第三節 電子點火系統

傳統點火系統依靠斷電器觸點通斷點火線圈初級電流，觸點工作時的觸點火花問題使得這種點火裝置不可避免地存在著工作可靠性差、最高次級電壓不穩定、點火能量低、對火花塞積炭敏感、對無線電干擾大等缺陷。因此，傳統觸點式點火系統已不能適應現代汽車發展的要求。

無觸點的電子點火系統用晶體管的導通和截止來控制點火線圈初級電流的通斷，從而徹底解決了觸點火花問題，避免了傳統點火系統的種種缺陷。

一、電子點火系統的組成與基本原理

1.電子點火系統的基本組成

電子點火系統的基本組成如圖3-16所示。點火線圈初級電流的通斷由電子點火器中的晶體管控制，該晶體管工作在開關狀態，其導通與截止則是由點火信號發生器產生的電信號控制的。

2.電子點火系統的基本工作原理

當分電器軸轉動時，安裝在分電器內的點火信號發生器就會產生與發動機曲軸位置相對應的脈沖電壓信號，此脈沖電壓信號經電子點火器大功率晶體管前置電路處理后，控制大功率開關晶體管的導通或截止，使點火線圈初級電流適時地通斷。

圖3-16 電子點火系統的基本組成

1—點火信號發生器 2—點火信號 3—電子點火器 4—點火開關 5—點火線圈6—火花塞

當輸入的電子點火器的點火脈沖信號電壓使大功率開關晶體管導通時，點火線圈初級通路，儲存點火能量；當輸入電子點火器的點火信號脈沖使開關晶體管截止時，點火線圈初級斷路，次級便產生高壓，通過配電器及高壓導線等將高壓送至點火缸火花塞。

相比于觸點式點火系統，電子點火系統由點火信號發生器和大功率開關晶體管替代斷電器的凸輪和觸點，由晶體管的導通和截止通斷點火線圈初級電流，其點火性能和工作的可靠性有了很大的提高。

二、電子點火系統部件的結構與原理

無觸點分電器總成由點火信號發生器、配電器、點火提前調節器等組成（圖3-17），其中配電器、點火提前調節器的結構與觸點式分電器相同。

1.點火信號發生器

點火信號發生器的作用是產生與氣缸數及曲軸位置相對應的電壓信號，用以觸發電子點火器工作，及時通斷點火線圈初級回路，使次級產生高壓。點火信號發生器由信號觸發轉子和產生信號的定子組成，按信號產生的原理不同分類，有磁感應式、光電式和霍爾效應式等幾種。

（1）磁感應式點火信號發生器 磁感應式點火信號發生器的主要組成部件如圖3-18所示。永久磁鐵、導磁鐵心及導磁板、感應線圈等組成定子總成，通常固定在活動底板上，可由真空點火提前裝置改變其與分電器軸的相對位置。導磁轉子有與發動機氣缸數相對應的葉片，它與分電器軸的連接方式則與斷電器凸輪相似，工作時，可由離心點火提前裝置改變其與分電器軸的相對位置。

永久磁鐵經導磁鐵心、空氣隙和導磁轉子構成磁路（圖3-18b）。分電器軸轉動時，通過離心點火提前調節器帶動導磁轉子轉動，使導磁轉子與鐵心之間的氣隙發生變化，磁路的磁阻隨之改變，使通過感應線圈的磁通量發生變化，產生與發動機曲軸位置相對應的感應電壓信號（圖3-18c）。

磁感應式電子點火信號發生器結構簡單、工作可靠，使用較為廣泛。由于電磁感應的電壓大小會隨發動機轉速變化而改變，因此，磁感應式點火信號發生器的結構參數和電子點火器電路設計，需要充分考慮在發動機低速時能有足夠強的信號電壓的同時，還要注意在發動機高速時不至于因信號電壓過高而損壞電子點火器中的電子元件。

圖3-17 無觸點分電器

1—分電器蓋 2—分火頭 3—防塵罩 4—分電器蓋彈簧夾 5—分電器軸 6—點火信號觸發轉子 7—真空點火提前調節器 8—點火信號發生器定子及托架 9—離心點火提前調節器 10—分電器外殼 11—密封圈12—驅動斜齒輪

圖3-18 磁感應式點火信號發生器

a）結構簡圖 b）工作原理 c）點火信號波形

1—感應線圈 2—永久磁鐵 3—導磁轉子 4—導磁鐵心

呈對稱分布的磁感應式點火信號發生器如圖3-19所示，盤狀永久磁鐵的一面為N極，一面為S極，安裝在磁鐵上端的軟鐵有6個向上彎曲的極爪，構成定子磁極；導磁轉子的6個極爪則向下彎曲，磁感應線圈安裝在轉子與定子之間，并與轉子同心。導磁轉子轉動時，轉子與定子爪極之間的氣隙就發生周期性的變化，使通過感應線圈的磁通量也呈周期變化，感應線圈產生與發動機曲軸位置相對應的交變電動勢。

圖3-19 CA1092型汽車用磁感應式點火信號發生器

a）外形結構 b）內部結構

1—轉子軸 2—導磁轉子 3—感應線圈 4—定子 5—永久磁鐵 6—活動底板 7—固定底板 8—插接器 9—外殼 10—真空點火提前裝置

（2）光電式點火信號發生器 光電式點火信號發生器的主要組成部分是發光元件、光敏元件和遮光轉子，如圖3-20所示。發光元件通入電流后產生光源，光敏元件受光后產生電壓，遮光轉子有與氣缸數相對應的缺口，光源照射到光敏元件的光線受轉動的遮光轉子控制。

分電器軸轉動時，通過離心點火提前裝置驅動遮光轉子轉動，遮光轉子缺口周期性地通過光線，使光敏元件周期性受光，光敏元件便產生了與曲軸位置相對應的電壓脈沖。

圖3-20 光電式點火信號發生器

a）結構簡圖 b）原理簡圖

1—分火頭 2—發光元件 3—光敏元件 4—遮光轉子 5—信號波形

光電式點火信號發生器結構簡單，信號電壓不受轉速影響，工作時需要有直流電源。其最大的缺點是抗污能力較差，發光元件和光敏元件上沾灰或油污就會影響正常的信號電壓的產生。為保證其工作可靠性，光電式點火信號發生器的分電器需要有較高的密封性。

（3）霍爾效應式點火信號發生器 霍爾效應式點火信號發生器用霍爾效應產生電壓信號，霍爾效應原理如圖3-21所示。

將霍爾元件（半導體基片）置于磁場中，并通入一電流，電流的方向與磁場的方向互相垂直，在垂直于電流和磁場的霍爾元件的橫向兩側會產生一個與電流和磁感應強度成正比的電壓。這種現象稱為霍爾效應，這個電壓稱為霍爾電壓，其大小可用下式表示。

圖3-21 霍爾效應原理

I—通過霍爾元件的電流 B—磁感應強度 UH—霍爾電壓 d—霍爾元件基片厚度

式中RH——霍爾系數；

d——半導體基片的厚度（m）；

I——通過霍爾元件的電流（A）；

B——磁感應強度（T）。

霍爾效應式點火信號發生器流過霍爾元件的電流I固定不變，使磁感應強度B周期性變化來產生脈動電壓。霍爾效應式點火信號發生器的組成與原理如圖3-22所示。

圖3-22 霍爾效應式點火信號發生器的組成和原理

a）結構 b）轉子葉片插入時 c）轉子葉片離開時

1—導磁轉子 2—霍爾集成塊 3—信號觸發開關 4—永久磁鐵 5—導線 6—導磁板

信號觸發開關由霍爾集成塊2和帶導磁板的永久磁鐵4組成。霍爾集成塊除外層的霍爾元件外，同一基層的其它部分為集成電路（圖3-23），用于對霍爾元件產生的微弱電壓信號進行放大、整形及溫度修正等。導磁轉子有與氣缸數相同的葉片，與分火頭為一體，套裝在分電器軸上部。

分電器軸轉動時，導磁轉子由離心點火提前裝置帶動而隨分電器軸一起轉動。當導磁轉子的葉片插入信號觸發開關的縫隙時，導磁葉片將磁路短路（圖3-22b），此時霍爾元件上無磁通量而不產生霍爾電壓；當導磁轉子的缺口通過時，磁路經空氣隙、導磁板、霍爾元件形成閉合回路（圖3-22c），霍爾元件上的磁通量加強而產生霍爾電壓。分電器軸轉一圈，霍爾元件產生與氣缸數相同的霍爾電壓脈沖，再經集成電路的整形、放大后輸出與霍爾電壓脈沖反相的方波電壓脈沖。

圖3-23 霍爾集成塊電路框圖

霍爾效應式點火信號發生器精度高、耐久性好、信號電壓較為穩定，已有較多的應用。

2.電子點火器

電子點火器的基本功能是在輸入點火信號的觸發下工作，及時通斷點火線圈初級電流，使點火線圈次級適時地產生高壓。為進一步提高點火系統點火性能及工作的安全可靠性，一些電子點火系統的電子點火器增加了閉合角可控功能電路、初級回路電阻控制電路、停車斷電保護電路、過壓斷電保護電路、低速推遲點火功能電路等。

不同汽車上使用的電子點火器其功能不完全一致，結構形式也多種多樣，下面以典型的實例說明電子點火器的作用與原理。

（1）分立元件的電子點火器 典型的電子點火器一例如圖3-24所示。該電子點火器還具有閉合角可控、發動機停機自動斷電、初級電流穩定控制等功能電路。

圖3-24 典型的電子點火器電路原理

1—點火信號感應線圈 2—點火開關 3—火花塞 4—點火線圈

1）點火控制工作過程。本例點火信號發生器為磁感應式，VT1為觸發管，VT2起放大作用，復合管VT3為大功率開關晶體管，用于通斷初級電流。電子點火器根據輸入的點火信號脈沖控制點火的原理如下。

當點火信號負脈沖輸入時，信號電流流經VD3、R2、VD2、R1，VD3的正向導通電壓降使VT1處于反向偏壓而截止。VT1截止時，其P點的電位升高，使VT2導通，給VT3提供了正向偏壓，使VT3導通。這時，點火線圈初級通路，初級電流增長，此為點火線圈的儲能過程。

當點火信號正脈沖輸入時，VT1獲得正向偏壓而導通，信號電流經R1、VD1、R2、VT1發射結形成通路。VT1導通后使P點電位下降，并使VT2失去正向偏壓而截止，VT3也隨之無正向偏壓而截止，使點火線圈初級斷流，次級產生高壓。

2）閉合角可控電路原理。在電子點火系統中，閉合角是指點火線圈初級通路的相對時間（初級通路時間/初級通斷周期）。閉合角可控是要使點火線圈初級通路的相對時間隨發動機轉速的升高而增大，以保證發動機在高速時點火線圈初級仍有時間形成足夠大的初級電流。

閉合角可控電路由VD5、C2、R3組成。在點火信號正脈沖時，信號電流同時對電容C2充電，充電電路為：e+→R1→VD1→VD5→C2→VT1發射結→e-。而當信號正脈沖消失時，C2放電。放電電路：C2+→R3→VD2→R1→點火信號發生器感應線圈→VD3→C2-。在C2放電時，使VT1反向偏壓而保持截止、VT2和VT3保持導通、初級線圈保持通路。發動機轉速升高時，信號正脈沖電壓隨之升高，C2的充電電壓也隨之升高，正信號脈沖消失后C2的放電時間延長，VT1的截止時間也就相對增加了，也即增加了點火線圈初級通路的相對時間。

3）發動機停轉斷電保護。當發動機熄火時，如果點火開關仍然接通，這時電源通過R4向VT1提供正向偏壓而使VT1導通，VT2、VT3截止，于是，點火線圈初級處于斷路狀態，避免了蓄電池向點火線圈持續放電而白白消耗電能和燒壞點火線圈及晶體管的可能。

4）初級電流穩定控制。在工作中，蓄電池的電壓波動很大。初級回路的電阻、電感參數設計必須保證在蓄電池電壓較低時能有足夠大的初級電流，這會造成蓄電池電壓較高時的初級電流過大，導致點火線圈的溫度過高。

R8、VD6組成的反饋電路起電源電壓波動時的初級穩定電流控制作用。當電源電壓上升時，VT3在截止狀態下的集電極電位也隨之升高，通過R8、VD6的反饋作用，增加了VT1的飽和導通深度，在信號負脈沖時VT1由導通轉向截止變得遲緩，這樣就減少了VT1相對的截止時間，也即減少了VT3的相對導通時間，以使點火線圈初級電流不隨電源電壓的上升而增大。

5）初級回路電阻可變控制。初級回路的等效電阻可變控制也是用來實現初級電流的穩定控制，它與閉合角可控電路結合，可實現初級電流恒定控制。

初級回路等效電阻可變控制電路由VT4、R8、R9組成。當點火線圈初級電流增大到某一限定值時，A點的電位上升至使VT4導通，VT4導通后使VT3的基極電位下降，其基極電流減小，集電極電流（即點火線圈初級電流）就受到了一定的限制。初級電流越大，A點的電位就越高，VT4的導通深度就增加，使VT3的基極電流下降得就更多，對初級電流的限制作用也就更大。

由于是通過電流反饋的形式來實現初級回路等效電阻的控制，因此，不僅可使初級電流不因電源電壓的上升而過大，還可以在發動機轉速變化時起穩定初級電流的作用。

（2）集成電路電子點火器 集成電路電子點火器是將大功率晶體管以外的電子電路用集成塊代替，配以所需的外圍電路組成電子點火器。這種專用的點火集成模塊一般功能較全，性能良好，工作可靠性好，且體積小，價格較低，在汽車上使用已較為普遍。現以典型的L497點火集成模塊所組成的電子點火器為例，介紹集成電路電子點火器的結構形式與工作原理。

L497集成塊的內部電路及引出腳的排列如圖3-25所示，國產桑塔納轎車電子點火系統用L497集成塊組成的電子點火電路如圖3-26所示。

1）基本點火控制。霍爾效應式點火信號發生器產生的點火觸發脈沖從電子點火器的⑥、③端子輸入。當點火信號發生器輸出正脈沖（信號轉子葉片插入縫隙）時，集成電路的5腳為高電位，經內部電路的處理后，使14腳輸出高電平，大功率開關晶體管VT導通，接通點火線圈初級回路。當點火信號發生器輸出負脈沖（信號轉子葉片離開縫隙）時，集成電路5腳為低電位，內部電路使14輸出低電位，VT截止，點火線圈初級回路斷路，次級繞組產生高壓。

圖3-25 L497點火集成模塊

a）內部電路框圖 b）引出腳排列

圖3-26 桑塔納轎車用L497集成塊組成的電子點火器電路

2）閉合角控制電路

①閉合角控制電路的組成與作用：閉合角控制電路由兩部分組成，第一部分由L497集成塊與10腳電容CT、12腳偏流電阻R7組成一閉合角基準定時電路。當霍爾電壓信號為高電平時，CT以一恒定的電流IT充電，其電壓UT上升（圖3-27b），調節偏流電阻R7可調整IT值。第二部分由L497集成塊與11腳電容CW、12腳電阻R7組成一閉合角控制和調整電路。當霍爾信號電壓為低電平時，CW以恒定的電流IW放電，其電壓UW下降（圖3-27b），而當初級電流達到限定值時CW則開始充電。當CT、CW的充、放電達到UT=UW（圖3-27b兩曲線相交）時，內部控制開關使驅動級立即工作，VT立即導通，接通初級電路。可見，點火線圈初級通路的起始點由CT、CW的充、放電電壓達到一致的時間控制。CW的電壓取決于發動機的轉速和集成塊的工作電壓，于是，該電路可在發動機轉速變化和電源電壓波動時，起初級電流穩定的作用。

②轉速變化初級電流穩定控制原理：當發動機轉速上升時，初級電流達到限定值后的限流時間t2縮短，CW的充電電壓降低，CW放電時達到UT=UW點提前（UW曲線下移），使初級通路提前（閉合角增大）；當發動機轉速下降時，則有相反的變化。因此，閉合角控制電路根據發動機轉速的變化自動調整下一周期的初級通路起始點，從而使初級通路時間tb基本上保持穩定不變。

③電源電壓變化初級電流穩定控制原理：當電源電壓升高時，CW的充電電壓也會升高，CW放電時達到UT=UW點推遲（UW曲線上移），使初級通路推遲（閉合角減小）；當電源電壓下降時，則作出相反的調整。因此，當電源電壓變化、初級電流的上升速率變化時，閉合角控制電路通過自動調整閉合角，使初級電流基本保持穩定。

3）電流上升率控制。電流上升率控制電路由L497集成塊與8腳電容器CSRC、偏值電阻R7組成，該電路可調整點火線圈初級電流由0上升到峰值的速率。當電路檢測到初級電流小于額定值的94%時，控制電路會在輸入信號正脈沖消失前將初級電流的上升速率加大，以增大初級電流。

圖3-27 閉合角控制波形圖

a）霍爾信號發生器輸出電壓波形 b）CT、CW充放電電壓波形 c）初級電流波形 t2—初級電流達限定值的持續時間 tb—初級通路的時間

4）發動機停轉斷電保護。發動機停轉但點火開關未關斷時，如霍爾點火信號發生器輸出高電平（信號轉子葉片插入縫隙），就會使點火線圈持續通路而對點火線圈、蓄電池及電子點火器等不利。為此，設置了發動機停轉斷電保護電路。該電路由L497集成塊、9腳的CP及R7等元件組成，基準導通時間（ms）為tP=16CPR7。工作時，保護電路不停地檢測輸入的點火信號電壓，信號脈沖高電平時對CP充電，信號脈沖低電平時CP放電。如果在發動機停轉時霍爾電壓為高電平，CP充電持續時間超過了tP時，CP上的電壓就會達到限流回路模塊的閾值工作電壓，控制回路就會使點火線圈初級電流逐步下降為0。

5）初級電流限制。該電路由L497和RS、R10、R11等組成。RS為點火線圈初級電流的采樣電阻，通過RS的電流除初級電流外，還有VT的基極電流（14腳的電流），當初級電流上升至限定值（桑塔納轎車為7.5A），RS上的電壓降達到L497內部限流電路的比較電壓時，控制回路就使VT的基級電流減小，使之從飽和導通狀態進入放大導通狀態，從而限制了初級電流。調整R10、R11的比值，可改變初級電流的限流值。

三、電容儲能式電子點火系統簡介

1.電容儲能式電子點火系統的組成

電容儲能式電子點火系統的基本組成如圖3-28所示。

圖3-28 電容儲能式電子點火系統的基本組成

1—振蕩器 2—晶閘管觸發電路 3—點火信號發生器 C—儲能電容

（1）直流升壓器 直流升壓器由振蕩器、變壓器、整流器三部分組成，用于將電源的低壓直流電轉變成400V左右的直流電。其中，振蕩器用于將電源12V的直流電轉變成交流電；變壓器則將振蕩器產生的低壓交流電升壓為300～500V左右的交流電；整流器將變壓器輸出的交流電變為400V左右的直流電，并向儲能電容充電。

（2）儲能電容 儲能電容用于儲存點火能量，并在需要點火時向點火線圈初級繞組放電，使點火線圈次級產生高壓。

（3）晶閘管 晶閘管的作用是在非點火時間里，隔斷儲能電容與點火線圈的連接，以使直流升壓器能迅速將電容充足電；在點火觸發信號輸入時，則迅速導通，讓儲能電容及時向點火線圈初級繞組放電，使點火線圈次級產生高壓。

（4）晶閘管觸發電路 晶閘管觸發電路的作用是根據點火信號發生器的點火信號產生觸發脈沖，使晶閘管能迅速導通，而在非點火時間，則保持晶閘管的控制極為零電位或負電位。

2.電容儲能式電子點火系統的基本工作原理

（1）點火線圈儲能過程 接通點火開關，振蕩器便開始工作，將電源的低壓直流電轉變為變壓器初級的低壓交流電，經變壓器升壓，變壓器的次級輸出400V左右的交流電，再經整流器整流后，成為400V左右的直流電，并向儲能電容充電。這就是電容儲能式點火系統的儲能過程，只要接通點火開關，儲能過程便不停地進行著，不受點火信號的控制。

（2）點火線圈次級產生高壓過程 當點火信號輸入時，觸發電路便產生一個觸發脈沖，使晶閘管迅速導通，儲能電容便向點火線圈初級繞組放電。在點火線圈初級通路，初級電流迅速增長的同時，點火線圈次級繞組產生很高的互感電動勢，并使火花塞電極兩端的電壓迅速升高直到跳火。

由上可知，與電感儲能式點火系統不同的是，電容儲能式電子點火系統在點火開關接通時，就隨時進行著儲能過程；在點火線圈初級繞組通電的瞬間，次級產生高壓。

3.電容儲能式電子點火系統的特點

相比于電感儲能式點火系統，電容儲能方式點火具有如下特點。

（1）最高次級電壓穩定 儲能電容的充電電壓高，充足電的時間極短，晶閘管的導通速率又極高，因此，次級電壓幾乎不受發動機轉速的影響。這一特性使得電容儲能式點火系統特別適用于高速發動機。

（2）對火花塞積炭不敏感 次級電壓上升速率高，一般在3～20μs，因此，次級回路有漏電對最高次級電壓影響很小。也就是說，電容儲能式點火系統對火花塞積炭不敏感，在火花塞有積炭、高壓回路有漏電（不很嚴重）的情況下，仍能保持良好的點火性能。

（3）點火線圈的工作溫度低 由于電容儲能方式只是在點火的瞬間有較大的電流通過點火線圈，而在其它的時間里點火線圈不通電流，因此，點火線圈的平均電流小，其工作溫度低，使用壽命長。

（4）低速時點火系統能耗低 電容儲能方式其電能的消耗隨發動機轉速的增加而增加，而在發動機怠速時電能消耗最少。這一特點對蓄電池極為有利，因為在發動機怠速時，往往需要蓄電池提供電能。

（5）能量損失小 整個儲能過程能量損失小，點火線圈的能量轉換效率高。

（6）火花的持續時間短 電容儲能式電子點火系統的火花持續時間一般為1～50μs（電感儲能式為1～2ms）。太短的點火時間會造成在發動機起動和低速時電火花難以點燃混合氣，使發動機不能正常工作，甚至于熄火。這一缺點正是電容儲能式點火系統在普通發動機上使用很少的原因所在。