点火系统的功用及类型分析

1.点火系统的功用

汽油发动机工作时，混合气的燃烧是通过火花塞点火控制的。点火系统的作用就是根据发动机的工作状态，按照发动机的工作顺序，在合适的时刻供给火花塞足够能量的高压电，使其电极间产生火花，确保其能点燃混合气，使发动机做功。点火系统是汽油发动机各系统中故障率最高的系统。

点火系统的技术状况不仅严重影响发动机的动力性、经济性和排放性，还决定发动机能否正常工作。汽车点火系统经历了磁电机点火系统、蓄电池点火系统、电子点火系统和当今被广泛使用的计算机控制点火系统的发展历程。

2.点火系统的类型

1）按电能的来源分类

点火系统分为磁电机点火系统、蓄电池点火系统。

（1）磁电机点火系统。磁电机点火系统是一种应用较早的点火系统。磁电机大多采用旋转磁铁式结构，按总体设计可分为单体式和飞轮式。单体式是将部分部件做成一个整体，安装在内燃机上；飞轮式是将磁铁安装在内燃机飞轮上，将其他各部件分别安装在内燃机上，大多用于单缸机。图3-1-1所示为摩托车的CDI系统，它是一种改进型的磁电机点火系统。其使用磁电机提供点火电压，点火器采用电容式点火系统。

图3-1-1　摩托车的CDI系统

（a）实物图；（b）电路图

CDI是电容二极管点火的简称，CDI系统最初被用于摩托车赛车的高速发动机上。由于老式铂金触点触发系统的机械构造，在触点开闭次数到了每分钟万次以上时，即使再提高发动机转速，点火系统也不能为发动机提供可靠的点火电压，解决的途径是用电子开关来代替铂金触点。

摩托车磁电机给电容器充上较高电压，然后通过电子开关让点火线圈瞬时急剧放电，由于点火线圈次级电压取决于磁场的变化率，所以电容器急剧地放电可以提高点火线圈的次级感应电压。随着CDI系统的应用，人们发现电子点火器不但使摩托车在恶劣条件下易于起动，而且有助于形成比较干净的燃烧过程、达到废气排放标准、降低耗油量以及能长时间可靠工作。正因为这样，现代摩托车大多采用CDI系统。

（2）蓄电池点火系统。蓄电池点火系统的主要元件：蓄电池、点火线圈、分电器、电容器、火花塞、点火高压线等。图3-1-2所示为蓄电池点火系统。

2）按储能方式的不同分类

点火系统分为电感储能点火系统、电容储能点火系统。

图3-1-2　蓄电池点火系统

1—火花塞；2—点火高压线；3—分电器；4—蓄电池；5—点火开关；6—点火线圈

（1）电感储能点火系统。电感储能点火系统的点火能量以磁场形式储存在点火线圈中。点火线圈是电能磁能的转换元件，是点火能量的存储元件，也是电压提升元件。蓄电池点火系统是典型的电感储能点火系统。当点火线圈的初级绕组由于断电器触点闭合通电时，电流转换为磁场能量存储。当点火线圈初级电流由于断电器触点断开消失时，磁场发生变化并在次级线圈产生高电压。图3-1-3所示为点火电路及点火线圈的储能作用。汽油机在运行时带动断电器凸轮转动，使断电器不断闭合与断开。在触点闭合时，蓄电池提供电流，电流从蓄电池正极经点火线圈的一次绕阻、断电器触电，返回到蓄电池负极。电流流经点火线圈的一次绕阻时，铁芯中产生一个储能用的强磁场，当断电器触点被顶开时，一次电流迅速衰减以至消失，铁芯中的磁通随之减小，而在二次绕阻中感应出点火所需的高电压。这一电压由高压线输送到分电器，再由分电器输送到各个相应的火花塞上，产生电火花。

图3-1-3　点火电路及点火线圈的储能作用

（2）电容储能点火系统。电容储能点火系统的点火能量以电场的形式存储在专门的储能电容器中。电容器是点火能量的存储元件，点火线圈是电压提升元件。电容储能点火系统的基本组成如图3-1-4所示。

图3-1-4　电容储能点火系统的基本组成

1—蓄电池；2—点火开关；3—振荡器；4—直流升压器；5—储能电容；6—晶闸管；7—点火线圈；8—分电器；9—触发器；10—火花塞

直流升压器4由振荡器、变压器、整流器三部分组成，它将电源的低压直流电转变成400V 左右的直流电。其中，振荡器将电源提供的12V 的直流电转变成交流电；变压器将振荡器产生的低压交流电升压为300～500V 的交流电；整流器将变压器输出的交流电变为400V 左右的直流电，并向储能电容充电。

储能电容5的作用是储存点火能量，并在需要点火时向点火线圈初级绕组放电，使点火线圈次级产生高压。晶闸管6的作用是在非点火时间内，隔断储能电容与点火线圈的连接，以使直流升压器迅速将电容充足；在点火触发信号输入时，则迅速导通，让储能电容及时向点火线圈初级绕组放电，使点火线圈次级产生高压。(www.xing528.com)

晶闸管触发电路的作用是根据点火信号发生器的点火信号产生触发脉冲，使晶闸管迅速导通，而在非点火时间内，则保持晶闸管的控制极为零电位或负电位。

与电感储能点火系统相比，电容储能点火系统具有如下特点：

①最高次级电压稳定。储能电容的充电电压高，充足电时间极短，晶闸管的导通速率极高，因此，次级电压几乎不受发动机转速的影响。这一特性使得电容储能点火系统特别适用于高速发动机。

②对火花塞积炭不敏感。次级电压上升速率高，上升时间一般为3～20 μs，因此，次级回路有漏电对最高次级电压影响较小。也就是说，电容储能点火系统对火花塞积炭不敏感，在火花塞有积炭、高压回路有漏电（不很严重）的情况下，仍能保持良好的点火性能。

③点火线圈的工作温度低。由于电容储能点火系统只是在点火的瞬间有较大的电流通过点火线圈，而在其他的时间内点火线圈不通电流，所以，点火线圈的平均电流小、工作温度低、使用寿命长。

④低速时点火系统能耗低。电容储能点火系统的电能消耗随发动机转速的增加而增加，在发动机怠速时电能消耗最少。这一特点对蓄电池极为有利，因为在发动机怠速时，其往往需要蓄电池提供点火所需的电能。

⑤能量损失小。整个储能过程能量损失小，点火线圈的能量转换效率高。

⑥火花的持续时间短。电容储能点火系统的火花持续时间一般为1～50ms（电感储能点火系统为1～2s）。太短的点火时间会造成在发动机起动和低速时电火花难以点燃混合气，使发动机不能正常工作，甚至熄火。这一缺点是电容储能点火系统很少在普通发动机上使用的原因。

3.点火系统的要求

（1）足以击穿火花塞间隙的电压。

在火花塞电极间加上高电压后，电极间的气体便发生电离现象，所加电压越高，气体电离的程度越高。当电压增高到一定值时，火花塞两极间的间隙被击穿而产生电火花。使火花塞两电极之间产生电火花所需要的最低电压，被称为击穿电压。点火系统产生的次级电压必须高于击穿电压，才能使火花塞跳火。击穿电压的大小受很多因素影响，其中主要因素如下：

①火花塞电极的间隙和形状。火花塞电极的间隙越大，击穿电压就越高；电极的尖端棱角分明，所需的击穿电压低。

②气缸内混合气体的压力和温度。混合气的压力越大，温度越低，击穿电压就越高。

③电极的温度。火花塞电极的温度越高，电极周围的气体密度越小，击穿电压就越低。

当火花塞间隙为0.5～1.0mm 时，发动机冷起动所需击穿电压为7000～8000V，实际工作电压一般为10000～15000V。

（2）具有足够的能量的火花。

发动机在正常工作时，由于混合气压缩终了的温度接近其自燃温度，仅需要1～5mJ的火花能量。但在混合气过浓或过稀，发动机起动、怠速或节气门急剧打开时，发动机则需要较高的火花能量，并且现代发动机随着经济性和排气净化要求的提高，迫切需要提高火花能量。因此，为了保证可靠点火，高能电子点火系统一般就应具有80～100mJ的火花能量，在起动时应产生高于100mJ的火花能量。

（3）适应发动机工作情况的点火时刻。

首先，点火系统应按发动机的工作顺序进行点火；其次，点火必须在最有利的时刻进行。

由于混合气在气缸内燃烧占用一定的时间，所以混合气不应在压缩行程上止点处点火，而应适当提前，使活塞在达到上止点时，混合气已得到充分燃烧，从而使发动机获得较大功率。点火时刻一般用点火提前角来表示，即从发出电火花开始到活塞到达上止点为止的一段时间内曲轴转过的角度。

如果点火过迟，当活塞到达上止点时才点火，则混合气的燃烧主要在活塞下行过程中完成，即燃烧过程在容积增大的情况下进行，使炽热的气体与气缸壁接触的面积增大，因而转变为有效功的热量相对减少，气缸内最高燃烧压力降低，导致发动机过热，功率下降。

如果点火过早，由于混合气的燃烧完全在压缩过程进行，气缸内的燃烧压力急剧升高，当活塞到达上止点之前即达最大，使活塞受到反冲，发动机做负功，不仅使发动机的功率降低，还有可能引起爆燃和运转不平稳现象，加速运动部件和轴承的损坏。

实践证明，点火提前角在上止点前10°～15°时，发动机的输出功率最大，此时所对应的点火提前角为最佳点火提前角。由于发动机工作状态变化，发动机点火系统必须能自动调整最佳点火提前角，以适应发动机的工作。

当发动机节气门开度一定时，随着转速增高，燃烧过程所占曲轴转角增大，这时，我们应适当加大点火提前角，即点火提前角应随转速增高适当加大。

当发动机转速一定时，随着负荷的加大，节气门开度增大，进入气缸内的可燃混合气量增多，则压缩终了时混合气的压力增大、温度增高、燃烧速度加快，这时，点火提前角应适当减小。反之，当发动机负荷减小时，点火提前角则应适当增大。

汽油的辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可适当增大，以提高发动机的性能；辛烷值较低的汽油抗爆性差，点火提前角则应减小。