点火系统结构与原理-汽车发动机检测与维修

点火系统的作用是将蓄电池或发电机的低压电（一般为12～14 V）转变成高压电（一般为12～30 kV），同时按发动机各气缸的工作顺序，及时地在气缸压缩行程终了时用电火花点燃可燃混合气，满足可燃混合气充分地燃烧及发动机工作稳定的性能要求，使发动机顺利地实现从热能到机械能的转变。

1.点火系统的分类

1）按采用的电源不同分类

按采用的电源不同，点火系统可分为磁电动机点火系统和蓄电池点火系统。

（1）磁电动机点火系统。点火系统的电源是磁电动机，现在此种点火系统仅在摩托车上还有应用。

（2）蓄电池点火系统。点火系统的电源是蓄电池或发电机，在汽车和摩托车上都有应用。

2）按点火系统储存点火能量的方式分类

（1）电感蓄能式点火系统。其工作原理：点火系统产生高压前从电源获取能量的是电感线圈，并以磁场能的方式储存，即以点火线圈建立磁场能量的方式储存点火能量。

（2）电容储能式点火系统。其工作原理：点火系统产生高压前从电源获取能量的是电容器，并以电场能的方式储存，即以蓄能电容建立电场能量的方式储存点火能量。

3）按点火信号产生的方式分类

（1）磁感应式点火系统。其工作原理：由分电器轴驱动的导磁转子转动，改变磁路磁阻，使感应线圈的磁通量发生变化而产生点火电压信号。

（2）光电式点火系统。其工作原理：由分电器轴驱动的遮光转子转动，通过阻挡和穿过发光二极管光线的变化，使光敏三极管产生点火信号。

（3）霍尔效应式点火系统。其工作原理：由分电器轴驱动的导磁转子转动，通过霍尔元件通过的磁通量的变化产生点火信号。

4）按初级电路的控制方式分类

按初级电路的控制方式，点火系统可分为传统点火系统、电子点火系统和电控点火系统3 类。

（1）传统点火系统的组成和工作原理

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、附加电阻、点火线圈、分电器（包括断电器、配电器、点火提前机构）、电容器、火花塞等组成，如图7－1 所示。

传统点火系统的电路可分为初级电路和次级电路，这两个电路是相互独立的。初级电路也叫低压电路，所谓低压是指蓄电池电压大约为12 V。次级电路也叫高压电路，高压电路中部件的工作电压为5 000～50 000 V。低压电路的作用是控制点火线圈初级电路的通断，使点火线圈内磁场产生突变而使点火线圈次级绕组产生高压电。其主要包括：蓄电池、电流表（有些车辆没有）、点火开关、附加电阻、点火线圈初级绕组、断电器、电容器等。高压电路的作用是在点火线圈初级电路被切断时感生出高压电，击穿火花塞间隙，点燃可燃混合气。其主要包括：点火线圈次级绕组、中心高压线、配电器、分缸高压线、火花塞等。

②传统点火系统的工作原理。如图7－2 所示，发动机工作时，由发动机凸轮轴以1∶1的传动关系驱动分电器轴。分电器上的凸轮使断电器触点交替地闭合和打开。当触点闭合时，接通点火线圈初级绕组的电路；当触点打开时，切断点火线圈初级绕组的电路，使点火线圈的次级绕组中产生高压电，经配电器传递给火花塞，在火花塞的电极处产生电火花，点燃混合气。分电器如图7－3 所示。

图7－1　传统点火系统

（a）实物示意；（b）电路示意

图7－2　传统点火系统的工作原理

传统点火系统虽然在汽车上应用的历史悠久，但由于采用机械式断电触点，其次级电压受发动机气缸数、转速、断电器触点间隙、火花塞积炭等因素的影响，容易出现故障，所以目前已被淘汰，取而代之的是各种类型的电子点火系统和微机控制点火系统。

（2）电子点火系统。

图7－3　分电器

电子点火系统多应用于采用化油器供油的发动机上，如早期生产的普通桑塔纳、捷达、奥迪100、红旗等车型，在此不再赘述，如图7－4 所示。

（3）电控点火系统的组成、工作原理及类型。

目前，电控点火系统广泛应用于电控发动机上，其又可分为机械配电式点火系统（有分电器点火系统）和计算机配电式点火系统（无分电器点火系统）两类，如图7－5 所示。

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，有分电器点火系统在现代汽车中已基本被淘汰，无分电器点火系统在轿车中已基本普及。

图7－4　电子点火系统

图7－5　电控点火系统

（a）机械配电式点火系统（有分电器点火系统）

图7－5　电控点火系统（续）

（b）计算机配电式点火系统（无分电器点火系统）

①电控点火系统的组成。电控点火系统主要包括与点火有关的各种传感器、电子控制器（ECU）、点火器、点火线圈、火花塞等，如图7－6所示。

图7－6　电控点火系统的组成

a.电源：一般由蓄电池和发电机共同组成，主要是给点火系统提供所需的电能。

b.传感器：主要用于监测与点火有关的发动机各种运行参数的变化，并将监测结果输入ECU，作为计算和控制点火时刻的依据。

点火控制用到的主要传感器及其作用如下：

• 凸轮轴／曲轴位置传感器：用来确定凸轮轴／曲轴基准位置和点火基准。

• 空气流量计：用作负荷信号来计算和确定基本点火提前角。

• 进气温度传感器：用来对基本点火提前角进行修正。

• 冷却水温度传感器：除用来对基本点火提前角进行修正外，还要用该信号控制起动和发动机暖机期间的点火提前角。

• 节气门体位置传感器：用该信号和车速传感器信号综合判断发动机所处的工况，对点火提前角进行修正。

• 爆震传感器：用来测定发动机抖动度，当发动机产生爆燃时用来调整点火提前角。

• 其他开关信号：如起动开关、空调开关、空挡安全开关等信号，对点火提前角进行修正。

c.ECU：它具有强大的数学运算、逻辑判断、数据处理与数据管理等功能。在电控点火系统工作时，其作用是接收由传感器传来的各种模拟信号和数字信号，对这些信号进行运算、判断与处理，然后向执行器发出控制指令，它是电控点火系统的中枢。

d.点火器：点火器是电控点火系统的执行元件，它由专用集成块与外围电路组成，除具有接通和切断点火线圈的初级电路外，还具有限流控制电路、闭合角控制电路、停车断电保护电路、点火确认信号发生电路、锁止保护电路、过压保护电路等其他电路。

e.点火线圈：点火线圈可将火花塞跳火所需的能量存储在线圈的磁场中，并将电源提供的低压电转变为足以在电极间产生击穿火花的15～20 kV 的高压电。在有分电器点火系统中，只有一个点火线圈，而无分电器点火系统中则有多个点火线圈。

f.分电器：在有分电器点火系统中，分电器根据发动机点火顺序，将点火线圈产生的高压电依次输送给各缸火花塞。

g.火花塞：主要是利用点火线圈产生的高压电产生电火花，点燃气缸内的混合气。

②电控点火系统的工作原理。

发动机工作时，ECU 根据接收到的各传感器信号，按存储器中存储的有关程序和数据，确定最佳点火提前角和通电时间（点火线圈初级电路闭合角），并以此向点火器发出指令。点火器根据ECU 的指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。当电路导通时，有电流从点火线圈中的初级电路通过，点火线圈将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级电路被切断时，次级线圈中产生很高的感应电动势（15～20 kV），经分电器或直接送至工作气缸的火花塞。点火能量经火花塞瞬间释放，产生的电火花点燃气缸内的混合气，使发动机完成做功过程。

此外，在具有爆燃控制功能的电控点火系统中，ECU 还根据爆震传感器的输入信号来判断发动机有无爆燃及爆燃的强度，并对点火提前角进行闭环控制。

在电控点火和电控燃油喷射系统中，点火正时和喷油正时的控制精度要求能检测出1°的曲轴转角，而目前汽车上装用的汽油发动机最高转速高达6 000 r／min 以上。发动机正常工作时，1°曲轴转角所需的时间相当短，要进行这样精确的计时控制，电控点火系统除必须具有能够准确检测活塞上止点位置的凸轮轴位置传感器、检测曲轴转角的曲轴位置传感器外，还必须有能够进行高速运算的微型计算机系统。在电控点火系统中，用曲轴位置传感器产生的Ne 信号和凸轮轴位置传感器产生的G 信号作为主控制信号，以G 信号为基准，按每1°曲轴转角分频，用既定的曲轴角度产生点火控制信号（IGt信号）。

a.曲轴位置传感器信号（Ne 信号）。Ne 信号指发动机曲轴转角信号，它是根据曲轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。

在电控点火系统中，Ne 信号主要用来计量点火提前角和通电时间。以安装在分电器内的电磁式曲轴位置传感器为例，其转子一般为24 个齿，曲轴每转720°只能向ECU 输送24个Ne 信号，其信号周期为30°曲轴转角，显然以此信号直接控制点火提前角和通电时间是不能满足要求的。为此，在发动机电控系统中，通常利用具有高速运算功能的微型计算机系统，将曲轴位置传感器产生的Ne 信号分频转换成1°信号。

b.凸轮轴位置传感器信号（G 信号）。G 信号是指活塞运行到压缩上止点位置的判别信号，它是根据凸轮轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。在电控点火系统中，G 信号主要用来确定计量点火提前角的基准。G 信号一般为周期等于做功间隔角的脉冲信号，而且G 信号发生时，并不是各气缸活塞运行到压缩上止点的时刻，而是在压缩上止点前某一固定的曲轴转角，一般为上止点前70°。

发动机工作时，ECU 根据G 信号可准确地计算曲轴每转1°所用时间，即G 信号产生的间隔时间与间隔角度之比。根据其他传感器输入信号，ECU 按其内存的控制模型确定点火提前角和点火线圈通电时间。ECU 根据计算出的曲轴每转1°所用时间，确定G 信号后点火线圈初级电路通电与断电时刻，最后向点火器输出点火控制信号（IGt信号）。ECU 如果收不到G 信号，就无法确定计量点火提前角的基准，无法对点火提前角进行控制。为防止造成燃油浪费或其他事故，失效保护系统将自动停止电控燃油喷射系统工作，发动机无法启动。

在有些发动机的电控系统中，曲轴每转两圈，凸轮轴位置传感器产生两个G（G1和G2）信号，两个信号相隔360°曲轴转角，分别对应第一缸的压缩上止点和排气上止点。在此种电控点火系统中，只要有一个G 信号（G1信号或G2信号）正常，其电控点火系统就能正常工作，所以此种发动机工作可靠性较高。

c.控制信号IGt和IGd。电控点火系统工作中，ECU 向点火器发出控制信号IGt和IGd两个信号。

IGt信号是ECU 向点火器中功率晶体管发出的通断控制信号。在有分电器的电控点火系统中，由于是由分火头的指向决定某个气缸点火，只要安装时正确连接各缸高压线，就不会出现点火错乱问题。但是，在无分电器的电控点火系统中，仅有G 信号不能决定具体给哪个气缸点火，所以ECU 向点火器输出的执行信号中，必须增加判别气缸的IGd信号，以便于G 信号共同决定需点火的气缸。

IGd信号存储在ECU 内的存储器中，实际就是点火顺序信息。ECU 根据G 信号和Ne 信号选择IGd信号状态，以确定点火顺序。在采用同时点火方式的无分电器点火系统中，IGd信号又分为IGdA信号和IGdB信号。

d.点火确认信号IGf。IGf信号是指完成点火后，点火器向ECU 输送的点火确认信号。

由于在电控燃油喷射系统中，喷油器的驱动信号也来自曲轴位置传感器，若点火系统出故障使火花塞不能点火，曲轴位置传感器工作正常，喷油器仍会照常喷油。为了防止喷油过多导致燃油浪费、发动机再起动困难或行车时三元催化转换器过热等现象的发生，特设定当完成点火过程后，点火器应及时向ECU 返回点火确认信号（IGf信号）。

发动机工作时，ECU 向点火器发出点火控制信号（IGt信号）后，若有3～5 次均收不到返回的点火确认信号（IGf信号），ECU 便以此判定点火系统有故障，并强行停止电控燃油喷射系统继续喷油，使发动机熄火。

③电控点火系统的类型。

目前，电控点火系统主要有两种类型，分别是有分电器点火系统和无分电器点火系统。其中，无分电器点火系统按控制方式又分为双缸同时点火和单缸独立点火两种类型。

a.有分电器点火系统的组成及工作原理。

Ⅰ.组成。有分电器点火系统主要由电源、点火开关、各种传感器、ECU、点火控制器、点火线圈、分电器以及火花塞等组成，如图7－7 所示。

图7－7　有分电器点火系统的组成

Ⅱ.工作原理。发动机工作时，ECU 根据接收到的各传感器信号，通过运算确定该工况下最佳点火提前角和点火线圈初级电路闭合角，并以此向点火器发出信号（IGt）。点火器则根据ECU 的指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。当点火线圈初级电路断电时，其次级线圈产生的高压电经分电器分配到工作气缸的火花塞，以实现点火。此时，分电器的作用就是按照发动机的点火顺序，将点火线圈产生的高压电依次输送给各气缸火花塞。

b.无分电器点火系统的组成、工作原理及分类。

无分电器点火系统又称为直接点火系统或全电子化点火系统。其主要特点是：用电子控制装置取代分电器，利用电子分火控制技术将点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火，点火线圈的数量比有分电器点火系统多。

Ⅰ.组成。无分电器点火系统主要由电源、点火控制块、高压线、发动机控制模块（ECU）、凸轮轴位置传感器以及火花塞等组成，如图7－8 所示。

Ⅱ.工作原理。无分电器点火系统与有分电器点火系统的工作原理和各元件的功能基本相同，不同的是无分电器点火系统具有电子配电功能，即在发动机工作时，ECU 除向点火器输出点火控制信号（IGt）外，还必须输送ECU 内存储的判缸信号（IGd），以便控制多个点火线圈的工作顺序，按做功顺序完成各气缸点火的控制。

图7－8　无分电器点火系统的组成

Ⅲ.分类。根据点火线圈的数量和高压电分配方式的不同，无分电器点火系统又可分为双缸同时点火和单缸独立点火两种类型。

ⅰ.双缸同时点火的无分电器点火系统。双缸同时点火的无分电器点火系统如图7－9所示。其特点是两个活塞同时到达上止点位置的气缸（一个为压缩行程的上止点，另一个为排气行程的上止点）共用一个点火线圈，即点火线圈的数量等于气缸数的一半。

图7－9　双缸同时点火的无分电器点火系统

以四缸发动机为例，1、4 缸和2、3 缸的活塞分别同时到达上止点，习惯上将这两个同时达到上止点位置的气缸称为“对应缸”。设计时将4 个气缸按“对应缸”关系分为两组，每一组共用一个点火线圈，同一组中两个气缸的火花塞与共用的点火线圈次级绕组串联。当点火线圈初级电路断电时，一个气缸接近压缩行程的上止点，火花塞跳火可点燃该气缸内的混合气，称为有效点火；而另一气缸接近排气行程的上止点，火花塞跳火不起作用，称为无效点火。由于处于排气行程气缸内的压力很低，加之废气中导电离子较多，其火花塞很容易被高压电击穿，消耗的能量就非常少，所以不会对压缩行程气缸点火产生影响。

双缸同时点火的无分电器点火系统为判断具体点火的气缸，除了提供IGt信号外，还要提供IGdA和IGdB辅助判缸信号。这是因为IGt信号只指令点火器执行点火，但到底该哪一组共用的点火线圈点火，还需IGdA和IGdB辅助判断。

采用同时点火方式的电控点火系统的结构和控制电路比较简单，所以应用也较多。但是由于保留了点火线圈与火花塞之间的高压线，能量损失略大。此外，串联在高压回路的二极管可用来防止点火线圈初级电路导通的瞬间所产生的二次电压（1 000～2 000 V）加在火花塞上后发生的误点火。

ⅱ.单缸独立点火的无分电器点火系统。单缸独立点火的无分电器点火系统如图7－10所示。其特点是在每个气缸的火花塞上都配有一个点火线圈，可单独地直接地对每个气缸进行点火。这种点火方式非常适合在四气门发动机上使用。火花塞安装在两根凸轮轴的中间，每缸火花塞上直接压装一个点火线圈，很容易布置，如图7－11 所示。

图7－10　单缸独立点火的无分电器点火系统

由于每缸都有各自独立的点火线圈，所以即使发动机的转速很高，点火线圈也有较长的通电时间（闭合角大），可提供足够高的点火能量。与有分电器点火系统相比，在发动机转速和点火能量相同的情况下，单位时间内通过点火线圈初级电路的电流小得多，点火线圈不易发热，且点火线圈又可以非常小巧，一般直接将点火线圈压装在火花塞上。

单缸独立点火的无分电器点火系统在工作时，ECU根据各种传感器的信号综合计算，最后确定各缸点火提前角的精确时刻，向点火模块发出指令IGt1、IGt2……，由点火控制块直接控制各缸点火线圈初级电路的搭铁，并产生次级高压直接传给火花塞。与此同时，点火模块向电控单元ECU 反馈IGf信号。

单缸独立点火方式的优点主要有：

• 点火线圈不再需要靠导线传输高压能量，减少了能量损耗，点火线圈的能量基本直接给予火花塞，线损降到了零，可以大大提升性能。

• 其中一个线圈不工作时，只会造成该气缸失效，其他线圈仍然可以供应其他气缸工作，虽然汽车的动力会大大下降，工作也不会太稳定，但如果离维修站不是特别远，车辆自身仍有能力到达维修站。

• 由于不依靠导线传输高压能量，因此其抗干扰能力较强。

单缸独立点火的无分电器点火系统在现代轿车的高端车型中已普及。

图7－11　点火线圈及火花塞的布置

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”3 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。

3.对点火系统的要求

根据发动机各工况的要求，点火系统应保证在各种使用条件下可靠地点燃可燃混合气。因此，对点火系统的要求如下：

（1）点火系统应具有足够高的击穿火花塞电极间隙的电压。压缩行程终了时，受气缸内温度、压力等因素的影响，为使火花塞电极之间产生电火花，必须要有足够高的击穿电压。发电机正常工作时击穿电压一般应在12 kV 以上；发动机在满载低速时击穿电压为8～10 kV，起动时需19 kV。考虑各种不利因素的影响，通常点火系统的设计电压为30 kV。

（2）电火花应具有足够的点火能量。要使可燃混合气被点燃，电火花还必须具有足够高的点火能量。发动机正常工作时，可靠点燃可燃混合气的点火能量为50～80 MJ，起动时需100 MJ 左右的点火能量。

（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，在压缩行程中，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，从而阻止活塞向上运动。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。

若点火提前角过小（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，这不仅导致发动机功率下降，还会引起发动机过热，油耗增加。