汽车点火系统构造与工作原理

1.组成

传统点火系统的组成如图5-1所示。

图5-1 传统点火系统的组成

1—分电器 2—高压线 3—火花塞 4—附加电阻 5—点火线圈 6—点火开关 7—蓄电池 8—起动机 9—电容器 10—断电器

各装置在汽车上的布置如图5-2所示。

图5-2 传统点火装置各零部件在汽车上的布置

传统点火装置各零部件的作用如下：

1）电源。点火系统的电源是蓄电池或发电机，作用是供给点火系统所需的电能。发动机起动时由蓄电池供电，正常工作时由发电机供电。

2）点火开关。接通或断开点火系统初级电路，控制发动机起动、工作和熄火。

3）点火线圈。为自耦变压器，将低电压变为能击穿火花塞间隙所需的高电压。

4）分电器。分电器由断电器、配电器、点火提前角调节装置和电容器等组成，其功用是接通和断开点火线圈初级电路，使点火线圈次级产生高压电，并按发动机点火顺序将高压电分送到各气缸火花塞；随发动机转速、负荷和燃油牌号的变化，自动或人为地调节点火提前角。电容器与断电触点并联，以减小触点分开时的火花，延长触点使用寿命。

5）高压导线。用以连接点火线圈与分电器中心插孔以及分电器旁电极和各缸火花塞。

6）火花塞。将高压电引入气缸燃烧室，产生电火花点燃可燃混合气。

7）附加电阻。改善正常工作时的点火性能和起动时的点火性能。

2.工作原理

在传统点火系统中，蓄电池或发电机供给12V低电压，经点火线圈和断电器转变为高电压，再经配电器分送到各缸火花塞，使电极间产生电火花。

发动机工作时，断电器的轴连同凸轮一起在发动机凸轮轴的驱动下旋转。断电器凸轮转动时，断电器触点交替地闭合和打开，因此传统点火系统的工作原理可分为触点闭合、初级电流增长，触点打开、次级绕组产生高压，火花塞电极间火花放电三个阶段。传统点火系统的工作原理如图5-3所示。

1）断电器触点闭合、初级电流增长的过程。点火系统的初级电路包括蓄电池、点火开关、附加电阻、初级点火线圈、分电器的断电触点及电容器。初级电路等效电路如图5-4所示。

图5-3 传统点火系统的工作流程

触点闭合时，初级电流由蓄电池附加电阻R_f流过初级点火线圈，初级电流按指数规律增长，并逐渐趋于极限值U_B/R_f，初级电流波形如图5-5a所示。对汽车上的点火线圈而言，在触点闭合后约20ms，初级电流就接近于其极限值。

初级电流增长时，不仅在初级绕组中产生自感电势，同时在次级绕组中也会有电势，约为1.5～2kV，但此时不能击穿火花塞间隙。次级电压波形如图5-5b所示。

2）触点打开、次级绕组产生高压的过程。触点闭合后，初级电流按指数规律增长，当闭合时间为t_b、i₁增长到i_p时，触点被凸轮顶开，i_p称为初级断电电流。

触点打开后，初级电流i_p迅速降到零，磁通也随之迅速减少，如图5-5a所示。此时，在初级绕组和次级绕组中都产生感应电动势，初级绕组匝数少，产生200～300V的自感电势，次级绕组由于匝数多，产生高达15～20kV的互感电势U₂，如图5-5b所示。

触点打开后，初级电路由L、R、C组成振荡回路，产生衰减振荡。在次级绕组中的感应电动势也发生相应的变化。如果次级电压值不能击穿火花塞间隙，则U₂将按图5-5b中虚线变化，在几次振荡之后消失。如果U₂升到U_j时火花塞间隙被击穿，则电压的变化如图5-5b实线所示，U_j称为击穿电压。

图5-4 初级电路的工作示意图

图5-5 传统点火系统工作过程波形图

在次级绕组中，高压导线和发动机机体之间，次级绕组匝与匝之间，火花塞中心电极与侧电极之间均有一定的电容，称为分布电容，用C₂表示。

3）火花塞电极间火花放电过程。通常火花塞的击穿电压U_j总低于U_2max，在这种情况下，当次级电压U₂达到U_j时，就使火花间隙击穿而形成火花，这时在次级电路中出现i₂，次级电流波形如图5-5c所示。同时次级电压突然下降，如图5-5b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（1μs左右），但放电电流很大，可达几十安。跳火以后，火花间隙的电阻减小，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。其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。实验证明，电感放电持续的时间越长，点火性能越好。

发动机工作期间，断电器凸轮每转一周（曲轴转两周），各气缸按工作顺序轮流点火一次。若要停止发动机的工作，只要断开点火开关，切断初级电路即可。

3.传统点火系统的工作特性

图5-6所示为传统点火系统的工作特性。图中，V_j是发动机在不利情况下所需的击穿电压。

点火系统供给的点火能量与电压高低，直接影响发动机的性能。影响次级电压的因素很多，下面着重讨论使用条件对次级电压的影响。

1）发动机转速的影响。次级电压随转速升高而降低的现象，是发动机高速时容易断火的原因。如果在图5-6中做一条相当于发动机最不利情况下所需击穿电压V_j的水平虚线，则水平虚线与特性曲线的交点即为发动机的极限转速，超过此转速将不能保证可靠点火，即发生所谓“高速断火现象”。

2）发动机气缸数的影响。次级电压的最大值将随发动机气缸数的增加而降低。这是因为凸轮的凸角数与气缸数相同，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，触点闭合时间缩短，次级电压最大值U_2max下降。

3）火花塞积炭的影响。如图5-7a所示，当积炭渣存在于火花塞绝缘体时，相当于在火花塞电极之间并联了一个电阻R_jt，使次级电路闭合。于是在次级电压还未上升到火花塞击穿电压时，就通过积炭产生漏电，使次级电压下降，造成点火困难。

图5-6 传统点火系统的工作特性图(www.xing528.com)

图5-7 火花塞积炭对次级电压的影响

a）积炭影响 b）吊火

当火花塞由于积炭严重，而不能跳火时，可用“吊火”的方法临时补救。即拔出高压线，使它与火花塞间保留3～4mm的附加间隙，如图5-7b所示，使次级电压上升过程中不发生泄漏。当次级电压上升到一定值后，将火花塞间隙与附加间隙同时击穿，则火花塞便能正常跳火，但这种方法只能应急，不能长期使用，否则会使点火线圈负担过重而损坏。

图5-8 触点间隙对闭合角的影响

a）初级电流波形图 b）次级电压波形图 c）次级电流波形图

a）触点间隙大 b）触点间隙小

4）触点间隙的影响。在使用中触点间隙大小是否合适，也将影响U_2max值，如图5-8所示。当触点间隙大时，触点闭合角度变小，如图5-8a所示，使i_p减小，U_2max下降；触点间隙小时，β增大，i_p增大，故U_2max可以提高。但是如果间隙太小，会使触点分开时，触点火花加强，反而会降低次级电压。因此，触点间隙应按制造厂规定进行调整。

5）电容的影响。由前述可知，U_2max随C₁、C₂的减小而增高，但实际上当C₁过小时，U_2max反而要降低，如图5-9所示。

这是因为C₁过小时，起不到灭弧作用，触点分开时将产生较强的火花，消耗一部分初级绕组中的磁场能量，从而降低了U_2max。火花严重时，i₁下降速率减慢，U_2max也要下降。一般C₁取0.15～0.25μF为宜。

次级分布电容C₂也有同样影响，但受结构限制，C₂不可能过小。为了避免无线电干扰，有时在点火装置中有屏蔽，此时C₂将有所增加。

6）点火线圈温度的影响。使用中当点火线圈过热时，由于初级绕组的电阻值增大（铜有正的温度系数），初级电流减小，从而使U_2max降低。

图5-9 次级最高电压与电容的关系

点火线圈过热的原因有：夏季天气炎热；发动机过热；调节器调节电压过高，使初级电流增大等。

4.传统点火系统点火时刻的控制

点火时刻对发动机性能影响很大。从火花塞点火到气缸内大部分混合气燃烧，并产生很高的爆发力需要一定的时间，虽然这段时间很短，但由于曲轴转速很高，在这段时间内，曲轴转过的角度还是很大的。若在压缩上止点点火，则混合气一边燃烧，活塞一边下移而使气缸容积增大，这将导致燃烧压力低，发动机功率也随之减小。因此要在压缩接近上止点点火，即点火提前。将火花塞点火时，曲轴曲拐位置与活塞位于压缩上止点时曲轴曲拐位置之间的夹角称为点火提前角（Spark Advance Angle）。

最佳的点火提前角受许多因素影响，最主要的因素是发动机转速和混合气的燃烧速度，混合气的燃烧速度又和混合气的成分、燃烧室形状、压缩比等因素有关。

当发动机转速一定时，随着负荷的加大，节气门开大，进入气缸的可燃混合气量增多，压缩终了时的压力和温度增高，同时，残余废气在气缸内所占的比例减小，混合气燃烧速度加快，这时，点火提前角应适当减小。反之，发动机负荷减小时，点火提前角则应适当增大。

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，应适当加大点火提前角。

另外，点火提前角还和汽油的抗爆性能有关。使用辛烷值高、抗爆性能好的汽油，点火提前角应较大。

5.点火提前角调节装置

分电器上有两套点火提前调节装置。一套为离心式调节器，其作用是使点火提前角随发动机转速的升高而加大。该调节器的提前特性如图5-10所示，工作原理如图5-11所示。

凸轮轴驱动的分电器轴由上半轴和下半轴两部分组成，两者通过提前角调节器相连接。当发动机转速升高时，由于安装在分电器轴托板上的离心飞块的离心作用，使分电器上半轴顺着分电器的旋转方向相对下半轴偏转一定角度，使断电器触点提前断开，于是点火时刻被提前。反之，当发动机转速降低时，点火时刻被推后。

图5-10 离心式点火调节器的提前特性

图5-11 离心式点火调节器的结构及工作原理

1—凸轮 2—调节器弹簧 3—调节器飞块

另一套为真空式调节器，其作用是使点火提前角随发动机负荷的增大而减小。真空调节器的提前特性如图5-12所示，结构如图5-13所示。真空控制器内的膜片通过拉杆与断电器底板连接。当发动机负荷减小时，节气门开度较小，节气门下方小孔处真空度（或吸力）较大，于是膜片被吸动并克服弹簧的预紧力而拱曲，通过拉杆拉动断电器底板逆时针（与分电器轴旋转方向相反的方向）旋转，使点火提前角加大。反之，负荷大时，节气门开度大，节气门下方小孔处的真空度小，膜片拉动底板逆时针转动的角度小，于是点火提前角减小。

图5-12 真空式点火调节器的提前特性

注：1mmHg≈133Pa。

图5-13 真空式点火调节器的结构

1—真空控制器 2—膜片拉杆

另外有的汽车加装手动辛烷值校正点火提前角调节装置。

作用：换用不同牌号汽油时，改变初始点火提前角。

方法：首先将分电器外壳固定螺栓旋松，若想增大点火提前角，则使分电器外壳逆分电器轴旋转方向转一个角度，反之则顺旋转方向转一个角度（带动触点相对凸轮移动一个角度），然后，将固定螺栓拧紧。