第三章 點火系統

第一節 概述

一、對點火系統的要求

汽油發動機點火系統的作用是適時地產生電火花，點燃壓縮終了的混合氣，以使發動機工作。為確保發動機穩定可靠地工作，對點火系統有如下三個基本要求。

1.能產生足夠高的次級電壓

點火系統用于點燃混合氣的火花塞電極伸入發動機氣缸燃燒室內，通過電極之間氣體的電離作用產生電弧放電（跳火）。要使電極之間具有很高壓力的氣體電離而產生電火花，就必須有足夠高的電壓。使火花塞電極跳火所需的電壓稱之為擊穿電壓Uj（或稱點火電壓），Uj的高低與發動機工況及火花塞的狀況有關。

（1）發動機工況 氣缸內的混合氣壓力高、溫度低時，氣體的密度相對較大，氣體電離所需的電場力就大，所需的擊穿電壓也就高。發動機在不同工況下其壓縮終了的混合氣壓力和溫度是不同的，因此，當發動機的轉速和負荷改變時，火花塞的擊穿電壓也隨之而變。

（2）火花塞電極的溫度和極性 當火花塞電極的溫度超過混合氣溫度時，擊穿電壓可降低30%～50%。這是因為在電極溫度高時，包圍在電極周圍的氣體密度相對較小的緣故。由于火花塞中心電極的溫度相對較高，因此，火花塞的中心電極為負時，火花塞電極的擊穿電壓可降低20%左右。

（3）火花塞的間隙和形狀 火花塞電極的間隙增大，在同樣的電壓下的電場就減弱，使電極間隙間的氣體電離所需的電壓就得增大。火花塞電極較細或電極表面有溝棱時，在同樣的電壓下其電場的最強處要大于較粗、表面平的電極，因此，所需的擊穿電壓可降低。

此外，火花塞電極上積油、積炭時，其擊穿電壓會相應升高。

點火系統所能產生的電壓稱為最高次級電壓（Um2）。要使發動機在任何工況、狀態下火花塞都能可靠跳火，就必須滿足Um2>Uj。為此，通常要求點火系統所能產生的最高次級電壓Um2在20kV以上。

2.要有足夠的點火能量

火花塞跳火后能確保可燃混合氣迅速燃燒，還必須要有足夠的點火能量。發動機正常工作時，由于混合氣壓縮終了的溫度已接近自燃溫度，因而所需的火花能量很小，但是發動機在起動、怠速及急加速工況時，由于混合氣的溫度較低或混合氣過濃、過稀等原因，需要有較高的點火能量才能保證混合氣可靠燃燒。

點火能量不足時，會使發動機起動困難、點燃率下降，發動機的動力性下降、油耗和排污增加，并可能導致發動機不能起動。

3.點火時間要適當

為使發動機氣缸內的燃燒最高壓力出現在壓縮終了上止點后10°～15°，使混合氣的燃燒功率達到最大，就必須在壓縮終了前的某個適當時刻點火。某缸火花塞開始跳火到活塞運行至壓縮終了上止點的曲軸轉角稱之為點火提前角。點火提前角過大，壓縮行程活塞上行的阻力增大，導致發動機功率下降、油耗增加，且發動機容易產生爆燃；點火提前角過小，混合氣燃燒產生的最高壓力和溫度下降，也導致發動機功率下降、油耗增加，且容易引起發動機過熱、排氣管放炮等故障。

發動機在不同的轉速和負荷下，其點火提前角應是不同的。點火系統應能根據發動機的轉速和負荷變化情況，及時調整點火時間，以確保混合氣的燃燒及時、完全。

二、點火系統的發展概況

一百多年來，伴隨著汽車的發展，汽油發動機的點火技術也逐漸提高。1886年，第一輛以四沖程內燃機為動力的汽車使用的是磁電機點火系統。1907年，美國人首先在汽車上使用蓄電池點火裝置，這種用蓄電池和發電機來提供電能的點火系統采用了點火線圈，通過斷電器觸點來控制點火線圈初級電流的通斷，使次級產生高壓（圖3-1a）。最初的蓄電池點火系統無點火提前角自動調節裝置，一直到了1931年，美國人才首先使用了能根據發動機負荷和轉速自動調節點火提前角的真空、離心點火提前調節裝置。此后，這種觸點式點火裝置逐步得到完善，在汽車上得到了廣泛的應用，并被稱之為“傳統點火系統”。

隨著人們對汽車發動機動力性、經濟性及排放控制要求的日益提高，傳統點火系統因其觸點本身所固有的缺陷也越來越顯現出來。20世紀60年代初期，出現了一種晶體管輔助點火系統，這種點火系統增加了一個電子放大器（圖3-1b），使得點火性能得到了較大的提高。由于晶體管輔助點火系統還保留了觸點，不能完全消除由觸點本身所造成的一些缺點，因而，很快就被無觸點的電子點火系統所取代（圖3-1c）。無觸點電子點火系統在20世紀60年代末期開始推廣應用之后，在汽車上得到了廣泛的應用。現在，傳統點火系統已被淘汰。

圖3-1 各種點火系統基本組成示意圖

a）傳統觸點式點火系統 b）晶體管輔助點火系統 c）無觸點電子點火系統

1—點火開關 2—點火線圈附加電阻 3—點火線圈 4—火花塞 5—斷電器觸點 6—電容器 7—晶體管放大器 8—點火信號發生器 9—電子點火器

1976年，美國通用公司首次將微處理器應用于點火時刻控制，此后，采用微處理器控制的電子點火系統的應用日漸增多，并與汽油噴射、怠速等發動機其它電子控制系統一起，實現了發動機的集中電子控制。隨著汽油發動機電控化的普及，這種微處理器控制的電子點火系統在汽車上得到了普遍的應用。

三、點火系統分類

以不同的分類方式，將各種點火系統的特點及目前使用情況加以概括。

1.按點火系統的電源不同分

（1）磁電機點火系統 這種點火系統由磁電機本身產生點火所需的電能，由于結構的原因，磁電機點火系統僅適用于單缸或雙缸的汽油發動機。磁電機點火系統在汽車上早已不使用，目前在某些摩托車上還有少量的應用。

（2）蓄電池點火系統 這種點火系統的電源是蓄電池和發電機，適用于多缸發動機，目前汽車上使用的都屬于此類點火系統。

2.按點火系統儲存點火能量的方式不同分

（1）電感儲能式 點火系統在產生高壓點火前，從電源獲取的能量以電感線圈建立磁場能量的方式儲存點火能量（圖3-2a）。電感線圈儲存初級點火能量WL的大小與線圈的電感量L和線圈所形成的電流I的平方成正比

（2）電容儲能式 點火系統從電源獲取的電能以電容器建立電場能量的方式儲存（圖3-2b）。能量的大小與電容器的電容量C和電壓U的平方成正比

圖3-2 點火系統能量儲存方式示例

a）電感儲能式 b）電容儲能式

1—電感線圈 2—火花塞 3—儲能電容 4—晶閘管

目前汽車上使用的大都是電感儲能式點火系統。