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第五章汽油機點火系統 第一節(jié)傳統點火系統的組成與原理 一 傳統點火系統的結構原理 蓄電池點火系的組成1 蓄電池 2 點火開關 3 電流表 4 附加電阻 5 點火線圈 6 斷電器及電容器 7 配電器 8 火花塞 9 起動機 分電器的結構1 分電器蓋 2 分火頭 3 斷電器凸輪及橫板 4 分電器蓋彈簧夾 5 斷電器活動觸點 6 斷電器固定觸點及支架 7 調整螺釘 8 真空管接頭 9 彈簧 10 膜片 11 真空調節(jié)器殼 12 拉桿 13 油杯 14 固定銷及聯軸器 15 鋼絲 16 扁尾連接軸 17 離心調節(jié)器底板 18 重塊彈簧 19 重塊 20 橫板 21 斷電器底板 22 銷 23 電容器 24 油氈 25 接線柱 26 分電器軸 27 分電器殼 28 中心電極 29 高壓分線插孔 30 中央高壓線插孔 1 二 傳統點火系統的主要元器件1 分電器 1 斷電器 2 配電器 3 電容器 4 點火提前裝置 2 點火線圈 四接柱開磁路點火線圈1 負接柱 2 外殼 3 導磁鋼套 4 次級線圈 5 初級線圈 6 鐵芯 7 瓷絕緣座 8 附加電阻 9 正接柱 10 開關接柱 11 高壓線接頭 12 膠木蓋 閉磁路點火線圈的磁路a 日字形鐵芯 b 日字形鐵芯 c 口字形鐵芯 d 帶硅管的點火線圈1 鐵芯 2 低壓接柱 3 高壓插孔 4 初級線圈 5 次級線圈 6 高壓二極管 7 高壓引線 8 高壓線蓋 9 充填料 10 外殼 3 點火線圈附加阻 在點火線圈初級電路中串接用鎳鉻絲制成的正溫度系數熱敏電阻 即PTC附加電阻 4 火花塞 發(fā)動機在高低轉速下的初級電流波 火花塞a 冷型 b 中型 c 熱型1 接線螺母 2 絕緣體 3 接線螺桿 4 墊圈 5 殼體 6 密封劑 7 密封墊圈 8 銅墊圈 9 側電極 10 絕緣體裙部 11 中央電極 2 三 汽油機對點火系統的基本要求 1 點火電壓必須高于擊穿電壓 1 擊穿電壓 冷起動時 火花塞間隙0 6 0 7mm 汽缸壓力0 6 0 9MPa 應不低于7 8kV 2 點火電壓 提供的點火電壓 15 20kV 必須遠高于火花塞電極之間所需要的擊穿電壓 3 點火時刻應能適應發(fā)動機工況的變化 2 點火能量必須足夠 有30 40mJ 現代高壓縮比高轉速的稀燃發(fā)動機100 200mJ 混合氣燃燒時間與曲軸轉角1 曲軸 2 連桿 3 活塞A 點火 TDC 上止點 B 燃燒結束 點火正時與汽缸壓力A 不點火時 B 點火過早 C 點火適宜 D 點火過遲 影響最佳點火提前角的主要因素有 發(fā)動機的轉速 負荷 溫度 進氣壓力與溫度 發(fā)動機壓縮比及機械辛烷值 燃燒室抗爆性 混合氣燃燒速度與燃油辛烷值 燃油抗爆性 等 其中 特別是發(fā)動機轉速和混合氣燃燒速度對最佳點火提前角影響較大 缸內燃氣在即將爆燃時 其燃燒速度最快 火力最集中且動力性最好 因此最佳的點火提前角應該使缸內燃氣處于即將爆燃而未明顯爆燃的時刻 3 四 汽油機點火系統的發(fā)展 傳統點火系統中的斷電觸點既是點火傳感器也是點火執(zhí)行器 其缺點是 由于斷電觸點的通斷時間比固定不變 而點火線圈初級電流又只能按指數規(guī)律增長 致使發(fā)動機在高低速下的點火強度差別很大 在點火線圈初級電路串接PTC附加電阻雖能兼顧發(fā)動機高低速下的點火強度 但又限制了點火線圈次級輸出的點火能量 在通斷初級電流時 斷電觸點的感應反電壓很高 且通斷電流又較大 因而極易產生火花燒蝕 由于傳統點火線圈初 次級電感量都很大 故次級電壓上升較慢 且火花塞對積炭和污染十分敏感 1 無觸點電子點火系統 用電子點火器來通斷初級電流 提高了點火電壓卻并未提高點火能量 2 無觸點高能電子點火系統 為增大點火能量 將通斷比不變的點火機理改變?yōu)榈让}寬的點火機理 3 有分電器的電控點火系統 由電控單元 ECU 根據發(fā)動機的轉速 負荷等傳感器信號 查詢內存的最佳點火脈譜圖來自動控制其點火提前角 提高了點火正時的控制精度 只是高壓電的分配仍保留有分電器 4 無分電器的電控點火系統 采用電子分火 采用兩同時點火或單缸直接點火 而革除分電器 4 第二節(jié)電感儲能式電子點火系統 一 無觸點電子點火系統 由無觸點點火信號傳感器 電子點火器 點火線圈 分電器及火花塞等組成 根據無觸點點火傳感器的結構 可分為磁電式 霍爾式 光電式 電磁式等 1 磁電式電子點火系統 定磁式點火信號傳感器1 信號轉子 2 永久磁鐵 3 銜鐵 4 磁通 5 電感線圈 6 磁極間隙 定磁式點火信號傳感器工作原理a 凸齒靠攏鐵芯 b 凸齒對正鐵芯 c 凸齒離開鐵芯 d 輸出波形1 信號轉子 2 傳感線圈 3 線圈鐵芯 4 永久磁鐵 5 采用磁電式點火信號傳感器 厚膜集成電路IC 點火模塊6TS2107 及達林頓功率輸出管組成的電子點火器 特點是 這種傳感器可直接產生交流電壓信號而不需要另外提供電源 其輸出線只有2根 信號線及搭鐵線 這種傳感器所輸出的交流電壓幅值明顯 在低速時還需要信號放大 高速時還需要信號限幅 除此之外 電子點火器也要對其交流波形進行修正 以免影響點火正時 6 2 霍爾式電子點火系統 霍爾效應H 霍爾元件 I 外加電流 B 外加磁場 UH 輸出霍爾電壓 霍爾傳感器原理a 磁力線被遮擋時 b 磁力通過時1 帶缺口的轉子 2 霍爾元件 3 永久磁鐵 4 霍爾元件板 5 接線插口 霍爾式傳感器需要有外加電流 因而它具有3極引線 電源供電線 信號輸出線 搭鐵線 由于霍爾式傳感器所輸出信號電壓不受發(fā)動機轉速的影響 且結構簡單 工作可靠 抗干擾能力強 因而被廣泛應用于各類汽車的電子點火系統中 7 3 光電式電子點火系統 霍爾分電器1 分電器蓋 2 側電極 3 分火頭 4 絕緣罩 5 卡簧 6 分電器軸 7 鐵制轉子葉片 8 真空點火提前裝置 9 霍爾元件 10 離心點火提前裝置 11 分電器殼 12 分電器軸 13 分電器傳動齒輪 光電式無觸點信號傳感器a 遮光盤 b 遮光葉片 c 光電傳感器1 發(fā)光管 2 紅外光 3 受光管 4 遮光盤或遮光葉片 5 分電器軸 6 分火頭 光電式無觸點電子點火器 當遮光盤的透光孔或缺口不能遮住發(fā)光管所發(fā)光束時 受光管被光照而導通 于是通過信號放大及整形而使末級功率晶體管導通 接通點火線圈初級電流 當遮光盤正好遮住發(fā)光管所發(fā)光束時 受光管不能被光照而截止 于是使末級功率輸出管截止 從而中斷點火線圈初級電流 使點火線圈輸出高壓電以使火花塞點火 8 二 無觸點高能電子點火系統 初級電流的等脈寬波形a 低速時 b 中速時 c 高速時 等脈寬電路有兩種 脈寬調制電路或恒電流控制電流 在目前電控汽車的驅動電路 如高能電子點火器 低阻電磁噴油器等 中大多采用恒電流控制電路 恒電流控制電路 具有多種保護功能的高能電子點火器 有四根引線 IN接點火信號傳感器 OUT接點火線圈初級繞組 B接蓄電池正極 E接蓄電池負極 本電路對末級功率輸出管實施恒流控制 反接保護 零轉速自斷電保護 過壓及反壓保護 為提高本電子點火器的使用可靠性 要求末級功率輸出管的反向耐壓大于1000V 正向飽和壓降小于0 2V 并應能承受80 120 的高溫考驗 9 第三節(jié)電感儲能式電控點火系統 實際點火提前角與理想點火正時的誤差a 離心點火提前特性 b 真空點火提前特性 機械式點火提前裝置存在動作滯后及零件磨損 不僅控制誤差甚大 而且還由于只考慮轉速與負荷而并未考慮其他因素的影響 如發(fā)動機壓縮比與冷卻液溫度 可燃混合氣濃度與燃油辛烷值 進氣壓力與進氣溫度等 不可能保證發(fā)動機的點火在任何工況下都處于最佳的點火時刻 電控發(fā)動機采用了電控點火系統 它由電控單元 ECU 根據各信號傳感器所檢測的發(fā)動機實際工況 查詢內存中的最佳點火正時脈譜圖及最佳點火脈寬脈譜圖 從而直接控制點火提前角及點火線圈初級電流的導通脈寬 由于電控點火系統的控制精度高 控制因素多 特別又采用了爆震傳感器進行反饋閉環(huán)控制 從而使發(fā)動機在常用穩(wěn)態(tài)工況下的點火提前角始終控制在發(fā)動機將要爆燃而又未明顯爆震的邊緣狀態(tài) 使發(fā)動機點火正時控制曲線更貼近于爆震界限 有效地提高了發(fā)動機的動力性與經濟性 并降低了油耗及排放 一 有分電器的電控點火系統1 有分電器電控點火系統的結構原理 分電器內裝有發(fā)動機轉速傳感器及上止點位置傳感器 在安裝于副駕駛儀表板下的55腳電控單元 ECU 中包含有電控噴油 EFI 與電控點火 ESA 兩大系統 其中 電控點火系統 ESA 根據各傳感器信號而查詢存儲器 ROM 中與發(fā)動機轉速和負荷對應的最佳點火提前角以及最佳導通脈寬 并根據水溫等傳感器信號的修正 最后通斷點火線圈而輸出高壓電 再由分電器蓋及分火頭向各缸高壓分線及火花塞分配高壓電 10 有分電器的電控點火系統框圖 桑塔納2000GLi型轎車發(fā)動機的EFI ESA電控系統 現在的電控點火系統 ESA 包括有分電器的或無分電器的 則大多同時設置這兩種傳感器 以便將兩者綜合而輸出具有1 曲軸轉角檢測精度的點火控制信號IG 11 電控點火系統中常用的點火信號傳感器 其結構也有磁電式 霍爾元件式 光電式三種 1 磁電式傳感器 豐田TCCS電控點火系統中的磁電式轉速傳感器及上止點位置傳感器1 G信號轉子 2 G1鐵芯及電感線圈 3 G2鐵芯及電感線圈 4 Ne信號轉子 5 Ne鐵芯及電感線圈 日產ECCS電控點火系統中用的磁電式轉速傳感器及上止點位置傳感器 分別表示第1 2 3號磁頭 2 霍爾元件式傳感器 GM霍爾式轉速傳感器及上止點位置傳感器的觸發(fā)葉輪 GM霍爾式轉速傳感器與上止點位置傳感器的輸出信號 12 3 光電式傳感器 光電式轉速傳感器與上止點位置傳感器1 發(fā)光管 2 受光管 3 分電器軸 4 信號盤 2 電控點火系統點火提前角的控制 電控點火系統的控制重點就在于對點火正時與點火強度的控制 1 起動及暖機為此通常根據起動信號 STA 起動轉速 起動溫度 直接調用電控單元 ECU 內存中的靜態(tài)初始點火提前角進行控制 考慮到發(fā)動機在暖機過程中因機溫較低而可能使混合氣過稀 為此上述的靜態(tài)初始點火提前角還要根據發(fā)動機轉速 溫度以及車速等進行修正 2 常用負荷穩(wěn)態(tài)工況電控單元 ECU 將根據發(fā)動機轉速與負荷調用存儲器 ROM 中的最佳點火提前角脈譜圖及最佳點火脈寬脈譜圖而求出基本點火提前角 再根據發(fā)動機的實際工況進行修正 求得實際點火提前角 需要根據電源電壓對點火線圈初級電流進行修正 使點火線圈初級電流不受電源電壓的影響 13 二 無分電器的電控點火系統 為了進一步簡化結構 并減少分電器因高壓分電而引起的能量損耗和電磁干擾 采用了無分電器的電控點火系統 無分電器雙缸點火電控點火系統1 轉速傳感器與位置傳感器 2 電子點火器 3 點火線圈組 4 火花塞 無分電器單缸點火電控點火系統1 點火線圈 2 火花塞 1 無分電器式雙缸點火的電控點火系統 無分電器雙缸同時點火方式的電控點火電路 無分電器雙缸點火電控點火系統中的點火線圈組件 四缸機雙缸同時點火電路原理 高壓二極管的作用 14 豐田皇冠的無分電器雙缸點火電控系統A 點火信號傳感器 B 電控單元 C 點火模塊 D 點火線圈 E 火花塞1 信號輸入電路 2 信號輸出電路 3 閉合角控制 4 判缸電路 5 恒流控制電路 6 安全電路 7 輸出轉速信號 8 轉速表 2 無分電器單缸點火的電控點火系統 取消了分火頭 高壓線以及高壓電路中串接的高耐壓二極管堆 保證所有汽缸的高壓點火電路都為正極搭鐵 保證了各缸火花塞都具有相同且最低的擊穿電壓 而且還可以采用各缸獨立的多個小電感量點火線圈而直接裝置于火花塞輸入端減小了點火線圈的平均電流 縮短了點火線圈的充放電時間 保證了發(fā)動機高速點火能量 9000r min 又有效地減少了現代汽車的電磁干擾 但其缺點是 需要有各缸獨立的點火線圈及其驅動電路 無分電器式單缸點火的電控點火系統1 點火線圈 2 火花塞 3 凸輪軸位置傳感器 4 點火模塊 5 信號傳感器 6 蓄電池 15 日產ECCS無分電器式單缸點火系統 當發(fā)動機工作時 電控單元 ECU 根據曲軸轉速傳感器 上止點位置傳感器 空氣流量傳感器 冷卻液溫度傳感器 爆震傳感器 點火開關等信號 查詢電控單元存儲器中的存儲數據 適時地指令電子點火模塊輸出點火信號 從而驅動各缸點火線圈 當該缸功率驅動管導通時 便接通該缸點火線圈的初級電流 當該缸功率驅動管截止時 便切斷該缸點火線圈的初級電流 從而在點火線圈次級繞組中產生點火高壓 通過火花塞點燃缸內的可燃混合氣 16 第四節(jié)爆燃的控制 正常的燃燒方式應該是 火焰從火花塞間隙點火開始 混合氣被逐層點燃并逐層燃燒 使缸內壓力迅速而逐漸地上升 一 爆燃的產生 原因 例如 點火提前角過大 缸內積炭過多 發(fā)動機實際壓縮比過高 燃燒室內溫度和壓力過高 燃燒室的機械抗爆性和汽油的燃油抗爆性較差等 使汽缸內邊緣的未燃混合氣在點火火焰的前峰尚未到來之前或者還未點火之前就發(fā)生了自燃 結果破壞了火焰的正常傳遞 從而使汽缸內壓力猛增 后果 曲柄連桿機構局部強烈沖擊 降低發(fā)動機動力性 經濟性并加重排污 其中 發(fā)生在點火之后的自燃稱為爆燃 而發(fā)生在點火之前的自燃稱為早爆 由于早爆比爆燃的發(fā)生時間更早 其危害更大 點火時刻與爆燃的關系 防止 使用燃油抗爆性能較好的高標號燃油 改進燃燒室結構 抑制汽缸溫度過高 減小發(fā)動機負荷以及適當推遲點火提前角等 消除爆震的最好辦法 采用爆震傳感器實施閉環(huán)反饋控制 最佳的點火時刻始終控制在將要明顯爆燃的極限位置附近 爆震傳感器 用以檢測發(fā)動機是否已經發(fā)生明顯爆燃以及檢測其爆燃的強度 而電控單元 ECU 中的點火提前角控制電路則用以精確地調整其點火提前角 17 二 爆燃的控制 爆震傳感器有兩類 測壓型爆震控制系統 它通過安裝于發(fā)動機缸內的壓力傳感器來檢測汽缸壓力是否有突變 測震型爆震控制系統 它通過安裝于發(fā)動機機體的爆震傳感器來檢測機體振動中是否包含有爆燃波形 爆震傳感器的安裝位置 1 爆震傳感器 壓電晶體 爆震的機體振動轉換為電壓輸出 ECU 根據爆震的特征頻率7kHz及其振幅進行判別 爆震傳感器的檢測頻率與輸出電壓 爆震傳感器的種類a 共振型 b 非共振型 c 火花塞座圈形1 電插頭 2 重塊 3 壓電元件 4 殼體 5 安裝螺紋 6 火花塞 7 爆震傳感器 共振型 發(fā)動機強烈爆震并與振蕩片共振時 振蕩片迫使壓電元件輸出最大的爆震峰值電壓 非共振型 用以檢測爆震的強度 發(fā)生強烈爆震時 空套于軸的配重將隨著發(fā)動機爆震而軸向振動 火花塞座測壓型金屬墊 用以檢測汽缸內的燃燒壓力 并將爆震時的燃燒壓力轉換為電壓輸出 目前現代電控發(fā)動機大多采用檢測范圍寬而適用面廣的寬幅非共振型爆震傳感器 18 2 爆燃的控制 爆燃的控制過程為 倘若電控單元 ECU 通過爆震傳感器判斷出發(fā)動機已經發(fā)生明顯爆震時 將立即根據其爆震強度而自動減少點火提前角 直至當爆震消失后 再恢復為正常點火提前角 倘若在此期間內無爆震產生 則逐次遞增點火提前角 如此不斷反復 從而在電控單元 ECU 的監(jiān)控下使發(fā)動機的實際點火時刻始終接近于爆震界限附近 為了防止因爆震檢測電路發(fā)生故障而使發(fā)動機遭受強烈的爆震 在電控點火系統中還裝有安全電路 一旦發(fā)現爆震檢測電路發(fā)生故障 將由安全電路立即推遲點火時刻 并接通儀表板警告燈 警告駕駛人 爆震控制系統故障 19 第五章汽油機點火系統 思考題 一 1 試述蓄電池點火系統的結構組成與工作原理 2 試述傳統分電器中離心點火提前裝置與真空點火提前裝置的基本結構原理 3 什么是開磁路及閉磁路點火線圈 4 點火線圈的附加電阻起什么作用 5 什么是火花塞的自凈溫度 如何選配火花塞 6 汽油機對點火系統的基本要求是什么 7 試述汽油機點火系統的發(fā)展歷程 8 如何從點火信號傳感器的引線數量判斷點火信號傳感器的結構形式 20 第五章汽油機點火系統 思考題 二 9 試述磁電式 霍爾式 光電式 電磁式點火信號傳感器的結構原理及其優(yōu)缺點 10 提高電子點火器點火能量的要點是什么 何謂閉合角控制 11 試述Motronic電控點火系統的控制方式 12 在Motronic電控點火系統中 其磁電式 霍爾式 光電式點火信號傳感器是如何實現 0 5 控制精度的 13 Motronic電控點火系統是如何控制其點火正時與點火能量的 14 無分電器的電控點火系統是如何實現高壓電子分火的 15 試述爆震傳感器的基本結構原理 16 爆燃是如何產生的 Motronic電控點火系統是如何控制其爆燃的 21