汽车电气技术(XXXX)5

汽车电气技术（5）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（秋）第四章点火系统点火系统的作用是适时地为汽油发动机气缸内已压缩的可燃混合气提供足够能量的电火花，使发动机能及时、迅速地燃烧做功。要求其能够迅速、及时地产生足以击穿火花塞电极间隙的高电压，所产生的火花应具有足够的能量，且点火时刻应与发动机各种工况相适应。点火系统的分类：(1)传统点火系统传统点火系统又称为机械触点式点火系统或蓄电池点火系统，它是利用机械开关（即触点的闭合和打开）来控制点火线圈一次电流的通断，从而完成点火工作的。(2)电子点火系统电子点火系统是利用半导体器件（如晶体管、晶闸管等）作为开关来控制点火线圈一次电流的通断，从而完成点火工作。第一节传统点火系统一、传统点火系统的组成及工作原理1．组成1-点火开关2-起动开关3-蓄电池4-起动机5-高压导线6-阻尼电阻7-火花塞8-断电器9-电容器10-点火线圈11-附加电阻12-配电器传统点火系统主要由电源、点火开关、点火线圈、分电器和火花塞等部分组成。各组成部分的功用如下：(1)电源电源及点火开关，电源为蓄电池和发电机，标称电压多为12~14V，其作用是供给点火系统所需的电能。点火开关的作用是接通或断开电源电路。(2)点火线圈点火线圈的功用是将12V的低压电转变为15~20kV的高压电。(3)分电器分电器主要包括断电器、配电器、电容器和点火提前机构等部分。断电器的作用是用来接通或切断点火线圈一次电路；配电器的作用是将点火线圈产生的高压电按气缸工作顺序送往各缸的火花塞；电容器与断电器触点并联，其作用是减小断电器触点分开时的火花，延长触点的使用寿命，提高二次电压。(4)火花塞火花塞的作用是将高压电引入气缸燃烧室，产生电火花来点燃混合气。2．工作原理传统点火系统是利用电磁感应原理，把来自蓄电池或发电机的12V低压电，经点火线圈和断电器转变为15~20kV的高压电，由分电器按一定规律送入各缸火花塞，击穿其电极间隙而点燃混合气。传统点火系统工作原理示意图发动机工作时，断电器凸轮在分电器轴的驱动下而旋转，交替将触点闭合或打开。断电器触点闭合时，一次线圈内有电流流过，并在线圈铁心中形成磁场。触点打开时，一次电流被切断，使磁场迅速消失。此时，在一次线圈和二次线圈中均产生感应电动势。由于二次线圈匝数多，可感应出高达15~20kV的高电压。该高电压击穿火花塞间隙，形成火花放电。低压电路中一次电流i1的回路为：从蓄电池正极→电流表→点火开关SW→点火线圈“+”开关接线柱→附加电阻→“开关”接线柱→点火线圈一次绕组→点火线圈“-”接线柱→断电器触点→搭铁→蓄电池负极。二次线圈中高压电流i2的回路为：二次绕组→点火线圈“开关”接线柱→附加电阻→点火线圈“+”开关接线柱→点火开关SW→电流表→蓄电池→搭铁→火花塞侧电极、中心电极→配电器旁电极、分火头、中央电极→二次绕组。传统点火系统工作原理请观看分电器轴每转一转，各缸按点火顺序轮流点火一次。发动机工作时，上述过程周而复始地重复。若要停止发动机的工作，只要断开点火开关，切断电源电路即可。由此可知，传统点火系统的工作过程基本可分为断电器触点闭合，一次电流增长；触点打开，二次绕组产生高电压及火花放电三个过程。下面将逐一进行分析。触点闭合初级电路等效电路(1)断电器触点闭合，一次电流按指数规律增长点火系统的一次电路包括蓄电池、点火开关、附加电阻、点火线圈一次绕组、断电器触点和电容器。其等效电路如右图所示。触点闭合时，一次电流i1由蓄电池经附加电阻Rf流过点火线圈一次绕组W1，并在其周围产生磁场。当磁通随电流的增加而增强时，在一次绕组内便产生自感电动势eL，其方向是阻碍i1的增长。根据基尔霍夫第二定律，有式中UB——电源电压；i1——一次电流；eL——一次绕组W1中的自感电动势；R——一次电路的电阻。式中L——一次绕组电感；——一次绕组中的电流增长率。1ddit将上面公式整理、积分后得：式中t——触点闭合所经历的时间。由上式可知，当触点闭合后，一次电流i1将按指数规律增长，并逐渐趋于极限值UB/R。理论上，当t→∞时，一次电流i1才能达到极限值；而对于汽车上的点火线圈而言，在触点闭合后约20ms，i1就趋于极限值。一次电流增长过程中，在一次绕组Wl中产生自感电动势eL约20V，在二次绕组W2中也产生约1.5~2kV的互感电动势，但该电压不能击穿火花塞间隙。11ddBiUiRLtB1(1)RtLUieR书上缺负号（触点打开后，时间坐标的比例放大10倍）a)–次电流变化b)二次电压变化d)火花放电的组成c)二次电流变化传统点火系统工作过程波形图(2)断电器触点打开，二次绕组产生高电压触点闭合后，一次电流按指数规律增长，当闭合时间为tb，i1增长到IP时，触点被凸轮顶开。通常将触点打开瞬间的一次电流IP称为一次断电电流，其值为此时，一次绕组储存的磁场能(J)为bB(1)RtLPUIeR2PP12WIL触点打开后，IP迅速降到零，磁通也随之减少，在一次绕组Wl中产生约200~300V的自感电动势eL；二次绕组由于匝数多，产生约15~20kV的互感电动势eM。触点闭合期间，铁心中储存的能量为WP；触点打开后，i1消失，它的磁场也迅速消失。触点打开后，一次电路由电感L、电阻R和电容C组成振荡回路，产生衰减振荡。使二次绕组中的感应电动势也发生相应的变化。如果二次电压值不能击穿火花塞间隙，则二次电压U2将按图4-4b中虚线变化，在几次振荡之后消失。如果U2升到Uj时火花塞间隙被击穿，则电压的变化如图4-4b中实线所示，Uj称为击穿电压。触点打开后的等效电路如右图所示，在一次绕组W1中所产生的自感电动势eL将向电容Cl充电，并将Cl充到最大电压Ulmax。电容C1中储存的电场能为：1211max12CWCU2222max12CWCU同样，在二次绕组W2中所产生的互感电动势eM将也向高压电路的分布电容C2充电，直到充到最大电压U2max。C2中储存的电场能为根据能量守恒定律，若略去热损失，则触点打开前W1中储存的磁场能WP将全部转变为触点打开后电容C1、C2中的电场能，即：22212P1max2max111222ILCUCU假设W1和W2具有完全的磁路联系，即无磁损失，其耦合系数等于1，则11max22maxNUNU所以式中N1、N2——一次和二次绕组的匝数。整理后得2maxP12122()LUINCCN考虑到有热损失和磁损失，故11max2max2NUUN2maxP12122()LUINCCN式中，η一般为0.75~0.85。由式(4-12)可知，当点火线圈结构一定时，二次电压的最大值与一次断电电流IP成正比，并随Cl、C2的增大而减小。另外，二次电压上升的时间对火花塞的工作能力影响极大，电压上升的时间越短则损失越小，用于点火的能量就越多。(3)火花塞电极间的火花放电过程通常火花塞的击穿电压Uj总低于U2max，在这种情况下，当二次电压U2达到Uj时，就使火花塞电极间隙被击穿而形成电火花，在二次电路中出现i2，如图4-4c所示。同时二次电压突然下降，如图4-4b所示。火花放电一般由电容放电和电感放电两部分组成。所谓电容放电是指火花塞间隙被击穿时，储存在C2中的电场能迅速释放的过程，其特点是放电时间极短，为lμs左右，但放电电流很大，可达几十安培，如图4-4d所示。由于火花是在二次电压达到最大值U2max以前发生的，所以电容放电仅消耗线圈磁场能WP的一部分。跳火以后，火花间隙的阻力减小，线圈磁场的其余能量将沿着电离的火花间隙缓慢放电，形成电感放电，又称火花尾，如图4-4d所示。电感放电的特点是放电时间持续较长达几毫秒，但放电电流较小，约几十毫安，放电电压较低，约600V。电感放电持续的时间越长，点火性能越好。电容放电时，伴随有迅速消失的高频振荡，频率约为106~107Hz，它是产生无线电干扰的主要因素，必须加以抑制。二、影响二次电压的因素1．传统点火系统的工作特性点火系统的工作特性是指点火系统所能产生的最大二次电压U2max随发动机转速n变化的规律，即U2max=f(n)。由式(4-11)可知，二次电压的最大值U2max与一次断电电流IP成正比。当电源电压和点火线圈一定时，IP与触点的闭合时间tb有关。因此，研究发动机转速n对U2max的影响，首先应确定发动机转速n与触点闭合时间tb的关系。在四冲程发动机中bb120tzn式中z——发动机气缸数；τb——触点相对闭合率。n——发动机转速；因而一次断电电流为：b120p1RLznUIeR由上式可知，二次电压的最大值将随发动机转速的升高而降低。这是因为一次电流是按指数规律增长的，当转速升高时，由于触点闭合时间缩短，一次电流来不及上升到较大数值，而使一次断电电流IP减小，二次电压最大值U2max降低。b1202max211221RLznULUeRNCCN故传统点火系统的工作特性下图中虚线为传统点火系统的理论特性曲线，但实际特性（图中实线）有别于理论特性。在发动机低转速范围，触点闭合的时间长，一次电流较大，触点开启的速率低，触点间容易形成较强的触点火花，造成点火能量损失和一次电流的下降速率减小，因而使U2max下降。转速越低，触点的火花就越强，U2max下降也越多；在发动机高转速范围，触点开闭的运动速率很高，触点容易形成颤动，造成触点的实际闭合时间比理论上更短，因而使点火线圈一次电流及最高二次电压比理论上的更低。从传统点火系统工作特性曲线可知，发动机转速对点火系统最高二次电压的影响很大。二次电压随转速升高而降低，是发动机高速时容易断火的原因。如果在上图中做一条相当于发动机最不利情况下所需击穿电压的水平虚线，则此水平虚线与实际特性曲线的交点即为发动机的极限转速nmax，超过此转速发动机将不能保证可靠点火。2．影响二次电压的其他因素(1)发动机的气缸数从式(4-14)可知，二次电压的最大值将随发动机气缸数的增加而降低。这是因为凸轮的凸起数与气缸数相同，发动机的气缸数越多，凸轮每转一周触点闭合与打开的次数就越多，于是触点的闭合时间缩短，一次断电电流减小，因而使二次电压降低。图4-7所示为同一点火线圈用于四缸或六缸发动机时，二次电压与发动机转速的关系。图4-7缸数不同时U2max与发动机转速的关系(2)火花塞积炭火花塞的积炭层是具有一定电阻的导体，因此相当于在火花塞电极间并联了一个分路电阻，使二次电路形成闭合回路。当触点打开，二次电压增长时，在二次电路内会产生泄漏电流，消耗部分电磁能，从而使U2max降低。当积炭严重时，由于泄漏严重，会使U2max低于火花塞跳火电压，迫使发动机停止工作。当火花塞由于积炭严重而不能跳火时，可把通往火花塞的高压导线吊起3~4mm高，相当于在火花塞的导线中串联一个附加间隙，使泄漏电流不能产生，火花塞就能重新工作，这一方法称为“打吊火”。采用这种方法，只有当二次电压升到较高值时，才能同时击穿附加间隙和火花塞间隙，产生火花，点燃混合气。可见火花塞积炭严重时，采用“打吊火”的方法能改善点火，但这种方法不能长期使用，只能作为临时的急救措施。为了避免火花塞积炭对二次电压的影响，近年来有些国家生产的火花塞中，在中心杆的上端预留2.54~6.35mm的附加间隙。(3)电容对二次电压的影响由式(4-14)可知，二次电压的最大值随着一次电容C1和二次电容C2的减小而增高。理论上C1越小越好，但实际上C1不能过小，C1过小将不能很好地起到吸收断电器触点火花的作用，二次电压也会降低。因此，一般C1值在0.15~0.35μF之间为宜。理论上，二次分布电容C2减小，则U2max增大。但C2受点火系统结构的限制，也不能过小。因此，C2值一般为40~70μF。为了减少无线电干扰，在有些汽车上装有屏蔽时，C2会增加到150~200μF。(4)触点间隙对二次电压的影响使用中，触点间隙调整得是否适当，也会影响二次电压的最大值。触点间隙是指断电器