发电机电子点火系统的探索.docx

发电机电子点火系统的探索.docx

《发电机电子点火系统的探索.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发电机电子点火系统的探索.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

发电机电子点火系统的探索

摘要

随着微电子技术、计算机技术和控制技术的迅猛发展，利用电子技术来控制发动机点火系统，提升发动机的性能、节约能源和降低废气污染已经成为发动机电子技术的发展趋势。

点火系统的工作对发动机的性能有着决定性的影响，它直接影响燃烧过程的质量，从而影响发动机的动力性、经济性、排放污染以及工作稳定性。

尤其现在发展到了电子点火系统，它的最大特点就在于实现了点火提前角的自动控制，可最大限度的提高发动机的性能。

本文重点对发动机点火系统进行了探索。

本文概述了传统发动机的点火系统，发动机点火系统的发展历程，着重介绍了发动机的电子点火系统。

为更好的了解发动机的点火系统，了解点火系统对发动机性能的影响，了解各种发动机点火系统的工作原理，寻求改进点火系统的方法。

此外，本文还介绍了几种常见的发动机电子点火系统，简要说明了这几种发动机点火系统的工作原理，主要电子部件以及它们的优缺点。

本文还对传统发动机点火系统和现代电子点火系统进行了些比较，以更好的了解现代的电子点火系统。

在此基础上，本文简单介绍了现在国内外发动机点火系统的现状，对于发动机点火系统的发展趋势和技术创新具有重要的意义。

关键词：

发动机；电子点火系统；发展历程；发展趋势

Abstract

Alongwiththemicroelectronictechnology,thecomputertechnologyandcontroltechnology'srapiddevelopment,controlstheengineignitionsystemusingtheelectronictechnology,promotedengine'sperformance,thefrugalenergyandreducesthewastegaspollutionalreadytobecometheengineelectronictechnologythetrendofdevelopment.Ignitionsystem'sworkhasthedecisiveinfluencetoengine'sperformance,itsimmediateinfluencecombustionprocessquality,thusaffectsengine'spower,theefficiency,theemissionstopolluteaswellastoworkthestability.Developedtheelectronignitionsystemespeciallynow,itsmostmajorcharacteristiclayinhasrealizedtheignitionangleofadvanceautomaticcontrol,mightmaximumlimitenhanceengine'sperformance.Thisarticlekeyhascarriedontheexplorationtotheengineignitionsystem.

Thisarticlehasoutlinedtheprimitiveengine'signitionsystem,theengineignitionsystem'sdevelopmentprocess,introducedengine'selectronignitionsystememphatically.Forthebetterunderstandingengine'signitionsystem,understoodthattheignitionsystemtoengineperformance'sinfluence,understoodeachkindofengineignitionsystem'sprincipleofwork,seekstheimprovementignitionsystem'smethod.

Inaddition,thisarticlealsointroducedseveralkindofcommonengineelectronignitionsystem,briefingthesekindsofengineignitionsystem'sprincipleofwork,mainelectronicpartaswellastheirgoodandbadpoints.Thisarticlealsohascarriedonacomparisontothetraditionalengineignitionsystemandthemodernelectronignitionsystem,bybetterunderstandingmodernelectronignitionsystem.Basedonthis,thisarticleintroducedsimplythepresentdomesticandforeignengineignitionsystem'spresentsituation,hasthevitalsignificanceregardingtheengineignitionsystem'strendofdevelopmentandthetechnologicalinnovation.

Keywords：

Engine;Electronignitionsystem;Developmentprocess;Trendofdevelopment

目录

引言（绪论）1

第一章发动机点火系统2

1.1点火系统概述2

1.1.1点火系统的概念2

1.1.2点火系统的作用2

1.1.3点火系统的基本构造2

1.2点火系统的工作原理3

1.3点火系统的分类6

1.3.1分类概况6

1.3.2有机械触点式点火系6

1.3.3电子控制的点火系10

1.3.4几种点火系的比较10

第二章点火系统的发展历程12

2.1点火系统的发展概况12

2.2点火系统的发展过程12

2.2.1磁电机点火系12

2.2.2传统触点点火系13

2.2.3半导体辅助点火系14

2.2.4普通电子式点火系15

第三章电子点火系统17

3.1电子点火系统概述17

3.2电子点火系统中传统零部件的结构和原理18

3.3常见电子点火系统19

3.3.1电感储能式电子点火系统19

3.3.2霍尔式电子点火系统21

3.3.3微机控制电子点火系统22

3.3.4光电式无触点电子点火系统24

3.4高能无触点电子点火系统26

第四章电子点火系统的前景和发展方向28

4.1国内外电子点火系统现状28

4.2电子点火系统的发展和前景29

4.2.1电子点火系统的发展趋势29

4.2.2电子点火系统的未来展望与技术创新31

结论34

参考文献35

谢辞37

引言（绪论）

随着社会的发展，汽车发动机有了很大的发展与改进，发动机的点火系统也由传统触电式发展到晶体管点火系，又发展到计算机控制的点火系，点火时间越来越精确，点火可靠性越来越高，装置越来越复杂，但其维修工作量却越来越少。

发动机经生产出来后，对其性能影响最大的可控因素主要有两个：

其一是空燃比，其二是点火提前角。

点火系统的工作对发动机的性能有着决定性的影响，它直接影响燃烧过程的质量，从而影响发动机的动力性、经济性、排放污染以及工作稳定性。

电子点火系统的最大特点就在于实现了点火提前角的自动控制，即可根据发动机的运转工况对点火提前角进行适时控制，因而可获得混合气的最佳燃烧，最大限度地提高发动机的高速性能，改善其动力性。

电子点火系统的发展趋于多样化，人们对电子点火系统的研究也越来越多样化。

目前国内发动机的点火系统中，电子点火系统已占有较大比例，传统点火系统已处于淘汰的状况。

在电子点火系统中，原有的凸轮驱动被脉冲发生器所取代，靠磁变化（无触电）产生电流及电压脉冲，并通过该系统的电器来出发高压点火脉冲。

国内电子点火系统的生产基本都是按主机厂要求采用相应的国外标准，主要来自德国VOLKSWAGEN、法国PEVGEOT及美车GM公司。

80年代中期，上海大众公司开始生产桑塔纳轿车，长沙汽车电器厂引进德国BOSCH公司的霍尔无触电分电器技术，为该车配套、并率先实现了国产化，促使国内电子点火系统真正进入批量生产阶段。

现阶段国产电子点火系统也日益完善：

点火电子组件中由分立元件发展到厚膜混合集成再发展到目前普遍使用的IC全集成电路；点火线圈由油浸式发展为干式且多为高能线圈，整个系统向高能点火系统发展；系统中分电器、点火线圈和电子点火组件由三者分别安装发展到三者作为一体的整体式结构。

研究本课题，为更好的了解发动机的点火系统，掌握发动机点火系统的发展历程和发展方向，了解点火系统对发动机性能的影响，熟悉发动机点火系统的工作原理，了解各种发动机点火系统的优缺点和适用范围，从而能更好的得到点火系统中各部件工作情况对发动机点火性能的影响情况，寻求改进点火系统的方法。

第一章发动机点火系统

为了更好的学习发动机的电子点火系统，有必要对普通的点火系统做一全面的了解，掌握普通点火系统的特性与不足之处。

这一章就普通点火系统的概念、工作原理、点火方式等做一全面的阐述。

1.1点火系统概述[1]

1.1.1点火系统的概念

发动机利用电火花点燃缸内可燃混合气，使之燃烧释放出巨大能量，推动活塞运动完成做功过程，能适时在燃烧室内产生电火花的装置，称为点火系统。

1.1.2点火系统的作用

点火系统的功用就是按照气缸的工作顺序定时地在火花塞两电极间产生足够能量的电火花，以点燃气缸内的混合气。

1.1.3点火系统的基本构造

点火系统的基本构造由一组蓄电池、点火开关、高压线圈、分电器及火花塞组成。

其中蓄电池、点火开关、点火线圈初级线圈、分电器断电器等结构成普通点火系的低压电路。

其工作顺序为电流通过蓄电池正极→起动点火开关→点火线圈初级线圈→分电器断电器活动触点→分电器断电器固定触点→搭铁→蓄电池负极而构成回路。

高压电路由点火线圈的次级线圈、分电器配电器及火花塞构成。

其工作顺序为电流点火线圈次级线圈→分电器配电器分火头→分电器配电器旁电极→火花塞中心电极→火花塞旁电极→搭铁→点火线圈而构成回路[1]。

图1-1点火模块结构原理图

1.2点火系统的工作原理[1]

当气缸压缩行程终了时，火花塞两电极间产生高压电火花，点燃可燃混合气，使汽油机工作。

1.电火花的形成

在常态下，任何气体中都有少量分子游离成正离子和电子，电子可能独立存在，也有可能结合于中性分子而形成负离子。

当两电极加有电压时，正负离子或电子便在电场力的作用下，分别向两极运动，其中正离子向负极运动，负离子和电子则向正极运动，形成电流。

离子和电子在运动中会撞击中性分子。

当电压较低时，因电子运动速度较慢，动能较小，不能将中性分子击破。

气体中只有原先存在的少量的离子和电子导电，所以电流非常微小，不能在电极间形成电火花。

随着电极两端所加电压的增高，离子和电子向两极运动的速度增快，动能增大。

当所加电压足够高时，电子便能将中性分子击破，使中性分子分离出正离子和负离子。

这些新产生的离子和电子，在电场力作用下，也以高速向两极运动，并且又击破其他中性分子。

如此连续反应，使电极间隙中形成的离子和电子数目骤然增多。

因而电流强度也急剧增大，两极间的气体因大量的离子和电子的激烈运动及碰撞而发热、发光，并因气体受热而产生突然膨胀，发出响声，这就观察到电火花的产生。

图1-2电火花的形成

综上所述，点火花产生的过程主要依赖于离子和电子的动能能否达到一定程度，而这一切又取决于两电极间电压的高低。

因此两电极间产生电火花所需要的电压，由以下条件来决定。

（1）电极间隙电极间隙越大，气体中离子和电子距电极的距离增大，受电场力作用减小，运动速度降低，动能变小，不易将中性分子击破，故若要产生电火花，需要较高的电压。

（2）气体密度气体密度增大，分子间距离缩短，离子与一个分子碰撞后，很快又与第二个分子相碰，因而被电场力加速的时间缩短，运动速度降低，动能减小，所以必须有较高的电压才能跳过相同的间隙。

因此气体密度增大，产生电火花所需电压增高。

（3）电极温度温度越高，气体受热膨胀越大，包围在电极周围的气体密度则越小，提高了跳火性能，故只需较低电压就能产生电火花。

以上三个因素，对不同的发动机及不同工况是不一样的，故所需电压也不同。

一般情况下，若电极间隙为0.6-1.8mm时，需要7000-8000V以上的电压，为保持汽油机工作可靠，一般点火系所加电压约为10000-20000V。

2.高压电的产生

在汽车上通常采用的是直流12V电压，而产生电火花需要10000-20000V的电压，故需要一个与自耦升压变压器工作原理相同的点火线圈。

在条形铁芯上绕有两个线圈，一个圈数较少（约200-350匝），线径较粗（0.6-1.0mm），经断电器触点与低电压源（蓄电池）相连，称为初级线圈；而另一个圈数很多（10000-26000匝），线径很细（0.07-0.1mm），与火花塞两极相通，称之为次级线圈。

当断电器触点闭合时，通过初级线圈的电流产生磁场，磁场的磁力线穿过两个线圈的各匝径铁芯构成回路；当触点打开时，初级线圈电路切断，电流消失，它所产生的磁场也消失，磁场的磁力线收缩。

由电磁感应原理知，不管触点闭合或打开，磁力线都要切割两个线圈各匝，因此，都要感应出电动势。

且该电动势的大小，将与穿过该线圈磁力线数（磁通量）的增减速率成正比。

而磁力线数的增减速率又是由初级线圈电流强度的增长和消失的快慢决定的。

故要解决次级线圈是互感电动势高低的可题。

首先必须研究在触点接通和切断时初级线圈中电流的变化情况。

（1）低压电路接通时当触点将低压电路接通时，低压电流增长，电流流过初级线圈并产生磁场。

由于磁场增强，所以初级线圈中的自感电动势与电流方向相反，阻止初级电流的增长，故初级电流增长缓慢，于是磁力线的增长速率也就缓慢，切割次级线圈的速度不高，故次级线圈感应的电动势不大，约为2000V左右，不能击穿火花塞电极间隙而形成电火花。

（2）低压电路切断时触点张开，低压电流突然切断，引起磁通量突然下降。

磁力线便迅速收缩而切割初级线圈和次级线圈各匝，使两个线圈都产生较高的感应电动势。

但由于初级线圈中的自感电动势（200-300V）与原来的电流方向相同，不但要在触点张开的瞬间在触点间形成强烈火花，氧化和烧蚀触点，而且更重要的是阻碍低压电流的迅速消失。

降低磁通量的变化速率，影响了次级线圈互感电动势的提高，但比起触点闭合时，触点张开时初级线圈电流的变化速率还是比较高的，故次级线圈的感应电动势也比闭合时要高，约4000V左右，但不能点火。

（3）加装电容器后的工作情况综上所述，在触点张开时，初级线圈的自感电动势要在触点间形成火花，烧蚀触点，并使初级电流消失迟缓，磁通变化速率降低，致使高压线圈中电动势不高。

为避免上述不良后果，可在断电器触点旁并联一个电容器。

当触点闭合时，电容器被短路，不起任何作用；当触点张开时，在初级线圈自感电动势的作用下，向电容器充电。

其作用有两个方面。

1．由于自感电动势向电容器充电，减弱了触点的火花，延长了触点的寿命。

2.由于电容器容量较小，在很短时间内就能充满，导致自感电流流动时间大幅度缩短，加速了初级线圈中电流的消失，提高了磁通量的变化速率，使高压线圈产生更高的电动势。

从上述可知，电容器的容量要足够大，否则，相当于没有电容器，触点间火花又会增强。

目前常用的电容器容量为0.17-0.25uf，自感电流流动时间可缩至万分之几秒，高压线圈能产生20000V左右的感应电动势，从而保证各种条件下火花塞点火的要求。

由上可知，高压电的产生，不但依靠点火线圈的作用，而且依赖于电容器的作用。

若电容器失效，就不能保证火花塞产生足够强的电火花，断电器触点也会迅速烧蚀。

（4）高压电的分配高压电适时分配到各个汽缸，是由配电器担负的。

它由旋转的分点头和固定的旁触点组成。

当断电器触点打开时，分火头正好与某一旁触点对准。

高压电便送到这个旁通点所连的火花塞上而产生电火花。

旁触点按点火顺序与各缸火花塞相连，以保证各缸按点火顺序跳火。

1.3点火系统的分类

1.3.1分类概况

目前，汽车上广泛应用的点火系统主要有：

有机械触点点火系统、无触点点火系统和电子控制的点火系统等。

1.3.2有机械触点式点火系

有机械触点式点火系主要是蓄电池点火系统，也称传统点火系统，其结构简单、工作可靠、维护方便，故现代汽车上仍有不少采用这种点火方式，例如解放、东风金杯、跃进、日本铃木、日本五十铃、丰田系列发动机车型等。

蓄电池点火系统主要由：

蓄电池（storagebattery）、发电机（generator）、点火开关（ignitingswitch）、点火线圈（ignitioncoil）、断电器（contactbreaker）、配电器（distributor）、电容器（capacitor）、火花塞（sparkplug）、高压导线（hightensioncable）、阻尼电阻（suppressorresistor）等组成。

图1-3蓄电池点火系统简图

1.点火开关2.高压线圈3.低压线圈4.断电臂弹簧5.断电臂6.固定触点

7.断电凸轮8.电容器9.配电器旁触点10.分火头11.火花塞

蓄电池点火系的工作原理：

电源是蓄电池，其电压为12V或24V，由点火线圈和断电器共同产生高压10000V以上。

点火线圈实际上是一个变压器,主要由初级绕组（primarywinding）,次级绕组（secondarywinding）和铁芯组成。

断电器是一个凸轮操纵的开关。

断电器凸轮由发动机配气凸轮驱动，并以同样的转速旋转，即曲轴齿轮每转两圈，凸轮轴转一圈，为了保证曲轴转两圈各缸轮流点火一次，断电器凸轮的凸棱数一般等于发动机的气缸数，断电器的触点与点火线圈的初级绕组串联，用来切断或接通初级绕组的电路。

触点闭合时，初级电路通电，初级电流从蓄电池的正极经点火开关、点火线圈的初级绕组、断电器触点臂、触点，搭铁流回蓄电池的负极，为低压电路。

触点断开时，在初级绕组通电时，其周围产生磁场，并由于铁芯的作用而加强。

当断电器凸轮顶开触点时，初级电路被切断，初级电流迅速下降到零，铁芯中的磁通随之迅速衰减以至消失，因而在匝数多，导线细的次级绕组中感应出很高的电压，使火花塞两极之间的间隙被击穿，产生火花。

初级绕组中电流下降的速度愈大，铁芯中磁通的变化就愈大，次级绕组中的感应电压也就愈高。

初级电路为低压电路，次级电路为高压电路。

在断电器触点分开瞬间，次级电路中分火头恰好与侧电极对准，次级电流从点火线圈的次级绕组，经蓄电池正极、蓄电池，搭铁、火花塞侧电极、火花塞中心电极、高压导线，配电器流回次级绕组。

蓄电池点火系的主要元件

1.分电器

功用：

（1）接通或断开初级电路

（2）将点火线圈产生的高压电按照发动机分配给各缸火花塞

　　（3）根据发动机转速和负荷自动调节点火时刻

　　组成：

分电器是由断电器、配电器、电容器和点火提前调节装置组成。

　　断电器的功用是周期地接通和断开初级电路，使初级电流发生变化，以便在点火线圈中感应生成次级电压。

断电器的触点间隙一般为0.35～0.45ｍｍ,可以通过调整固定触点的位置来改变触点间隙。

配电器的功用是将点火线圈中产生的高压电，按照发动机的工作顺序轮流分配到各气缸的火花塞上。

图1-4配电器

1.中心电极及带弹簧的炭精柱2.分火头3.旁电极

电容器与断电器触点并联，其功用是在点火线圈初级电路断开时，减小触点间产生的电火花，防止触点烧损，并可加速点火线圈中的磁通变化率，提高点火电压。

　　点火提前调节装置位于分电器下部，由离心式点火提前调节装置和真空式点火提前调节装置组成。

2.点火线圈

点火线圈的中心是倒磁性良好的铁芯，为了减少涡流损失，铁芯用互相绝缘的变压器钢片叠成。

在铁芯外面套上绝缘的纸板套管，初级线圈就分层绕在这个套管上，为了加强绝缘和免受机械性伤害，每层高压线圈间都用电缆纸隔开，并且最外层还要多包几层或套上纸板套管。

图1-5点火线圈基本结构和工作

（a）触点闭合时的低压电流（b）触点张开时的自感电流

初级线圈分层绕在次级线圈外面，初级线圈通过的电流较大，为便于散热故将其放在外层。

在初级线圈与外壳之间设有倒磁用的变压器钢片，用以加强磁通和减小涡流损失。

在铁壳底部置有瓷座，以防高压电击次级线圈的绝缘向铁芯和壳体放电。

在壳体上部有胶木盖，盖上连接断电器及开关的低压电路接头和接至配电器盖的高压接头。

高压接头设在盖的内部，四周较高，以防止高压接头放电至初级线圈。

为了加强绝缘并避免线圈受潮，在点火线圈内腔填满复合绝缘物，以充孔隙。

点火线圈的耐压强度，在很大程度上取决于浸渍绝缘物的品质及工艺。

对于工作条件沉重及可靠性要求较高的点火线圈，不是用固体物绝缘，而是用油液进行绝缘。

点火线圈把电源的低压电转变成火花塞点火所需要的高压电。

按其铁芯结构型式有两种：

　　开磁路点火线圈：

开磁路点火线圈采用柱形铁芯，其上下两端没有连接在一起，磁力线通过空气形成磁回路。

　　闭磁路点火线圈：

闭磁路点火线圈的铁芯用"口"字形或"日"字形的铁片叠制而成。

磁路闭合。

3.火花塞

　　功用：

将高压电引入燃烧室产生火花并点燃混合气。

　　自净温度>500～600℃以上，若低于此温度，落在绝缘体裙部的油粒便不能立即燃烧掉，形成积炭而引起漏电。

　　炽热点<800～900℃，温度若太高，则混合气与这样炽热的绝缘体接触时，可能在火花塞产生火花之前就自行着火，从而引起发动机早燃，发生化油器回火现象。

　　不同发动机使用的火花塞裙部受热是不一样的，就要求绝缘体裙部长度不同，根据裙部长度不同，又把火花塞分成冷型（裙部长度等于8mm）；中型（裙部长度等于11mm和14mm）；热型（裙部长度等于16mm和20mm）。

1.3.3电子控制的点火系

电子控制的点火系统的控制包括点火提前角的控制、通电时间控制和爆震控制三个方面。

它是由电源、传感器、ECU、点火线圈、点火控制模块、分电器和火花塞等组成[5]。

运行时，ECU不断地检测发动机的转速、负荷、冷却水温度、进气量等信号，并根据ROM中的控制程序和参数，计算出该工况下最佳导通时间，并向点火控制模块发出指令。

点火控制模块根据ECU的点火指令，控制点火线圈初级回路的导通和截止。

当初级回路导通时，点火线圈将初级电流的能量以磁场的形式储存起来。

当初级线圈中电流被切断时，在其次级回路中将产生很高的感应电动势（15-20KV），经分电器送到火花塞，点火能量被瞬间释放，迅速点燃汽缸内的混合气，发动机完成做功过程。

在有爆震控制的闭环控制系统中，ECU还可以根据爆震传感器的信号来判断发动机是否发生爆震，并将点火提前角控制在发动机处于接近爆震的范围内，获得最佳的燃烧效率。