清华大学课件汽车构造I汽油机点火系统.ppt

,造I,汽车构造I,（12）,清华大学汽车工程系,赵雨东,主要内容和学时安排,汽车发动机基本知识（4学时）发动机机体（2学时）曲柄连杆机构（3学时）气门机构（3学时）进排气、增压系统及排放控制装置（3学时）汽油机燃油供给系统（4学时）,柴油机燃油供给系统（4学时）汽油机点火系统（2学时）发动机冷却系统（1.5学时）发动机润滑系统（1.5学时）发动机起动系统与电源（1学时）发动机管理系统（2学时）,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统电控点火系统火花塞,汽油机点火机理（1）,在火花塞的两个电极之间加上直流电压时，电极之间的气体便发生电离现象。随着电极间的电压升高，气体电离的程度不断增强。当电压增长到一定值时，火花塞两电极间的间隙被击穿而产生电火花。击穿电压一般在820 kV,为使点火可靠，通常点火电压大于击穿电压。,汽油机点火.swf,级电路通断，初级线圈电流变化，在次级线圈（高压电路）中产生感应电压，加在火花塞两个电极上。,汽油机点火机理（2）点火线圈低压变高压汽车蓄电池电压12V或24V；控制点火线圈中初,火花,触发信号点火驱动级,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统电控点火系统点火线圈火花塞,对点火系统的要求（1）,点火能量,点火能量不足，不能点火，引起缺火（失火）；点火能量越大，着火性能越好。,在发动机起动、怠速和急加速等浓混合气工况，以及缸内直喷发动机稀燃时，都要求更高的点火能量。,需要足够高的次级电压，目前大部分汽油机都能提供,2530kV的次级电压；,点火能量还与次级电流、火花延续时间有关。,点火能量60120mJ（取决于气道喷射、缸内直喷，及有无涡轮增压），点火线圈的存储能量约为火花能量的1.52倍以上。,缸内压力/bar,对点火系统的要求（2）,点火时刻（点火提前角）,在活塞到达压缩上止点之前火花塞间隙跳火，使燃烧室内气体压力在上止点后,1012时达到最大,值。,以点火提前角表示：从火花塞电极间跳火开始，到活塞运行至上始点时的一段时间内曲轴转过的角度。,点火提前角/CA,对点火系统的要求（3）,点火时刻（点火提前角）,点火提前角最大值受限于发动机爆震，最小值受限于燃烧界限或排气温度,点火提前角影响发动机：转矩、有害排放、油耗,转矩：在不发生爆震的条件下，点火尽可能提前（爆震控制）,有害排放：提前角越大，HC、NOx越多,油耗：提前角越大，燃油消耗率越小,最佳点火提前根据发动机动力性、燃油经济性和排放的要求共同确定。,点火提前对排放的影响,点火提前对性能的影响,对点火系统的要求（4）,点火时刻（点火提前角）,基本点火提前角确定：发动机转速、负荷、混合气浓度转速,当发动机节气门开度一定时，随着转速增高，燃烧过程所占曲轴转角增大，这时，应适当加大点火提前角。,负荷,当发动机转速一定时，随着负荷的加大，进入气缸的可燃混合气量增多，压缩终了时的压力和温度增高，同时，残余废气在气缸内所占的比例减小，混合气燃烧速度加快，这时，点火提前角应适当减小。反之，发动机负荷减小时，点火提前角则应适当增大。,稀混合气，火焰传播慢，需加大点火提前角,点火提前角,MAP,对点火系统的要求（5）在规定的时刻，按发动机的点火顺序供给火花塞以足够能量的高压电，使其两电极间产生电火花，点燃混合气，使发动机正常燃烧做功。,发火顺序点火提前角点火能量爆震控制,ECM,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求,点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统电控点火系统火花塞,点火提前角随发动机转速、负荷变化分电依次将高压电供给火花塞不同点火系统点火线圈结构、个数不同,点火系统分类（1）点火线圈点火系统正常工作，需要产生使点火线圈初级绕组通断的触发信号,火花,触发信号点火驱动级,触发方式,点火线圈,点火提前,分电方式,电控,点火系统,传统,点火系统,半导体,点火系统,点火系统分类（2）,传统点火系统,分电器：触发、点火提前、分电,传统点火线圈,点火系统分类（3）,半导体点火系统,利用晶体三极管的开关作用，代替断电器的触点控制点火线圈初级电路的通、断,用霍尔式、磁电式或光电式传感器取代断电器控制初级电路通断。,点火系统分类（4）,电控点火系统,电控触发信号,电控点火提前角,分电方式,高压分电器，各缸共用点火线圈,电控，每缸一个或两缸一个点火线圈,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统电控点火系统火花塞,点火开关,附加电阻点火线圈,分电器,断电器电容器,传统点火系统组成火花塞蓄电池配电器,传统点火系统点火线圈,点火线圈将电源的低压直流电，转变为820KV的直流电，由初级绕组、次级绕组（匝数比约为1：100）和铁芯组成。,接线柱绝缘盖高压接头外壳安装架金属套,初级绕组次级绕组密封材料绝缘体铁芯BOSCH,接线柱高压外接头绝缘纸,绝缘盖,初级绕组,次级绕组,SANTANA，VW,分火头,联轴节,油杯,真空提前装置,壳体,电分功用,初级电路通断开关（触发）,将点火线圈产生的高压电按照发动机分配给各缸火花塞（分电）凸轮根据发动机转速和负荷自动调节断电器触点点火时刻（点火提前角）及底板总成组成电容由断电器、配电器、电容器、点火提前调节装置组合而成。,驱动曲轴或凸轮轴曲轴转速的一半（四冲程）,传统点火系统分电器（2）断电器,初级电路开关，安装在分电器壳体内；由一对钨质触点和断电器凸轮组成；断电器凸轮上的凸棱数和发动机缸数相等；凸轮通过离心点火提前调节器与分电器轴相联。,活动底板活动触点臂分电器轴断电器凸轮,传统点火系统分电器（3）,配电器中心电极、侧电极和旋转的分配头；分配头依次接通对应各缸的侧电极。,分电器轴真空提前装置离心提前装置,分电器盖分配头,离心点火提前断电器凸轮由分电器驱动轴、离心调节器底板通过飞块、驱动板和分电器轴驱动旋转；转速升高时，飞块向外甩，推动凸轮驱动板相对于分电器驱动轴顺着旋转方向转过一定角度，从而增大点火提前角。,离心调节器底板,接触面飞块分电器轴凸轮驱动板,传统点火系统分电器（5）,真空点火提前,利用进气真空度改变断电器活动底板相对于分电器驱动轴的角位置。,由真空膜盒、弹簧和拉杆组成，每一真空膜盒有两个气室：真空室和大气室。,主真空膜盒：起点火提前作用。负荷降低，真空度增大，膜片带动拉杆右移，点火提前角增大；,副真空膜盒：从属于点火提前系统，起点火推迟作用。怠速时，节气门上游真空度几乎为零，而下游真空度很大，副真空膜盒内的膜片带动拉杆左移，点火提前角减小。主、副真空膜盒综合作用调节点火提前角。,分电器 断电器活动底板,膜片,进气管,节气门,壳体,真空提前单元,真空延迟单元,提前量,延迟量,真空点火提前,传统点火系统工作原理（1）,断电器、分配头同,轴，由曲轴或凸轮轴驱动。,一个工作循环转一圈。分配头侧电极个数、断电器凸轮的棱边数与发动机缸数相同。断电器触点弹簧使之有保持闭合的趋势。,传统点火系统工作原理（2）,初级绕组接通时，在其周围产生磁场，铁芯起加强磁场的作用。,断电器触点断开后，初级电路被切断，点火线圈初级绕组中电流迅速下降为零，线圈周围和铁芯中的磁场因而迅速衰减，使次级绕组中感应出很高的电压。,传统点火系统工作原理（3）,触点分开的瞬间，配电器分配头恰好转到对准一个侧电极的位置，中心电极和该侧电极接通。,高电压经配电器作用于火花塞两电极间，电压足够高时，间隙被击穿，产生电火花，点燃混合气。,传统点火系统工作原理（4）电容器的作用断电器触点断开后，初级电流下降，初级线圈产生自感电压、电流，可击穿、烧蚀、氧化触点间隙，也使初级电流下降变缓，次级绕组感应电压降低，火花减弱。电容器与断电器触点并联。,触点断开时，自感电流向电容器充电，防止触点烧损；加速初级电流和磁通的衰减，提高次级电压。,电容器,传统点火系统工作原理（5）附加电阻的作用低速时，触点闭合时间长，初级电流大；高速时，则变小。若按高速需要设计，则低速初级电流过大，使点火线圈发热。附加电阻为热敏电阻。低,速时，初级电流较大，附加电阻温度高，电阻值增大，使初级电流适当减小；高速时，电流小，电阻温度低，阻值减小，使初级电流适当增大。,附加电阻,传统点火系统缺点,断电器触点分开时，在触点之间产生火花，使触点逐渐氧化、烧蚀；,触点火花大小与初级电流有关，使点火系初级电流和次级电压提高受到限制；,初级电流和次级电压的大小随发动机转速升高和气缸数增多而下降，多缸发动机高速时不可靠；,火花塞积炭时，因火花塞漏电而次级电压升不上去，不能可靠地点火。,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统电控点火系统火花塞,半导体点火系统,两类,有触点无触点,优点,改善点火性能,减小触点火花（有触点）,克服与触点有关的一切缺点（无触点）,可不受触点限制，提高初级电流和次级电压，改善高速性能由于点火能量提高，对火花塞积炭不敏感,半导体点火系统有触点（1）,利用晶体三极管的开关作用，代替断电器的触点控制点火线圈一次电路的通、断。,流过触点的电流只是三极管的基极电流，可以减小触点火花，延长触点寿命；可以提高初级电流和次级电压。,固有缺点：高速时触点臂振动，触点分开后不能及时闭合；凸轮或顶块磨损会改变点火时刻；触点污染不能可靠工作。,半导体点火系统有触点（2）,蓄电池,点火起动开关,点火触发盒,点火线圈附加电阻,分电器,火花塞,接起动机,半导体点火系统无触点（1）,特点,利用布置在分电器内的传感器代替断电器的触点，产生点火信号，控制点火系的工作。因此，点火系工作时，与 触点有关的故障都不可能发生。控制单元能调节初级电流和闭环控制闭合角。,点火控制模块（由混合电路组成）紧凑，可置于分电器壳内或与点火线圈组为一体。,仍靠离心提前和真空提前两套机械式点火 提前装置对点火时间进行调节。机械的滞后、磨损以及装置本身的局限性不能保证最佳的点火时刻。,代替断电器的传感器,霍尔效应式磁电感应式,蓄电池点火开关,点火线圈,火花塞分电器,磁电式传感器霍尔式传感器,ECU（触发盒）,软磁导体,气隙,半导体点火系统无触点（2）软磁叶片 导体 霍尔集成电路霍尔传感器电压,霍尔式,半导体点火系统无触点（3）,永磁铁,感应线圈,气隙,转子（触发轮）,磁电式,分电器盖,真空提前装置,分配头分电器轴,传动齿轮离心提前装置带霍尔传感器的分电器,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统,电控点火系统火花塞,电控点火系统,特点,由ECU根据发动机各传感器（包括转速和负荷）信号，自动调,节点火提前角，点火提前角与发动机工况更好地匹配（复杂,的MAP图）；,通过控制初级电路的闭合时间，实现对点火能量的控制；爆震控制。,两类,有分电器无分电器,电控点火系统有分电器（1）,共用一个点火,线圈通过高压分电器把高电压提供给各缸火花塞,高压分电器,火花塞,点火线圈,ECU,点火开关,蓄电池,（带输出驱动级）,高压分电器ECU点火线圈,水温传感器,爆震传感器曲轴位置和转速传感器,蓄电池,节气门位置传感器点火开关,发动机转速,节气门开关CAN进气压力,微处理器,冷却水温A/D进气温度蓄电池电压,输出驱动级,电控点火系统有分电器（2）,点火提前角,ECU根据发动机转速、负荷信号和点火提前角MAP，确定点,火提前角，并根据冷却水温预以修正。,点火能量控制,根据蓄电池电压、发动机转速和点火闭合角MAP，确定初级,电路闭合角；有的在此基础上还有闭合角闭环控制。,爆震控制,若发生爆震，则推迟点火提前角。,点火提前角,MAP,初级电路闭,合角MAP,电控点火系统有分电器（3）,高压分电器,高压配电器,相位传感器（霍尔式、磁电式）,若无相位传感器，则只起高压配电作用。,电控点火系统无分电器（1）,特点,具有电控点火的所有功能，但取消了旋转式高压分电器。采用多个点火线圈,点火线圈,每缸对应一个点火线圈（单火花点火线圈），缸数为奇数、偶数的发动机均可采用，需要凸轮轴相位信号,两缸共用一个点火线圈（双火花点火线圈），缸数为偶数的发动机才能采用，曲轴转角信号即可一般采用闭合磁路铁芯,分电,由控制系统分电逻辑电路中的低压电路模块完成,火花塞,蓄电池,点火开关ECU单火花点火线圈,ECU单火花点火线圈节气门位置传感器水温传感器,爆震传感器曲轴位置和转速传感器,蓄电池,点火开关,火花塞,ECU,节气门位置传感器,双火花点火线圈,带集成驱动级,水温传感器曲轴位置和转速传感器,点火开关,蓄电池,氧传感器,火花塞,初级,初级,电控点火系统无分电器（2）外部初级接线端叠片铁芯,初级线圈次级线圈,内部高压接线头（通过弹簧触点）火花塞,单火花点火线圈,初级接线端初级线圈I型铁芯,印刷电路板驱动级二极管次级线圈及骨架,永磁铁接触盘高压接线柱O型铁芯弹簧绝缘套,电控点火系统无分电器（3）,双火花点火线圈两个火花塞串连两缸同时点火，一缸处于压缩上止点，一缸进排气上止点,一个火花塞,低压接线端,一个火花塞,叠片铁芯初级,初级线圈次级线圈,高压接线端,两个火花塞串连，火花塞同名电极极性不同,双火花点火线圈,两个双火花点火线圈,三个双火花点火线圈,双火花点火线圈,电控点火系统无分电器（4）,ECU,两个双火花点火线圈,（带输出驱动级）,各种传感器,火花塞,初级线圈,铁芯,第3缸点火线接头功率输出驱动级高压接线端电气插头次级线圈点火线圈壳体,汽油机点火系统,汽油机点火机理,对点火系统的要求点火系统分类传统点火系统,半导体点火系统电控点火系统,火花塞,火花塞（1）,燃混合气；由中心电极、侧电极、外壳和瓷绝缘体等组成。,接线螺母,陶瓷绝缘体将高压电引入燃烧室产生火花并点,壳体隔热带密封剂卡口垫圈中心电极侧电极,火花塞（2）,接线螺母陶瓷绝缘体壳体隔热带密封剂卡口垫圈安装螺纹中心电极侧电极,火花塞（3）,电极布置方式,前置式侧置式,表面间隙（不带侧电极）,电极间隙0.71.2mm,火花塞（4）,电极材料,镍基合金银质,铂合金,侧电极数,火花塞（5）,热特性,火花塞绝缘体裙部自,净温度500 850 C。,过低则裙部上面的油粒易产生积炭，过高则易发生自燃。三种火花塞,热型：绝缘体裙部较长，吸收热量多而散热慢。用于低压缩比且转速比较低的发动机。,普通型：介于热型和冷型之间。,冷型：绝缘体裙部较短，吸收热量少而散热快。用于高压缩比且转速比较高的发动机。,复习思考题,1 对点火系统有何要求？为什么？,2 点火系统中的高压电是如何产生的？,3 半导体点火系统与传统点火系统有哪些不同？,4 电控点火系统与传统点火系统、半导体点火系统的异,同。,5 传统点火系统、半导体点火系统（有触点和无触点两,种）、电控点火系统（有分电器和无分电器两种）在触发点火、分电方式、点火提前和点火线圈等方面的异同。,6 当前主流汽油机的点火系统由哪些部分组成？7 认识汽油机上点火系统的各部件。,