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第7章 汽油機點火系統收藏
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第7章 汽油機點火系統
內容提要
1． 汽油機對點火系統的基本要求
2． 傳統點火系統的組成、結構、工作原理及存在的缺陷
3． 電子點火系統的分類、組成、結構與工作原理
4． 微機控制的電子點火系統的特點、分類、組成與工作原理
5． 蓄電池的構造與工作原理
6． 硅整流交流發電機的結構與工作原理
7． 電壓調節器的分類、結構與工作原理 |
7．1 汽油機對點火系統的基本要求
汽油機屬于點燃式發動機，要求在壓縮行程終，準時、可靠地點燃可燃混合氣。尤其是現代車用汽油機，轉速高達6000～8000r/min，負荷變化范圍廣，壓縮比增加，排放性能要求嚴，采用廢氣再循環和燃用稀的混合氣，都給汽油的可靠點燃帶來新的困難。要求汽油機點火系統在任何復雜的工況都能以**佳的點火提前角準時點火，同時點火能量足以維持各種濃度和條件的混合氣的正常燃燒。
7.1.1 點火提前角
1．點火提前角 是指火花塞跳火瞬時到活塞行到上止點時所轉過的曲軸轉角。從第4章汽油機燃燒過程分析可知，燃料燃燒需要一段時間，為了使氣缸內**高燃燒壓力出現在上止點后120～15OCA，就需要將點火時間提前到上止點前的某一時刻。大量試驗表明，點火提前角是影響汽油機動力性能、經濟性能和排放性能的一個主要而敏感的因素。
2．**佳點火提前角 一般指發動機轉速和節氣門開度一定時，改變點火提前角，對應于發動機功率**大、油耗**低的點火提前角。它是通過發動機臺架試驗來確定的。試驗實踐證明，**佳點火提前角應能夠使汽油機的燃燒臨近爆燃（但不產生爆燃）的時刻。
應該指出，不同發動機有不同要求，同一發動機在不同工況也有不同要求，有的追求的目標是動力性和燃油經濟性，而有的追求的是排放性能，不同的要求**佳點火提前角不同，所以**佳點火提前角是相對的，反映了設計者的一種思想和理念。
**佳點火提前角受眾多因素影響，當發動機結構和使用燃料一定條件下，主要受轉速和負荷影響（圖7-1）。由于發動機每一工況點的**佳點火提前角不同，所以顯示出彎曲不平的復雜曲面。
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圖7-1 點火提前角與轉速和負荷的關系 |
當汽油機負荷加大（轉速等其它條件不變），每循環吸入氣缸的混合氣量增加，燃燒的延續角也變大，后燃增加，也必需把**佳點火提前角加大。
除此，**佳點火提前角還與混合氣濃度、氣缸內氣流運動、進氣溫度、冷卻液溫度、氣缸磨損狀況、蓄電池存電情況、有否爆燃產生等眾多因素有關，是個復雜的多因素非線性函數關系，應該綜合考慮。傳統的汽油機點火系統無法完成這個任務，電子點火系統卻能較好勝任。
7.1.2 擊穿電壓與點火能量
1. 擊穿電壓 汽油機是在火花塞的兩個電極之間加上高壓直流電壓，使電極之間的空氣發生電離進而擊穿跳火點燃可燃混合氣，使火花塞兩電極板間產生擊穿的電壓稱為擊穿電壓。擊穿電壓過低，火花塞將無法工作。
擊穿電壓與火花塞電極板間的距離（火花塞間隙）、氣缸壓力和溫度等有關，火花塞間越大，缸內壓力越高，溫度越低，則擊穿電壓越高。為了使汽油機在各種工況下都能可靠點火，要求擊穿電壓應大15～20KV。
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圖7-2 點火能量對汽油機燃料消耗的影響 |
點火能量對汽油機的動力性能、經濟性能和排放性能也有重要影響，圖7-2所示是單缸試驗機在低速部分負荷常用工況時火花能量變化對燃料消耗的影響，可見點火能量太小，燃料消耗顯著升高；隨著點火能量的增大，燃料消耗下降。
點火能量與火花塞間隙、點火系統各零部件結構參數、發動機運行狀況與火花塞積炭等使用因素有關。試驗表明，傳統點火系在發動機高速運轉時，初級繞組的能量顯著下降，**低時僅有10～20mJ，而保證發動機在任何惡劣的條件下可靠點火時初級繞組貯能應在40mJ以上，所以傳統點火系不能適應現代汽油機要求。而采用高能點火器線圈、電子點火器、多極火花塞、雙火花塞等措施可有效提高點火能量。
7.1.3 汽油機點火系分類
車用汽油機一般均采用12～24V的蓄電池升壓至15～20KV，擊穿安裝在氣缸內的火花塞間隙，進行高能點火。能夠按時在火花塞電極間產生火花的全部裝置，被稱為汽油機點火系統。
按照點火系統的組成和產生高壓電的方法不同，點火系統可以分成傳統點火系、電子點火系、微機控制點火系和磁電機點火系，其主要特點如表7-1所示。
表7-1 汽油機點火系分類與特點
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分 類 |
點火
電源 |
升壓
裝置 |
點火
裝置 |
點火時
間控制 |
性能特點 |
應 用 |
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傳統點火系 |
蓄電池發電機 |
點火線圈、機械斷電器 |
火花塞 |
斷電器
(機械式) |
高速點火能量小，點火時間控制精度差，觸點易燒蝕 |
部分汽車(轎車不用) |
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電子點火系 |
蓄電池發電機 |
點火線圈、電子控制器 |
火花塞 |
三極管
(電子) |
點火能量大,點火時間控制精度低 |
部分汽車 |
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微機控制點火系 |
蓄電池發電機 |
點火線圈、微機控制 |
火花塞 |
微機
(電腦) |
點火能量大,點火時間控制準確,能根據轉速、負荷、水溫等綜合控制 |
現代汽車 |
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磁電機點火系 |
磁電機 |
電磁線圈 |
火花塞 |
斷電觸點(機械式) |
電壓隨發動機轉速改變,低速電壓過低 |
摩托車,小型汽油機賽車 |
7.2 傳統點火系統
7.2.1 傳統點火系統的組成
傳統點火系（也稱白金觸點點火系）主要由電源、點火開關、點火線圈、分電器、火花塞和高壓導線等組成（圖7-3）。
1.點火線圈 它相當于一個自耦變壓器，能將12V的低壓直流電變換成15kV～20kV的高壓直流電。按磁路的結構形式不同，點火線圈可以分為開磁路式和閉磁路式兩種。傳統點火系統中廣泛采用開磁路式點火線圈，閉磁路式點火線圈多用于電子點火系統中。
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圖7-3 傳統點火系的組成
1-電容器 2-斷電器 3-配電器 4-點火線圈 5-附加電阻 6-點火開關 7-電流表 8-蓄電池 9-起動機 10-高壓導線 11-阻尼電阻 12-火花塞 |
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圖7-4 開磁路式點火線圈
1-高壓接線頭 2-膠木蓋 3-負極接線柱 4-外殼 5-導磁鋼套 6-次級繞組 7-初級繞組 8-鐵心 9-絕緣座 10-起動機接線柱 11-正極接線柱 12-附加電阻 |
（1）開磁路式點火線圈（圖7-4），主要由初級繞組、次級繞組、鐵心和附加電阻等組成。
點火線圈的初級繞組7所用的漆包線粗（0.5～1mm）、匝數少（240～370匝）；次級繞組6的漆包線細（0.06～0.1 mm）、匝數多（1100～3000匝）。由于初級繞組中流過的電流較大，發熱量大，所以初級繞組繞在次級繞組的外面，便于散熱。當初級繞組有電流通過時,通過互感,次級繞組中便感應出高壓。
為了減小渦流和磁滯損失，鐵心由若干片涂有絕緣漆的導磁硅鋼片5疊成，次級繞組和初級繞組都是繞在同一鐵心8上。
附加電阻是具有正溫度特性的熱敏電阻，當受熱時其阻值迅速增大，冷卻時其阻值迅速降低，它用來自動調節初級電流大小，改善高速時的點火性能。當發動機轉速低時，初級電流大，附加電阻發熱量大，其阻值升高，使初級電流減小，防止初級繞組過熱；反之，當發動機轉速高時，初級電流小，附加電阻發熱量小，其阻值減小，使初級電流增大，保證能產生足夠的次級電壓。發動機起動時，附加電阻被短路，使初級電流**大，以便起動時，產生足夠的點火電壓。
開磁路式點火線圈，結構簡單、成本低、加工方便。但由于漏磁通較大，故轉換效率較低，不適應現代汽油機點火系。
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圖7-5 閉磁路式點火線圈
1-“日”字形鐵心 2-初級繞組接線柱 3-高壓接線柱 4-初級繞組 5-次級繞組 |
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圖7-6 閉磁路式點火線圈的磁路
1-空氣隙 2-“日”字形鐵心 3-次級繞組 4-初級繞組 |
2.分電器 分電器主要由斷電器、配電器、電容器和點火提前調節裝置等組成（圖7-7）。
（1）斷電器 它由一對固定在觸點臂上的鎢質觸點（圖7-8中的固定觸點3、活動觸點2）和斷電器凸輪8組成，凸輪的凸角數與發動機氣缸數相同，由發動機驅動。當凸輪轉動時，使一對觸點定時開、閉，周期性地接通和切斷點火線圈的初級回路，使初級電流發生變化，在次級繞組中感應出高壓電。
（2）配電器 其功能是按照發動機要求的點火時刻和點火順序，將點火線圈產生的高壓電分配到相應氣缸的火花塞上。它由分火頭2（圖7-7）和分電器蓋1組成。分火頭插裝在凸輪的頂端，和凸輪一起轉動，分火頭上有金屬導電片。分電器蓋的中央有高壓線插孔30，其內裝有帶彈簧的炭柱，壓在分火頭的導電片上。分電器蓋的四周有與發動機氣缸數相等的旁電極通至蓋上的金屬套座孔，以安插高壓分線。發動機工作時，分火頭和斷電器凸輪一起旋轉，當斷電器觸點打開時，高壓電自分火頭導電片跳至與其相對的旁電極，再經高壓分線送到火花塞電極。
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圖7-7 分電器
1-分電器蓋 2-分火頭 3-斷電器凸輪 4-分電器蓋彈簧夾 5-斷電器活動觸點臂彈簧及固定夾 6-固定觸點及支架 7-調整螺釘 8-接頭 9-彈簧 10-真空點火提前器膜片 11-真空點火提前器外殼 12-拉桿 13-油杯 14-固定銷及聯軸器 15-聯軸器鋼絲 16-扁尾聯軸器 17-離心點火提前器底板 18-離心調節器彈簧 19-離心調節器重塊 20-橫板 21-斷電器底板 22-真空點火提前器拉桿銷及彈簧 23-電容器 24-油氈 25-斷電器接線柱 26-分電器軸 27-分電器殼體 28-中心電極 29-高壓分線插孔 30-中央高壓線插孔
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小觸點斷開時的火花，延長觸點使用壽命，加快初級電流的衰減速度，提高次級電壓。
（4）點火提前調節裝置 有離心式點火提前調節裝置和真空式點火提前調節裝置。
1)離心式點火提前調節裝置能隨發動機轉速變化調節點火提前角。結構如圖7-9所示，托板7固定在分電器軸4上，兩塊重塊5分別松套在托板的兩個銷釘上，兩個重塊的小端與托板7之間借彈簧6相連。與斷電凸輪2相連的撥板3的方形槽套在兩重塊的銷釘上。
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圖7-8 斷電器
1-接線柱 2-活動觸點臂與活動觸點 3-固定觸點及支架 4-固定螺釘 5-偏心調整螺釘 6-斷電器活動底板 7-分電器殼 8-斷電器凸輪 9-分電器軸 10-油氈 11-膠木頂塊 12-觸點臂彈簧片 |
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圖7-9 離心式點火提前調節裝置
1-凸輪固定螺釘 2-斷電器凸輪 3-撥板 4-分電器軸 5-重塊 6-彈簧 7-托板 8-銷釘 9-柱銷 |
當發動機負荷較小時，節氣門開度小，節氣門后方的真空度大，真空吸力克服彈簧力使膜片向右拱曲，帶動拉桿右移，使斷電器底板連同觸點9，逆著凸輪旋轉方向轉過一定角度，使點火提前角加大（圖7-10a）。當發動機負荷增加時，節氣門開度加大，進氣管真空度減小，彈簧力使膜片向左拱曲，通過拉桿使斷電器底板和觸頭，順著凸輪旋轉方向轉動一定角度，使點火提前角減小（圖7-10b）。
3.火花塞
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圖7-10 真空式點火提前調節裝置
a) 節氣門部分開啟（小負荷時） b) 節氣門全開（滿負荷時）
1-分電器殼體 2-斷電器底板 3-真空點火提前調節裝置外殼 4-彈簧 5-真空連接管 6-節氣門 7-膜片 8-拉桿 9-斷電器觸點 10-斷電器凸輪
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圖7-11 普通型火花塞
1-接線螺母 2-絕緣體 3-接線螺桿 4-墊圈 5-火花塞殼體 6-密封劑 7-密封墊圈 8-紫銅墊圈 9-側電極 10-絕緣體裙部 11-中心電極 |
火花塞中心電極和側電極之間的間隙稱為火花塞間隙。它對火花塞工作有很大的影響。間隙太小，則火花較弱，且容易因積炭產生漏電；間隙過大，所需擊穿電壓高，啟動困難，且高速時易發生“缺火”現象。傳統點火系統中火花塞間隙一般為0.6～0.8mm之間。
火花塞在使用中經常會出現燒蝕、火花間隙變化及積炭等問題，影響正常點火，應注意檢查和維護。在拆裝時要注意按規定轉矩旋緊。
（3）火花塞分類 一般按熱特性分類，有熱型、普通型和冷型三種（圖7-12）。
所謂熱特性是指火花塞的發火部位吸熱并向發動機冷卻系散發的性能。火花塞的熱特性主要取決于絕緣體裙部的長度。
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圖7-12 火花塞的類型
a) 冷型 b) 普通型 c) 熱型 |
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圖7-13 火花塞的構型
a) 多極型（2極） b) 多極型（4極） c) 沿面跳火型 d)絕緣體突出型 e)U型槽型 f) 電阻型 g) 錐座型 h) 標準型 I) 細電極型 |
我國是以火花塞絕緣體裙部的長度來標定的，并分別用熱值(1-11)來表示。1、2、3為低熱值火花塞；4、5、6為中熱值火花塞；7以上為高熱值火花塞。我國火花塞型號標注見本章補充閱讀材料。
為改善火花塞的點火性能，火花塞有多種構型（圖7-13）。
標準型火花塞(圖7-13h)：其絕緣體裙部略縮入殼體端面，側電極在殼體端面以外，是使用**廣泛的一種。
多極型火花塞(圖7-13a、b)：側電極一般為兩個或兩個以上，優點是點火可靠，間隙不需經常調整，故在電極容易燒蝕和火花塞間隙不能經常調節的一些汽油機上常常采用。
沿面跳火型火花塞(圖7-13c)：它是一種**冷型的火花塞，其中心電極與殼體端面之間的間隙是同心的。它必須與點火能量大、電壓上升率快的電容放電型點火系統配合使用，可完全避免火花塞“熾熱點火”及電極“跨連”現象，即使在油污情況下也能正常發火。其缺點是可燃氣體不易接近電極，故在稀混合氣的情況下，不能充分發揮汽油機的功能。另外，由于點火能量增大，中心電極容易燒蝕。
絕緣體突出型火花塞(圖7-13d)：絕緣體裙部較長，突出于殼體端面以外。它具有吸熱量大、抗污能力好等優點，且能直接受到進氣的冷卻而降低溫度，因而也不易引起熾熱點火，故熱適應范圍寬。
U型槽型火花塞(圖7-13e)：其側電極開有U型槽，改變了電極表面電場的分布，使局部的電場密度增強，空氣容易被擊穿，提高火花塞的點火可靠性。
錐座型火花塞(圖7-13g)：其殼體和旋入螺紋制成錐形，因此不用墊圈即可保持良好密封，從而縮小了火花塞體積，對發動機的設計更為有利。
細電極型火花塞(圖7-13i):其電極很細，特點是火花強烈，點火能力好，在嚴寒季節也能保證發動機迅速可靠地起動，熱范圍較寬，能滿足多種用途。
此外，為了抑制汽車點火系統對無線電的干擾，又生產了電阻型和屏蔽型火花塞。電阻型火花塞(圖7-13f)是在火花塞內裝有一定阻值的電阻，屏蔽型火花塞是利用金屬殼體把整個火花塞屏蔽密封起來。不僅可以防止無線電干擾，還可用于防水、防爆的場合。
還有一種將噴油嘴和火花塞制成一體的部件，叫做SPI(火花塞噴嘴)。汽油在壓縮空氣協助下經SPI直接噴入氣缸，在混合氣被點燃之前，SPI向缸內噴入一股壓縮空氣，使缸內形成渦流，可以促進燃燒并縮短燃燒的時間。
火花塞的電極材料也有多種，不同材料壽命不同，普通火花塞壽命約為3萬Km行駛里程，鉑金火花塞約6萬km，銥金火花塞可達到10萬km以上。
4.電源 電源提供點火所需的能量，有蓄電池和發電機兩個電源并列向系統供電（見7.5）。
7.2.2 傳統點火系統的工作原理
如圖7-14所示，接通點火開關3，當斷電器9觸點閉合時，初級繞組7中有電流流過，其低壓回路（一次回路）為：蓄電池正極→點火開關→點火線圈的初級繞組→斷電器觸點→分電器殼體→搭鐵→蓄電池負極。回路中的電流稱為一次電流或初級電流。它通過點火線圈初級繞組6時，在初級繞組的周圍產生磁場，并由鐵心的作用而加強。當斷電器凸輪頂開觸點時，一次回路被斷開，一次電流迅速下降為零，磁場也隨之迅速衰減，在兩個繞組中都產生感應電動勢。由于次級繞組的匝數多，因而在次級繞組中感應出很高的電動勢，足以擊穿火花塞的電極間隙，產生電火花，點燃混合氣。
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圖7-14 傳統點火系統的工作原理
1-蓄電池 2-電流表 3-點火開關 4-附加電阻 5-點火線圈 6-初級繞組 7-次級繞組 8-電容器 9-斷電器 10-分電器 11-火花塞 |
在斷電觸點斷開瞬間，由于初級繞組的自感作用，進一步提高了初級繞組電壓（高壓達200～300V）它將擊穿斷電器觸點間隙，形成火花，燒蝕觸點，同時使一次電流不能迅速下降到零，使二次級繞組中的電壓降低，火花減弱。為降低上述影響，在斷電器觸點間并聯有電容器8。當斷電器觸點分開時，自感電流向電容器充電，以減小觸點火花，加速一次電流和磁通的衰減，提高二次電壓。
7.2.3 傳統點火系統存在的缺陷
1.觸點容易燒蝕,觸點間隙需要經常調整 傳統點火系統中，其初級電流是由觸點接通和斷開的，當觸點斷開的瞬間，會產生電火花，使觸點燒蝕。
觸點不斷開閉，觸點臂上的頂塊與凸輪長期摩擦而產生磨損，造成觸點間隙變化，點火正時不穩定，影響正常點火。因此需要經常打磨觸點并調整觸點間隙，給使用帶來不便。
2.火花能量的提高受到初級電流允許值的限制 由于初級電流受觸點允許電流強度的限制（一般不超過5A），因此火花能量的提高就受到限制，使其不能適應高壓縮比、稀薄燃燒發動機的要求。
3.高速、多缸時次級電壓顯著下降 多缸發動機高速運轉時，由于觸點閉合時間縮短，初級電流達不到較大的數值，因此次級電壓隨轉速升高、缸數增加而顯著下降，不能保證高速、多缸發動機的可靠點火。
4.對火花塞積炭較敏感 當火花塞有積炭時，初級電壓上升過程中的漏電量增加，使得所能達到的次級**高電壓明顯降低。
5.無線電干擾大 斷電器觸點斷開時，產生電火花，形成高頻振蕩波，對周圍的無線電造成干擾。
7.3 電子點火系統
傳統點火系已不能滿足發動機向高轉速、高壓縮比、稀混合氣燃燒等方面發展的要求，尤其是汽車排放的嚴格要求，隨著電子技術的發展，人們研制和開發了一系列高性能的電子點火系統。
電子點火系統按點火控制方法分為觸點式和無觸點式兩類。
7.3.1 觸點式電子點火系
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圖7-15 觸點式電子點火系統工作原理圖 |
當點火開關S接通、斷電器觸點K閉合時，接通了三極管的基極電路，使三極管VT導通，接通點火線圈的一次電路。一次電流從蓄電池正極→點火開關→附加電阻Rf→三極管的發射極e→集電極c→初級繞組N1→搭鐵→蓄電池負極，使點火線圈中積蓄了磁場能。
當斷電器觸點斷開時，三極管基極電路被切斷，三極管截止，使點火線圈的初級電路斷開，一次電流迅速下降為零，在點火線圈的次級繞組N2中感應出高電壓，使火花塞跳火，點燃混合氣。
在觸點式電子點火系統中，雖然點火信號仍由分電器內的凸輪和斷電器觸點產生，但流過觸點的電流是三極管的基極電流，它比一次電流要小得多，所以觸點火花很小，觸點沒有燒蝕，觸點使用壽命延長。但是，由于仍然有觸點、觸點臂頂塊和凸輪，存在摩擦和磨損，觸電間隙會不斷變化，影響點火正時，需要經常調整。所以觸點式半導體點火系統現已很少使用。
7.3.2 無觸點式電子點火系
該系統取消了斷電器觸點，利用各種信號發生器代替斷電器觸點，產生點火信號。通過電子元件組成的點火控制器，控制點火系工作。根據信號發生器形式不同，有磁電式、霍爾式、光電式和電磁振蕩式幾種。
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圖7-17 磁電式信號發生器
1-底板 2-活動底板 3-信號發生器線圈 4-永久磁鐵 5-信號轉子 |
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圖7-16 磁電式電子點火系統
1-分電器 2-火花塞 3-蓄電池 4-點火開關 5-點火線圈 6-點火控制器 7-磁電式信號發生器 |
（1）磁電式信號發生器 它主要由信號轉子、信號發生器線圈、永久磁鐵等組成，一般安裝在分電器內（圖7-17）。
信號轉子5由分電器軸6驅動，信號轉子上的凸齒數與氣缸數相等。信號發生器線圈3繞在永久磁鐵4或鐵心上，永久磁鐵的磁力線穿過線圈經鐵心、信號轉子形成磁回路。信號發生器線圈總成安裝在信號發生器底板2上。
發動機運轉時，信號轉子旋轉。當凸齒與鐵心正對時，磁通量**大；當鐵心位于兩凸齒之間時，磁通量**小。根據電磁感應原理，當磁通量變化時，位于磁場中的
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圖7-18 磁通量與輸出信號的波形 |
（2）點火控制器（圖7-16） 點火控制器6中有5個三極管，其中VT1管發射極與基極相連，相當于一個二極管，主要起溫度補償作用，VT2管為觸發管，VT3和VT4起放大作用，VT5是大功率開關管，它與點火線圈初級繞組串聯，可以迅速接通和切斷點火線圈的初級回路。
當點火開關接通，發動機沒有工作時，信號發生器轉子不轉，信號發生器無信號輸出。此時，蓄電池的電流從其正極通過R4、R1、VT1和傳感器線圈到蓄電池負極（搭鐵）形成回路，電路中P點電位較高，使VT2管的發射結加正向電壓而導通，故其集電極電位降低到約等于0，使VT3管無基極電流而截止，VT4和VT5管獲得正向偏壓而導通，這樣電流便從蓄電池正極經點火開關S、電阻Rf、點火線圈初級繞組N1、VT5管和搭鐵流回蓄電池負極。
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圖7-19 霍爾式信號發生器
1-觸發葉輪 2-霍爾集成塊 3-永久磁鐵 |
當信號發生器輸出負脈沖信號時，A點為負，B點為正，VT1管受正向電壓而導通，P點電位降低，使VT2管截止，VT3管導通，VT4和VT5迅速截止，點火線圈初級電路被切斷，在點火線圈次級繞組N2中感應產生瞬時高電壓，高電壓經分電器送到火花塞，產生電火花，點燃混合氣。當信號發生器轉子轉動一周時，各缸按點火順序依次點火。
2.霍爾式電子點火系統 該系統的結構特點是采用霍爾式信號發生器和集成電路點火控制器控制點火。
（1）霍爾式信號發生器 它一般安裝在分電器中（圖7-19），主要由與分火頭連成一體的觸發葉輪1、帶導磁板的永久磁鐵3、霍爾集成塊2等組成。觸發葉輪由分電器軸驅動，其葉片數與氣缸數相等。霍爾集成塊包括霍爾元件、放大及整形集成電路。
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圖7-20 霍爾式信號發生器的工作原理
a) 觸發葉輪的葉片進入空氣隙
b) 觸發葉輪的葉片離開空氣隙
1-導磁板 2-永久磁鐵 3-觸發開關板 4-觸發葉輪的葉片 5-霍爾元件 |
由于霍爾元件產生的霍爾電壓較弱，需要對其進行放大、整形轉換成方波信號才能作為點火器控制信號。這項工作由霍爾信號發生器內的集成電路來完成。
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圖7-21 點火控制器電路（L479集成塊） |
霍爾信號發生器輸出的方波脈沖信號輸入給L497集成塊的引腳5，經過其內部電路的放大，驅動電流由引腳14輸出，用來控制功率管VT的導通和截止，從而使點火線圈初級電路接通和斷開，在次級繞組中不斷產生高壓電，高壓電經分電器送到各缸火花塞，點燃混合氣。
與磁電式電子點火系統相比，霍爾式電子點火系統的點火信號發生器輸出的點火信號幅值、波形不受發動機轉速的影響，即使發動機轉速很低時，也能輸出穩定的點火信號，因此低速點火性能好，有利于發動機起動。此外，發動機在各種工況下，霍爾式點火信號發生器均能輸出高低電平時間比一定的方波信號，所以點火正時精度易于控制。霍爾式點火信號發生器無需調整，不受灰塵、油污等影響，使其工作可靠性高、使用壽命長。
3.光電式信號發生器 其結構特點是采用光電式信號發生器產生點火信號，由點火控制器等元件控制點火。
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圖7-22 光電式信號發生器
1-遮光盤 2-分火頭 3-光源 4-光接受器 5-集成電路 6-活動底板 |
光接受器4是一只光敏三極管，與發光二極管上下相對安裝，二者之間有一定距離，以便使遮光盤在二者之間運轉。光敏三極管只有集電極和發射極兩只腳，基極電流由光照射產生。光源與光接受器均固定在光接受器底板上。遮光盤1用金屬或塑料制成，安裝在分火頭驅動軸上，由分電器軸通過離心提前機構驅動。遮光盤開有與發動機氣缸數相等的缺口。
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圖7-23 光電式電子點火系電路圖 |
(2)點火控制器 點火控制器是將光電信號發生器送來的信號進行放大，通過功率三極管控制點火線圈初級電流的通、斷，使點火線圈次級繞組產生高壓電(圖7-23)。
當光敏三極管V受光導通時，三極管VT1獲得正向偏壓而導通。VT1導通后為VT2提供正向偏壓UR4，使VT2導通，VT3截止。功率三極管VT獲得正向偏壓UR6導通，從而使點火線圈初級繞組通電；當光敏三極管V失光時，由導通轉為截止，VT1失去基極電流由導通轉為截止，VT2也截上，VT3因獲得正向偏壓由截止轉為導通。VT失去正向偏壓UR6則由導通轉為截止，點火線圈初級繞組斷電，在點火線圈次級繞組產生高壓，經配電器分送至各缸火花塞。
穩壓二極管VS用以保證發光二極管GA獲得穩定的工作電壓。電容C1為正反饋電路，用以提高功率管VT的翻轉速度，減少功率損耗，防止發熱。電阻R7用以保護功率三極管VT。當VT由導通轉為截止時，在次級繞組W2產生次級電壓的同時，初級繞組也產生300V左右的自感電動勢，R7可為其提供回路，防止VT被擊穿損壞。電阻R8與電容C2也具有R7的作用，同時C2還具有濾波功能。電阻R9為點火線圈的附加電阻。
4.振蕩式電子點火系統 該系統的結構特點是采用振蕩式信號發生器產生點火信號，并利用點火控制器（與分火頭合為一體）控制點火。
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圖7-24 振蕩式信號發生器
1-正反饋線圈（L2） 2-振蕩線圈（L3） 3-鐵氧體 4-E形鐵心 5-負反饋線圈（L1） 6-分火頭 7-信號轉子 8-鐵氧體耦合桿 |
振蕩式信號發生器由E形鐵心4與負反饋線圈L1、正反饋線圈L2、振蕩線圈L3組成。負反饋線圈與正反饋線圈分別繞在鐵心的上、下兩臂上，振蕩線圈繞在鐵心的中臂上。L1的匝數多于L2，L1與 L2的繞向應使它們通電時，在中臂上產生方向相反的磁通。傳感器固定在分電器底板上，相當于傳統分電器斷電器的位置。
(2)點火控制器 點火控制器由振蕩器、濾波電路、放大器及功率三極管VT4等組成（圖7-25）。
發動機運轉時，當信號轉子的鐵氧體耦合桿未對準傳感器的E形鐵心時，磁路的磁阻大，L2與L3的耦合很弱，而L1此時為VT1提供負反饋，振蕩器不工作，VF2無正向偏壓處于截止狀態。復合三極管VT3獲得正向偏壓而導通。VT3的基電流電路：蓄電池正極→點火開關（S）→控制器接柱→R9→R6→R7→VT3其極→發射極
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當VT3導通后，為功率三極管VT4提供正向偏壓UR8，使VT4導通。R8的電流電路：蓄電池正極→點火開關→控制器接柱→R10→復合三極管VT3集電極→發射極→R8→搭鐵→蓄電池負極
VT4導通后，點火線圈初級繞組W1通電。
當信號轉子的鐵氧體耦合桿對準傳感器的E形鐵心時，磁路磁阻減小，L2與L3的耦合增強，為VT1的基極提供正反饋，使振蕩器工作，產生300-400KHZ的高頻振蕩，通過R4、C4使VT2獲得正向偏壓UR5，由截止轉為導通。由于VT2導通后其內阻極小，VT3失去正向偏壓由導通轉為截止，進而使VT4又失去正向偏壓，由導通轉為截止，點火線圈初級繞組W1斷電，次級繞組W2產生次級高壓，經配電器分配至各氣缸火花塞。
以四氣缸發動機為例，信號轉子每旋轉一圈，信號轉子上的鐵氧體耦合桿（4個）將對準E形鐵心4次，振蕩器產生4次高頻振蕩，使點火線圈產生4次高壓電，分別給各缸點火一次。
附加元件的作用：電容C為電源濾波電容，電容C1為反饋耦合電容；電容C5用來減小無線電干擾；穩壓二極管VD2用來保護VT3；穩壓二極管VD3用來保護VT4。當VT4由導通轉為截止時，點火線圈初級繞組W1產生的300V左右的自感電動勢，可經VD3構成回路，從而避免VT4被擊穿損壞。
7.4 微機控制的點火系統
無觸點電子點火系統取消了斷電器觸點，采用多功能專用點火集成電路模塊，配以高能點火線圈，使點火電壓、點火能量大大提高，還具有恒流控制、閉合角控制等功能，使點火性能顯著提高，改善了發動機的動力性能、燃油經濟性能、啟動性能和排氣凈化性能。但是，對影響發動機性能**重要的因素——點火提前角的調節，仍然是采用離心式和真空式點火提前調節裝置，即機械調節方式，而且只能考慮發動機轉速、負荷等少數幾個因素的影響，而對發動機冷卻液溫度、進氣溫度、可燃混合氣的空燃比等多種運行參數沒法考慮。
由于機械式點火提前調節裝置控制精度低，響應速度慢，不能保證發動機在各種工況下均在**佳時刻點火，使發動機性能進一步提高受到限制，所以人們研制和開發了微機控制的電子點火系統。
7.4.1 微機控制點火系統的特點
1.由于取消了離心式、真空式等機械式點火提前調節裝置，采用微機控制點火提前角，考慮的因素更加全面，控制精度高，使發動機在各種工況下都能采用**佳點火提前角，發動機的動力性、燃油經濟性及排放凈化性能進一步提高。
2.當采用爆震傳感器閉環控制時，能夠使發動機總是工作在爆震的邊緣而又不發生爆震，發動機的熱效率高，動力性、經濟性好。
3.對于無分電器點火方式，減小了點火能量損失（配電器分火頭于旁電極之間跳火會損失部分點火能量）；由于增加了點火線圈數量，每個線圈通電時間延長，保證發動機在高速時有足夠的次級電壓和點火能量。
4.具有故障自診斷功能，當點火監測信號3次以上沒有反饋信號時，ECU強制切斷燃油噴射，并顯示點火系統有故障。
7.4.2 微機控制點火系統的類型
根據高壓配電方式可以分為有分電器式和無分電器式，無分電器式按點火方式又可分為單獨點火方式和雙缸同時點火方式。根據是否有反饋控制（即爆震傳感器）可以分為開環控制方式和閉環控制方式。
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圖7-26 安裝在火花塞頂部的點火線圈
1-火花塞 2-點火線圈 |
為了消除分電器的上述缺陷，進一步提高點火系統的性能，便出現了無分電器點火系統（DIS—Distributorless Ignition System）。它主要有兩種方式：單獨點火方式和雙缸同時點火方式。
1.單獨點火方式 單獨點火方式一個火花塞配一個點火線圈(圖7-26)，點火線圈直接安裝在火花塞頂上，不需要高壓線。
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圖7-27 雙缸同時點方式 |
7.4.3 微機控制點火系統的基本組成
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圖7-28 微機控制的點火系統 |
1.傳感器 傳感器用來檢測發動機的工作狀況，將各種信息輸入微機控制器。與點火控制有關的傳感器主要有：
(1)曲軸轉速傳感器與曲軸位置傳感器 用于檢測發動機轉速和曲軸位置，它是確定初始點火提前角和基本點火提前角的**主要依據。初始點火提前角是指由曲軸位置確定的點火提前角。基本點火提前角是指由發動機轉速和負荷所確定的提前角。
有些發動機將上述兩種傳感器做成一體，一般安裝在分電器內，或飛輪殼上，或凸輪軸前后端。
(2)空氣流量傳感器或進氣管絕對壓力傳感器 它提供發動機負荷信號，是確定基本點火提前角的**主要依據之一。
(3)節氣門位置傳感器 微機利用此信號判斷發動機負荷狀況，是怠速、中小負荷還是大負荷，用來對點火提前角進行修正。
(4)進氣溫度傳感器和冷卻液溫度傳感器 用來檢測進氣溫度和發動機冷卻液溫度，微機根據這些信號對基本點火提前角進行修正。
(5)爆震傳感器 在點火提前角閉環控制系統中，微機根據爆震傳感器的輸入信號，判斷發動機是否發生爆震，從而對點火提前角進行調整，使發動機總是工作在爆震邊緣而又不發生爆震，以獲得**佳動力性和燃油經濟性。
(6)開關量信號 它包含起動開關信號、全負荷節氣門開關信號、空調開關信號及空檔開關信號（對自動變速器汽車）等，用于對點火提前角進行修正。
上述各種傳感器都是與電控燃油噴射系統共用，其結構原理參見5.4。
2.微機控制器(ECU) 它由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出接口（I/O）、模數和數模轉換器（A/D、D/A）以及整形、驅動電路等組成。
在微機控制器中，中央處理器是核心部分，它具有運算和控制功能。發動機運行時，它采集各種傳感器的信號，進行運算處理，根據運算結果發出控制信號，控制執行器——如點火控制器。存儲器用來存放過程控制的各種程序、運算的中間結果及通過大量試驗獲得的原始數據，如發動機在各種轉速和負荷時的**佳點火提前角。輸入輸出接口用來連接CPU與外部設備。A/D、D/A轉換器將傳感器輸入的模擬信號轉變成數字計算機能夠處理的數字信號，或者把計算機發出的控制信號轉換成模擬信號，用于控制被控對象。整形電路將傳感器輸入信號轉變成理想的波形，驅動電路對計算機發出的控制信號進行放大，使其能夠驅動執行器。
在發動機集中控制系統中，電控燃油噴射系統和電子點火系統的控制器是合為一體的。
3.點火器 它是微機控制的電子點火系統的功率輸出級，它接受微機控制器輸出的點火控制信號并進行功率放大，以便驅動點火線圈的工作。點火器的電路、功能和結構因車而異，有的與微機控制器裝在同一電路板上，有的則有專門的點火模塊，用導線與微機控制器相連（如豐田公司的TCCS系統），而日產公司的ECCS系統則僅是一只控制點火線圈初級電流的大功率開關三極管，它與點火線圈安裝在一起并配以較大的散熱器以利于散熱。
7.4.4 微機控制點火系統的工作原理
1.基本工作原理 在微機控制的電子點火系統中，由各種傳感器檢測發動機的工況信息，并送給ECU進行分析和計算，根據曲軸位置確定初始點火提前角,并根據發動機轉速和負荷信號從存儲器中調出基本點火提前角的原始數據，再根據進氣溫度、冷卻液溫度、節氣門位置等傳感器信號和各種開關信號，對基本點火提前角進行修正，**后ECU向點火控制器發出控制信號，使其在**佳時刻接通和斷開點火線圈初級電路，在點火線圈次級繞組中產生高壓電，使火花塞跳火，點燃混合氣。
2.點火控制 點火控制主要有三個方面：點火提前角控制、閉合角控制和爆震控制。
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圖7-29 基本點火提前角與發動機轉速、負荷關系圖（脈譜圖）
a)微機控制 b)機械式調節 |
發動機具體點火提前角控制如下：
1）發動機起動工況：此時轉速很低，發動機負荷信號（進氣壓力或流量信號）不穩定，通常將點火提前角固定在初始點火提前角。ECU根據點火開關信號、發動機轉速與曲軸位置傳感器進行起始點火提前角控制。也有一些發動機采用非初始提前角控制，而是根據發動機溫度和起動轉速進行更精確的點火控制。
2）暖機與怠速工況：ECU根據發動機轉速、節氣門開度和空調開關信號進行點火提前角控制，再根據冷卻水溫和發動機轉速波動、氧傳感器等信號進行點火提前角修正。
3）正常運轉工況：ECU根據發動機轉速和負荷進行基本點火提前角控制，再根據溫度、氧傳感器、爆震等傳感器信號進行修正。
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圖7-30 暖機點火提前角修正特性 |
暖機修正：發動機冷卻起動后，其溫度還很低，因此要求適當增大點火提前角，以改善燃油的消耗，加快暖機過程。ECU根據發動機冷卻液溫度信號、進氣壓力信號或進氣流信號、節氣門位置信號作出暖機點火提前角修正。暖機修正點火提前隨發動機的溫度上升而減小（圖7-30），不同車型其暖機修正特性曲線的形狀有所不同。
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圖7-31 怠速穩定點火提前角修正特性 |
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圖7-32 空燃比反饋點火提前角修正 |
過熱點火提前角修正：當發動機的溫度過高時，為使發動機能保持正常工作而對點火提前角作適當的修正。具體分兩種情況。
在發動機正常運行工況下，如果發動機溫度過高則易產生爆燃。為避免這種情況發生，應適當減小點火提前角。
在發動機怠速運行工況時，如果發動機溫度過高，則應適當增大點火提前角，以避免發動機長時間過熱。
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圖7-33 發動機過熱點火提前角修正 |
發動機爆燃修正：當發動機產生爆燃時，對基本點火提前角進行適當修正（減小點火提前角），以迅速消除爆燃。
**大提前和推遲控制：發動機工作時的實際點火提前角是初始點火提前角、基本點火提前角、修正點火提前角之和。如果根據發動機實際工況和狀態計算得到的實際點火提前角過大或過小，會導致發動機工作不正常。因此，微機點火時刻控制系統設定了一個實際點火提前角的數值范圍，以控制發動機工作時其點火提前角不會超出正常工作極限值。
不同發動機，其設定的點火提前角的**大和**小極限值不同，一般其**大值和**小值在如下范圍：
**大點火提前角：350～450
**小點火提前角：-100～00
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圖7-34 閉合角脈譜圖 |
影響閉合角的因素有蓄電池電壓和發動機轉速。微機控制的電子點火系統把閉合角隨發動機轉速、蓄電池電壓變化的脈譜圖（如圖7-34所示）以數據形式存儲到ECU的存儲器(ROM)中，供發動機工作時調用。
( 3）爆震控制 在爆震控制中采用爆震傳感器檢測發動機是否產生爆震，如果有爆震，ECU減小點火提前角，直到爆震消失；當爆震消失后，ECU又逐漸加大點火提前角，這樣使發動機工作在爆震的邊緣，而又不發生爆震，此時發動機熱效率**高，動力性、經濟性**好。
利用爆震傳感器對點火提前角進行閉環控制，可以降低對各傳感器精度的要求。
7.5 汽車電源
汽車電源由蓄電池和發電機并聯組成，負責向汽車點火系、起動系、燈光、信號等全車電器設備供電。
在發動機轉速大于一定值時，由發電機向全車電器設備供電，并同時給蓄電池充電。當汽車上的用電設備同時啟用，所需功率超過發電機的額定功率時，蓄電池和發電機同時向用電設備供電。當發動機低速運轉或不運轉時，發電機發出電壓很低或不發電時，由蓄電池向全車電器設備供電。在發動機起動時，蓄電池向起動機、點火系等用電設備供電。同時蓄電池還相當于一個容量很大的電容器，可以吸收電路中瞬時過電壓，以保持汽車電路電壓相對穩定。對于汽車電子控制系統，蓄電池還是ECU內存的不間斷電源。
7.5.1 蓄電池
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圖7-35 蓄電池的構造
1-正極板 2-負極板 3-肋條 4-隔板 5-護板 6-封口料 7-負極接線柱 8-加液孔蓋 9-連接板 10-正極接線柱 11-接線柱襯套 12-殼體 |
1.蓄電池的構造 它一般由極板、隔板、殼體、電解液等組成（圖7-35）。殼體內部由互不相通的3格或6格電壓為2V的單格電池串聯組成。
(1)極板 有正極板1和負極板2兩種，均由柵架和填充在其上的活性物質構成。正極板上的活性物質是二氧化鉛（PbO2），呈深棕色。負極板上的活性物質是海綿狀純鉛，呈青灰色。
為了增大蓄電池的容量，將多片正、負極板分別并聯，并用連接板9焊接，組成正、負極板組。安裝時正負極板相互穿插，使每片正極板都插在兩片負極板之間，因此負極板比正極板多一片。
(2)隔板 為了防止正負極板間短路及減小蓄電池內阻和尺寸，正負極反之間用隔板4隔開。隔板材料應具有多孔性，以便電解液滲透。隔板常用材料有木質、微孔橡膠、微孔塑料、玻璃纖維和紙板等。
(3)殼體 用來盛裝電解液和極板組。它由耐酸、耐熱、絕緣性能好，且有一定機械強度的材料制成。早期采用硬橡膠，近年來多用工程塑料，如聚丙烯。
殼體為整體式結構，底部有突起的肋條，以擱置極板組。肋條間的空隙用來積存脫落下來的活性物質，以防止在極板間造成短路。在蓄電池蓋上有加液孔蓋8，用來添加電解液和蒸餾水，也可用來檢查電解液液面高度和測量電解液相對密度。加液孔蓋上有通氣孔，便于蓄電池化學反應中產生的氣體能自由逸出。使用中應注意通氣孔的暢通，否則會產生炸裂殼體事件。
(4)電解液 蓄電池電解液是由純硫酸和蒸餾水按一定比例配制而成的，硫酸水溶液在充電和放電的電化學反應中起離子間導電作用，并參與化學反應。
電解液的純度是影響蓄電池性能和使用壽命的重要因素。因此，配制電解液應采用化學純硫酸和蒸餾水。工業硫酸和一般的水中含有鐵等雜質，會增加自放電和損壞極板，不能用于配制蓄電池電解液。
2.蓄電池的工作原理 蓄電池是一個化學電源。在充電時，靠內部的化學反應將電源的電能轉變成化學能儲存起來；用電時，再通過化學反應將化學能轉變成電能，供給用電設備。
（1）蓄電池電動勢的建立 當極板浸入電解液中，極板上就會有少量活性物質會溶解電離。在正極板處PbO2溶解電離后，有四價的鉛離子Pb4+沉附于正極板上，使極板呈正電位。
PbO2+2H2O→Pb(OH)4
Pb(OH)4→Pb4++4OH-
在負極板處Pb溶解后有電子留在負極板上，使極板具有負電位。
Pb→Pb2++2e
當蓄電池充足電后，單格正極板正電位為2V，負極板負電位為-0.1V，蓄電池電動勢為2.1V。
（2）蓄電池的放電 蓄電池外電路接通后，在電動勢作用下，負極板的電子e經外電路流向正極板，正極板上的Pb4+得到2個電子，變成二價鉛離子（Pb2+），并溶于電解液中；與此同時，負極板的Pb不斷放出電子，變成Pb2+（圖7-36），其化學反應方程式為
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PbO2 + Pb + H2SO4 PbSO4 + PbSO4 + 2H2O |
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放電 |
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正極板 |
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負極板 |
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電解液 |
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電解液 |
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正極Pb→Pb2++2e
板 |
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負極板 |
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充電 |
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圖7-36 蓄電池放電原理 |
（3）蓄電池的充電 鉛酸蓄電池使用前要進行充電，平時當存電不足時也要進行補充充電。
充電過程的化學反應與放電過程相反，上述的化學反應方程式是可逆的。充電時正負極板表面的PbSO4分別還原為PbO2和Pb，電解液中的H2O減少，H2SO4增加，電解液密度增加。
3. 免維護蓄電池 上述的鉛酸蓄電池在使用中，由于化學反應產生的熱量，使電解液中的H2O不斷減少，必需隨時注意添加蒸餾水，否則將造成極板損壞的嚴重后果。
免維護蓄電池也叫MF（Maintenace Free）蓄電池，它是指在使用壽命期內無需日常維護的蓄電池。其突出優點是在汽車合理使用過程中無需添加蒸餾水，蓄電池自放電小，僅為普通電池的1/6～1/8，在使用期內一般無需進行補充充電；正負極接線柱腐蝕小或無腐蝕，使用壽命長，內阻小，起動性能好。免維護電池（圖7-37）在結構、工藝和材料等方面采用了一些措施，主要有以下幾項。
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圖7-37 免維護蓄電池
1-電池接線柱 2-模壓代號 3-殼體 4-下滑面 5-袋狀隔板 6-鉛鈣合金柵架 7-高密度活性物質 8-極板連接夾和單格連接器 9-液、氣隔板 10-安全通氣孔 11-電解液密度觀測孔 |
2）采用袋式微孔塑料隔板，將正極包住，避免了極板的短路，因而可以使容器底部無需肋條，從而降低極板組的高度，使極板上部的容積增大，增加了電解液的貯存量。
3）極板柵架采用鉛-鈣-錫合金或低銻合金，減少了析氣量，使電解液中水的消耗降低，并使自放電也大為減少。
目前汽車上所用的免維護蓄電池還未達到真正的無需維護。因此在使用一段時間后（一般每年或行駛3000Km）應對蓄電池進行一次檢查和維護。對于全封閉式免維護蓄電池，由于無加液孔，不能用常規的方法來檢查蓄電池電解液的液面和密度，但蓄電池內部一般裝有一個小密度計，從其頂端的檢視孔通過觀察其顏色來判斷蓄電池的技術狀況。若是綠色，表明技術狀況好，可繼續使用；若是黑色，表明電解液密度偏低，應補充充電；若是黃色或無色，則不能繼續使用。
4. 蓄電池的型號 根據JB2599-85規定，我國蓄電池的型號由三部分組成：
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串聯的單格電池數 |
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蓄電池類型 |
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額定容量 |
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蓄電池特征 |
其中蓄電池類型是根據其主要用途劃分的，用漢語拼音的第一個字母（大寫）表示，如起動用蓄電池代號為“Q”，摩托車用蓄電池代號為“M”等。
蓄電池特征為附加部分，僅在同類用途的產品中具有某種特征而在型號中又必須加以說明時用。當產品同時具有兩種特征時，原則上應按表7-2順序將兩個代號并列標志。普通型號無代號。
表7-2 蓄電池產品特征代號
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序號 |
產品特征 |
代號 |
序號 |
產品特征 |
代號 |
序號 |
產品特征 |
代號 |
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1 |
干荷電 |
A |
5 |
防酸式 |
F |
9 |
氣密式 |
Q |
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2 |
濕荷電 |
H |
6 |
密閉式 |
M |
10 |
激活式 |
I |
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3 |
免維護 |
W |
7 |
半密閉式 |
B |
11 |
帶液式 |
D |
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4 |
少維護 |
S |
8 |
液密式 |
Y |
12 |
膠質電解液 |
J |
額定容量是指20小時放電率額定容量，單位為Ah（可免寫），用阿拉伯數字表示。
蓄電池容量是蓄電池的主要參數。它是在放電允許范圍內，對蓄電池放電能力的度量。20小時放電率額定容量是指一個全充電的12V蓄電池在電解液溫度為25℃時，連續20小時輸出**大穩定電流而電池電壓不低于10.5V時所輸出的電量。
例如：蓄電池型號6-QA-90，表示由6個單格蓄電池組成，額定電壓為12V，額定容量為90Ah，起動用的干荷蓄電池。
7.4.2 發電機
汽車發電機用來向除起動機外的所有電器設備供電，并給蓄電池充電。為了滿足蓄電池充電的要求，汽車發電機的輸出電壓必須是直流電壓。目前，國內外汽車發電機已全部采用硅整流交流發電機，它是利用硅二極管將交流發電機定子繞組中所感應的三相交流電整流成為直流電。
1.硅整流發電機的構造 它主要由轉子、定子、整流器端蓋、風扇及皮帶輪等組成（圖7-38）。
（1）轉子 通過軸承固定在發電機上，由發動機驅動旋轉，用來產生旋轉磁場。它主要由兩塊爪形磁極14、磁場繞組6和滑環2等組成。兩塊爪形磁極壓裝在轉子軸上，在兩塊爪形磁極的空腔內裝有磁軛，其上繞有磁場繞組，磁場繞組的兩引出線分別焊接在與軸絕緣的兩個滑環上，滑環與預裝在后端蓋上的兩個電刷相接觸。當接通電源時，磁場繞組中便有磁場電流通過，產生軸向磁通，使得一塊爪形磁極被磁化成N極，另一塊爪形磁極被磁化成為S極。當轉子旋轉時，便產生旋轉磁場。
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圖7-38 硅整流發電機的構造
1-后端蓋 2-滑環 3-電刷 4-電刷彈簧 5-電刷架 6-磁場繞組 7-定子繞組 8-定子鐵芯 9-前端蓋 10-風扇 11-皮帶輪 12-整流器總成 13-硅二極管 14-爪形磁極 |
為了保證三相定子繞組能產生頻率和幅值相同，相位相差120°的三相交流電，定子繞組線圈的繞制和在定子鐵心槽中的嵌入應符合一定規律。
（3）整流器 其作用是將三相定子繞組產生的交流電轉變成直流電。它是由6個硅二極管組成三相橋式全波整流電路（圖7-39）。
硅整流二極管通常直接壓在散熱板上或發電機后蓋上，其中壓裝在發電機后
|
圖7-39 硅二極管安裝示意圖 |
|
圖7-40 硅整流交流發電機工作原理
a）內部電路 b）電壓波形
1-勵磁繞組 2-三相定子繞組 3-磁場接線柱（F1） 4-磁場接線柱（F2） 5-輸出接線柱（+） 6-正極二極管 7-負極二極管 8-搭鐵接線柱（E） 9-中性接線柱（N） |
2.工作原理(圖7-40) 當發電機工作時，通過電刷和滑環將直流電壓作用于勵磁繞組1（圖7-40a）的兩端，勵磁繞組中有電流通過，在其周圍產生磁場，使轉子軸上的兩塊爪形磁極被磁化，一塊為N極，另一塊為S極。當轉子旋轉時，在定子中間形成旋轉的磁場，使安裝在定子鐵心上的三相定子繞組2中感應生成三相交流電（圖7-40b）。
每相繞組接一對二極管，一個正向偏置，一個負向偏置。若將負載接通后，電流總是從電壓**高的繞組出發經二極管整流，回到電壓**低的繞組。如某一瞬間，若A繞組電壓**高，B繞組**低，則電流從A出發（圖7-40a）經二極管T1到外電路負載，經二極管T6返回B相。經三相橋式全波整流后，輸出的電壓波形平穩得多。
7.4.3 電壓調節器
|
圖7-41 單觸點振動式電壓調節器
1-鉸鏈 2-銜鐵 3-觸點 4-觸點 5-支架 6-絕緣條 7-鐵心 8-磁化線圈 9-磁軛 10-支架 11-彈簧 |
2. 電壓調節器類型 電壓調節器是通過調節流過勵磁繞組的電流強度來調節磁極磁通，使發電機輸入電壓穩定在一定范圍內。常用的電壓調節器有觸點振動式電壓調節器、晶體管電壓調節器和集成電路電壓調節器等多種。
3.觸點振動式電壓調節器結構與工作原理 觸點振動式電壓調節器通過電磁鐵控制觸點的開閉來調節磁場繞組的勵磁電流大小，實現對發電機輸出電壓的調節。
常用的觸點振動式電壓調節器有：單觸點振動式電壓調節器和雙觸點振動式電壓調節器。
1)單觸點振動式電壓調節器:其結構如圖7-41所示。
|
圖7-42 發電機電壓波動曲線
|
當發電機轉動后，發電機電壓隨轉速的升高而升高，達到某一數值U0（圖7-42）時，調節器線圈產生的磁場力矩大于彈簧力矩，將銜鐵吸下，觸點分開，調節電阻Rtj串入磁場電路，使磁場電流減小，磁場減弱，使發電機電壓降低。當發電機電壓降低到某一數值U1，由于調節器線圈電流減小，電磁力矩小于彈簧力矩，觸點在彈簧力的作用下重新閉合，調節電阻又被短路，磁場電流和發電機電壓又上升，而當電壓升到U2時，觸點又被打開。如此反復，使觸點不斷地開閉，使發電機電壓在U1～U2之間波動。
|
圖7-43 雙觸點振動式電壓調節器
1-電壓調節器 2-交流發電機 3-電流表 4-蓄電池 5-用電設備 6-點火開關 K1-低速觸點 K2-高速觸點
|
當發電機低速運轉時，低速觸點K1的工作情況與上述的單觸點振動式電壓調節器相同。由于低速調節范圍無需很大，其調節電阻較小，觸點火花也小。
當發電機高速運轉時，發電機輸出電壓升高，磁場電流變大，線圈吸力增大，使高速觸點K2閉合，磁場繞組被短路，磁場電流減小到零，發電機輸出電壓隨之迅速下降。電壓下降又使磁化線圈吸力減小，高速觸點K2重新打開，磁場電流又經過調節電阻Rtj流入磁場繞組，發電機電壓又開始上升。如此反復，高速觸點K2振動，使發電機電壓保持穩定。由于K2閉合時，磁場繞組被短路，觸點打開時也基本無火花產生。同時K2斷開時，相當于磁場電路串入一個無窮大的電阻，因此允許發電機轉速很高，即轉速調節范圍加大。
4.晶體管電壓調節器結構與工作原理 觸點振動式電壓調節器由于有觸點、彈簧鐵心、線圈等機械裝置，不僅結構復雜，體積大，質量重，且觸點易燒蝕、氧化，可靠性差，壽命短，且由于觸點振動時存在機械慣性、磁滯性，使觸點振動頻率低，調節精度差。使用中需要經常維修和調整。
晶體管調節器利用晶體三極管的開關特性，代替觸點開關，具有調節精度高、結構簡單、工作可靠、無需維修和保養等特點。
晶體管電壓調節器是將晶體管作為一只開關串聯在發電機的磁場電路中，根據發電機輸出電壓的高低，控制三極管的導通和截止，使發電機輸出電壓穩定在規定范圍內。
|
圖7-44 晶體管調節器的工作原理
|
所以，UAB可反映發電機的輸出電壓UAC的高低。穩壓管VD反向串聯在晶體管V1的基極回路中控制著晶體管V1的導通和截止狀態。
上述晶體管調節器的工作原理如下：
當接通點火開關SW后，蓄電池電壓便加在A、C兩端，R1上的分壓UAB則通過晶體管V1的發射結加到穩壓管VD上，由于蓄電池電壓低于發電機的規定電壓值，故此時加到穩壓管上的電壓值低于穩壓管的反向擊穿電壓UVD，穩壓管VD截止，V1無基極電流而截止，V2則由R3提供偏置電流而處于飽和導通狀態，蓄電池便經V2給發電機磁場繞組提供磁場電流，其電流通路為：蓄電池“+”極→點火開關SW→調節器“+”接柱→V2（e、c）→調節器“F”接線柱→發電機“F”接線柱→發電機磁場繞組→搭鐵→蓄電池“-”極。若此時發電機運轉，發電機電壓就會隨轉速的上升而迅速升高，當發電機電壓升到蓄電池電壓時發電機開始自激發電；當發電機電壓超過規定值時，通過R1的分壓加到穩壓管VD的電壓超過穩壓管VD的反向擊穿電壓，則穩壓管導通，V1獲得基極電流而導通，V1導通后，使V2的發射結被短路，因而V2截止，從而切斷了發電機的磁場電路，使得發電機電壓迅速下降。當發電機的電壓降到低于規定值時，加到穩壓管VD上的電壓又低于其反向擊穿電壓，穩壓管重新截止，使V1也截止，V2重新導通，接通發電機的磁場電路而使發電機電壓又升高，如此往復，發電機的電壓便被穩定于規定值。
該調節器的調節電壓決定于分壓電阻R1和R2，以及穩壓管VD的反向擊穿電壓（穩壓管的穩壓值）。減小R1的阻值、增大R2的阻值或增大穩壓管的穩壓值時，調節器的調節電壓將增高，反之，調節電壓降低。
5.集成電路電壓調節器 其組成與工作原理與晶體管電壓調節器大同小異，但電路中的所有元件都組合在同一個半導體基片上，形成一個獨立的、互不可分的電子電路，即集成電路。它具有體積小、工作可可靠、使用中不需保養與維護等特點，在現代汽車上已得到廣泛應用。
|
圖7-45 整體式交流發電機
1-發電機 2-勵磁二極管 3-輸出整流二極管 4-中性點整流二極管 5-三相定子繞組 6-勵磁繞組 7-內裝式電壓調節器 8-電壓調節器的傳感器 9-充電指標燈接線柱 10輸出接線柱 |
目前，在有些采用微機控制的燃油噴射式發電機的汽車上，還可以取消發電機的電壓調節器。發電機工作時，由微機控制系統通過對發電機勵磁電流的調節，調節發電機的端電壓，使發電機轉速變化時其電壓保持恒定。
|
本章小結
1. 汽油機要求點火系按發動機轉速、負荷、溫度等運轉工況變化，自動準確調節點火提前角，提供足夠的點火能量，可靠點燃混合氣。
2. 點火系統分為傳統點火系、電子點火系、微機控制點火系和磁電機點火系等幾種。
3. 傳統點火系由點火線圈、分電器、火花塞、電源、點火開關和高壓導線等組成。
4. 電子點火系由電子點火器、分電器、點火信號發生器、點火線圈、火花塞、高壓導線等組成。點火信號發生器有磁電式、霍爾式、光電式和震蕩式等種類。
5. 微機控制點火系由傳感器（轉速傳感器、位置傳感器、爆燃傳感器、節氣門位置傳感器、溫度傳感器等）、微機控制器、點火器、火花塞等組成。它具有控制精度高，考慮因素全面，點火能量大，高速適應性好，故障自診斷等優點，可有效提高汽油機的動力性、經濟性和排放性能。
6. 汽車電源由蓄電池和發電機組成。蓄電池是個化學電源，其充放電是可逆的。發電機一般采用硅整流發電機，并通過電壓調節器調節，保持輸出電壓基本穩定。集成電路電壓調節器具有體積小、工作可靠、使用中不需保養與維護等特點，在現代汽車上已得到廣泛應用。 |
【復習思考題】
1. 名詞解釋：火花塞間隙、擊穿電壓、火花塞熱特性、熱型火花塞、冷型火花塞、普通型火花塞、蓄電池容量、20小時率額定容量、免維護電池。
2. 汽油機對點火系有何要求？
3. 試說明傳統點火系統的基本組成、工作過程及存在的缺陷？
4. 汽油機傳統點火系為什么必須設置真空點火提前和離心點火提前兩套調節裝置？它們是怎樣工作的？
5. 無觸點電子點火系統中，傳感器的作用是什么？常用哪些類型的傳感器？說明它們的結構和工作原理。
6. 簡述電磁感應式電子點火裝置的工作原理？
7. 簡述光電感應式電子點火裝置的工作原理？
8. 簡述霍爾效應式電子點火裝置的工作原理？
9. 簡述微機控制點火系的基本組成、工作原理及特點？
10. 汽車電源組成及功用？
11. 簡述鉛酸蓄電池的結構與工作原理？
12. 簡述硅整流發電機的基本構造與工作原理？
13. 車用發電機為什么必須配備電壓調節器？他們是怎樣進行電壓調節的？單觸點振動式電壓調節器、雙觸點振動式電壓調節器、晶體管電壓調節器各是如何進行電壓調節的？
附錄：我國火花塞型號標注
根據國家專業標準ZBT37003—89的規定，火花塞型號由三部分組成，如F5TC型火花塞：
|
F |
|
5 |
|
TC |
|
漢語拼音字母，表示火花塞的結構類型及主要型式尺寸。各字母的含義見附表1 |
|
阿拉伯數字，表示火花塞的熱值 |
|
漢語拼音字母，表示火花塞的派生產品、結構特性、材料特性及特殊技術要求。各字母的含義見附表2 |
附表1 火花塞的結構類型代號
|
代號 |
螺紋規格 |
安裝座形式 |
螺紋旋合
長度/mm |
殼體六角對
邊長度/mm |
|
A |
M10×1 |
平座 |
12.7 |
16 |
|
C |
M12×1.25 |
平座 |
12.7 |
17.5 |
|
D |
M12×1.25 |
平座 |
19 |
17.5 |
|
E |
M14×1.25 |
平座 |
12.7 |
20.8 |
|
F |
M14×1.25 |
平座 |
19 |
20.8 |
|
(G) |
M14×1.25 |
平座 |
9.5 |
20.8 |
|
(H) |
M14×1.25 |
平座 |
11 |
20.8 |
|
(Z) |
M14×1.25 |
平座 |
11 |
19 |
|
J |
M14×1.25 |
平座 |
12.7 |
16 |
|
K |
M14×1.25 |
平座 |
19 |
16 |
|
L |
M14×1.25 |
矮型平座 |
9.5 |
19 |
|
(M) |
M14×1.25 |
矮型平座 |
11 |
19 |
|
N |
M14×1.25 |
矮型平座 |
7.8 |
19 |
|
P |
M14×1.25 |
錐座 |
11.2 |
16 |
|
Q |
M14×1.25 |
錐座 |
17.5 |
16 |
|
R |
M18×1.5 |
平座 |
12 |
20.8 |
|
S |
M18×1.5 |
平座 |
19 |
（22） |
|
T |
M18×1.5 |
錐座 |
10.9 |
20.8 |
注：（）表示非標準的保留產品，不推薦使用。
附表2 火花塞的特征代號及字母順序
|
序號 |
特征代號 |
結構特征 |
序號 |
特征
代號 |
結構特征 |
序號 |
特征
代號 |
結構特征 |
|
1 |
P |
屏蔽型 |
5 |
Y |
沿面跳火型 |
9 |
V |
V型電極 |
|
2 |
R |
電阻型 |
6 |
J |
多極型 |
10 |
C |
鎳鎘復合電極 |
|
3 |
B |
半導體型 |
7 |
H |
環狀電極 |
11 |
G |
貴金屬 |
|
4 |
T |
絕緣體突出型 |
8 |
U |
電極縮入型 |
12 |
F |
非標準 |
注：無字母標志的為普通型；需要用量個字母表示時，按本表順序排列。
例如：F5TC型火花塞，表示螺紋規格為M14×1.25、平座、旋入長度為19mm、殼體六角對邊長度為20.8mm、熱值為5、絕緣體突出型、鎳銅復合電極火花塞。
發表于 @ 2008年06月05日 10:49:00 |點擊數（）
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