点火线圈1.点火线圈组成点火线圈实际是一个升压变压器,其作用是将蓄电池提供的12V低压电转换成点火所需的高压电,使火花塞跳火。点火线圈主要由初级线圈、次级线圈及铁心等组成,如图3-4所示。 很多点火线圈中的初级线圈和次级线圈彼此线路相连; 也有一些点火线圈中的初级线圈和次级线圈是分开的,如图3-5所示。 2.点火线圈原理点火线圈是根据电磁感应原理进行工作的。当初级回导通后,在初级线圈中产生约2~6A的电流,这个电流会使线圈内产生一个很强的磁场。当初级回路初级回路中电流消失的瞬间,磁通量急剧减小,根据电磁感应原理(次定律),初级线圈产生一个约200~400V的自感电动势,次级线圈中则会产生一个约20~40kV的小电流(约为20~80mA)互感高压电动势,这个次级高压电动势会通过高压线到因为直流电不可以直接变压,所以点火线圈必须由ECM控制初级回路电流的通断变化,从而使次级线圈产生高压电动势。为了产生可以击穿火花塞间隙的高电压,一般设计初级线圈约有240~370匝,次级线圈约有22000匝,次级线圈的匝数约为初级线圈的100倍。
火花塞:
1.火花塞组成火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电动势引入燃烧室,并在其两个电极之间产生电火花,以点燃可燃混合气。
火花塞主要由绝缘体、壳体、接线柱、中心电极和侧电极等组成,如图3-6所示。
中心电极要求具有良好的耐高温、耐腐蚀性能,所以般采用含少量铬、锰、硅的镍基合金制成,其中以镍锰合金应用最多。为了提高耐热性能,在中心电极表面采用铂、铱等电极材料的。火花塞的电极结构有多种,常用的结构类型如图3-7所示。
①标准型:绝缘体裙部略缩入壳体端面,侧电极全遮盖中心电极,是使用最广泛的一种。
②突出型:绝缘体裙部较长,突出于壳体端面之外。它具有吸收热量大,抗污能力好的优点。由于绝缘体能直接受到进气的冷却而降低温度,因而不易引起炽热点火,热适应范围较宽,在现代轿车发动机上广泛采用。
③细电极型:其电极很细,特点是火花强烈、点火性能好、在严寒季节也能保证发动机迅速可靠地起动,能满足多种用途。
④多极型:一般有两个以上的侧电极,增加了电极间的相对面积,可减少电极烧蚀,点火可靠,间隙不需经常调整,适用于电极容易烧蚀和火花塞间隙不能调节的发动机上⑤沿面跳火型:侧电极为环状,中心电极位于侧电极中心,必须与点火能量大、电压上升快的电子点火系统配合使用,在有污染积碳的情况下也能正常点火。它的缺点是可燃混合气不易接近电极,并由于点火能量增大,中心电极容易烧蚀。
2.火花塞规格(1)间隙火花塞由于品种较多,选择火花塞时需要符合原厂设计标准,否则会损坏发动机,同时需要重点关注火花塞型号、紧固扭矩、螺纹直径、螺纹长度、火花塞间隙等参数。
火花塞中心电极与侧电极之间的间隙,称为火花塞间隙。火花塞间隙对火花塞及发动机的工作性能均有很大影响。间隙过小,则火花微弱,且易因积碳而漏电;间隙过大,所需击穿电压增高,发动机不易起动,且在高转速时容易发生失火现象,因此火花塞间隙应适当,目前一般火花塞间隙为0.6-1.5mm,详细参数参见维修手册。
(2)阻值目前发动机大多采用电阻型火花塞,其内部装有一个陶瓷电阻器,可以有效地减小火花塞对汽车电器的干扰,保护汽车上的电子元件避免损坏。按ISO的标准,火花塞的电阻值应在1-20kΩ之间。
3.火花塞热特性绝缘体裙部在发动机工作时直接与燃烧的气体接触,周期性地被加热,使绝缘体裙部的温度升高,吸入的热量又不断地经垫圈、壳体、绝缘体、中心电极、金属杆等传递到气缸盖、冷却系统并散发到大气中,最终使火花塞的各部分保持一定的温度,火花塞这种吸收热量并向冷却系统散发的性能称为火花塞的热特性。火花塞的热特性对发动机的性能具有十分重要的影响。
试验表明,发动机工作时火花塞绝缘体裙部的温度若保持在500-600℃左右,落在绝缘体裙部的油粒能立即被烧掉,不容易产生积碳。这个温度称为火花塞的自净温度。如果裙部的温度低于自净温度,落在绝缘体裙部的油粒不能立即烧掉,易形成积碳而漏电,将使火花塞间隙不能跳火或火花微弱。如果裙部的温度过高(超过800~900℃)，当混合气与炽热的绝缘体接触时,可能在火花塞跳火之前自行着火,称为炽热点火。炽热点火将使发动机出现早燃、爆燃等不正常现象。
在发动机工作时,火花塞裙部的温度应保持在自净温度的范围内。但是,各种发动机气缸内的燃烧状况是不同的,所以气缸内的温度也不尽相同,这就要求配用不同热特性的火花塞。火花塞的热特性主要决定于绝缘体裙部的长度,火花塞绝缘体裙部越长,其受热面积越大,传热距离越长,火花塞裙部的温度越高,这种火花塞称为“热型”火花塞。相反,火花塞绝缘体裙部越短,其受热面积越小,且传热距离缩短,容易散热,火花塞裙部的温度越低,这种火花塞称为“冷型”火花塞。裙部长度介于冷型与热型之间的火花塞,称为“普通型”火花塞,各种火花塞外形结构如图3-8所示。
热型火花塞适用于压缩比小、转速低、功率小的发动机,因为这些发动机的燃烧室温度较低;冷型火花塞则适用于高压缩比、高转速、大功率的发动机。不同类型的发动机应该配用与其热特性相适应的火花塞,否则发动机就不能正常工作。比如,燃烧室温度较低的发动机,错用了偏冷型的火花塞,很容易产生积碳;燃烧室温度高的发动机如果用了偏热型的火花塞,因火花塞太热,则容易使发动机产生爆燃。因此在更换新火花塞时,应查阅维修手册选择厂商规定的火花塞。
相关传感器：
现代汽油发动机由ECM控制点火系统的所有功能,并持续调整点火正时。ECM采集曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆震传感器信号作为点火正时的主要信号,同时参考冷却液温度传感器、节气门位置传感器、进气压力传感器、空气流量传感器等信号进行修正。
1.曲轴位置传感器曲轴位置传感器,也作为发动机转速监测传感器,其作用是采集曲轴转动角度或发动机转速信号,并输入ECM,作为点火控制和喷油控制的主要参数之一。ECM还可以监测曲轴位置传感器信号波动大小来判断发动机是否出现失火。曲轴位置传感器一般安装于曲轴前端、中部或变速器壳体靠近飞轮的位置,如图3-9所示。曲轴位置传感器可分为磁电式、霍尔式、磁阻式、光电式。
(1)磁电式磁电式曲轴位置传感器广泛应用于汽车发动机上,主要由导磁材料制成的信号齿圈(或变磁阻环)永久磁铁、软铁心、线圈等组成。如图3-10所示。磁电式曲轴位置传感器有两线式和三线式两种类型,二线式的两根线为信号回路线,三线式与两线式的主要区别是多了一根抗干扰屏蔽线。
当曲轴转动时,齿圈也随之转动,凸齿不断地靠近一远离曲轴位置传感器内部的软铁心,从而在线圈中产生感应交流电动势。磁电式曲轴位置传感器的详细工作原理如下：
①当信号齿圈凸齿靠近传感器时,软铁心与齿间隙逐渐缩小,软铁心中的磁场便开始出现集中现象磁场强度增大,线圈的磁通量逐渐增大,且磁通量变化率也逐渐增大,因此产生一个逐渐增大的正的感应电动势,磁通量变化越大,则感应出的电压也越高,如图3-11a所示。②当凸齿继续靠近软铁心时,线圈的磁通量仍在增大,但磁通量的变化率则在减小,因此产生一个正的、逐渐减小的感应电动势。当信号齿圈凸齿与铁心对齐成一条直线时,软铁心与凸齿间隙最小,磁场强度最强,线圈的磁通量最大,但在该点磁场强度没有变化,磁通量变化率为0,所以感应电压为0V,如图3-11b所示。
③信号齿圈继续转动,凸齿远离软铁心准备离开传感器时,二者间隙逐步变大,软铁心中的磁场减弱,线圈的磁通量逐渐减小,但磁通量的变化率逐渐增大,所以产生一个负的、绝对值逐渐增大的感应电动势。当凸齿继续转动离开软铁心时,线圈的磁通量继续减小,磁通量的变化率也逐渐减小,因此产生一个负的、绝对值逐渐减小直至为0的感应电动势,如图3-11c所示。
如果信号齿圈有58个凸齿,每个凸齿按6°间隔分布,2个缺失的磁极被用作基准标记。
当每个凸齿转过曲轴位置传感器时,曲轴位置传感器都会产生一个交流信号,曲轴每转动圈会输出58个脉冲,当齿圈基准标记转过曲轴位置传感器时,交流信号的周期会增大,其信号波形如图3-12所示。ECM根据曲轴位置传感器的信号计算发动机转速,并根据基准标记对应的交流信号计算曲轴位置,然后确定最佳的点火和喷油时刻。
磁电式曲轴位置传感器是将相对运动转换成感应电动势输出的传感器,它不需要辅助电源,就能把被测对象的机械运动转换成易于测量的交流信号,且交流电信号的频率取决于发动机转速。
(2)磁阻式磁阻式曲轴位置传感器利用磁阻元件的磁阻效应来检测曲轴位置和发动机转速。磁阻效应是指半导体材料的电阻值随磁场强度变化的规律,磁场增大,电阻增大,磁场减小,电阻减少,实现磁和电一电阻的转换。利用磁阻效应制成的磁敏电阻元件称为磁阻元件,简称MRE。
磁阻式曲轴位置传感器由多极磁环(或变磁阻转子)MRE元件和电子电路组成,并且将MRE元件接入测量电桥的一个桥臂。如图3-13所示,当多极磁环随曲轴转动时,MRE的磁通量呈周期性变化,MRE的电阻随之变化,电子电路将这一电阻转变为脉冲电压信号输出。
磁阻式曲轴位置传感器通常有三个接线端子,分别是5V高电平参考电路、低电平参考电路和信号输出端子。磁阻式曲轴位置传感器工作形式与磁电式曲轴位置传感器有些相似,当多极磁环上的每个磁极转过曲轴位置传感器时,会向ECM发送方波信号,方波信号的频率也取决于曲轴的转速。ECM使用曲轴位置传感器信号脉冲以确定发动机转速并对曲轴多极磁环的基准标记进行解码,以识别曲轴位置。
普通霍尔式传感器为三线传感器,有三个接线端子,分别为5V高电平参考电路、低电平参考电路和信号输出端子;而新型霍尔式传感器只有两根引线。两线式霍尔传感器使用载波技术,它通过高电平参考电路或低电平参考电路将脉冲信号以载波的形式传输给ECM。
2.凸轮轴位置传感器凸轮轴位置传感器的作用主要是检测凸轮轴位置和转角,从而确定第一缸活塞的压缩上止点位置。在起动发动机时,ECM根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器提供的信号,识别出各个气缸活塞的位置和行程,精确控制燃油喷射顺序和喷射时刻、点火顺序和点火时刻。在有些车型上,如果没有凸轮轴位置传感器的输入,发动机将不能正常起动。随着可变气门正时(VVT技术的出现和发展,凸轮轴位置传感器也被赋予了新的内涵,除了用于判定各缸压缩上止点外,还要监控WVT系统的进气或排气凸轮是否达到预定位置。双可变气门正时(DVVT)系统的进、排气凸轮轴各有一个凸轮轴位置传感器。
凸轮轴位置传感器通常是霍尔式的,它一般安装在气门室盖后部,传感器头部对应凸轮轴尾部的信号转子,如图3-16所示。霍尔式凸轮轴位置传感器的工作原理与霍尔式曲轴位置传感器相似,其信号波形如图3-17所示。
对于现代汽车发动机控制系统,当曲轴位置传感器或凸轮轴位置传感器发生故障时,其信号有时可以互相替换。例如,当曲轴位置传感器信号丢失时,ECM可以利用凸轮轴位置传感器信号推算出曲轴位置和发动机转速,当凸轮轴位置传感器丢失时,ECM可以利用曲轴位置传感器信号判断1缸压缩上止点和各缸活塞位置。曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器中任何一个正常工作,发动机都可以起动,但是ECM会进入故障模式,限制发动机的某些功能受限制。
3.爆震传感器爆震传感器可使发动机控制模块(ECM)控制点火正时以尽可能获得最佳性能,同时保护发动机免受具备潜在危害的爆震损害。
爆震传感器采用压电晶体技术,可将发动机的振动或噪声转化为振幅和频率不断变化的交流电压信号,振幅和频率取决于爆震传感器检测到的爆震水平。
当发动机发生爆燃时,气缸内压力异常,缸体高频振动,而爆震传感器的自振频率刚好在发动机爆燃的特征振动频带内,因此爆震传感器发生共振,此时爆震传感器产生信号电压的振幅比非爆燃时大许多,如图3-18所示,由于此信号含有各种频率,输入至ECM后,首先经滤波电路,将爆燃信号与其他振动信号分离,然后将此信号的最大值与爆燃强度基准值进行比较,如大于基准值,则将爆燃信号电压输入微处理器;表示发生爆燃。
当ECM检测到爆燃后,会减小点火提前角,直至爆燃消失;如果ECM在点火提前角恢复过程中又检测到了爆燃信号,则再次减小点火提前角,形成点火提前角闭环控制。其控制过程如图3-19所示。
