汽车点火系统工作原理

汽车点火系统工作原理

        内燃机是一种神奇的机器，已有超过100年的发展历史。 随着汽车制造商多年来努力地一点点提高效率和减少污染，内燃机也得以不断发展。 结果使内燃机变得惊人地复杂，但同时也更加可靠。

        博闻网的其他文章解释了发动机及其众多子系统的机械原理，这些子系统包括燃料系统、冷却系统、凸轮轴、涡轮增压器和齿轮。有人可能会这样认为：通过准确的点火正时，点火系统将各系统联系在一起。

        在本文中，我们将首先从点火正时开始了解点火系统。 然后将了解与生成火花相关的所有部件，包括火花塞、线圈和分电器。 最后，我们将讨论一些较新的系统，这些系统使用固态部件代替分电器。

        点火正时

        汽车上的点火系统必须与发动机的其他部件配合得非常好。 目的是在最恰当的时机点燃燃油，以便膨胀气体做功最大。 如果点火系统在不恰当的时机点火，功率会下降，油耗和排放会上升。

        当气缸内的燃油/空气混合物燃烧时，温度上升，燃油转化成排放气体。 这种转化使气缸内的压力显著增大，将活塞下压。

        为了从发动机获得最大的扭矩和功率，需要做的是在动力冲程期间，尽量提高气缸的压力。 尽量提高压力还可以得到最佳的发动机效率，其直接表现就是降低油耗。 点火正时是成功的关键。

        从产生火花，到燃油/空气混合物全部燃烧且气缸内压力达到最大值之间，存在着短暂的延迟。 如果正好在活塞到达压缩冲程顶点时产生火花，那么在气缸内的气体达到最大压力之前，活塞已经向下运动了部分距离，进入动力冲程。

        为最大限度利用燃油，应在活塞到达压缩冲程顶点之前产生火花，这样，在活塞开始向下进入动力冲程时，便能有足够的压力做有用功。

功=力×距离

        在气缸内：

• 力=压力×活塞面积
• 距离=冲程长度

        因此，就气缸而言，功=压力×活塞面积×冲程长度。由于冲程长度和活塞面积是固定的，因此要使做功最大，唯一的途径就是增大压力。

        点火正时很重要，根据条件，正时可以提前，也可以延后。

        燃料燃烧耗费的时间基本上不变。 但是，当发动机转速增加时，活塞的速度增加。 这意味着，发动机转速越大，产生火花的时间必须越早。 这称为点火提前： 发动机转速越大，所需的提前越多。

        不需要最大功率时，就要优先考虑其他的目标，例如降低排放。 例如，通过延后点火正时（将火花移近压缩冲程的顶点），可以减小气缸最大压力和最高温度。 降低温度有助于减少氮氧化物 (NO_x) 的形成，而此类物质是限制排放的污染物。 延后正时还可以消除爆震；有些汽车装配了爆震传感器，可自动延后正时。

        接下来我们讲述产生火花的部件。

        火花塞

        火花塞的原理非常简单： 它使电荷击穿间隙，就像闪电一样。 电荷电压必须很高，以便穿过间隙，产生很强的火花。 火花塞处的电压可以在4-10万伏之间。

火花塞位于气缸内四个阀的中央。

        火花塞必须有一个绝缘通道，让高压电荷向下到达电极，在电极处，电荷可以跳过间隙，导电到发动机体并接地。 火花塞还能抵御气缸内的超高温和超高压，其设计必须确保燃油添加剂的沉积物不会堆积在火花塞上。

         火花塞使用一个陶瓷衬垫来隔离电极处的高压，以确保火花产生于电极顶端而不是火花塞的其他部位；另外，衬垫还能帮助烧掉沉积物，具有双重作用。 陶瓷导热能力很差，因此材料在运行期间温度会很高。 这些热量有助于烧掉电极处的沉积物。

        有些汽车需要热火花塞。 此类火花塞的陶瓷衬垫，与火花塞金属部位的接触面积较小。 这样可以减少来自陶瓷的热传递，提高陶瓷温度，烧掉更多沉积物。 冷火花塞的接触面积较大，运行温度较低。

“热”火花塞和“冷”火花塞之间的区别在于陶瓷尖端的形状。

        汽车制造商会为每款车选择合适温度的火花塞。 有些装配有高性能发动机的汽车当然会生成更多热量，因此它们需要温度较低的火花塞。 如果火花塞温度过高，它会在产生火花之前点燃燃油；因此为汽车选择合适类型的火花塞很重要。

         接下来，我们将看看可以产生高电压的线圈，而高电压是产生火花所必需的。

        线圈

        线圈是一个很简单的装置——其实就是由两组线圈构成的高压变压器。 一组线圈称为初级线圈。 缠绕在它周围的是次级线圈。 次级线圈的匝数一般是初级线圈的数百倍。

                                                                     电流从电池流过初级线圈。

        初级线圈的电流可以被断点或者电子点火的固态设备突然切断。

        如果您觉得线圈就像是一个电磁铁，那就对了——不过它同时还是一个电感器。 线圈运行的关键是，当电路被断点突然切断时，会发生什么。 初级线圈的磁场迅速崩溃。 次级线圈被一个强大而剧烈变化的磁场吞没。 这个磁场会在次级线圈中感应出电流——由于次级线圈的匝数非常大，因此这个电流的电压很高（最高可达10万伏）。 次级线圈通过绝缘性很好的高压线，将该电压输送到分电器。

        最后，点火系统还需要一个分电器。

        分电器

        分电器处理多项工作。 第一项工作是将高压从线圈分配到正确的气缸。 这由盖子和转子完成。 线圈连接到转子，转子在盖子内转动。 转子转过每个气缸的触点。 当转子的尖端经过每个触点时，线圈产生高压脉冲。 脉冲击穿转子和触点之间的间隙（它们不真正接触），然后继续通过火花塞线，到相应气缸的火花塞上。 当您进行保养时，盖子和转子都是发动机上需要更换的部件——由于击穿，它们最终会磨损。 而且，火花塞线最终也会磨损，从而失去部分绝缘性能。 这可能是引起某些奇怪的发动机故障的原因。

        老式的带断点的分电器在下半部还有另一个部件——此部件的作用是切断线圈电流。 线圈的接地端连接到断点。

         分电器中央的凸轮推动连接到其中一个断点的杆。 只要凸轮推动杆，杆就会打开断点。 这使得线圈突然失去接地，从而产生高压脉冲。

        断点还控制点火正时。 它们可以有真空点火提前装置或离心点火提前装置。 这些装置将正时提前，提前量与发动机负载或发动机转速成正比。

        点火正时对发动机性能非常关键，所以大多数汽车都不使用断点。 它们使用一个传感器，告诉发动机控制单元(ECU)活塞的精确位置。 然后，发动机计算机控制一个晶体管，切断和接通线圈的电流。

        在下一部分，我们将看看现代点火系统的一项进步，即无分电器点火。

        无分电器点火

        近年来，您可能听说过，有的汽车在16万公里时才需要首次保养。 之所以能实现如此长的保养间隔，这与其中的一项技术——无分电器点火，是分不开的。

无分电器点火不是只有一个主线圈，而是每个火花塞上都有一个线圈。

        此类系统中的线圈与较大的居中线圈的工作方式相同。发动机控制单元切断电路接地端的晶体管，从而产生火花。这使发动机控制单元能完全控制点火正时。

         因此，此类系统有许多显著的优点。
         首先，没有分电器这一易磨损的部件。而且，也没有易磨损的高压火花塞线。最后对点火正时的控制更为精确，从而提高效率，降低排放，提高汽车总功率。