汽車發動機點火系統的工作原理(彩色大圖圖解)

12-06


汽油發動機正常工作的三要素:良好的可燃混合氣、很高的壓縮壓力、正確的點火正時和強烈的火花。點火系統中所產生的強烈的火花在最佳點火正時點燃可燃混合氣。點火系統通過點火線圈產生的高電壓來產生火花,點燃已經被壓縮的可燃混合氣。可燃混合氣在氣缸內被壓縮、點燃并燃燒,從而產生發動機的推動力。


點火系統 ▲


· 強烈的火花 在點火系統中強烈的火花應產生于火花塞電極之間,以便于點燃可燃混合氣。因為存在空氣電阻,這個電阻隨空氣壓縮程度的增高而增大。點火系統必須要產生幾萬伏的高電壓才能保證產生強烈的火花去點燃可燃混合氣。

由于自感和互感,點火線圈產生點火所必需的高電壓。初級線圈產生幾百伏的電壓,次級線圈產生幾萬伏的電壓。


· 正確的點火正時 點火系統必須始終根據發動機的轉速和載荷的變化提供正確的點火正時。


· 零部件的耐用性 點火系統中的火花塞和點火線圈須具備足夠的可靠性,以經得住發動機產生的振動和高溫。



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   高壓產生   

(1)點火線圈工作

點火線圈可產生足以在火花塞電極間引燃火花的高電壓。

初級線圈和次級線圈都環繞在鐵芯上。次級線圈的匝數大約是初級線圈的100倍。初級線圈的一端連接在點火器上,次級線圈的一端連接在火花塞上。兩個線圈各自的另一端則連接在蓄電池上。

點火線圈工作示意


(2)流往初級線圈的電流

當發動機運轉時,根據發動機ECU輸出的點火正時信號(IGT),蓄電池的電流通過點火器流到初級線圈。結果,在線圈周圍產生磁力線,此線圈在中心包含一個磁芯。

流往初級線圈的電流示意


(3)電流停止流往初級線圈

當發動機繼續運轉時,點火器按發動機電子控制單元(ECU)輸出的點火正時信號(IGT)快速地停止流往初級線圈的電流,其結果是初級線圈的磁通量開始減小。因此,通過初級線圈的自感和次級線圈的互感,在阻止現存磁通量衰減的方向上產生電動勢(EMF)。自感效應產生約為500V的電動勢,而與其相伴的次級線圈互感效應產生約為30kV高壓電動勢,這樣火花塞就產生火花放電。初級電流切斷越迅速,以及初級電流值越大,則相應的次級電壓也越高。

電流停止流往初級線圈示意



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   火花機理   

點火線圈次級繞組產生的高電壓在火花塞的中心電極和接地電極之間產生火花,點燃氣缸中的已壓縮的可燃混合氣。火花塞上產生的火花點燃空氣-燃油混合氣,汽車維修工作中通常將這一過程稱為燃燒


火花穿過可燃混合氣從中心電極到接地電極。結果,可燃混合氣沿著火花的路徑被觸發,產生化學反應(通過氧化作用),同時產生熱量,形成火焰中心。


火焰中心觸發周圍的可燃混合氣,這樣,火焰中心的熱量向外擴展(稱為火焰傳播),點燃可燃混合氣。如果火花塞電極的溫度太低或電極的間隙太小,電極將吸收火花產生的熱量。結果,火焰中心將被熄滅,導致缺火,這種現象稱為“電極猝熄”。如果電極猝熄作用比較明顯,則火焰中心將被熄滅。電極越小,猝熄作用越小;電極形狀越接近方形,越容易放電。

火花塞產生火花的機理


為了改善點火性能,有些火花塞在接地電極上有一個U形槽,或在中心電極上有V形槽
V形槽電極火花塞


電極上帶槽的火花塞比不帶槽的火花塞具有較小的猝熄作用,以形成較大的火焰中心。同樣,還有些火花塞通過較細的電極減小猝熄作用。



3
   點火性能   

以下因素影響火花塞的點火性能:

(1)電極形狀和放電性能
圓形電極會使放電困難,方形或尖形電極可使放電較容易。火花塞經過長時間使用,電極成了圓形之后,會使放電困難,因此火花塞應定期更換。火花塞的電極越細越尖,越容易產生火花。但是,那樣的火花塞耗損較快,使用壽命較短。因此,有些火花塞電極上帶白金或銥金,耐耗損,通常稱為白金或銥金電極火花塞。


(2)火花塞間隙和擊穿電壓

當火花塞耗損后,電極間隙變大,發動機可能會缺火。中心電極和接地電極間隙增大后,使得火花跳過電極非常困難,因此需要更高的電壓來產生火花,所以每隔一定的里程必須調整火花塞電極間隙或更換火花塞。


(3)自潔溫度

當火花塞達到一定溫度后,它能燒掉聚集在點火區域內的積炭,以保持點火區域的清潔,此溫度稱為自潔溫度。火花塞的自潔作用發生在電極溫度在450℃以上時,如果尚未達到自潔溫度,意味著電極溫度低于450℃,積炭會聚集在點火區域,這將導致火花塞缺火。


(4)自燃溫度

如果火花塞自身成為熱源,不用火花就點燃了空氣-燃油混合氣,此時的溫度稱為自燃溫度。當火花塞電極溫度達到950℃時會發生自燃。如果發生這種現象,由于不正確的點火正時,會導致發動機功率下降,同時火花塞電極或活塞可能會熔化。


本期內容來自新書 《汽車電工從入門到精通》 | 周曉飛 主編 | 2019年11月出版

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