数字式电子点火的简单原理(基础知识讲座)...原创|三菱蓝瑟_蓝瑟_菱帅_东南菱帅_菱帅论坛_菱帅改装_Lancer - 东南汽车俱乐部_三菱翼神_翼神_君阁_ 欧蓝德_v3菱悦_蓝瑟_菱帅_富利卡_得利卡

只看楼主更多操作 0楼发表于: 2004-12-22

一、电火花的产生 FG~p_[K
我们知道物质由分子组成，分子又由原子组成，原子由原子核（包括质子和中子）和电子组成，电 Ho?+?YJ#P
%#NaM\=8v
子围绕原子核旋转运动。在通常情况下，电子的负电荷和质子的正电荷相等，两者平衡使原子的总电荷 DT(A~U<y
Mno4z/4{A
量为零。在外界能量的作用下，原子外层的电子运动的速度加快到一定程度时，就会逸出轨道与其他中 L1.<LB^4'
a`GoNh,
性原子结合，这一原子“俘获”电子之后负电荷量增加，呈现负极性，称之为“负离子”。而失去电荷 ;hmy7M1%
<"AP&J'H
的原子负电荷量减少，呈现正极性，称之为“正离子”。离子有规律的定向运动便形成了电流。 o{?s\)aBa
M2[;b+W9
根据上述理论，混合气在进入气缸前都会有微量分子游离成正离子和负离子。气缸压缩过程中， 8{@|M l
|jk"; h
由于气体受挤压及摩擦也会产生更多的正离子和负离子。当火花塞两电极加有电压时，离子便在电场力 ~M3`mO+^U
/=*h\8c~
的作用下分别向两极运动，正离子向负极运动、负离子向正极运动形成了电流。但是在电场力较小时(电 Cz-eiPlq
:$~)i?ge<5
压低)，原子中的电子运动的速度低，不能摆脫原子核的引力逸出轨道，形成新的离子。所以，气体中 @#hd8_)A.
RZ-=UIf
也只有原来存在的离子导电，由于他们的数量很微小，放电电流微弱,所为只存在理论导通,电路中相当 %nk]zf..
<E/4/ ANN
于串接了一个极大电阻R。(参见图2) QVLv}w`O
N3dS%F,_
随着电压的增高，电场力增大，原子动能增大，大量原子摆脫原子核的引力逸出轨道，混合气中产 &\tD$g~"
-KV)1kET
生了大量离子，同时正离子和负离子向两极运动的速度加快，正、负离子产生的动能轻而易举便能将中 PL"u^G`
RJ}%pA4I
性分子击破，使中性分子分离成正离子和负离子，这些新产生正、负离子在电场力的作用下，也以高速 B:mtl?69g
Y@(izC&h
向两极运动，又去击破其它中性分子，这样的反应连续发生象雪崩一样,使气体中向两极运动的正离子 M{GT$Q
!l9i)6 W
和负离子的数目剧增，从而使气体失去绝缘性变为导体(R変成较小阻值),形成放电电离通道，即击穿跳 ntr&? H
U {,:-R
火。其中由于正负离子高速运动及摩擦碰撞形成的高温炽热电离通道(几千度)发光，于是我们就见到火 aN 5"[&
?B32,AS@
花，同时,电离通道周围气体骤然受热膨胀发出“啪啪”声。 IY,n7x0d
[:MFx6
二、发动机的工作状况对点火的影响 AOM@~qyc
(1) 火花塞电极间隙越大，在同样电压下极间隙越大电场越弱，电场力越小，较难产生足够的离 ,zOv-pH
$T7(AohR
子，故需较高的电压才能跳火。影响击穿电压的因素还包括:火花塞电极的形状、电压的极性。 M.K%;j`
>k8FUf(c
(2)气红内的气体密度大（混合气浓），单位体积中气体的中性分子数量越多，分子间距离越小， I`q"
Ja{[T
正离子或负离越容易与分子相撞，加速的距离短，速度不高动能小，难以击破中性分子产生新的离子。 )<vuv9=k\%
nZ/pi$7
故需较高的电压才能跳火。同理，火花塞电极的温度越高，电极间近旁的气体密度越小，故需较低的电 k/hNap'0
压就能跳火。 18o5Gs;yx
8Lr&-w8J
(3) 混合气度温度越高，其分子内能越大，就越容易电离，因此跳火电压可降低；反之冷车启动时， hv#|dI=kZR
^(~%'f
由于混合气中离子运动能力低，不易电离，就需要较高的跳火电压。据测定，冷车启动时，跳火电压 cc{^0JT
+{au$v}
最高约为15kv-25 kv，温度正常后，汽车则只需要8kv—12 kV的击穿电压

三、发动机对点火系统的要求 P@FE3g
1．能产生足以击穿火花塞电极间隙的高压电 8 DPn5E#M1
G_S2Q @|Q
火花塞电极间能产生火花时所需要的电压，称为击穿电压或称为跳火电压。正常情况下変压器输出高压大于跳火电压，反之失火。 N2.Ym;^
p|Qn?^ C:
2．能够控制点火能量大小 N#GMvU#R
Y2$xlqQd"
A．要可靠点燃混合气，火花塞必须具有足够的点火能量。在发动机正常工作时，电火花只要有1～10mJ的能量即可。但是在起动时，为保证可靠点火，火花塞的点火能量可达到100mJ。 SW7AG;c=
> 1=].
B．能根据发动机的各种工况对点火能量调整，即对高压输出晶体管导通时间(传统机械式闭合角的控制)长短的控制，达到对高压变压器初级电流大小(能量大小)的控制。 vF9fXY=
O+t'E9Fa
3．点火时刻应适应发动机的各种工况 o,'Fz?[T%
M=4`^.Ocm
A.发动机不同转速和负荷所要求的最佳点火提前角不同，点火系统必须能自动调节点火提前角。发动机的点火提前角表示式： [`'K.-?#
实际点火提前角＝初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角（或延迟角）。 lS? #(}a1)
Q}#xfrprF
B.这种数字式电子点火系统还能将点火时间智能控制在临爆点或微爆点范围，使汽油机在功率、经济性、加速性和排放控制方面达到最优。 ;#= y5Q4
+@~e9ZG%a
四、数字式电子点火系统组成 s1p<F,
数字式电子点火系统是在使用无触点电子点火装置之后的汽油机点火系统的又一大进展，称为微型电子计算机控制半导体点火系统。 A@e!~
Nzb=h/;
点火系统的分类： /sSM<r]5j
A.。电感蓄能式点火系统(实际电路参见图3、4、5) B[5<&
点火系统产生高压前以点火线圈建立磁场能量的方式储存点火能量。目前汽车使用的绝大部分点火系统为电感储能式。(重点分析介绍) Wr+1e1[
Wr8}=\/
B．电容储能式点火系(图6) NleMZ
点火系统产生高压前，先从电源获取能量以蓄能电容建立电场能量的方式储存点火能量。多应用于高转速发动机上，如赛车。 I(j$ ^DA.
0XI6gPo%
工作原理是把较低电源电压变换成较高直流电压(500V-1000V)对电容充电蓄能，点火时刻通过电 *]c~[&x5&
YR[I,j
容放电使变压器产生高压。特点是电容充放电周期快，高压跳火火花持续期短(约1微秒)且电流大， t >Rh
}|wC7*^)
不存左火花尾。ECU根据发动机工况在一个点火周期内进行1-3次点火。 ^?|d< J:{
qKE+,g'
电感蓄能式点火系统主要有微型电子计算机(ECU)、各种传感器、高压输出部分(功率管、变压器、高压线、火花塞)三大部分组成。(参见图1) a%`L+b5-$
! 6R|
1.ECU <[=[|DS l
ECU就是整部汽车的智能控制中心，指挥协调汽车的各部工作，同时ECU还有自动诊断功能。 >y $*|V}k
b, 47 EJ}
其中处理控制点火系统工作是ECU众多工作重要的一项。ECU只读存储器ROM中存有500多万组 DmZ_tuVI
>b~Q%{1
数据，这些数据大多数是发动机通过各种实际工作情况测量优选得出的，包括了整个汽油机工作范围 Vkqfs4t
1M[|9nWUC
内各种转速和负荷下的最佳点火提前角及喷油脉宽等有关全部数据。不同型号整车的ECU的存储数 D~TK'&
jQ(%LYX$
据是不同的，各厂家对数据都是保密不公开的；这些数据保证了汽油机在功率性、加速性、经济性和 ^{g+HFTA@
k59.O~0V
排放控制方面达到最优组合。 AOCiIPw
uC1 v^!D
ECU控制点火原理

发动机启动后，ECU每10ms采集一次发动机的各传感器动态参数，按预先编好的程序处理这 vlZ?qIDe
N/mC,7Q
些数据，并存入随机存储器RAM中；同时ECU还要根据电源电压大小、从其只读存储器ROM中选 q P>Gre
d/:zO4v3
取出适应当前工况的高压变压器初级线圈电流导通时间，(即ECU输出宽度不同的方波电压控制高压 ?I.<mdhN#t
?$xZ$zW
输出糸统变压器初级线圈电流大小，实现对高压输电压大小的控制)ECU综合这些数据，从其只读 Y8 a![
RHGs (d7-
存储器ROM中查找出（计算出）适应当前发动机工况的最佳点火提前角存入随机存储器RAM中， |:i``gFj
6 ztM(2[
然后利用发动机转速（或转角）信号和曲轴位置信号，将最佳点火提前角转换成点火时刻,即切断高 Fss7xP'
>g@;`l.Z#
压变压器初级电流的时刻。 zhI} p.
6<+R55
在下列情况下ECU点火实行开环控制，点火按预设程序工作。 >WMH.5p
A..发动机启动时。B.重负荷时。C.节气门全开时。 i8w(G<Y=
:2?J#/o
2.传感器 *usfJ-
n*%<!\gJ
传感器就是各种不同类型及功用的测量元件，安装在发动机不同的有关部位，把发动机工况各种参数变化反馈给ECU作计算数据。 1`2n<qo
m1=3@>
在点火系统中应用的传感器主要有:空气流量计及进气温度传感器、发动机转速及曲轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器及爆震传感器、氧传感等等。 H=z @!rJc.
w"bQxS~$y
RS#)uC5/%
3. 高压输出 |dpOE<f[
A.高压输出功率三极管:在电路中起开关作用。 {7[^L1
-RVwPY
B.高压输出变压器:在电路中把低电压转换成高电压供火花塞点火。 u1/4WYJeJ
_W/s=pCh
C.高压线:在电路中把高压电传输到火花塞。 z*>"I
L&MR%5
D.火花塞:在电路中把高压电引进汽缸并把电能量转换成热能。 #Gx%PQ`
ynvU$}w ~'
高压的产生及控制原理 E^rKS&P
基本理论: U >w#`Sy[
A.导体中有电流通过就会产生一个磁场，电流越大磁场越强。 $nF|n+m
E-IVv
B.导体磁通量的变化(切割磁力线)会产生感应电动势,磁通量变化率越大产生感应电动势越强。 pMB!I9q
Gu+9R>
C.导体中产生感应电动势的方向总是阻碍磁力线(电流)变化的，因此产生阻抗。 jq%%|J.x
6_|iXs(&
D:电感元件导通时电流增加按时间指数规律变化。 )5T82=[h<
&~mJ ).*
ECU根据发动机不同的工况、电源电压高低，选出只读存储器中存储的最佳点火数据，即输出 n%|og^\0
o6tPQ (Vi
不同宽度的方波电压给高压输出控制单元，控制功率三极导通、截止。→功率三极管基极接收到方波 OZc4 -5
i0:1+^3^U
电压饱和导通, →高压输出变压器初级线圈电流开始导通，由于初级线圈存在电感产生一个反向电动 1:JwqbZKJ
FnKC|X
势，所以电流不能突变，电流按指数曲线增大， (理论上时间无限长时电流达到最大值,但是在实际应 | C^.[)
l?QA;9_R'
用中我们只需应用电流快速上升期，因初级回路中只有电源电压及时间为变量，所以ECU就是按照 EK= y!>
99.F'Gz
这个指数规律，计算出导通时间长短,达到控制高压能量目的。) →并产生一个相应的磁场；→初级 }toe'6
0^R, d M
线圈电流会很快上升到预设值，到达点火时刻时，→ECU切断方波电压(或加一反向电压)使功率三极 SkMFJ?J/
^P^%Q)QXl
管立刻截止；→变压器初级线圈电流突然被切断，→即变压器磁力线突然消失(磁通量变化率很大)使 CxeW5qc
t+}wTis
变压器线圈产生感应电动势，→因变压器次级线圈绕有较多匝数所以产生出高的点火电压。假如每匝 ?/"|tuQMW
jZzTnmm&?
线圈感应电压为E，次级线圈有N匝，则次级电压为:U=E×N(伏)。 `,-mXxTNT
bu|. Jw"
)Xjn:
点火的电原理 x/umwT,ov
整个点火糸统的电原理简化：图1；变压器次级工作等效：图2 !k)6r6
IC0L&;En
变压器次级线圈分布电容及火花塞、高压线的分布电容组成回路电容C，电路无屏蔽时C约50PF，有屏蔽约150PF，火花塞间隙等同可变电阻R。 Plp.\N%f3
2!^=G=H/
!%G]~
高压能量分三个阶段变化消耗 h<G4tjtk
第一阶段 iS$[dC ?N
电容C放电期(诱燃期)：变压器次级线圈产生的点火高压对电容C充电，当电容C电压上升达 Cr5ND\
pDR~SxBXr
到火花塞击穿电压时，火花塞跳火电容C快速放电, 火花塞间隙电压迅速下降到几百到几千伏，电容 QQl.5'PP
@Q74
C放电瞬间电流达10-50安培以上，放电时间约1微秒。点火电压越高(即点火能量越大)，C放电电 X7*F~LFrj
cIU2qFn[
流越大。 |J&\/ 8Q
\RDN_Z
正常状况下气缸的混合气就是这一时刻的火花点燃。如果跳火电离线被发动机气缸内高速扰 \]x`f3F
e@hPb$7
流吹息，変压器高压再次对C进行充电，则C第二次放电产生电离通道。 LW=qX%o {
#hBqgG:>
注：电压从10000V-20000V左右在1微秒内突降至几百到几千伏，由此产生了一个很强的方波 >Iij,J5i
!MSa -
电压，并通过高压线幅射电磁波，对外界电器产生干扰波。方波由N个正弦波组成，所以形成了一 4H;g"nWqO
f?.}S]u5
个1微秒时基为中心的干扰电磁频带。 ,>6mc=p
El}~3|a?
第二阶段 VU\G49
电感放电期(燃烧期)：电感放电是靠电容C放电产生的电离通道形成的低阻产生的。由于电容C Na\&}GSf^
LW o)x
放电产生的电离通导(电阻)不能立刻消失，同时变压器次级电感中还存有充足的高压能量，所以电感 zll?/|%
@M*5q# s
继续对电离通导放电使火花持续。 ]xJ2;{JWsO
V=GP_^F
由于次级线圈放电电流的变化引起磁通量的变化，次级电感线圈产生了一个感抗电动势，即产 xqKj&RuLu
;#2yF34gv
生一个与电感放电电流方向相反的电动势阻碍了电流的変化，使放电电流较小，电流在几到几十毫安， \H?r[]*c%
%,5_]bGvb
所以，高压能量需要较长时间放电才能消耗掉，这一电感放电火花持续期俗称火花尾。 4T:@W C
QPpC_pZh
由第一阶段电容C放电诱燃后产生一个“火焰中心”，这个“火焰中心”跟随气缸内高速扰流移 rXu^]CK *G
>hmBV7nR
动离开了火花塞电极,这时电感电能放电火花又会点燃混合气另一个“火焰中心”，作为点燃混合气的 E#m|Sq
U0X?~ 1
补充，“火焰中心”使混合气在整个气缸内很快形成燃烧的“明亮火焰期”，即气缸内混合气燃烧温度 ^6(Nu|6\@
Y(3X5v?[
达最高，气体压强达最高值。这个过程称为混合汽燃烧期, 燃烧时间在750μS-2500μS之间。 yTb#V"eR
$vK(Qm
电感放电火花在发动机启动及低速时非常重要，发动机在启动或非正常工况下，电容C放电期极 7U,[Ruu
y8arFG
有可能未点燃混合气，此时，只有靠电感放电火花来点燃燃混合气。 xg8$ <Ut
O ! iN
冷车启动时气缸内的混合气温度低，雾化效果差，点然混合气需要较长火花期；在低转速时,由于 %("WoBPH`
# ;3v4P
气缸内混合气扰流速度低，第一个“火焰中心”移动慢，有必要点燃第二个“火焰中心”加快混合气 1}ER+;If
|kK_B :K
的燃烧，所以点火火花期也较长。但当发动机转速较高时, 气缸内混合气扰流速度変快，“火焰中心” L<W2a(
#fT<]j(
高速移动，快速传播引燃了缸内混合气，因此，并不需要第二个“火焰中心”。 _;'<}a
=g{Hs1W
根据混合汽燃烧时间在750μS-2500μS之间，所以，火花持续期最长在700μS左右就可保证混 HApjXv!U[
T7LO}(I.&
合气的完全燃烧。实验证明火花持续期过长对燃烧效果并没有提高，相反，电离通道生产的高热加上 cI (}
CXh>'K
火花塞自身温度反而加速了火花塞电极的烧蚀，这就是为什么要控制点火能量的主因。 s(pNg?R
l#&\,T
注：次级电流不能简单应用I=U/R公式计算，因为电感产生的感抗电动势方向总是阻碍磁力线 5 51p* B2
@dc4v_9
(电流)变化的，所以应用I=U/R+E/R计算，U高压电压,E感应电压，R回路电阻；或I=U/r ， Sz-TarTF
#{5h6IC
r=火花塞等效电阻+高压线电阻+线圈直流电阻+感抗电阻。其实高压线电阻、线圈直流电阻在整个阻 -IS$1
@=qWwt4~
抗中的比例很小,所以可忽略不计。 @+hO,WXN
RY]jY | E
另会,从这一原理可以正明,点火能量的大小与高压线无关(当然，不包括损坏高压线)。认真看了这 6t'vzcQs
*a'I
篇文章后，你们如果还是相信有XX高能量火花线，只能说明你水平大差。 @VnK/5opS
e84O 6K6o
第三阶段 <h*$bx]9 +
振荡衰减期：随放电时间的增加电感线圈储存能量(电压)消耗下降，使气体中分离的电离子越来 Z;cA_}5
*u!l"0'\
越少，电感放电电流也就越来越少，电离通道温度下降，根着通道电离子数量急剧下降,即相当于通 rXVRX#Lh
>C -N0H
道电阻值R逐步上升変为无限大，火花塞停止跳火。这时电感剩余能量对电容C充电，电容C对电 %RXFgm!{f
w>&g'
感放电，如此反复直至下一个点火周期的到来。 DaqpveKa
hvF>Tu]^r
注：同样此阶段产生一个逐步衰竭的正弦振荡波对外界造成干扰，但强度远小于第一阶段电容放电干扰电磁波。 qfyuq]
L*1yK*
多余的话

汽车已有100多年历史，发动机的气缸、活塞等并没有变化,只是工艺的提高。自发动机引入微型电子计算机控制后，产生了质的变化。因此, 发动机系统越来越完善，从喷油到点火、进气到排气无不环环紧扣,相互相连。也就给我DIY的空间越来越少,顾此失彼，所以没有较高的专业水平请不要更换与原车不同的点火电器设备，特别是更改点火变压器请三思而行。 <CGJ:% AY
CG[04y
在点火糸统中，很多人认为更换价格更高的火花塞及高压线会增加发动机的性能，其实不然。 (zIIC"~5
我在以前已讲过这个问题,不再重复。 - *~~00w
http://www.dncc.cn/bbs/dispbbs.asp?BoardID=41&ID=7846