汽车发动机点火系统工作原理

汽车发动机点火系统工作原理汽车发动机点火系统工作原理电喷车点火系统的工作原理从 1957 年美国公司推出了电子控制汽油喷射系统，这就是所谓的电子喷射，简称电喷。电喷技术为发动机，乃致整个运输事业的发展开创了一个新纪元。起先是用的模拟电子喷射，后来发展到数字电子喷射。它的基本原理是微电脑（ecu）根据各种传感器传来的信号，通过分析、计算、判断，从而精确地控制和选择最佳点火和喷油时刻及喷油量。电子控制汽油喷油喷射的优点主要表现为：一是对各种工况都能根据特定的目标对燃油定量实现最精确的优化，且各工况之间能做到最佳匹配；二是可实现闭合控制，防止喷射密度的变化所带来的喷油量偏差。 在汽油机中，气缸内的可燃混合气是由电火花点燃的，在汽车发动机点火系统中，点火线圈是为点燃发动机汽缸内空气和燃油混合物提供点火能量的执行部件。它基于电磁感应的原理，通过关断和打开点火线圈的初级回路，初级回路中的电流增加然后又突然减小，这样在次级就会感应产生点燃火花塞所需的高电压。点火线圈可以认为是一种特殊的脉冲变压器，它将 10-12v 的低电压转换成25000v 或更高的电压。 为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按规定的时间在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系统，点火系统通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。对于早期的机械触点断路器(即白金点火)和通过无分布器晶体管点火的机械高压分布帽点火。以及后来的双火花线圈。属于微机控制点火系，主要由下列元件组成，监测发动机运行状况的传感器、处理信号、发出指令的微处理机（ecu） 、响应微机指令的点火器、点火线圈等。微机控制点火系统由于不再配置真空离心点火提前调节装置，点火提前角由微机控制，从而使发动机在各种情况下都可最佳地调整点火时刻，使点火提前到发动机刚好不发生爆震的范围。微机控制的点火系统具有能量损失小、高速性能好、电磁干扰少及点火精度高等诸多优点，目前在中高档车上的应用越来越多。采用无分电器点火方式同时点火，同时点火是指两个气缸合用一个点火线圈，即一个点火线圈有两个高压输出端。 点火系统是由几个部份组成：微处理机（ecu） ，点火线圈，电子驱动模块，高压点火线，火花塞 如图：（注：由于没有利亚纳车的原理图，此图只作参考） 1.各种传感器 2.电子控制单元 3 点火器（电子驱动模块）. 4.点火开关 5.12v 蓄电池 6.点火线圈 7.火花塞 8.初级线圈 9.次级线圈 下面讲解一下各部件的特性和工作原理： 1、微处理机（ecu） 一般车友所谓的电脑，指的是负责车辆与引擎状况监管的行车电脑，ecu-electronic control unit-电子控制单元。它由输入信号传感器、电子控制单元(ecu)及点火执行器三部分组成。也就是我们所称的 ecu，是由一些主要的传感器:如发动机转速、冷却水温、进气温度、节气门位置、氧传感器、进气压力.等信号经 ecu 计算处理后送给执行单元进行修正，以实现高精度的空燃比和最佳的点火正时的控制。ecu 除了依照不同的行驶状态来供给适当的油料、调整点火角度与时机外，还必须负责控制各种电子配备，如冷气系统、冷却系统以及自我检测系统等，对于车辆来说，ecu 相当于人体的大脑，负责接受各种信号，经由内建的基础程式判别后，来控制各个系统，以维持车辆正常的行驶。ecu 按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，经过处理以后，并把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。 微处理机根据输入数据和储存在 map 中的数据，计算喷油时间、喷油量、喷油率和喷油定时等。并将这些参数转换为与发动机运行匹配的随时间变化的电量。以发动机的转速、负荷为基础，经过ecu 计算和处理，向喷油器、供油泵等发送动作指令，使每一个汽缸都有最合适的喷油量、喷油率和喷油定时，保证每一个汽缸进行最佳的燃烧。由于发动机的工作是高速变化的，而且要求计算精度高，处理速度快，因此，ecu 的性能应当随发动机技术的发展而发展，微处理器的内存越来越大，信息处理能力越来越强。 这个信号输入电子点火控制器，经过大功率晶体管前置电路放大、整形处理后，控制高能干式点火线圈初级的充电和放电过程，当功率管导通时，点火线圈初级也导通，点火线圈贮能，当信号使控制器功率管截止时，点火线圈初级断路，在线圈次级感应出瞬时高压。由微控制器发出的控制信号经过点火器中的功率三极管的驱动放大,(注：我未拆卸过利亚纳车的 ecu，有些车是使用功率模块或者是达林顿，或直接将点火电子控制单元以微控制器为核心,并由电源、输入信号整形处理、驱动放大电路和通讯电路等功能模块构成。) 不管是用哪一种方式，原理都是一样是实现了对初级电路的通断电控制。即点火控制：包括点火顺序控制、点火定时控制和点火能量控制。点火系统应按发动机的工作顺序进行点火,即点火顺序应与发动机的工作顺序一致,否则不能适时点着混合气,发动机就不能正常工作。点火定时控制的目的是使发动机功率输出大、油耗低、爆震小和排放低,点火系统必须在最有利的时刻点火,并需在上述目标之间进行折衷。点火时刻用点火提前角来表示,从火花塞开始跳火到活塞运行至压缩行程上止点的时间内曲轴转过的角度被称为点火提前角。发动机在不同工况下的最佳点火提前角是不同的。在微机控制的点火系统中,根据发动机转速、负荷等传感器的信号确定发动机运行工况,计算出最佳的点火时刻,并由微控制器输出控制信号,使功率三极管截止、初级电路断电,从而实现控制。 、点火线圈 在汽车发动机点火系统中，点火线圈是为点燃发动机汽缸内空气和燃油混合物提供点火能量的执行部件。它基于电磁感应的原理，通过关断和打开点火线圈的初级回路，初级回路中的电流增加然后又突然减小，这样在次级就会感应产生点燃火花塞所需的高电压。点火线圈可以认为是一种特殊的脉冲变压器，它将 10-12v 的低电压转换成 25000v 或更高的电压。主要是通过初级线圈绕组的电流作为磁场储存。当初级线 圈绕组电流突然被切断（通过功率晶体管断开电路接地端）时，磁场衰减，使次级线圈绕组产生感应电动势，该感应电动势的电压足以使火花塞放电，我们称其为电感放电式点火。(如图). 另外也有电容放电式点火系统，通常被称为 cdi 点火方式。我们的利亚纳车沿用的是闭磁路 固体式点火线圈，主要由低压线圈绕组、高压线圈绕组再串联高压阻尼电阻后分二路输出、闭磁路铁芯、外壳以及固体填充物等组成（其外形结构如图所示） 。 3、点火线圈中另一组成部件高压线。 高压导线顾名思义就是肩负着传输由高压线圈所发出的高压电流到火花塞的任务。高压线其实是很简单的绝缘导线,一条最普通的金属导线外包上高强度绝缘体就是了。它的最主要质量指标就是能在较高、低温下有良好的绝缘强度。它通过的电流很小,对里面的金属导线要求甚低；通过的电压很高(15000v-40000v)，所以要求的绝缘材料绝缘系数甚高。它的主要毛病就是绝缘材料老化绝缘强度下降而产生漏电。一组优良的高压导线必须具备最少的电流损耗及避免高压电传输过程产生的电磁干扰。因此高压点火线设计成为带电阻值的，这个电阻在电路学里面叫阻尼电阻。高压线电阻的大小是根据各种不同的高压输出系统设计而不同，有的只有几百欧姆，有的达到 10k 以上。当然带阻尼电阻的高压线只有电喷车上才使用的，以前的白金汽车点火系统化油器车辆无需这玩儿。高压线阻尼电阻的主要作用是： a、防止由于高压产生的电磁泄露, 又称为 emi 防护, 从而保护车辆中的电器的安全, 让行车电脑 ecu 稳定, 所以 emi 是最需要考虑的问题。实际上 ecu 接收的信号都是低压模拟信号,包括曲轴位置/o2,ecu 接受这些信号都是在 ecu 内部 a/d 转换后才使用, 而这种来自导线的辐射/emi 泄露,很有可能会对本来就是低压信号的汽车传感器信号带来本质的干扰,从而信号出现很大的偏移,自 a/d 转换后,ecu 很容易从错误的信号中而错误报警甚至使用保护模式参数工作. b、是防止高压电流意外过大损坏高压输出系统电子元件的。高压通路正常时这个电阻可当作直通即电阻为零，因为通常汽车火花塞点火电阻值为 30m 左右，1m=1000k。这个点火电阻相对高压线电阻是非常大的，所以高压线限流电阻在高压输出系统的总阻值中是可忽略的，但当高压线后面的电路中意外短路时限流电阻就可把电流限制在高压系统可承受不被损坏的范围内。作为 ecu 的点火系统，如果有短路的话，任何线圈次级的瞬时高压电压都会被释放掉，同时 ecu 会停止工作。 c、为了让高压线圈的初级输入回路与次级高压输出回路具有良好的阻抗匹配，从而在高压输出线和火花塞中都设置有阻尼电阻。带阻尼电阻的高压输出线能有效地和初级输入回路中的电子部件（功率管）作阻抗匹配。对于以前的车辆，基本上是使用白金点火系统，就不需在高压输出线和火花塞中设置有阻尼电阻。 4、火花塞工作原理： 火花塞高压放电点燃混合气，使其爆炸做工，工作过程非常短，但从点火到爆炸中间有几个过程。首先点火线圈产生的高压电流，通过火花塞电极间隙时高压在火花塞正极形成电势（可以理解成高电压） ，因电位差必向最近和电阻最小的地方放电，那么正常情况下肯定是往负极放电，因中间有空隙形成电弧，从而产生火花来点燃汽缸燃烧室内的混合气。对火花塞的性能要求当然是火花越强、越稳定越好。由于火花塞的地极(外壳)和高压的中心电极之间的绝缘体要有耐高温和优良的绝缘能力，因此大多用以氧化铝为基础的陶瓷制造，但高性能型号火花塞在电极的材料上则讲究得多。现在高质量的火花塞大都采用铱或铂(白金)等贵金属来制造电极，除了可发出更强而稳定的火花外，更比用铜镍合金制造的普通型号耐用多倍，但售价亦是呈倍数上升。另一方面，火花塞的又一重要作用是把气缸内的热量带走，以维持一个适当的工作温度(500-850)。如果温度太高会损蚀火花塞的绝缘体和电极，而被高温烧红了的火花塞更会引发早燃和爆震现象；但如果温度太低，附在火花塞表面的油就不能充分燃烧，容易形成积碳，令火花塞效能减弱甚至产生不了火花! 因此不同冷热度(heat range)的火花塞会用于不同特性的发动机上，以保持火花塞的正常操作。冷型火花塞即标号较高(注意不同品牌的火花塞可能有不同标准的标号)的火花塞由于散热较快，适用于经常在高转速(高温)工作的高性能发动机，而散热较慢的热型火花塞(标号较低)则适用于低速低压缩比的发动机。所以选用火花塞要主意合适的热值（因不同品牌热值标注方法不一样） 。热值是指火花塞的散热能力，一般压缩比越高的发动机发热量大，需要偏冷的火花塞，就是散热能力好的，而压缩比低的用偏热的火花塞。散热能力直接影响发动机的燃烧，如果散热太强会使火焰很小很弱，延缓蔓延速度，混合气燃烧并不理想。反之如果散热不够，火焰燃烧太快又可能引起爆震，同时由于电极间温度过高，会比较容易烧蚀火花塞电极。选用何种热值的火花塞要看手册上标配是多少，目前大部分车火花塞热值在 68 之间，可以冷一度，用 7，再低恐怕就不太好了，散热太快会使火星减小，混合气燃烧速度降低，还没有完全燃烧就排放掉，除非总是 6000 转开车。