发动机点火系统设计要点

专业实践报告

课题名称汽车电子点火系统

（2012 年秋季学期）

学院交通与机械工程学院

专业交通运输

班级交通09--1班

姓名杨冬冬

指导教师关醒权刘伟东

2013 年 1 月11 日

汽车电子点火系统

1.设计方案说明

1.1本课题研究的背景、目的和意义

桑塔纳2000型轿车采用的是带分电器式的电子点火系统，其突出特点是将点火系统与燃油喷射系统复合在一起，由一个电控单元(ECU)来控制，结构简单工作可靠。同时，也存在点火控制器故障、霍尔传感器损坏分电器盖、分火间破裂漏电、火花塞间隙增大，烧蚀严重，积油积碳过多等问题，存在一定的改进空间。学校考虑到机械类本科毕业生完全有能力对汽车点火系统的结构进行设计和验证，故提出了本课题的研究。

本课题的研究着重于使机械类本科毕业生以四年来所学的专业理论知识，结合一些课外参考文献，独立设计适用于桑塔纳2000型轿车的点火系统，培养学生独立思考、解决问题的能力和思维创新能力与实践能力，使其理论结合实际，学以致用，为以后走上工作岗位打好坚实的基础。

1.2 设计题目简介及其要求与目标

1.2.1桑塔纳2000型轿车点火系统

桑塔纳2000型轿车采用的是带分电器式的电子点火系统，主要由点火线圈、分电器、火花塞。带抗干扰元件的链接插座，爆燃传感器，点火导线等组成，结构简单，工作可靠，使用和维修比较方便。

1.2.2桑塔纳2000型轿车点火系统所要达到的效果及技术要求

点火系统的基本功用是在发动机各种工况和使用条件下，在气缸内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合气，使发动机作功。

（1）能产生足以击穿火花塞两电极间隙的电压

使火花塞两电极之间的间隙击穿并产生电火花所需要的电压，称为火花塞击穿电压。火花塞击穿电压的大小与电极之间的距离(火花塞间隙)、气缸内的压力和温度、电极的温度、发动机的工作状况等因素有关。火花塞间隙越大，电极周围气体中的电子和离子距离越大，受到电场力的作用越小，越不容易发生碰撞的电离，一次要求具有较高的击穿电压方能点火；气缸内的压力越大或者温度越低，所要求的火花塞击穿电压越高；电极的温度对火花塞击穿电压也有影响，当火花塞的电极温度超过混合气的温度时，击穿电压可降低30%～50%。试

验表明，发动机正常运行时，火花塞的击穿电压为7～8kV，发动机冷起动时达19kV。为了使发动机在各种不同的工况下均能可靠地点火，要求火花塞击穿电压应在15～20kV。

（2）电火花应具有足够的点火能量

为了使混合气可靠点燃，火花塞产生的火花应具备一定的能量。发动机工作时，由于混合气压缩时的温度接近自燃温度，因此所需的火花能量较小(1～5mJ)，传统点火系统的火花能量(15～50mJ)，足以点燃混合气。但在起动、怠速以及突然加速时需要较高的点火能量。为保证可靠点火，一般应保证50～80mJ的点火能量，起动时应能产生大于100mJ的点火能量。

（3）点火时刻应与发动机的工作状况相适应

首先发动机的点火时刻应满足发动机工作循环的要求；其次可燃混合气在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，就不应在压缩行程终了(上止点)点火，而应适当地提前一个角度。这样当活塞到达上止点时，混合气

已经接近充分燃烧，发动机才能发出最大功率。

以上是点火系统设计应满足的基本要求，还有一些例如工作可靠、使用寿命长、便于拆装等要求也是应该在设计中考虑到的。

2.设计方案分析

2.1 设计方案陈述

2.1.1总体陈述

本方案采用了无触点电子点火系统，主要由点火信号发生器(传感器)、点火控制器、点火线圈（两个）、分电器、火花塞等组成。其中分电器主要包括点火信号发生器、配电器和离心提前装置、真空提前装置，它们的作用、结构和工作原理与传统点火系统对应部分完全相同。点火信号发生器采用霍尔效应式点火信号发生器。

点火系统总体示意图如图所示。

2.1.2各部分零件陈述

（1）点火线圈

1-绝缘座；2-铁芯；3-初级绕组；4-次级绕组；5-导磁钢套；6-外壳；7-“—”接线8-胶木盖；9高压线接头；10-“+开关”接线柱；11“+”接线柱；12-附加电阻点火线圈是将蓄电池或发电机输出的低压电转变为高压电的升压变压器，它由初级绕组、次级绕组和铁心等组成。按其磁路的形式，可分为开磁路点火线圈和闭磁路点火线圈两种。开磁路点火线圈根据低压接线柱数目的不同，分为两接线柱式和三接线柱式两种。本设计方案采用的是三接线柱式开磁路点火线圈。

（2）绕组

绕组是点火线圈的核心部分，主要由初级绕组、次级绕组以及铁芯组成。绕组的作用是将利用磁通量的变化，对初级绕组产生的低压电进行增压，为火花塞提供足够能量的高压电。其示意图如图所示.

L1：初级线圈；L2：次级线圈

（3）火花塞

火花塞的作用是把点火线圈产生的高压电（1万伏特以上）引入发动机气缸，在火花塞电极的间隙之间产生火花点燃混合气。火花塞的工作环境极为恶劣。桑塔纳2000型轿车发动机为四冲程中低速汽油机，在进气冲程时气缸温度只有60℃，压力90KPa；而在点火燃烧时，温度会瞬间上升至2200～2800K，压力达到4MPa；这种急冷急热的交替频率很高，不是一般材料所能应付得了，还要保证绝缘性能，因此火花塞的材料要求很苛刻。

火花塞由绝缘体和金属壳体两大组成部分：金属壳体带有螺纹，用于拧入气缸；在壳体内装有绝缘体，它里面贯通一根中心电极、中心电极上端有接线螺母，连接从分电盘过来的高压电线；在壳体的下端面焊有接地电极，即侧电极。火花塞中心电极与侧电极之间的间隙，称为火花塞间隙。火花塞间隙对火花塞及发动机的工作性能均有很大影响。间隙过小，火花微弱，并容易产生积炭而漏电；间隙过大，火花塞击穿电压增高，发动机不易起动，且在高速时容易发生“缺火”现象。因此，火花塞间隙的大小应适当。在火花塞间隙一般为0.6～1.0mm，火花塞间隙的调整可扳动侧电极来实现。

中心电极要求具有良好的耐高温、耐腐蚀性能，所以一般多用镍锰合金制成。为了提高耐热性，本设计方案采用镍包铜作为电极材料。

火花塞关键部分是绝缘体，如果绝缘体不起作用，高压电就会“抄小路”而不经两极入地，造成无火花现象。火花塞的绝缘体必须要有良好的机械性能和耐高电压、耐高温冲击，耐化学腐蚀的能力。本设计方案绝缘体采用以氧化铝为基础的陶瓷做成。

为了与桑塔纳2000型轿车的发动机匹配，火花塞设计规格为M14×1.25。火花塞间隙和火花塞绝缘体群部长度将在计算部分详细叙述。

火花塞结构如图所示。

（4）分电器

分电器结构如下图所示

（1）霍尔传感器

1-抗干扰屏蔽罩，2-分电器盖，3-分火头，4-防尘罩，5-分电器盖弹簧夹

6-分电器轴，7-转子，8-真空点火提前调节装置，9-霍尔传感器预托架总成

10-离心点火提前调节装置，11-分电器外壳，12-密封圈，13-斜齿轮

点火系统用霍尔传感器的结构如图所示，主要有触发叶轮、霍尔集成块、带导板的永久磁铁等组成。触发叶轮装在转子轴上，叶轮上制有叶片（在霍尔点火系统中，叶片数与发动机气缸数相等）。触发叶轮上部和下部均用卡环锁定，轴向用定位销与转子轴定位。当触发叶轮随转子轴一同转动时，叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动。

霍尔集成电路由霍尔元件、放大电路、稳压电路、温度补偿电路、信号变换电路和输出电路等组成。霍尔元件用硅半套题材料制成。霍尔传感器线束插头有三根引出导线，并用连接器与点火控制器电路连接。在连接器插座上标有相应引线端子的标记“+”、“0”、“-”。“+”端子为电源端子，“0”端子为信号输出端子，“-”端子为搭铁端子。

霍尔传感器的工作原理如图2-3所示，当发动机转动时，配气凸轮轴便通过中间轴驱动分电器轴转动，分电器轴托盘上离心提前装置的弹簧便通过凸轮带动转子轴转动。触发叶轮的叶片便在霍尔集成电路与永磁铁之间转动。

当触发叶片1进入气隙a时，霍尔集成电路中的磁场便被叶片旁路，如下左图图所示，霍尔电压为零，集成电路输出级的三极管截止，传感器输出的信号电压为高电平，此时点火线圈一次绕组的电流将被接通。

当触发叶轮的叶片1离开气隙a时，永久磁铁3的磁通便经导磁钢片5和霍尔集成电路2构成回路，如下右图所示，此时霍尔元件产生霍尔电压（约为1.9—2.0V），集成电路输出级的三极管导通，传感器输出的信号电压为低电平，使点火线圈的一次电流被切断，二次绕组中将感应出高电压。

霍尔传感器工作原理

a）触发叶片进入气隙，霍尔元件中的磁场被旁路

b）触发叶片离开气隙，霍尔元件的磁场饱和

1-触发叶轮的叶片 2-霍尔集成电路 3-永久磁铁

4-铸塑填料 5-导磁钢片 a-气隙

霍尔信号发生器的优点主要有：1、工作可靠性搞，霍尔信号发生器无磨损部件，不受灰尘、油污的影响，无调整部件，小型坚固，寿命长。2、发动机起动性能好，霍尔信号发生器的输出电压信号与叶轮叶片的位置有关，但与叶轮叶片的运动速度无关。也就是说它与磁通变化的速率无关，它与磁感应信号发生器

2.2磁感应式无触点点火系统电路图

2.3点火信号发生器的工作原理

点火信号发生器示意图

点火信号发生器1装在分电器内，它是由分电器轴带动的信号转子1，永久磁铁4，铁芯3和绕在铁芯上的传感线圈3组成组成，其功能是产生信号电压，控制点火。信号转子1的凸齿数与发动机的气缸数相同。永久磁铁4的磁通由N极经信号转子1的凸齿，铁芯3，S极构成回路。点火开关闭合后，发动机尚未尚未转动时，信号转子不动，无信号输出。但当发动机在起动机的驱动下转动时，信号转子便由分电器轴驱动旋转，这时信号转子的凸齿与铁芯间的间隙将发生变化，使得通过传感线圈的磁通量发生变化，因而在传感线圈2内产生交变电动势，其大小与磁通的变化速率成正比，方向是阻碍磁通的变化，变化规律如下图所示。

如上图所示当转子从曲线的c位置时，转子凸齿渐渐离开铁芯，凸齿与铁芯间的间隙越来越大，磁通量越来越少。当转到铁芯位于信号转子两个凸齿之间的某一个位置时，磁通量减少的速率最大，线圈的感应电动势最高。此后磁通量减少的速率变慢，感应电动势下降。

由此可见当信号转子不转动时，，现圈内感应电动势的大小和方向便不断的发生交替变化，因而线圈两端输出的是交变信号，且信号转子没转一周产生六次交变信号，将该信号输入给点火器便可控制点火系统工作。

2.4设计方案分析

以上方案基本上满足了设计题目的要求，其设计上存在着一定的优缺点。以下将从其各个零件及其安装配合进行分析。

2.4.1 点火线圈

三接线柱式点火线圈的主要优点是工作可靠，结构简单，成本较低，维修与拆装方便。主要缺点是铁芯的上部和下部的磁力线从空气中穿过，泄露的磁通量多，转换效率较低。2.4.2 火花塞

本设计方案采用的是单极火花塞。对于单极火花塞而言，中心电极与侧电极之间的间隙，对于火花塞的性能是有影响的。在升压线圈不变的情况下，火花塞之间电极之间的间隙越大，电极之间的空气就越不容易被击穿。但一旦击穿产生的电弧能量也更大。在发动机低速运转的时候，气缸内的空气流速慢，电极之间的空气比较容易被击穿，因此产生的较大的电弧适合发动机低速扭矩输出。但较大的间隙在高速时会遇到麻烦。由于高速时气缸内的混合气流流速快，电极之间的空气被击穿产生电弧的概率会降低。这种没有成功产生电弧的概率被称作失火率，间隙较大的火花塞失火率较高，会影响发动机高速动力输出。那么反之，较小的电极间隙性能刚好相反，低速时点火能量相对较小，但高速时失火率低。

2.4.3 分电器

本设计方案采用的是霍尔效应式点火信号发生器。霍尔效应式点火信号发生器与磁脉冲式点火信号发生器相比，优点是性能稳定，耐久性好，寿命长，点火精度高，且不受温度、灰尘、油污等的影响，特别是输出的电压信号不受发动机转速的影响，使发动机低速点火性能良好，容易启动。缺点是成本较高。

3.设计总结

经过这一个多月来的设计，从刚开始的不知如何下手到现在对点火系统的了解，经历了一番周折，发现了我在知识上存在的空缺，同时也发现了老师叫我们做这个的必要性，尽管自己费了很多周折，但是不管从知识上还是思想上学到了不少，是自己更上一层楼，对发动机的无触点点火系统有了很深的了解，与传统的机械式触点分电器相比，霍尔效应式无触点点火装置，点火正时精度高，耐久性好同时不受温度，湿度，灰尘，油污的影响，不需要保养与维护，使用寿命长是一种新型的点火系统。我认为，在这次的设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在设计的过程中，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

参考资料

[1]. 张月相.《电子点火系统与检修》. 黑龙江科学技术出版社，1996

《电子点火系统与检修》系统地介绍了汽车设计理论与计算方法，包括整车及底盘各主要总成设计所需要的基本知识。其内容有汽车总体设计，离合器、变速器、万向传动轴、驱动桥、悬架、转向系和制动系等各总成设计应满足的要求、结构方案分类与分析、主要参数及零部件载荷的确定、强度计算方法、主要结构元件分析、最新设计方法及其在汽车设计中的应用。汽车发动机传统点火系统的点火闭合角是固定的，它不随发动机转速和蓄电池电压等参数的变化而变化，因而造成低速时点火线圈充电时间长，线圈发热，浪费电能，甚至损坏点火线圈；而在发动机高速运转时，由于充电时间短，点火能量不足，使发动机燃烧不充分，排污量大，甚至出现高速缺火现象。另外，传统点火系统还存在触点易烧蚀、起动性能差等缺点。无触点电子点火系统可以实现闭合角自动控制功能和限流。它能根据发动机转速、蓄电池电压变化及点火线圈特性来调整点火闭合角，以保证点火线圈的电流在发动机工作转速范围内达到最佳值（恒流）。另外，电子点火系统还具有传统点火系统无法实现的过电压保护、停车断电保护、钳位保护及反接保护等功能。目前我国轿车上采用的无触点电子点火系统的点火控制电路，即点火模块，都是采用进口专用点火集成电路芯片和相应外围电路，通过厚膜封装工艺生产而成的。近年来在研究分析国外专用点火集成电路特性的基础上，设计出了用电压比较器构成的点火控制电路。该控制电路适用于霍尔效应式无触点电子点火系统，其功能与进口专用点火集成电路功能相近。以双色形式来突出教材重点，并随书配备教学光盘。为高等院校汽车工程类（车辆工程、汽车车身设计、汽车服务工程、汽车运用与维修等）专业教材，也可作为高职高专、职大、成教等汽车工程类专业教材，并可供汽车工业部门、汽车运输部门的工程技术人员参考，还可供具有中等以上文化和科技理论基础的汽车修理工及驾驶员参考。由于我国汽车工业基础还较薄弱，在电子化程度上与国外先进水平相比，还存在较大的差距。国内主机厂需求的计算机控制的点火系统，大多来自于进口或德国博世公司及美国德尔福公司等在华办的合资企业。 3.4.2 目前国内外在电子点火领域的研究发动机经生产出来后,对其性能影响最大的可控因素主要有两个其一是空燃比,其二是点火提前角。点火系统的工作对发动机的性能有着决定性的影响,它直接影响燃烧过程的质量,从而影响发动机的动力性、经济性、排放污染及工作稳定性。因而,人们对发动机点火系统的研究一天也没停止。电子点火系统的发展趋于多样化,目前日本国内的点火系统可分成多种类型,并还会增多。人们对电子点火系统的研究也越来越多样化。近几年国外研究情况,如日本有人研究点火电极形状,利用涡流进行多重多点点火也有人采用反馈控制方式,研究了可求出火花点火发动机的最佳点火定时和曲轴转角的热力学模型〔还有人研究了发动机中火花塞位置的最佳化问题〕。在英国

等研制了轨型火花塞,火花塞由封人枪筒形空腔的两根平行电极“轨道”组成,利用电极间等离子电弧点火。近几年国内研究情况：1.黄佐华研究了运转参数对火花点火发动机未燃排放的影响,得出提高转速、燃用较稀混合气、适当推迟点火、提高润滑油温度,可降低排放浓度2.有人将三维点火定时图分解为点火定时-发动机转速和点火定时-节气门开度两个二维关系曲线处理,研究点火定时特性3.也有人在研究点火线圈控制与喷油器控制的定时关系与正时优化,以及对缸内混合气浓度分布与燃烧过程的影响4.还有人在研究电极形态对点火与燃烧过程的影响。

[2].余志生.《汽车理论》.机械工业出版社，本书为全国高等学校机电类专业教学指导委员会汽车与拖拉机专业小组制订的规划教材，并于“九五”期间被教育部立项为“普通高等教育‘九五’部级重点教材”和“面向21世纪课程教材”，于“十五”期间被教育部立项为“普通高等教育‘十五’国家级规划教材”。

本书根据作用于汽车上的外力特性，分析了与汽车动力学有关的汽车各主要使用性能：动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性及通过性。各章分别介绍了各使用性能的评价指标与评价方法，建立了有关的动力学方程，分析了汽车及其部件的结构形式与结构参数对各使用性能的影响，阐述了进行性能预测的基本计算方法。各章还对性能试验方法作了简要介绍。另外，还介绍了近年来高效节能汽车技术方面的新发展。本书为学生提供了进行汽车设计、试验及使用所必需的专业基础知识。

本书是高等院校车辆工程专业本科教材，也可作为工厂、研究院所从事汽车设计、试验及使用的工程技术人员的参考书。

[3].Reza.N.Jazar.《Vehicle Dynamics: Theory and Application》 .Springer-Verlag New York Inc.，1st ed. 2008. Corr. 3rd printing 2009

本书系统地阐述了车辆的第阿诺系统的组成和设计过程。并且重点分析了汽车的点火系统地各部分零件以及个零件的重要组成，而且还丰富了我有关于汽车的其他内容，内容包括车辆随机振动基础；车辆的路面随机激励时域、频域模型，整车及悬架系统动力学模型；车辆的动力学响应、控制及评价；车辆非线性、非平稳行驶动力学以及多体动力学；车辆结构在随机载荷作用下的随机疲劳。本书是根据作者多年的教学和科研成果撰写，在介绍理论的同时结合应用实例，有助于读者的全面理解，具有很强的实用性。