第5章 汽油机点火系统(动画1个).ppt

第五章汽油机点火系统 第一节传统点火系统的组成与原理 一 传统点火系统的结构原理 蓄电池点火系的组成1 蓄电池 2 点火开关 3 电流表 4 附加电阻 5 点火线圈 6 断电器及电容器 7 配电器 8 火花塞 9 起动机 分电器的结构1 分电器盖 2 分火头 3 断电器凸轮及横板 4 分电器盖弹簧夹 5 断电器活动触点 6 断电器固定触点及支架 7 调整螺钉 8 真空管接头 9 弹簧 10 膜片 11 真空调节器壳 12 拉杆 13 油杯 14 固定销及联轴器 15 钢丝 16 扁尾连接轴 17 离心调节器底板 18 重块弹簧 19 重块 20 横板 21 断电器底板 22 销 23 电容器 24 油毡 25 接线柱 26 分电器轴 27 分电器壳 28 中心电极 29 高压分线插孔 30 中央高压线插孔 二 传统点火系统的主要元器件1 分电器 1 断电器 2 配电器 3 电容器 4 点火提前装置 2 点火线圈 四接柱开磁路点火线圈1 负接柱 2 外壳 3 导磁钢套 4 次级线圈 5 初级线圈 6 铁芯 7 瓷绝缘座 8 附加电阻 9 正接柱 10 开关接柱 11 高压线接头 12 胶木盖 闭磁路点火线圈的磁路a 日字形铁芯 b 日字形铁芯 c 口字形铁芯 d 带硅管的点火线圈1 铁芯 2 低压接柱 3 高压插孔 4 初级线圈 5 次级线圈 6 高压二极管 7 高压引线 8 高压线盖 9 充填料 10 外壳 3 点火线圈附加阻 在点火线圈初级电路中串接用镍铬丝制成的正温度系数热敏电阻 即PTC附加电阻 4 火花塞 发动机在高低转速下的初级电流波 火花塞a 冷型 b 中型 c 热型1 接线螺母 2 绝缘体 3 接线螺杆 4 垫圈 5 壳体 6 密封剂 7 密封垫圈 8 铜垫圈 9 侧电极 10 绝缘体裙部 11 中央电极 三 汽油机对点火系统的基本要求 1 点火电压必须高于击穿电压 1 击穿电压 冷起动时 火花塞间隙0 6 0 7mm 汽缸压力0 6 0 9MPa 应不低于7 8kV 2 点火电压 提供的点火电压 15 20kV 必须远高于火花塞电极之间所需要的击穿电压 3 点火时刻应能适应发动机工况的变化 2 点火能量必须足够 有30 40mJ 现代高压缩比高转速的稀燃发动机100 200mJ 混合气燃烧时间与曲轴转角1 曲轴 2 连杆 3 活塞A 点火 TDC 上止点 B 燃烧结束 点火正时与汽缸压力A 不点火时 B 点火过早 C 点火适宜 D 点火过迟 影响最佳点火提前角的主要因素有 发动机的转速 负荷 温度 进气压力与温度 发动机压缩比及机械辛烷值 燃烧室抗爆性 混合气燃烧速度与燃油辛烷值 燃油抗爆性 等 其中 特别是发动机转速和混合气燃烧速度对最佳点火提前角影响较大 缸内燃气在即将爆燃时 其燃烧速度最快 火力最集中且动力性最好 因此最佳的点火提前角应该使缸内燃气处于即将爆燃而未明显爆燃的时刻 四 汽油机点火系统的发展 传统点火系统中的断电触点既是点火传感器也是点火执行器 其缺点是 由于断电触点的通断时间比固定不变 而点火线圈初级电流又只能按指数规律增长 致使发动机在高低速下的点火强度差别很大 在点火线圈初级电路串接PTC附加电阻虽能兼顾发动机高低速下的点火强度 但又限制了点火线圈次级输出的点火能量 在通断初级电流时 断电触点的感应反电压很高 且通断电流又较大 因而极易产生火花烧蚀 由于传统点火线圈初 次级电感量都很大 故次级电压上升较慢 且火花塞对积炭和污染十分敏感 1 无触点电子点火系统 用电子点火器来通断初级电流 提高了点火电压却并未提高点火能量 2 无触点高能电子点火系统 为增大点火能量 将通断比不变的点火机理改变为等脉宽的点火机理 3 有分电器的电控点火系统 由电控单元 ECU 根据发动机的转速 负荷等传感器信号 查询内存的最佳点火脉谱图来自动控制其点火提前角 提高了点火正时的控制精度 只是高压电的分配仍保留有分电器 4 无分电器的电控点火系统 采用电子分火 采用两同时点火或单缸直接点火 而革除分电器 第二节电感储能式电子点火系统 一 无触点电子点火系统 由无触点点火信号传感器 电子点火器 点火线圈 分电器及火花塞等组成 根据无触点点火传感器的结构 可分为磁电式 霍尔式 光电式 电磁式等 1 磁电式电子点火系统 定磁式点火信号传感器1 信号转子 2 永久磁铁 3 衔铁 4 磁通 5 电感线圈 6 磁极间隙 定磁式点火信号传感器工作原理a 凸齿靠拢铁芯 b 凸齿对正铁芯 c 凸齿离开铁芯 d 输出波形1 信号转子 2 传感线圈 3 线圈铁芯 4 永久磁铁 采用磁电式点火信号传感器 厚膜集成电路IC 点火模块6TS2107 及达林顿功率输出管组成的电子点火器 特点是 这种传感器可直接产生交流电压信号而不需要另外提供电源 其输出线只有2根 信号线及搭铁线 这种传感器所输出的交流电压幅值明显 在低速时还需要信号放大 高速时还需要信号限幅 除此之外 电子点火器也要对其交流波形进行修正 以免影响点火正时 2 霍尔式电子点火系统 霍尔效应H 霍尔元件 I 外加电流 B 外加磁场 UH 输出霍尔电压 霍尔传感器原理a 磁力线被遮挡时 b 磁力通过时1 带缺口的转子 2 霍尔元件 3 永久磁铁 4 霍尔元件板 5 接线插口 霍尔式传感器需要有外加电流 因而它具有3极引线 电源供电线 信号输出线 搭铁线 由于霍尔式传感器所输出信号电压不受发动机转速的影响 且结构简单 工作可靠 抗干扰能力强 因而被广泛应用于各类汽车的电子点火系统中 3 光电式电子点火系统 霍尔分电器1 分电器盖 2 侧电极 3 分火头 4 绝缘罩 5 卡簧 6 分电器轴 7 铁制转子叶片 8 真空点火提前装置 9 霍尔元件 10 离心点火提前装置 11 分电器壳 12 分电器轴 13 分电器传动齿轮 光电式无触点信号传感器a 遮光盘 b 遮光叶片 c 光电传感器1 发光管 2 红外光 3 受光管 4 遮光盘或遮光叶片 5 分电器轴 6 分火头 光电式无触点电子点火器 当遮光盘的透光孔或缺口不能遮住发光管所发光束时 受光管被光照而导通 于是通过信号放大及整形而使末级功率晶体管导通 接通点火线圈初级电流 当遮光盘正好遮住发光管所发光束时 受光管不能被光照而截止 于是使末级功率输出管截止 从而中断点火线圈初级电流 使点火线圈输出高压电以使火花塞点火 二 无触点高能电子点火系统 初级电流的等脉宽波形a 低速时 b 中速时 c 高速时 等脉宽电路有两种 脉宽调制电路或恒电流控制电流 在目前电控汽车的驱动电路 如高能电子点火器 低阻电磁喷油器等 中大多采用恒电流控制电路 恒电流控制电路 具有多种保护功能的高能电子点火器 有四根引线 IN接点火信号传感器 OUT接点火线圈初级绕组 B接蓄电池正极 E接蓄电池负极 本电路对末级功率输出管实施恒流控制 反接保护 零转速自断电保护 过压及反压保护 为提高本电子点火器的使用可靠性 要求末级功率输出管的反向耐压大于1000V 正向饱和压降小于0 2V 并应能承受80 120 的高温考验 第三节电感储能式电控点火系统 实际点火提前角与理想点火正时的误差a 离心点火提前特性 b 真空点火提前特性 机械式点火提前装置存在动作滞后及零件磨损 不仅控制误差甚大 而且还由于只考虑转速与负荷而并未考虑其他因素的影响 如发动机压缩比与冷却液温度 可燃混合气浓度与燃油辛烷值 进气压力与进气温度等 不可能保证发动机的点火在任何工况下都处于最佳的点火时刻 电控发动机采用了电控点火系统 它由电控单元 ECU 根据各信号传感器所检测的发动机实际工况 查询内存中的最佳点火正时脉谱图及最佳点火脉宽脉谱图 从而直接控制点火提前角及点火线圈初级电流的导通脉宽 由于电控点火系统的控制精度高 控制因素多 特别又采用了爆震传感器进行反馈闭环控制 从而使发动机在常用稳态工况下的点火提前角始终控制在发动机将要爆燃而又未明显爆震的边缘状态 使发动机点火正时控制曲线更贴近于爆震界限 有效地提高了发动机的动力性与经济性 并降低了油耗及排放 一 有分电器的电控点火系统1 有分电器电控点火系统的结构原理 分电器内装有发动机转速传感器及上止点位置传感器 在安装于副驾驶仪表板下的55脚电控单元 ECU 中包含有电控喷油 EFI 与电控点火 ESA 两大系统 其中 电控点火系统 ESA 根据各传感器信号而查询存储器 ROM 中与发动机转速和负荷对应的最佳点火提前角以及最佳导通脉宽 并根据水温等传感器信号的修正 最后通断点火线圈而输出高压电 再由分电器盖及分火头向各缸高压分线及火花塞分配高压电 有分电器的电控点火系统框图 桑塔纳2000GLi型轿车发动机的EFI ESA电控系统 现在的电控点火系统 ESA 包括有分电器的或无分电器的 则大多同时设置这两种传感器 以便将两者综合而输出具有1 曲轴转角检测精度的点火控制信号IG 电控点火系统中常用的点火信号传感器 其结构也有磁电式 霍尔元件式 光电式三种 1 磁电式传感器 丰田TCCS电控点火系统中的磁电式转速传感器及上止点位置传感器1 G信号转子 2 G1铁芯及电感线圈 3 G2铁芯及电感线圈 4 Ne信号转子 5 Ne铁芯及电感线圈 日产ECCS电控点火系统中用的磁电式转速传感器及上止点位置传感器 分别表示第1 2 3号磁头 2 霍尔元件式传感器 GM霍尔式转速传感器及上止点位置传感器的触发叶轮 GM霍尔式转速传感器与上止点位置传感器的输出信号 3 光电式传感器 光电式转速传感器与上止点位置传感器1 发光管 2 受光管 3 分电器轴 4 信号盘 2 电控点火系统点火提前角的控制 电控点火系统的控制重点就在于对点火正时与点火强度的控制 1 起动及暖机为此通常根据起动信号 STA 起动转速 起动温度 直接调用电控单元 ECU 内存中的静态初始点火提前角进行控制 考虑到发动机在暖机过程中因机温较低而可能使混合气过稀 为此上述的静态初始点火提前角还要根据发动机转速 温度以及车速等进行修正 2 常用负荷稳态工况电控单元 ECU 将根据发动机转速与负荷调用存储器 ROM 中的最佳点火提前角脉谱图及最佳点火脉宽脉谱图而求出基本点火提前角 再根据发动机的实际工况进行修正 求得实际点火提前角 需要根据电源电压对点火线圈初级电流进行修正 使点火线圈初级电流不受电源电压的影响 二 无分电器的电控点火系统 为了进一步简化结构 并减少分电器因高压分电而引起的能量损耗和电磁干扰 采用了无分电器的电控点火系统 无分电器双缸点火电控点火系统1 转速传感器与位置传感器 2 电子点火器 3 点火线圈组 4 火花塞 无分电器单缸点火电控点火系统1 点火线圈 2 火花塞 1 无分电器式双缸点火的电控点火系统 无分电器双缸同时点火方式的电控点火电路 无分电器双缸点火电控点火系统中的点火线圈组件 四缸机双缸同时点火电路原理 高压二极管的作用 丰田皇冠的无分电器双缸点火电控系统A 点火信号传感器 B 电控单元 C 点火模块 D 点火线圈 E 火花塞1 信号输入电路 2 信号输出电路 3 闭合角控制 4 判缸电路 5 恒流控制电路 6 安全电路 7 输出转速信号 8 转速表 2 无分电器单缸点火的电控点火系统 取消了分火头 高压线以及高压电路中串接的高耐压二极管堆 保证所有汽缸的高压点火电路都为正极搭铁 保证了各缸火花塞都具有相同且最低的击穿电压 而且还可以采用各缸独立的多个小电感量点火线圈而直接装置于火花塞输入端减小了点火线圈的平均电流 缩短了点火线圈的充放电时间 保证了发动机高速点火能量 9000r min 又有效地减少了现代汽车的电磁干扰 但其缺点是 需要有各缸独立的点火线圈及其驱动电路 无分电器式单缸点火的电控点火系统1 点火线圈 2 火花塞 3 凸轮轴位置传感器 4 点火模块 5 信号传感器 6 蓄电池 日产ECCS无分电器式单缸点火系统 当发动机工作时 电控单元 ECU 根据曲轴转速传感器 上止点位置传感器 空气流量传感器 冷却液温度传感器 爆震传感器 点火开关等信号 查询电控单元存储器中的存储数据 适时地指令电子点火模块输出点火信号 从而驱动各缸点火线圈 当该缸功率驱动管导通时 便接通该缸点火线圈的初级电流 当该缸功率驱动管截止时 便切断该缸点火线圈的初级电流 从而在点火线圈次级绕组中产生点火高压 通过火花塞点燃缸内的可燃混合气 第四节爆燃的控制 正常的燃烧方式应该是 火焰从火花塞间隙点火开始 混合气被逐层点燃并逐层燃烧 使缸内压力迅速而逐渐地上升 一 爆燃的产生 原因 例如 点火提前角过大 缸内积炭过多 发动机实际压缩比过高 燃烧室内温度和压力过高 燃烧室的机械抗爆性和汽油的燃油抗爆性较差等 使汽缸内边缘的未燃混合气在点火火焰的前峰尚未到来之前或者还未点火之前就发生了自燃 结果破坏了火焰的正常传递 从而使汽缸内压力猛增 后果 曲柄连杆机构局部强烈冲击 降低发动机动力性 经济性并加重排污 其中 发生在点火之后的自燃称为爆燃 而发生在点火之前的自燃称为早爆 由于早爆比爆燃的发生时间更早 其危害更大 点火时刻与爆燃的关系 防止 使用燃油抗爆性能较好的高标号燃油 改进燃烧室结构 抑制汽缸温度过高 减小发动机负荷以及适当推迟点火提前角等 消除爆震的最好办法 采用爆震传感器实施闭环反馈控制 最佳的点火时刻始终控制在将要明显爆燃的极限位置附近 爆震传感器 用以检测发动机是否已经发生明显爆燃以及检测其爆燃的强度 而电控单元 ECU 中的点火提前角控制电路则用以精确地调整其点火提前角 二 爆燃的控制 爆震传感器有两类 测压型爆震控制系统 它通过安装于发动机缸内的压力传感器来检测汽缸压力是否有突变 测震型爆震控制系统 它通过安装于发动机机体的爆震传感器来检测机体振动中是否包含有爆燃波形 爆震传感器的安装位置 1 爆震传感器 压电晶体 爆震的机体振动转换为电压输出 ECU 根据爆震的特征频率7kHz及其振幅进行判别 爆震传感器的检测频率与输出电压 爆震传感器的种类a 共振型 b 非共振型 c 火花塞座圈形1 电插头 2 重块 3 压电元件 4 壳体 5 安装螺纹 6 火花塞 7 爆震传感器 共振型 发动机强烈爆震并与振荡片共振时 振荡片迫使压电元件输出最大的爆震峰值电压 非共振型 用以检测爆震的强度 发生强烈爆震时 空套于轴的配重将随着发动机爆震而轴向振动 火花塞座测压型金属垫 用以检测汽缸内的燃烧压力 并将爆震时的燃烧压力转换为电压输出 目前现代电控发动机大多采用检测范围宽而适用面广的宽幅非共振型爆震传感器 2 爆燃的控制 爆燃的控制过程为 倘若电控单元 ECU 通过爆震传感器判断出发动机已经发生明显爆震时 将立即根据其爆震强