汽车发动机检修：点火系统需求及配置

由于汽油的燃点较高，且在压缩终了时，气缸内的可燃混合气无法自燃，因此，汽油发动机必须要有点火系统。

1.组成

电控汽油发动机点火系统主要由蓄电池、点火开关、点火线圈、高压线、火花塞、ECM、相关传感器（如：曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆震传感器等）组成，如图4-11所示。

图4-11　电控汽油发动机点火系统的组成

如图4-11所示，点火线圈初级线圈的一端通过点火开关与蓄电池正极相连，另一端通过ECM搭铁；次级线圈一端搭铁，另一端通过高压线连接至火花塞，火花塞自身搭铁。点火开关接通，电流从蓄电池正极出发，经点火开关→初级线圈→ECM→搭铁→流回蓄电池负极。这个电流称为初级电流或低压电流，初级电流流经的电路称为初级回路或低压回路。初级线圈流过电流时，在其周围产生磁场，并由于铁芯的作用而得到加强。起动机转动，驱动发动机曲轴运转，ECM根据曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号确定活塞的位置。当活塞运行到压缩上止点时，ECM通过其内部电路瞬间断开初级回路，初级线圈内的电流迅速减少。根据互感原理，电流经过次级线圈一级→火花塞→缸体搭铁→次级线圈另一级，次级线圈产生高压电动势，并通过高压线和发动机缸体搭铁施加给火花塞，火花塞跳火，点燃压缩后的可燃混合气。次级线圈产生的高压电动势称为次级电压，其流过的电流称为次级电流，次级电流流过的回路称为次级回路。

2.类型

电控汽油发动机点火系统根据高压配电方式的不同，可分为同时点火和独立点火两种类型。

（1）同时点火

同时点火是一个点火线圈对活塞接近压缩行程上止点和排气行程上止点的两个气缸同时进行点火，也称为双缸点火或废火点火，如图4-12所示。因此对于4缸的发动机有2个点火线圈，6缸的发动机有3个点火线圈。点火能量主要集中在压缩行程的气缸。但是同时点火若一个气缸的火花塞或高压线出现了故障，会同时影响到两个气缸的工作。

（2）独立点火

独立点火方式就是每个火花塞安装一个点火线圈，单独向火花塞提供高压电动势，实现各缸直接点火，如图4-13所示。独立点火取消了易导致电磁干扰的高压线，ECM可以单独对每一个气缸点火正时进行调整，提高发动机的性能。例如：如果爆震传感器检测到3缸点火后生产爆震，ECM将单独减小3缸的点火提前角。

图4-12　同时点火

图4-13　独立点火

3.点火线圈

（1）概述

点火线圈实际是一个升压变压器，其作用是将蓄电池提供的12V低压电转换成点火所需的高压电，使火花塞跳火。点火线圈主要由初级线圈、次级线圈及铁芯等组成，如图4-14所示。

（2）工作原理

点火线圈是根据电磁感应原理进行工作的。当初级回路导通后，在初级线圈中产生2～6A的电流，这个电流会使线圈内产生一个很强的磁场。当初级回路断开时，初级回路中电流消失的瞬间，磁通量急剧减小，根据电磁感应原理（楞次定律），初级线圈产生一个200～400V的自感电动势，次级线圈中则会产生一个20～40kV的互感高压电动势和20～80mA的小电流，这个次级高压电动势会通过高压线到达火花塞。

因为直流电不可以直接变压，所以点火线圈必须由ECM控制初级回路电流的通断变化，从而使次级线圈产生高压电动势。为了产生可以击穿火花塞间隙的高电压，一般设计初级线圈约有240～370匝，次级线圈约有22000匝，次级线圈的匝数约为初级线圈的100倍，如图4-15所示。

图4-14　点火线圈

图4-15　点火线圈的工作原理

4.火花塞

（1）概述

火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电动势引入燃烧室，并在其两个电极之间产生电火花，以点燃可燃混合气。

火花塞主要由绝缘体、壳体、接线柱（终端螺丝帽）、中心电极和外侧电极等组成，如图4-16所示。

图4-16　火花塞结构

（2）规格

①间隙

火花塞间隙是指火花塞中心电极和侧电极之间的间隙。该间隙一般为0.6～1.5mm，如图4-17所示。

图4-17　火花塞间隙

若火花塞间隙过小，则火花微弱且易形成积碳而漏电，点火能量大，但由于火焰离电极较近，消焰作用明显。火花塞间隙过小的危害：启动困难甚至启动不了，点火时间过早，易出现爆震；噪音大，尾气重；混合气燃烧不完全，增加油耗。

若火花塞间隙过大，则所需击穿可燃混合气的电弧变大，但能量减弱，从而造成发动机气缸失火。火花塞间隙过大的危害：点火不良，需要更高的点火电压；在发动机工作过程中可能会出现熄火现象；在点火不佳的情况下，容易造成燃油燃烧不充分，从而导致油耗增加。

②阻值

目前发动机大多采用电阻型火花塞，其内部装有一个陶瓷电阻器，可以有效地减小火花塞对汽车电器的干扰，保护汽车上的电子元件避免损坏。按ISO的标准，火花塞的电阻值应在1～20kΩ。

③热值

火花塞把燃烧室热量传递到气缸盖的能力称为热值。每一个品牌的火花塞有自己规定的热值数。

在发动机工作时，火花塞裙部的温度应保持在自净温度的范围内。但是，各种发动机气缸内的燃烧状况是不同的，所以气缸内的温度也不尽相同，这就要求配用不同热特性的火花塞。火花塞的热特性主要决定于绝缘体裙部的长度，火花塞绝缘体裙部越长，其受热面积越大，传热距离越长，火花塞裙部的温度越高，这种火花塞称为“热型”火花塞，“热型”火花塞主要用于压缩比小、转速低、功率小的发动机；相反，火花塞绝缘体裙部越短，其受热面积越小，且传热距离缩短，容易散热，火花塞裙部的温度越低，这种火花塞称为“冷型”火花塞，“冷型”火花塞适用于高压缩比、转速高、功率大的发动机；裙部长度介于冷型与热型之间的火花塞，称为“普通型”火花塞。各种火花塞外形结构如图4-18所示。

图4-18　不同热值的火花塞

5.相关传感器

ECM采集空气流量传感器、进气歧管压力传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、爆震传感器信号作为点火正时的主要信号。

（1）空气流量传感器（MAF）

空气流量传感器（MAF）的作用是将单位时间内吸入发动机气缸的空气量转换成电信号送至发动机控制模块（ECU），是决定喷油量和点火正时的基本信号之一，如图4-19所示。

如果空气流量传感器发生故障，会出现发动机启动困难，性能失常，怠速不稳，加速时回火、放炮，油耗大、爆燃等现象。

图4-19　空气流量传感器（MAF）

（2）进气歧管压力传感器（MAP）

若进气歧管压力传感器（MAP）的作用是检测进气歧管的真空度，并将压力信号转变成电子信号输送给发动机控制电脑，是控制喷油脉冲宽度和点火正时的主要参考信号，分为半导体压敏电阻式和电容式进气歧管压力传感器两种，如图4-20所示。

若进气歧管压力传感器发生故障，发动机会启动困难，性能失常，加速性变差，怠速不稳，油耗大、加速不稳，出现加速时回火、放炮、油耗大、爆燃等故障现象。

图4-20　进气歧管压力传感器（MAP）

（3）曲轴位置传感器（CKP）

曲轴位置传感器（CKP）是发动机集中控制系统中最主要的传感器之一，是确认曲轴转角位置和发动机转速不可或缺的信号源，发动机控制模块（ECU）用此信号控制燃油喷射量、喷油正时、点火时刻（点火提前角）、点火线圈充电闭合角、怠速转速和电动汽油泵的运行，如图4-21所示。

当曲轴位置传感器发生故障后，会出现发动机不能启动、加速不良、怠速不稳、间歇性熄火等故障现象。

图4-21　曲轴位置传感器（CKP）

（4）凸轮轴位置传感器（CMP）

凸轮轴位置传感器用来检测凸轮轴的转角位置，发动机控制模块（ECU）用此信号确定发动机的缸序，用以控制喷油顺序、点火顺序，如图4-22所示。

当凸轮轴位置传感器发生故障后，发动机的输出功率会降低。

图4-22　凸轮轴位置传感器（CMP）

（5）发动机冷却液温度传感器（ECT）

发动机冷却液温度传感器用来检测发动机冷却液的温度，并将温度信号转变成电信号输送给发动机控制模块（ECU），作为汽油喷射、点火正时、怠速和尾气排放控制的主要修正信号。

（6）进气温度传感器（IAT）

进气温度传感器用来检测进气温度，并将进气温度信号转变成电信号输送给发动机控制模块（ECU），作为汽油喷射、点火正时的修正信号，如图4-23所示。

图4-23　进气温度传感器（IAT）

（7）排气温度传感器

排气温度传感器用来检测再循环废气的温度，用以反映废气再循环的流量。

如果发动机温度传感器发生故障，会出现汽车在很低的温度下冷启动困难、在暖车阶段行驶特性不良、燃油消耗增加、废气排放增加等故障。

（8）节气门位置传感器（TPS）(www.xing528.com)

节气门开度传感器用来检测节气门的开度和开关的速率，并把该信号转变为电压信号送给发动机的控制电脑，作为控制喷油脉冲宽度、点火正时、怠速转速、尾气排放的主要修正信号，同时也是空气流量传感器或进气歧管压力传感器的辅助信号，如图4-24所示。

图4-24　节气门位置传感器

如果节气门位置传感器发生故障，发动机启动困难，怠速不稳，发动机性能不良，易熄火，减速时负载变化时会有颠簸。

（9）氧传感器

氧传感器的根本作用是用来检测尾气中的含氧浓度，然后ECU会通过氧传感器提供的氧浓度信号来判定发动机的燃烧状况（前氧）或者催化器的工作效率（后氧）。有氧化锆式和氧化钛式，如图4-25所示。

如果氧传感器发生故障，发动机性能不良，λ调节处于固定不变，怠速不稳，排放值不正常，油耗加大，火花塞积炭。

图4-25　氧传感器

（10）爆震传感器

爆震传感器用来检测发动机的燃烧过程中是否发生爆震，并把爆震信号输送给发动机控制电脑作为修正点火提前角的重要参考信号。爆震传感器有非共振型和共振型两种，一般安装在2缸和3缸之间，或者1、2缸中间一个，3、4缸中间一个。一般的爆震传感器的连接线上都用屏蔽线包裹，如图4-26所示。

当爆震传感器发生故障时，发动机会爆燃，点火正时失准，高油耗，功率降低，发动机工作粗暴。

图4-26　爆震传感器

6.控制方式

点火提前角和闭合角是与汽油发动机综合性能相关的两个重要控制参数。

①点火提前角：从提前点火时刻起到活塞到达上止点这段时间内，曲轴转过的角度称为点火提前角。点火提前角影响发动机的经济性、动力性及排放性。最佳点火提前角使发动机获得最佳动力性、经济性和最佳排放的点火提前角。

当ECM检测到爆震后，会减小点火提前角，直至爆震消失；如果ECM在点火提前角恢复过程中又检测到了爆震信号，则再次减小点火提前角，形成点火提前角闭环控制，如图4-27所示。

图4-27　点火提前角控制方式

②闭合角：影响击穿电压和点火能量。

7.次级点火波形

发动机的点火线圈是由两部分的线圈组成：低压部分的初级线圈和高压部分的次级线圈。当初级线圈的电流被截断时，初级线圈会产生200～300V的电压，而在次级线圈上将产生高达15～20kV的电压，所以，两者的波形有所不同。

（1）次级点火标准波形分析

次级点火标准波形如图4-28所示。

图4-28　次级点火标准波形

①a点：断电器的触点断开或电子点火器晶体管没导通，点火线圈初级突然断电，使次级电压急剧上升。

②ab段：为火花塞的击穿电压（5000～8000V），即在断电器打开的瞬间，由于初级电流下降至零，磁通也迅速减小，于是次级产生的高压急剧上升，当次级电压还没有达到最大值时，就将火花塞的间隙击穿，所以ab也称为点火线。

③bc段：当火花塞的间隙被击穿时，两电极之间要出现火花放电，同时次级电压骤然下降，bc为此时的放电电压（电容放电阶段电压）。

④cd段：火花塞电极间隙被击穿后，通过电极间隙的电流迅速增加，致使两极间隙中的可燃气体粒子发生电离，引起火花放电。cd的高度表示火花放电的电压，cd的宽度表示火花放电的持续时间。cd被称为火花线（电感放电阶段电压）。

在火花间隙被击穿的同时，储存在次级电容C2（指分布电容，即点火线圈匝间、火花塞中心电极与侧电极间、高压导线与机体间等所具有的电容量总和）的能量迅速释放，故abc段被称为电容放电。其特点是放电时间极短（1μs），放电电流很大（可达几十安培），所以a、c两点基本是在同一条垂直线上。而电容放电时，伴有迅速消失的高频振荡，频率为106～107Hz。但电容放电只消耗磁场能的一部分，其余磁场能所维持的放电称为“电感放电”。其特点是放电电压低，放电电流小，持续时间长，但振荡频率仍然较高。所以整个abcd段波形称为高频振荡。

⑤de段：当保持火花塞持续放电的能量消耗完毕，电火花消失，点火线圈和电容器中的残余能量在线路中维持一段衰减振荡。这段振荡也称为第一次振荡。

⑥ef点：断电器触点闭合或电子点火器晶体管导通，是点火线圈初级突然闭合，初级电流开始增加，引起次级电压突然增大。值得注意的是：在a点，初级电流是急剧减小的，而在e点电流是逐渐增加的，所以这两点感应次级电压的方向相反，而且大小也不相同。

⑦fa段：触点闭合后，因初级电流接通而引起回路电压出现衰减振荡，称为第二次振荡，逐渐变化到零。当至a点时，触点又打开，次级电路又产生点火电压。

整个波形中，从a点至e点，对应于初级电流不导通、次级线圈放电阶段，对于传统点火系为断电器触点张开阶段，即触点打开段；从e点至a点对应于初级电流导通、线圈储能阶段，也是传统点火系的触点闭合时间，即触点闭合段。打开段加上闭合段等于一个完整的点火循环。

（2）次级点火波形要点

①观察efa段，即点火线圈在开始充电时，波形的下降沿是否与标准波形类似：如果相差不大，表明闭合角正常，点火正时准确；如果相差悬殊，表明闭合角出现问题，即电容器、点火线圈和断电器触点出现故障。

②观察ab段，即点火线。主要看点火线的高度是否符合该车技术参数，点火线的中后段是否有污渍。一般汽车在怠速时，次级点火电压为10～15kV。如果点火电压过高，表明在次极线路中存在着高电阻，如火花塞、高压线开路或损坏、火花塞的电极间隙过大。如果点火电压过低，表明次级线路的电阻低于正常值，如火花塞污蚀或损坏、火花塞或高压线漏电等。

③观察cd段。即火花线是否近似水平，火花线的起点是否和火花放电电压一致和稳定，以及火花线是否有杂波。如果火花线近似水平，火花线的起点和火花放电电压一致且稳定，表明各缸的空燃比一致，火花塞是正常的。如果火花线的起点比正常火花放电电压低一些，说明混合比过稀；如果火花塞有污蚀或积炭，火花线的起点会上下跳动且火花线明显倾斜；如果火花线有过多的杂波，表明气缸点火不良，其原因为点火过早、喷油器损坏，火花塞污蚀或其他原因。

④观察cd段的宽度，即看火花线的火花放电持续时间是否符合该车的技术参数。火花放电持续时间表明气缸内混合气的浓与稀。火花放电持续时间过长（通常超过2ms）表示混合气过浓；相反，火花放电持续时间过短（通常少于0.75ms）表示混合气过稀。

⑤观察efa段的低频振荡。点火线圈振荡波最少为两个，最好多于三个，这表明点火线圈和电容器的工作正常。

（3）典型故障次级点火波形分析

以多缸发动机各缸点火状况的平列波为例，该波形可用于比较检测。例如，某四缸发动机波形按点火次序排列为1-2-4-3，如图4-29所示为该四缸发动机的正常波形和常见的几种故障波形。

图4-29　四缸发动机的正常波形和常见的几种故障波形图

①四缸发动机的正常平列波形如图4-29（a）所示。

②各缸点火电压均高于标准值，如图4-29（b）所示，说明高压回路有高阻，多为点火线圈的高压线插孔、分电器高压线插孔及分火头等有积炭，或高压线内有高阻（断线、接插不牢固）等。个别缸在点火线下端出现多余波形，为该缸火花塞故障（如第2缸），火花塞电极烧毁或间隙增大。

③个别缸点火电压过高，如图4-29（c）中第2缸，为该缸火花塞间隙偏大，或高压线接触不良，以及分火头与该缸高压线接触刷间隙过大。

④全部气缸点火电压低于标准，如图4-29（d）所示，为火花塞脏污或间隙太小。

⑤个别缸点火电压低，如图4-29（e）中第4缸，为该缸火花塞间隙小或脏污，以及该缸高压线（绝缘损坏）或火花塞（瓷芯破裂）有漏电等情况。

⑥为诊断点火线圈的发火能力，可拔掉某缸高压线，如图4-29（f）中第2缸。此时，该缸点火电压应高达20kV以上，为点火线圈性能良好，而且点火电压线下端伸长应为上端的1/2左右。

⑦全部平列波上下颠倒，如图4-29（g）所示为点火线圈极性接反所致。

8.初级点火波形

（1）初级点火标准波形分析

初级点火标准波形如图4-30所示。

图4-30　初级点火标准波形

①ab段：为触点打开时，初级线圈上初级电压的迅速增长，而这时次级线圈的电压也迅速增长，当次级电压达到击穿电压的时候，两电压之和就可以击穿火花塞的电极间隙。

②bc段：当火花塞的电极间隙被击穿时，两电极之间要出现火花放电，使次级电压骤然下降，而由于点火线圈的初级和次级之间的变压器效应，初级电压也迅速下降。

③abc段：当火花塞两电极间出现火花放电时，会伴随出现高频振荡。由于点火线圈的初级和次级之间的变压器效应，初级波形中也会出现高频振荡，也就是abc段，所以abc段称为高频振荡波形。

④cd段：在火花塞放电的持续时间里，初级线圈的电压变化，也反映了火花塞的火花放电持续时间。

⑤de段：当次级火花放电完毕时，点火线圈和电容器中的残余能量要继续释放，初级电路中出现低频振荡波形。de振荡终了时为一段直线，高于基线的距离表示施加于初级电路上的触点两端的电压。而触点在e点闭合。

⑥fa段：当触点闭合后，初级电压几乎降为零，显示如一条直线，一直延续到触点的下一次打开。

（2）初级电压点火故障波形

①初级电压波形在火花后期的衰减振荡明显减少，幅值变低，一般是与触点并联的电容漏电所致，如图4-31所示。

图4-31　初级电压点火衰减振荡明显减少波形

②电子点火系统的低压故障波形，与正常的波形比较，在充磁阶段（即ea段）的电压没有上升，其故障原因是电路的限流作用失效。当这一波形严重失常时，只能逐个检查点火线圈、火花塞、点火信号发生器和凸轮位置传感器等的元件或模块，如图4-32所示。

图4-32　初级电压点火低压故障波形

9.点火系统故障原因分析（见表4-1）

表4-1