汽车电气技术 (4).ppt

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1214V，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1520kV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1520kV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1520kV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。,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。,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1.52kV的互感电动势，但该电压不能击穿火花塞间隙。,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,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200300V的自感电动势eL；二次绕组由于匝数多，产生约1520kV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：,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：,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,所以,式中N1、N2一次和二次绕组的匝数。整理后得,考虑到有热损失和磁损失，故,式中，一般为0.750.85。,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ls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106107Hz，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,式中z发动机气缸数；b触点相对闭合率。,n发动机转速；,因而一次断电电流为：,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。,故,传统点火系统的工作特性,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34mm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2.546.35mm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0.150.35F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4070F。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150200F。(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触点臂顶块位于凸轮最高位置时触点之间的距离。若触点间隙增大，则触点闭合时，触点臂顶块向凸轮中心靠近，于是凸轮转动时，触点提前打开，触点闭合角减小，则触点闭合时间tb也减小，因此一次断电电流IP减小，从而使二次电压最大值U2max降低；当触点间隙减小时，由于触点闭合角度增大，tb增大，则使IP增大，U2max提高。但触点间隙调得过小时，由于触点火花加强，则反而会使二次电压降低。因此，在使用中触点间隙应按制造厂的规定进行调整，一般为0.350.45mm。,(5)火线圈的温度使用中，当点火线圈过热时，由于一次绕组的电阻增大，使一次断电电流减小，也会使二次电压降低。三、传统点火系统的构造1点火线圈(1)开磁路式点火线圈如图4-8所示，点火线圈的中心是用硅钢片叠成的铁心，在铁心外面套上绝缘的纸板套管，套管上绕二次绕组，用直径为0.060.10mm的漆包线绕1100023000匝。一次绕组用直径为0.51.0mm的高强漆包线，绕在二次绕组的外以利于散热，一般绕230370匝。绕组绕好后在真空中浸以石蜡和松香的混合物，以增强绝缘。绕组和外壳之间装有导磁钢套，底部有瓷质绝缘支座上部有绝缘盖，外壳内充满沥青或变压器油等绝缘物，以加强绝缘并防止潮气侵入。,结构示意图,电路原理,图4-8开磁路式点火线圈,1-“-”接线柱,2-外壳,3-导磁钢套,4-二次绕组,5-一次绕组,6-铁心,7-绝缘座,8-附加电阻,9-“+”接线柱,10-接起动机的接线柱,11-高压线接头,12-胶木盖,13-弹簧,14-橡胶罩,15-高压阻尼线,16-橡胶密封圈,17-螺钉,18-附加电阻盖,19-附加电阻瓷质绝缘体,20-附加电阻固定架,21-绝缘纸,22-封料,三接线柱式点火线圈的绝缘盖上有接线柱“-”、“开关”、“+开关”和高压插孔，它们分别接断电器、起动机附加电阻短路接线柱、点火开关和配电器。与两接线柱式点火线圈的主要区别是外壳上装有一个附加电阻，为固定该电阻，增加了一个低压接线柱。附加电阻就接在标有“开关”和“+开关”的两接线柱上，与点火线圈的一次绕组串联。附加电阻可用低碳钢丝、镍铬丝或纯镍丝制成，具有受热时电阻迅速增大，而冷却时电阻迅速降低的特性。因此，在发动机工作时，附加电阻可自动调节一次电流，改善起动和高速时的点火特性。当一次电流流过点火线圈的一次绕组时，使铁心磁化，如下图所示。由于磁路的上、下部分都是从空气中通过的，一次绕组在铁心中产生的磁通，需经壳体内的导磁钢套形成回路，铁心自身未构成回路，所以称为开磁路式点火线圈。其磁阻大，漏磁较多，能量损失多。,1-“日”字形铁心2-低压接线柱3-高压接线柱4一次绕组5-二次绕组6-空气隙,图4-9开磁路式点火线圈的磁路,1-磁力线,2-铁心,3-一次绕组,4-二次绕组,5-导磁钢片,图4-10闭磁路式点火线圈,a）结构,b）磁路,(2)闭磁路式点火线圈如图4-10所示，在“日”字形铁心内绕有一次绕组，在一次绕组的外面绕有二次绕组，磁力线经铁心构成闭合磁路，为了减少磁滞现象，常设有一个很微小的空气气隙。闭磁路式点火线圈的优点是漏磁少、磁路的磁阻小，因而能量损失小，能量变换率高。闭磁路式点火线圈采用热固性树脂作为绝缘填充物，外壳以热熔性塑料注塑成型，其绝缘性、密封性均优于开磁路式点火线圈。其体积又日益小型化，可直接装在分电器盖上，不仅结构紧凑，又省去了点火线圈与分电器之间的高压导线，已在电子点火系统中广泛采用。2分电器分电器主要由断电器、配电器、电容器和点火提前机构等部分组成。分电器的结构如图4-11所示。,图4-11分电器构造,30-中央高压线插孔,1-分电器盖,2-分火头,3-断电器凸轮和离心调节器横板,4-分电器盖弹簧夹,5-断电器活动触点臂弹簧及固定夹,6-固定触点及支架,7-调整螺钉,8-接头,9-弹簧,10-真空点火提前调节器膜片,11-真空点火提前调节器外壳,12-拉杆,13-油杯,14-固定销及联轴器,15-联轴器钢丝,16-联轴器,17-离心调节器底板,18-离心调节器弹簧,19-调节器重块,20-拨板,21-断电器底板,22-真空调节器拉杆销及弹簧,23-电容器,24-油毡,25-断电器接线柱,26-分电器轴,27-分电器外壳,28-中心电极,29-分高压线插孔,分电器的外壳由铸铁制成，下部压有石墨青铜衬套；分电器轴装在机油泵的顶端，利用速比为1:1的斜齿轮由发动机配气凸轮轴经机油泵轴驱动。发动机曲轴与分电器轴转速比为2:1，即曲轴每转两转分电器轴转一转。(1)配电器配电器由配电器盖和分火头组成。配电器盖内有旁电极（旁电极的数目与气缸数相等），当分火头旋转时，它上面的导电片：轮流和各旁电极相对，将点火线圈产生的高压电按气缸的工作顺序送往各缸的火花塞。配电器安装在断电器的上方，它由胶木制的分电器盖1和分火头2组成。分火头2插装在凸轮3的顶端，和凸轮一起旋转，其上有金属导电片。分电器盖的中间有高压线座孔，其内装有带弹簧的炭柱，压在分火头的导电片上。,分电器盖的四周有与发动机气缸数相等的旁电极通至盖上的金属套座孔，以安插高压分线。分火头旋转时，导电片在距离旁电极的0.20.8mm间隙处越过。当断电器触点打开时，高压电自导电片跳至与其相对的旁电极，再经高压分线送至火花塞。(2)断电器断电器由触点副和凸轮组成（凸轮的凸角数与气缸数相等），其作用是用来接通和断开一次电路。当触点闭合时，一次绕组中有电流流过，而当凸轮旋转使凸角顶开触点时，一次电路便被切断。断电器的结构如图4-12所示。它是由一对触点副和断电器凸轮组成，触点的材料为钨。固定触点与支架固定在活动底板上，可借助转动偏心螺钉5调整触点间隙。固定触点接铁，活动触点固定在触点臂的一端，臂的另一端有孔，套在销钉上。臂中部连有夹布胶木顶块，靠弹簧片压紧在凸轮上。,触点臂经弹簧片13和导线与壳体外面的绝缘接线柱l连接。凸轮的凸角数和发动机气缸数相同。凸轮与拨板制成一体，活络地套装在分电器轴上，经离心提前机构的离心重块由分电器轴驱动（图4-11）。,图4-12断电器,1-接线柱2-活动触点臂与活动触点3-固定触点与支架4-固定螺钉5-偏心调整螺钉6-断电器活动底板7-分电器壳8-断电器凸轮9-分电器轴10-油毡11-胶木顶块12-销轴13-触点臂弹簧片,(3)电容器电容器装在分电器的壳体上，它由两条铝箔或锡箔组成，在两条箔带之间夹以绝缘蜡纸，然后卷成筒状在真空中抽去层问空气，再经浸蜡处理后装在金属外壳3中。其中一条箔带的底部与外壳紧密接触；另一条箔带则通过与外壳绝缘的导电片由导线引出。电容器工作时要承受触点打开时一次绕组产生的200300V自感电动势，因此要求其耐压为500V。,图4-13电容器1-蜡纸2-铝箔3-外壳4-引出线,(4)点火提前机构分电器上装有随发动机转速和负荷的变化而自动改变点火提前角的离心式点火提前机构和真空式点火提前机构。1)离心式点火提前机构离心式点火提前调节装置是在发动机转速变化时，自动改变断电器凸轮与分电器轴之间的相位关系，从而改变点火提前角的。其结构如图4-11中18、19、20所示。它通常装在断电器固定板的下部，在分电器轴26上固定有底板17，两个重块19的小端与底板17之间借弹簧相连，另一端分别套在重块柱销上。凸轮3和拨板20为一体，松套在分电器轴26的上端，而拨板20的孔则插在离心重块另一销钉上。凸轮的旋转是由分电器轴通过重块及销钉、拨板依次传动的。,发动机转速增高时，在离心力的作用下重块克服弹簧拉力向外甩开，销钉推动拨板连同凸轮顺着原来旋转方向相对于分电器轴转过一个角度，使凸轮提前顶开触点，点火提前角增大。随发动机转速的不断提高，点火提前角不断加大。当转速超过一定值时，销钉靠在拨板长方孔的外缘上，重块不能继续甩开，点火提前角达到最大值。发动机转速继续升高，点火提前角不再增大。转速降低时，弹簧将重块拉回，使提前角自动减小。两个重块的弹簧由不同粗细的钢丝绕成，弹力不同。低速范围内只有细弹簧起作用，点火提前角增大得较快；而在高速范围内，由于两根弹簧同时工作，因而点火提前角的增大比较平稳。2)真空式点火提前机构它是在发动机负荷（即节气门开度）发生变化时，自动改变断电器触点与凸轮之间的相位关系，从而改变点火提前角的。如图4-11所示。,它装在分电器壳体的外侧，壳内固定有膜片10，它以拉杆12带动断电器活动底板21转动。膜片左方通大气，右方由弹簧9顶住，并用管子与化油器空气道中靠近节气门的小孔一相通。其工作原理如图4-14所示。,9-凸轮,图4-14真空式点火提前机构工作原理图,a）节气门开度小,b）节气门开度大,1-分电器壳体,5-膜片,4-拉杆,3-触点副,2-活动底板,7-真空连接管,6-弹簧,8-节气门,当发动机负荷很小时，节气门开度小，如图4-14a所示，小孔处的真空度较大，吸动膜片向右拱曲，拉杆4拉动活动底板带着断电器的触点副逆分电器轴旋转方向转动一定角度，使触点提前开启，点火提前角增大；当发动机负荷加大即节气门开度增大时，如图4-14b所示，小孔处真空度减小，膜片在弹簧作用下向左拱曲，使点火提前角自动减小。怠速时，节气门接近全闭，此时化油器空气道中的小孔处于节气门上方门，该处的真空度几乎为零，于是弹簧推动膜片使点火提前角减小或基本不提前。发动机全负荷工作时，节气门全开，小孔处的真空度很小，真空式点火提前调节装置几：乎不起作用，真空点火提前角调节量很小。有些分电器，如FD25型，其真空提前机构不是拉动断电器活动底板，而是拉动分电器外壳。,3)辛烷选择器为了适应不同汽油的不同抗爆性能，在换用不同品质的汽油时，应适当调整点火时刻，为此在分电器上常装有辛烷选择器。它装在分电器的壳体上，用来转动分电器的壳体。辛烷选择器的原理基本相同，即逆着凸轮旋转方向转动分电器壳体时，点火提前角增大；反之，则点火提前角减小。壳体转动的多少，一般可从刻度板上看出。3火花塞火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电引入发动机燃烧室，在其电极间隙中产生电火花点燃混合气。火花塞的工作条件极其恶劣，它受到高压、高温以及燃烧产物的强烈腐蚀，因此，必须具有足够的力学强度，能够承受冲击性高压电的作用，能承受剧烈的温度变化，并具有良好的热特性，并要求火花塞采用难熔耐蚀的材料，以抵抗高温燃气的腐蚀。,火花塞的结构如图4-15所示。在钢制壳体5的内部固定有