点火系统及其基本电路原理

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：点火系统是向火花塞提供高压电的装置。图5-13所示为断电器点火方式点火系统的基本电路。传统点火系统点火时刻是通过组装在分电器内的离心式和真空式点火时刻调节机构进行控制的，只能根据发动机转速和进气系统内的真空状态进行一次性控制。双火花塞点火线圈系统：是每两个气缸配备1个控制机构和点火线圈，使两个火花塞同时产生电火花的类型。

汽油机的燃烧从活塞压缩混合气且火花塞通过放电产生电火花形成火焰核开始。因此需要能放电产生电火花的20～30kV高压电。点火系统是向火花塞提供高压电的装置。

1.点火系统

汽油机的点火系统一直在不断发展，它的发展起源于1925年博世公司研发的蓄电池点火系统。

传统的点火系统由产生高压电的点火线圈、按照各气缸的点火顺序把高压电通过旋转的配电器转子向各火花塞分配高压电的分电器，以及从分电器连接到火花塞的高压线组成。最近，电控发动机的点火系统采用把点火线圈内置在火花塞内，并通过发动机控制模块（ECU）的点火信号直接点火的方式，因而取消了分电器，并且点火调节功能从点火系统被分离。

按照高压电产生的方式不同，点火系统可分为

①断电器点火方式。

②晶体管点火方式。

③电容放电点火方式。

④磁电动机点火方式。

⑤电控点火方式。

在上述点火方式中，汽车用发动机基本不采用电容放电和磁电动机点火方式，因此在本文中对传统的断电器点火方式，以及目前多采用的晶体管点火方式和电控点火方式进行说明。

（1）断电器点火方式断电器点火方式点火系统由点火线圈、分电器、断电器、真空式（或离心式）点火提前角调节器、高压线和火花塞等组成。图5-13所示为断电器点火方式点火系统的基本电路。

图5-13 断电器点火方式基本电路

此类型利用机械式触点断电器切断从蓄电池提供到初级线圈的电流时，在次级线圈上产生感应电压，能获得20k～30kV高压电。此时，初级电流与次级感应放电电压之间的关系如图5-14所示。把初期峰值电压所产生的能量称为电容性放电能量E_C，切断电压且电压下降后所产生的放电能量称为电感放电能量E_I，充放电能量E为电容分量和电感分量之和。对于放电时间，电容性放电时间约为20μs，很短，电感放电时间要长得多，约为1ms。为了着火稳定性，电容性放电能量要大，并且为了扩大着火界限，电感放电时间要长。这是因为电容性放电能量对火焰核的生成具有决定性意义，并且电感放电能量对生成的火焰成长非常有效。

图5-14 初级电流与次级感应放电电压之间的关系

这种点火方式存在断电器触点机械磨损导致的点火时刻变化、低速时产生电弧或高速时触点颤动导致的高压电能减小、触点无损导致的通电不良等缺陷，因此研发了无触点晶体管点火方式，现正成为主流。

（2）晶体管点火方式这是用晶体管替代机械式断电器的方式。其中有继续利用断电器触点的半晶体管点火方式，以及完全不用断电器的全晶体管点火方式。

全晶体管点火方式如图5-15所示，此类型利用内置在分电器（配电器）内的转子（具有与气缸数相等齿数的正时转子，曲轴每旋转两圈时转子旋转1圈），以无触点方式切断初级电流，这样即使长时间使用，也能在很大的速度范围内确保高点火能量和闭合角，因而可以获得稳定的火焰。

图5-15 全晶体管点火方式

全晶体管点火控制电路从曲轴位置传感器检测点火时刻开始，由波形滤波电路、闭合角控制电路、驱动电路、过电压保护电路和稳压电流控制电路等构成，其特征如下：

①初级线圈的电流从通电开始以指数函数的变化增加。

②次级线圈所产生的感应电压的大小由切断直前的初级电流决定，因此切断直前初级线圈电流要达到饱和电流。

③发动机高速运转时，因通电时间短，次级线圈产生的电压会降低，为此在转子形状和控制电路上充分考虑这些问题，提前通电开始角度。

④当蓄电池电压降低时，补偿通电时间长。

⑤次级线圈产生的高压电通过分电器分配到各火花塞。

⑥稳压电流控制电路监测初级线圈电流，通过驱动电路控制初级线圈电流保持在一定的水平。

具备这些功能的点火装置称为“点火器”或“点火模块”。晶体管点火方式的点火时刻调整继续沿用了传统断电器类型真空式（或离心式）点火提前角机构，但最近采用的电控点火方式是通过发动机控制模块（ECU）进行控制的。

（3）电控点火方式电控点火方式为删减全晶体管方式的离心式和真空式点火时刻调整机构，根据发动机运行状态数据由发动机控制模块（ECU）控制点火时刻的方式。还称为电控点火提前角控制（ESA）。电控点火方式需要曲轴角度（或点火时刻）检测方法，通常利用霍尔效应传感器、光电传感器等进行检测。

传统点火系统点火时刻是通过组装在分电器内的离心式和真空式点火时刻调节机构进行控制的，只能根据发动机转速和进气系统内的真空状态进行一次性控制。电控点火方式（或ESA系统）根据发动机的运行状态可以精密控制点火时刻，可以有效减少有害气体的排放量，并能有效提高燃料效率和输出功率。

电控点火方式根据把次级线圈产生的高压电分配到各火花塞的方法，分为传统的分电器方式和无分电器方式两种。无分电器方式还称为全电控点火方式或DLI（Distributor Less Ignition）。图5-16所示为有/无分电器的电控点火方式电路。

①有分电器式。如图5-16a所示，分电器把点火线圈产生的高压电通过分电器和高压线分配给各气缸火花塞，是一种机械式分配方式。随发动机旋转的分电器内转子的相对位置是通过凸轮轴连接传递的。

②无分电器式。无分电器式因没有机械式机构分电器，因而不存在机械磨损和电压分配损失，也不会产生噪声。这种方式分为1个点火线圈配备1个火花塞（气缸）和1个点火线圈配备2个火花塞的两种方式。

单火花塞点火线圈系统：是每个气缸单独配备控制机构和点火线圈的类型，因而能做到小型点火线圈直接与火花塞连接。此系统的火花塞与点火线圈集成为一体，电能损失小，不需要调整点火正时，并且取消了分电器和高压线。但为了与凸轮轴同步点火，采用了凸轮轴位置传感器。

双火花塞点火线圈系统：是每两个气缸配备1个控制机构和点火线圈，使两个火花塞同时产生电火花的类型。在两个气缸中，1个气缸处在压缩行程时，另1个气缸处于排气行程。虽然此系统具有不需要与凸轮轴同步的优点，但是有各气缸点火时刻调节范围窄的缺点。

2.点火时间控制

点火时间基本上根据发动机转速和负荷进行调节。

往复式内燃机的燃烧要在40～60℃A的位置完成，为了提高输出功率，燃烧最高压力应在ATDC10～20℃A的位置产生。影响燃烧的因素有着火延迟时间和燃烧时间（或燃烧速度）。从燃烧时间来说，虽在发动机转速上升时每1℃A的时间缩短，但在逐步增强的湍流影响下燃烧速度会加快，因此这两者之间可以互补。但是，着火延迟时间与发动机转速无关，为了补偿着火延迟时间，随发动机转速的增加，有必要提前点火时间。另外，在低负荷状态因燃烧室内的残留废气比例增加，燃烧速度会降低，因而燃烧时间会增长。因此，在低负荷运行条件下，为了保证充分的燃烧时间，应提前点火时刻。

图5-16 电控点火方式

传统点火方式中利用机械式调节机构控制了点火提前角，但电控发动机采用了通过控制模块（ECU）在全运行领域内最佳控制点火时刻的映射模型控制方式。

（1）机械式控制点火时刻的机械控制是根据发动机的转速和负荷进行调节的。机械式控制有真空方式和离心式。

①离心式提前角调节机构。是随发动机的转速进行调节的提前角调节装置。其工作原理为，离心块在离心力的作用下向外扩张时，带动凸轮转动一定量，以此提前点火时刻。怠速运行时，在复位弹簧张力的作用下，离心块被向内拉进，因此点火时刻没有提前，在设定的点火正时位置进行。

②真空式提前角机构。是随发动机负荷调节点火时刻的装置。进气系统压力随负荷发生变化，全负荷时最高，无负荷时最低。进气系统压力低时，把膜片向压缩弹簧的方向拉住，以此提前点火时刻。在全负荷运行条件下，进气系统压力高，膜片在弹簧力的作用下回到原位，在设定的点火时刻点火。

（2）映射模型控制最佳点火时间（MBT：最大制动力矩正时）是输出功率和效率最佳时的点火时间。电控发动机编程有如图5-17a所示的与发动机转速和进气系统压力相对应的点火时间映射模型，并保存在发动机控制模块（ECU）内并加以使用。发动机控制模块（ECU）以记忆的点火时间映射模型为基础，并根据发动机运行状态进行补偿确定最佳点火时间。发动机的最佳点火时间在低速、高负荷条件下延迟，在高速、低负荷条件下提前。

图5-17 点火时间控制

3.火花塞

根据发动机特性开发了很多种火花塞，但其设计基本方针是，提高稀薄混合气的点火界限，防止异常燃烧，并能提高耐久性等。

（1）构造火花塞基本上由正极（中心电极）、负极（搭铁电极）和绝缘体等构成。图5-18显示了火花塞的构造和名称。为了火花塞的点火稳定性，有时会有意设计能滞留空气的空间。

电极的材质采用能对火花塞放电和高温气体的腐蚀具有强耐腐蚀性和耐热的合金，这些材料通常使用镍铬合金，此外白金、铱金和钛金电极等也正商品化。绝缘体材料主要使用烧结瓷、陶瓷和高纯度烧结氧化铝等，航空发动机的火花塞上还使用云母绝缘体。中心电极因在其电气绝缘特性，容易过热。从火焰传递到火花塞的热量通过向上方向传递到空气中或通过螺纹传递到气缸盖冷却液中。

图5-18 火花塞的构造

火花塞的中心电极长度（凸出量）、中心电极直径和电极间隙对稀薄混合气的点火界限具有重大的影响。火花塞的一般规格如下：

①负极电极高度：6～8mm。

②中心电极直径：0.5～2.5mm。

③电极间隙：0.7～1.0mm。

电极间隙为两电极之间的最窄距离，在图5-19显示了3种火花塞电极间隙类型。图c为表面间隙火花塞，配置了多个负极电极（搭铁电极），在直喷汽油机上采用这种类型。电极间隙越小，火花塞火花放电所需的电压越低。但是，如果间隙过小，就会产生过小的火焰核，因电极吸收热量并通过火花塞体向外放热的能量损失，小的火焰核就会失火。如果中心电极短，因向低温火花塞体传递热量，会恶化起动性能。另外，电极的直径越小，虽能获得更加良好的电火花，但其耐久性就越低，为此必须采用更加耐久的材质。

图5-19 火花塞

图5-20所示为发动机转速在1600r/min时火花塞中心电极长度、中心电极直径和电极间隙对稀薄燃烧界限空燃比的影响。中心电极直径越小或电极间隙越大，空燃比界限越往稀薄侧扩大。这是因为初期火焰核的电极冷却作用减小所致。另外，中心电极长度越长，火焰核产生位置越靠近燃烧室中心位置，缩短燃烧时间，因而空燃比界限会向稀薄侧扩大。当然，如果在一个气缸上设置2个火花塞，并缩短其火焰传播距离，就会缩短燃烧时间，提高等容积度，从而提高热效率。这尤其对改善稀薄燃烧是非常有效的手段。等容积度表示在一定容积条件下压力的上升，以及接近奥托循环的程度。等容积度越高，就越接近理论热效率。

（2）热值热值表示火花塞的热负荷容量（热吸收容量）。如果火花塞（火花塞的热值）与发动机不匹配，会导致很多不良反应。

虽然在发动机附件中火花塞为容易达到高温的部件，但必须保持适当的火花塞温度范围。如果火花塞的温度超过900℃，会发生早期点火的现象。与此相反，如果火花塞的温度低于500℃，容易在绝缘体附近生成积炭。积炭会阻碍放电火花的生成，或可能成为电极间的桥梁，使火花塞漏电，导致放电点火不稳定。因此，有必要保持适当的火花塞温度范围（自清温度）。

火花塞的热平衡主要根据中心电极和周围绝缘体从火焰中吸收的热量与通过火花塞的外表面向外放出的热量来进行调节的。热值越大，散热量越高；热值越小，散热量越低。汽油机在低温或低负荷状态下适合低热值火花塞，空冷发动机或摩托车发动机等容易升温的发动机适合高热值火花塞，以防早期点火的发生。

图5-20 火花塞规格对空燃比的影响

火花塞的适当温度范围随发动机的输出功率、绝缘体的不同而有所不同，通常为500～900℃。一般情况下，电极的表面温度为650～800℃。

（3）火花塞位置图5-21a所示为火花塞中心电极相对于燃烧室壁面的位置。直喷汽油机中，火花塞位置会影响燃烧特性。把燃烧的均匀度cov（%）以指示平均有效压力p_m，i与标准偏差（或变差系数）s表示为

均匀度cov以5%为基准，如果小于基准（<5%），则表明发动机为较稳定的状态；如果大于基准（>5%），则表明为易造成燃烧延迟或失火的发动机恶劣状态。图5-21b、c显示了不同位置火花塞随点火时刻和空燃比的燃烧变化状态。粗条线为燃烧均匀度5%的界限。

图5-21 火花塞位置的变化造成的影响

从图中可以看出，火花塞的位置明显影响燃烧特性，离燃烧室壁越远，其均匀度小于5%的范围扩大，因而稳定燃烧空燃比界限范围也扩大。但是，搭铁电极位置离燃烧室壁越远，火花塞的温度会越高，会增加电极的热磨损。如要使火花塞电极的位置远离燃烧室壁，以此提高点火性能，就必须同时考虑火花塞的耐久性能。

点火系统及其基本电路原理

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