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汽车电工新手入门教程(下)
来源:本站整理  作者:佚名  2014-03-22 11:52:05



    第七章 传统点火系统
    汽油发动机气缸中的混合气是用高压电火花点着而燃烧,高压电火花是由点火系统产生。点火系统的功能就是把汽车电源系统10~15V低压电转换成20~30kV高压电,并按发动机工作顺序适时地引入气缸形成电火花点着混合气,从而使发动机正常工作。
    点火系统按结构类型分为触点点火系统、电子点火系统和微机控制点火系统三种类型。触点点火系统又称为蓄电池点火系统,由于自从发明汽车以来,汽车上一直采用触点点火系统,因此触点点火系统又称为传统点火系统。第一节发动机对点火系统的要求
    为了保证汽油发动机在各种工况和使用条件下都能可靠与适时点火,点火系统必须满足能够产生足够高的电压、火花,应具有足够的能量和点火时间,应适应发动机的工况三个条件。
    一、能够产生足够高电压
   (一)电火花形成
    电火花形成的原理如图7-1所示。在正常状态下,任何气体中都有少量的气体分子游离成正离子和电子,该电子或独立存在、或与中性分子结合而形成负离子。当正负电极两端加有电压时,在电场力的作用下,电极间的正离子便会向负电极运动、负离子和电子便会向正电极运动,离子和电子在运动中都会撞击中性分子,从而形成电流。

    当正负电极两端施加的电压较低时,离子和电子的运动速度较慢、动能较小,不能将中性分子撞破,气体中只有原有少量离子和电子导电,因此电流微小,正负电极之间不能形成电火花。
当正负电极两端施加的电压升高时,离子和电子的运动速度加快、动能增大;当电压升到足够高时,离子和电子便将中性分子撞破,使中性分子分裂成正离子和负离子,新产生的离子和电子在电场力的作用下,也以高速分别向正负两极运动,并又撞击其他中性分子。如此进行链式反应,电极间隙之间的离子和电子便骤然增多。大量的离子、电子激烈地运动与碰撞就会发出大量的热,当温度达到一定值时,便会产生弧光放电,放电电流强度急剧增大,并产生清脆的响声,肉眼所见的电火花(即电弧)就是弧光放电的表现。
    点着汽油发动机气缸中可燃混合气的电火花,是由点火系统的高压电击穿气缸内火花塞电极间隙而产生的。击穿火花塞电极间隙时的电压称为击穿电压。点火系统产生的电压,必须高于或等于击穿电压,否则就不能在火花塞电极之间产生火花来点着可燃混合气,发动机就不能独立工作。
   (二)影响击穿电压的因素
    1.火花塞电极间隙与形状
    实验证明:电极间隙越大,则击穿电压越高。这是因为电极间隙增大时,电极之间气体中的正负离子和电子的运动行程增大,受电场力的作用减小,运动速度降低,动能减小,中性分子不易产生撞破电离,所以需要较高的电压才能击穿电极间隙。
    电极形状直接影响击穿电压的高低。因为电极形状越尖,电场发射电子越容易,在较低的电压下就可产生弧光放电,所以击穿电压越低;反之,若电极形状越圆,则击穿电压越高。由此可见,新火花塞电极端部的棱角分明,故其击穿电压较低;长期使用的火花塞由于电极端部的棱角消失而成圆弧形状,因此击穿电压必然升高。
    2.气缸内混合气压力与温度
    击穿电压与气缸内可燃混合气的压力和温度并无直接关系,而是与可燃混合气的密度有关。因为混合气的密度越大,即单位体积中气体分子的数量越多,气体分子间的距离越短,离子产生两次碰撞所运动的距离也就越短,被电场力加速的时间缩短,运动速度相对降低,动能相对减小,所以不易产生碰撞电离。只有提高加在正负电极上的电压,增大作用在离子上的电场力,使离子运动速度加快,才能产生碰撞电离,使电极间隙击穿而跳火。例如,当正负电极之间施加9000V电压时,在大气中能击穿6mm间隙而跳火;但在发动机气缸中,由于气缸压力高,混合气密度大,因此只能击穿0.6mm左右的间隙。由此可见,气缸压力越高,混合气密度越大,则击穿电压越高。
    气体温度越高时,受热膨胀也越大,气体密度则越小。因此,当气缸温度升高时,可燃混合气密度减小,击穿电压降低。
    3.电极温度与极性
    实验证明:当火花塞电极温度超过混合气温度时,其击穿电压将降低30%~50%。这是因为电极温度越高,电极周围气体的密度就越小,越容易产生碰撞电离的缘故;此外,电极温度越高,在相同电场的作用下,发射电子越容易。
火花塞的击穿电压与其中心电极的极性有关。在高压电回路中,当火花塞的中心电极为高压电的负极时,由于热电极的电子容易发射,因此在较低的电压下,即可击穿电极间隙而产生火花放电。实验证明,当中心电极为高压电的负极时,其击穿电压比中心电极为正极时要降低20%左右。这就是连接点火系统线路时,要求将火花塞中心电极与高压电的负极相连的原因。
    4.发动机的工作情况
    发动机工况不同时,火花塞的击穿电压也不相同,其值随发动机的转速、功率、压缩比、点火提前角以及混合气成分的变化而变化。
    起动发动机时击穿电压最高,当火花间隙为0.7mm时可达19kV。这是由于起动时气缸壁、活塞、燃烧室和火花塞电极都处于冷态,吸入气缸的混合气温度低、雾化不良。压缩时混合气温升不大,因此击穿电压最高。在起动过程中,随着发动机起动转速的升高,由于混合气压力升高,因此击穿电压也随之升高。
    当汽车加速、特别是急加速过程中,由于大量的冷混合气突然吸入气缸使火花塞中心电极的温度降低和气缸压力升高,因此击穿电压较高。当发动机处于大负荷稳定工况工作时,由于气缸压缩终了温度高,加之火花塞的温度也较高,因此击穿电压较低。当发动机高速工作时,由于气缸内混合气温度和火花塞电极温度都较高,因此击穿电压随转速升高而降低。
    综上所述,为了发动机在各种工况下工作时都能可靠点火,点火系统产生的点火电压必须具有一定的储备电压。但是,过高的点火电压又会造成系统部件绝缘困难和成本提高,因此,点火电压不能过高,通常限制在30kV以内。
    二、火花应具有足够能量
    当高压电在电极间隙之间跳火时,其电能将变成热能,从而点着可燃混合气。为使混合气能可靠点着,火花塞产生的电火花必须具有足够的能量。火花能量越大,则混合气越易点着,发动机的着火性能就越好;反之,火花能量越小,则着火性能就越差。
    点着混合气必需的能量与发动机工况、混合气成分和浓度、电极间隙和形状等因素有关。当发动机正常工作时,由于压缩终了时混合气的温度已接近其自燃温度,因此所需火花能量很小,一般只需1~5mJ。实测表面,传统点火系统点火线圈产生的总能量为40~60mJ,足以点着可燃混合气。但在发动机起动、怠速和加速时,由于混合气难以点着,因此需要较高的火花能量。特别是在起动发动机时,因为混合气雾化不良,废气稀释作用大,电极温度低,所以需要的点火能量最高,且起动时间随火花能量的增大而缩短,如图7-2所示。此外,当燃烧过量空气系数为1.2~1.25的稀薄混合气来提高发动机的燃油经济性时,由于稀薄混合气难以点着,因此也需要增大火花能量。

    综上所述,为了保证发动机可靠点火,点火系统应能保证提供50-80mJ的点火能量。现代汽车为了提高燃油经济性并达到排气净化的要求,采用了稀薄混合气燃烧,为此采用了高能点火装置,其点火能量在100mj以上。
    三、点火时间应适应发动机工况
   (一)点火顺序
    点火系统应按发动机的工作顺序进行点火,即点火顺序应与发动机工作顺序一致,否则就不能适时点着混合气,发动机就不能正常工作。例如,东风EQ1090、1092型和解放CA1090、1091、1092型载货汽车六缸发动机的点火顺序为1-5-3-6-2-4;北京BJ2020型越野汽车四缸发动机的点火顺序为1-2-4-3;奥迪100型轿车和桑塔纳轿车四缸发动机点火顺序为1-3-4-2;红旗轿车V型八缸发动机的点火顺序为1-8-4-3--6-5-7-2(气缸次序是自车前向后,左边为1、3、5、7;右边为2、4、6、8)。
   (二)点火时刻
    必须在最有利的时刻点火。点火时刻用点火提前角来表示的。从火花塞开始跳火到活塞运行至上止点的时间内,曲轴转过的角度称为点火提前角,用字母θ表示。当负荷一定时,发动机发出功率最大和油耗最低时的点火提前角称为最佳点火提前角。
    点火时刻是否最佳可据发动机发出的功率、燃料消耗量和排出的有害气体量(简称排放)来衡量。发动机发出的功率越大、油耗越低、排出的有害气体越少,则点火时刻越佳。解放CA1091型汽车在节气门部分开起时,发动机输出功率pe和单位燃料消耗量ge与点火提前角的关系如图7-3所示。由图可知,偏离最佳点火提前角时,都会使发动机的动力性(Pe)和经济性(ge)下降。试验证明,如果点火时刻恰当,混合气燃烧产生的最高压力出现在上止点后10°~15°时,发动机发出的功率最大。

    在发动机气缸内,混合气从开始点火到完全燃烧需要一定的时间(2~5ms)。为使混合气在活塞压缩终了时能充分燃烧,以使发动机发出最大功率,点火就不应在压缩终了时进行,而应适当提前点火时刻。如果点火时刻过迟,在活塞到达上止点才进行点火,会出现混合气一边燃烧、活塞一边下行的现象,燃烧过程将在气缸容积增大的情况下进行。这会导致燃烧最高压力降低,发动机功率下降;同时由于高温气体与缸壁接触的面积增大,使热传导损失增加,因此容易导致发动机过热,耗油量也会大大增加。
    如果点火时刻过早,使混合气燃烧完全在压缩过程中进行,则气缸压力将急剧升高,在活塞到达上止点之前就达到最高压力,正在向上运动的活塞将受到很大的阻力,会减小发动机发出的功率。
   (三)最佳点火提前角影响因素
    发动机型号不同,其最佳点火提前角也不同;同一型号的发动机,其工况和使用条件不同,最佳点火提前角也不相同。影响最佳点火提前角的因素有:发动机转速、发动机负荷、起动与怠速、汽油品质(辛烷值)、空气燃料比、进气压力和冷却水温等。
  1.发动机转速
    发动机转速升高时,在相同时间内活塞将移动更大的距离,曲轴将转过更大的角度,所以发动机转速越高,最佳点火提前角越大。当发动机高速运转时,由于混合气压力和温度升高以及扰流增强,会使燃烧速度加快,因此当转速增加到一定值时,最佳点火提前角增大的幅度将减小。
    为使最佳点火提前角能随发动机转速升高而增大,在点火系统中采用了离心调节机构进行调节。
  2.发动机负荷
  在同一转速下,发动机负荷增大,最佳点火提前角减小。这是因为发动机负荷增173大(即节气门或油门开度增大)时,吸入气缸的混合气增多,压缩终了时的压力和温度增高,残余废气相对减少,因此混合气燃速加快,最佳点火提前角减小。
    为使最佳点火提前角能随发动机负荷增大而减小,在点火系统中采用了真空调节机构进行调节。
    3.起动与怠速
    当发动机起动或怠速运转时,虽然混合气燃烧速度很低,但是由于发动机转速很低,混合气全部燃烧时间仅占很小的曲轴转角,因此点火提前角应很小或不提前点火。如果过早点火,使燃烧过程在上止点以前结束,气缸压力就会导致曲轴反转,因此要求点火提前角减小(一般为5°~6°)或不提前。
    4.汽油品质(辛烷值)
    发动机在一定条件下,会出现爆燃现象。爆燃会使发动机动力性降低,油耗增加,并会产生过热现象,对发动机极为有害。
    发动机爆燃与汽油品质密切相关,汽油品质用辛烷值来表示。汽油品质越高,其辛烷值也越高,抗爆性也越好,越不容易产生爆燃;反之,辛烷值越低,就越容易产生爆燃。目前,国内汽车采用的汽油牌号有90、93、97号等,牌号越高,汽油的抗爆性越好。
    使用同一牌号的汽油时,如点火过早,混合气的燃烧容易转为爆燃,这是因为燃烧是在压力增高的时候进行的,燃烧室中先燃烧的部分混合气膨胀而压缩未燃烧的混合气,使其温度急剧上升到自燃温度而突然自行全部着火而形成爆燃。因此在使用辛烷值低的易爆燃汽油时,应适当减小点火提前角。反之,当使用辛烷值较高的汽油时,点火提前角应适当增大。
    使用甲醇一汽油、酒精一汽油也应增大点火提前角。
    除以上所述之外,影响最佳点火提前角的因素还有混合气成分、发动机压缩比、冷却液温度、进气压力和温度、火花塞参数等。
    5.空气燃烧比
    当混合气过稀或过浓时,由于燃烧速度慢,必须增大点火提前角。
    6.进气压力
    进气压力减小,会使燃烧速度变慢,因此点火提前角应增大,如在高原地区由于大气压力低空气稀薄,应适当增大点火提前角。
    7.冷却水温
    当水温低时,为了尽快暖机,应适当增大点火提前角,而当水温高时,应适当减小点火提前角。

    第二节 传统点火系统组成与原理
    一、传统点火系统组成

    汽车上采用的传统点火系统主要由电源、点火线圈、分电器、火花塞以及点火开关等组成,如图7-4所示。

    1.电源
    汽车点火电源为蓄电池和发电机,标称电压一般为12V,其功能是供给点火系统所需的电能。
    2.点火线圈
    点火线圈的功能是将12V低压电转变为15~20kV的高压电。其构造与自祸变压器相似,在薄钢片叠成的铁芯上绕有一次绕组和二次绕组两个线圈。一次绕组由较粗的漆包线(直径0.5~1.0mm)绕成230~380匝;二次绕组由细漆包线(直径0.06~0.10mm)绕成20 000~26 000匝。
    3.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组成。
    断电器由触点总成和凸轮组成(凸轮的凸角数与汽缸数相等),其功能是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,当凸轮旋转使凸角顶开触点时,一次电路便被切断。
    断电器凸轮和分电器的分火头安装在分电器轴上,由发动机配气凸轮轴上的斜齿轮驱动,发动机曲轴与分电器轴的转速比为2:1,即曲轴每转两转凸轮转一转。
    配电器由分电器盖和分火头组成。分电器盖内有旁电极(旁电极数与气缸数相等),当分火头旋转时,其上面的导电片轮流与各旁电极靠近,从而将点火线圈产生的高压电按气缸工作顺序轮流送往各缸火花塞。
    电容器与断电器触点并联,用来减小断电器触点断开时产生的电火花,延长触点的使用寿命,并可提高二次电压。
    点火提前机构的作用是随发动机转速和负荷的变化改变点火提前角的大小。
    4.火花塞
    火花塞的作用是将二次线圈产生的高压电引入气缸燃烧室,产生电火花点着可燃混合气。
    5.点火开关
    点火开关的功能是控制点火系统的一次电路,只要断开点火开关,发动机就立即熄火。
    6.附加电阻
    点火系统附加电阻的功能是改善点火性能和起动性能。通常与点火线圈组装在一起,但东风EQ 1090型汽车点火系统的附加电阻为一条白色电阻线(阻值为1.7Ω)。

    二、传统点火系统工作原理
    在传统点火系统中,蓄电池或发电机供给的12V低压电,首先由点火线圈和断电器将其转变为高压电,然后再通过分电器分配到各缸火花塞电极之间产生电火花。其工作原理如图7-5所示。

    发动机工作时,断电器凸轮在配气凸轮轴的驱动下随之旋转(解放CA 1091、1092和东风EQ1090、1092为顺时针旋转,北京BJ2020为逆时针旋转)。凸轮旋转时,使断电器触点交替地闭合与断开。
    在点火开关SW接通的情况下,当触点闭合时,一次绕组中就有电流流过(一次电流i1用实线表示),其电路为:蓄电池正极→电流表A→点火开关SW→点火线圈“+”开关端子→附加电阻→点火线圈“开关”端子→点火线圈→次绕组W1→点火线圈“一”开关端子→断电器触点K→搭铁→蓄电池负极。一次电流在线圈的铁芯中形成磁场。经过一定时间后,当凸轮将触点断开时,一次电路被切断,一次电流消失,它所形成的磁场随之迅速变化,在两个绕组中都会感应产生电动势。由于二次绕组的匝数多,因此在二次绕组中将感应产生15~20kV的高压电动势,它足以击穿火花塞的电极间隙,并产生电火花点着可燃混合气。

    高压电流i2用虚线表示,流过的路径为:点火线圈二次绕组W2→“开关”端子→附加电阻→“+”开关端子→点火开关SW→电流表→蓄电池→搭铁→火花塞旁电极→中心电极→配电器旁电极→分火头→二次绕组。
    由此可见,点火系统有两个电路:初级电流il流经的电路称为低压电路或一次电路,而高压电流i2流经的电路称为高压电路。但在使用中,一般将点火线圈到火花塞之间的电路称为高压电路。
    断电器触点每断开一次,点火线圈就产生一个高压电。分电器轴每转一转,配电器就按发动机的点火顺序,轮流向各缸火花塞输送一次高压电。发动机工作时,断电器凸轮和分电器轴在发动机凸轮轴的驱动下连续旋转,断路器触点循环开闭,点火线圈不断产生高压电,配电器按点火顺序循环向各缸火花塞输送高压电,产生电火花点燃混合气,保证发动机正常工作。如要发动机停止工作,只需断开点火开关,切断低压电路即可。
    三、电容器作用原理
    在点火过程中,与触点并联的电容器具有重要作用。这是因为在触点打开瞬间磁场消失时,在一次绕组中将产生250~350V的自感电动势。若无电容器,该自感电动势就会在触点之间形成火花使触点烧坏;同时该电动势的方向与原来一次电流的方向相同,使一次电路内的电流不能迅速中断,磁场消失也相应减慢,因而二次感应电动势将大大降低。
    为了避免上述不良后果,在触点间并联了一只电容器。当触点打开时,一次绕组中所产生的自感电动势向电容器迅速充电,触点间不再形成强烈的火花,延长了触点的使用寿命;同时触点打开后,一次绕组和电容器形成一个RLC振荡回路,充电后的电容器通过一次绕组电阻进行振荡放电。当电容器第一次放电时,电流以相反的方向通过一次绕组,加速了磁场的消失,使二次感应电动势显著提高。可见设置电容器后,就能减小触点火花,延长触点寿命并提高了二次电压。
    触点两端有无电容器时,一次电流I1的增长和衰减情况如图7-6所示。由图可见,当触点两端并联电容器时,一次电流将很快衰减到零,并产生衰减振荡来消耗自感电流产生的能量。

    四、传统点火系统电路
    蓄电池点火系统由两条电路组成,即低压电路和高压电路。
   (一)低压电路
    以解放CA1091型发动机点火系统为例:蓄电池正极或发电机正极一起动机开关接线柱一30A断路器一电流表点火开关一点火线圈“+”接线柱一热变电阻一热变电阻短路开关一点火线圈“开关”接线柱一点火线圈的一次线圈一点火线圈的“一”接线柱一爆震限制器(或不经爆震限制器)一断电器触点(和电容器并联)一搭铁一蓄电池负极或发电机负极。
    在低压电路中,蓄电池或发电机是电源,点火线圈的一次线圈是负载。
   (二)高压电路
    以解放CA1091型发动机点火系统为例:二次线圈(+)一点火线圈高压插孔一分电器中心电极一分火头一分电器盖旁电极一火花塞中心电极一火花塞间隙一火花塞旁电极一搭铁一蓄电池一起动机开关接线柱一30A断路器一电流表一点火开关一点火线圈“+”接线柱一点火线圈“开关”接线柱一二次线圈(一)。
    高压电路中,在点火瞬间,点火线圈的二次线圈是电源,火花塞间隙是负载。

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