中心电极→配电器（旁电极、分火头）→次级绕组。

配电器轴每转一圈，各缸按点火顺序轮流点火一次。

由上述可知，在点火系统中有两个电路：初级电流I1流经的电流为低压电路，而高压电流I2流经的电路为高压电路。

发动机工作时，上述过程周而复始的重复着，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。

图9-4 传统点火系统的工作示意图

3、传统点火系统各组件的构造

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。常用的点火线圈分为开磁路点火线圈和闭磁路点火圈两种形式。

（1）开磁路点火线圈

开磁路点火线圈是利用电磁互感原理制成的。其结构主要由硅钢片叠成的铁芯上的初级线圈和次级线圈、壳体及其外的附加电阻等组成。开磁路点火线圈有两接线柱式和三接线柱式之分（图9-6）。

（a）两接线柱式（b）三接线柱式

图9-6 开磁路点火线圈

1-瓷杯 2-铁芯 3-初级绕组 4-次级绕组 5-钢片 6-外壳 7-“-”接线柱 8-胶木盖 9-

高压线接柱

10-“+”或开关接线柱 11-“+开关”接线柱 12-附加电阻

图9-7 开磁路点火线圈的磁路

l-磁力线 2-铁芯 3-初级绕组 4-次级绕组 5-导磁钢片

（2）闭磁路点火线圈

闭磁路点火线圈，将初级绕阻和次级绕组都绕在口字形或日字形的铁芯上。初级绕组在铁芯中产生的磁通，通过铁芯构成闭合磁路。图9-8是闭合磁路点火线圈及磁路示意图。

（a）

（b）（c）图9-8 闭磁路点火线圈及磁路示意图

（a）日字形铁芯的点火线圈（b）日字形铁芯的磁路（c）口字形铁芯的磁路1-铁芯 2-低压接线柱 3-高压插孔 4-初级绕组 5-次级绕组

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，可达75%（开磁路式点火线圈只有60%）。并且闭磁路式点火线圈采用热固性树脂作为绝缘填充物，外壳以热熔性塑料注塑成型，其绝缘性、密封性均优于开磁式点火线圈。体积小，可直接装在配电器盖上，不仅结构紧凑，又省去了点火线圈与配电器之间的高压导线，并可使次级电容减小，故已在电子点火系统中广泛采用。

2）．配电器

配电器由断电器、配电器、电容器和点火提前机构等组成，如图9-9所示。配电器的壳体由铸铁制成，下部压有石墨青铜衬套，配电器轴装在机油泵的顶端，利用速比1∶1的斜齿轮由凸轮轴经机油泵驱动。轴在衬套内旋转，用油杯进行润滑。

图9-9 配电器原结构

（a）整体构造（b）内部构造

1-配电器盖 2-分火头 3-凸轮 4-触点及断电器底板总成 5-电容器 6-轴节 7-油杯 8-真空提前机构 9-配电器壳体10-活动底板 11-偏心螺钉 12-固定触点与支架 13-活动触点臂 14-接线柱 15-拉杆 16-膜片 17-真空提前机构外壳 18-弹簧 19-螺母 20-触点臂弹簧片 21-油毡及夹圈

（1）断电器

（2）配电器

3）、电容器

4）、点火提前机构

配电器上装的随发动机转速和负荷的变化而自动改变提前角的离心提前机构和真空提前机构。

1）离心提前机构

2）真空提前机构

5）、火花塞

火花塞的功用是将点火线圈产生的脉冲高压电引入燃烧室，并在其两个电极之间产生电火花，以点燃可燃混合气。火花塞的结构如图9-15所示，在钢质体壳的内部固定有高氧化铝陶瓷绝缘体，在绝缘体中心孔的上部有金属杆，杆的上端有接线螺母，用来接高压导线，下部装有中心电极。金属杆与中心电极之间用导体玻璃密封，铜制内垫圈起密封和导热作用。体壳的上部有便于拆装的六角平面，下部有螺纹以便旋装在发动机气缸盖内，体壳下端固定有弯曲的侧电极。

三、点火提前

1．为什么要点火提前

点火时刻对发动机性能影响很大，从火花塞点火到气缸内大部分混合气燃烧，并产生很高的爆发力需要一定的时间，虽然这段时间很短，但由于曲轴转速很高，在这段时间内，曲轴转过的角度还是很大的。若在压缩上止点点火，则混合气一面燃烧，活塞一面下移而使气缸容积增大，这将导致燃烧压力低，发动机功率也随之减小。因此要在压缩接近上止点点火，即点火提前。把火花塞点火时，曲轴曲拐位置与活塞位于压缩上止点时曲轴曲拐位置之间的夹角称为点火提前角(spark advance angle)。

2．点火提前的影响因素

最佳的点火提前角随许多因素变化，最主要的因素是发动机转速和混合气的燃烧速度，混合气的燃烧速度又和混合气的成分、燃烧室形状、压缩比等因素有关。

当发动机转速一定时，随着负荷的加大，节气门开大，进入气缸的可燃混合气量增多，压缩终了时的压力和温度增高，同时，残余废气在气缸内所占的比例减小，混合气燃烧速度加快，这时，点火提前角应适当减小。反之，发动机负荷减小时点火提前角则应适当增大。

当发动机节气门开度一定时，随着转速增高，燃烧过程所占曲轴转角增大，这时，应适当加大点火提前角。点火提前角应随转速增高适当加大。

另外，点火提前角还和汽油的抗暴性能有关，使用辛烷值高，抗爆性能好的汽油，点火提前角应较大。，

3．点火提前角调节装置

自动调节装置：离心式点火提前调节装置

真空式点火提前调节装置

手动调节装置：辛烷值校正器

四、电子点火系

1.半导体点火系概述

蓄电池点火系工作时，断电器触点分开瞬间，会在触点处产生火花，烧损触点。当火花塞积炭时，易漏电，次极电压上不去，不能可靠地点火，产生高速缺火现象。半导体点火系克服了这些缺点，具有较强地跳火能力，使点火可靠。

半导体点火系统大体分为以下3类:

1、由电磁、红外或霍尔元器件构成的非接触式断电器组成的点火系统称为无触点点火器，其放大电路又分晶体管电路和电容放电电路两种。

2、ECU(Electronic Control Unit)控制的点火系由ECU中的微处理器根据曲轴转角传感器的信号确定点火时刻，因而它没有断电器，只有分电器，根据ECU送来的信号直接控制点火线圈初级电路的通断。

3、无分电器点火系统(Distributor-Less Ignition)是当前最先进的点火系统，曲轴传感器送来的不仅有点火时刻信号，而且还有气缸识别信号，从而使点火系统能向指定的汽缸在指定的时刻送去点火信号，这就要求每缸配有独立的点火线圈，但如果是六缸机则1，6缸、2，5缸和3，4缸分别共用一个点火线圈，即共有三个点火线圈，显然每一个点火线圈点火时，总有一个缸是空点火，检测时应注意到这一点。

无触点点火系统能使用低阻抗电感线圈，从而大幅度提高初级电流，使次级电压高达30kV以上，增强点火能量以提高点燃稀混合气的能力，在改善燃料经济性的同时也降低排气污染。无分电器点火系统完全是电子器件而无机械运动部件，彻底解决了凸轮和轴承磨损以及触点烧蚀间隙失调而引起的一系列故障。

2.信号发生器(传感器)

半导体点火系的工作原理与蓄电池点火系工作原理基本相同，只是半导体点火系与蓄电池点火系产生高压的方法不同，它利用了一些半导体元件替代了蓄电池点火系中的断电器，产生脉冲信号点火。例如，在无触点半导体点火系中使用了点火发生器（传感器）代替了断电器，常用的传感器有霍尔式、电磁式和光电式。

1.霍尔式传感器:由信号盘叶片、永久磁铁、霍尔芯片及霍尔传感器槽等构成。当叶片从槽中移出时，点火线圈初级线圈由导通状态变为断路状态，使次级线圈产生高电压。

2.电磁式传感器：由转子和线圈组成。转子固定在分电器轴上，线圈固定在分电器壳体上。永久磁铁的磁力线经转子、线圈、托架构成封闭回路，转子旋转时，由于转子凸起与托架间的磁隙不断变化，通过线圈的磁通也不断变化，线圈中便产生感应电压，并以交流形式输出。在实用结构中，常将发动机转速和曲轴位置传感器一同装于分电器上，使用复合转子和耦合线圈。

3．光电式传感器：主要由发光二级管、光敏二级管、遮光盘和控制电路组成。发光二级管和光敏二级管位置相对，分别位于遮光盘两侧。遮光盘固定在凸轮轴上，与凸轮轴一同旋转。当遮光盘挡住发光二级管的光线时，光敏二级管截止，控制电路输出低电平。当缝隙对准发光二级管与光敏二级管时，光线照射到光敏二极管上，控制电路输出高电平。凸轮轴转一周，由360条缝隙所控制的电路将输出360个脉冲信号，此信号作为向电脑输入的转速信号。

3.电子点火器

电子点火器是电子点火系的核心，其基本作用是将点火脉冲发生器的信号放大，以控制初级回路的通断状态。此外，有些系统还对初级回路的闭和角和初级电流进行控制，并设有初级回路自动切断功能，以防止点火线圈在停车时长期通电而损坏。图8-22是一个简化的电子点火器的内部原理图。此电路与电磁式传感器配合使用。主要包括四个部分：稳压部分A、脉冲整形部分B、通电角控制部分C、复合管输出级D。

图8-22

现在为了增加点火器的可靠性、减小体积以及增加控制功能，一般点火器的内部电路采用厚膜电路技术，将大规模集成电路IC及其外围元件和大功率三级管作在一个厚膜电路上，大大提高了点火控制器可控制功能。

4.点火系统的微机控制

电子控制单元(ECU)是点火系统的核心。它根据发动机各种传感器信号经过计算求出最佳点火时刻和初级线圈通电时间，并在适当时候给发火器发出点火信号。CPU首先据转速信号和吸气量求出基本的点火提前角。再根据水温、起动信号、车速信号、空调开关等对基本点火提前角进行修正，主要包括暖机修正、过热修正、怠速稳定性修正及爆震修正。ECU通过控制初级回路的断电时间来实现通电时间的控制。