點火系統理論與實務(一)

一、點火系統概述

汽油引擎不像柴油引擎,可藉由高壓縮所產生的高溫,產生自燃的現象;而是必須介由外來的能量促使混合氣著火進而燃燒,而這個能量就是點火系統作用所在。

基本的點火系統主要元件有:
A: 高壓線(矽導線) B:分電盤蓋 C:分火頭 D:主高壓線 E:分電盤
F:分電盤凸軸 G:點火訊號感知器 H:點火模組 I:點火線圈 J:火星塞
在處於高壓的燃燒室內,要使火星塞電極端產生足以著火的火花並不是簡單的事,首先須有極高的電壓足以破壞空氣的絕緣,稱為「破壞電壓」(稍後有詳述),然而破壞電壓也依汽缸內的壓力有所變化,所以著火的電壓往往高壓20kV以上,以汽車電瓶12V根本不可能達到。

所以才須有發火線圈來達成此一目的,發火線圈本身是利用感應的原理,將電瓶電壓經過一次線圈後經過充磁,然後截斷電流之後,感應至二次線圈,利用線圈圈數倍增的效應產生極高的壓電。

一次二次線圈作用圖

此一高壓電先是經由高壓線來到分電盤,分電盤顧名思義也就是分配電源之用,經過中央心極將高壓電藉由分火頭分配至各缸的火星塞,再利用精確的正時配合,在適當時達到點火燃燒的目的。

二、點火線圈之作用
點火線圈內部有中央的鐵心,纏繞著一次線圈與二次線圈,兩者為同一方向,一次線圈所纏繞的線圈較粗而且匝數較少,約150~300匝,二次線圈較細(有如髮絲)且匝數很多,約二~三萬匝,當一次側的電流接通時,一次線圈開始充電,達一定時間時,此一時間稱為閉角後有詳述,利用白金或是電晶體的作用,截斷一次電流,此時產生與電流反向之感應電動勢約300V,在同一鐵心上的二次線圈也受到感應,假設二次線圈匝數為一次線圈的80倍,即可感應出24kV的電壓。

點火線圈之分解圖與實圖


白金與電容器之作用
在傳統的點火系統中,負責切斷一次電流的元件為白金裝置,若四缸引擎則有四個凸部,當凸輪旋轉時(與凸輪軸1:1反方向旋轉),當凸部頂到白金之接觸臂時,此時白金接點打開,一次線圈切斷。當切斷一次線圈的電流時,不僅會產生反向電動勢而且也會產生逆向電流,而反向電流會流到白金接點處,而產生火花。


然而當白金接點產生火花則會影響到二次電壓的形成,尤其是在引擎低速運轉時,除非在極短的時間內切斷,不過對於機械式的白金裝置是無法達到的。所以才須加裝一只電容器,[如圖:電容器裝置圖]來吸引白金接點所產生的火花。它是採並聯的方式來吸收反向電流,當白金接合時再放電。


不過目前的汽車幾乎沒有利用白金裝置來切合一次電流,因為白金接點再怎麼控制也是有火花的產生,也就無法使得點火二次側更為穩定,另外閉角是由分電盤上的凸輪形狀所決定,所以閉角是固定的,因此當引擎高速運轉時一次電流切斷的時間勢必會縮短,二次電壓也跟著降低(稍後將有更詳細的敘述)。再者保養性較差,因為經過一段時間的行駛會造成白金接點的損耗,須定期磨白金或是更換。因此目前皆採電晶體控制的方式。

左圖為白金裝置、右圖為白金接觸點

三、分電盤之作用

分電盤主要的作用在於將高壓電分配至適當之點火缸數,及負責一次電流之切與接的裝置,或是訊號的產生,像是凸輪位置、上死點位置訊號。分電盤內的轉軸基本上是與凸輪軸採1:1之反向旋轉,或是與曲軸1:2之旋轉,若引擎有幾缸則有幾個高壓線接孔,以四缸引擎來講引擎轉一圈進行二次點火,也就是內部轉180度,當引擎轉兩圈分火頭正好轉一圈,並進行四次的點火,每個點火位置相差90度。

點火系統理論與實務(二)

一、電晶體點火系統

電晶體點火就是利用電晶體來取代白金的作用,因為電晶體本身沒有接點的問題,所以在一次側不會產生火花,可使得二次跳火電壓更為穩定。並可利用簡易的電子應用的方式來達閉角及定電流的控制(稍後有詳述)。其他的優點像是:確保穩定的點火正時、及免保養。

二、電晶體之作用

電晶體簡而言之就是放大的作用,利用小電流來控制大電流,其中小電流就是拾波器所產生的交流電,大電流就是一次側電流。
NPN型電晶體
電晶體詳細作用如下,並以NPN型為例,當訊號送入基極時,此時集極之電流會流向射極,而集極之電流可為基極的數十倍甚至數百倍,因此只要有一微弱之訊號即可控制大的電流。所以它的功能就好像是車上的繼電器一樣,以開關較小的訊號來控制大的電器用器,像是馬達、大燈。

三、拾波訊號的產生
拾波器也可以稱之為小型交流發電機,其原理如下,當鐵心也就是分電盤的中心軸旋轉時,凸部在纏繞線圈的磁鐵中移動,由於電磁感應的原理,將會使得線圈產生微小的電流,如下圖:鐵心與線圈的磁力線關係

磁力線變化最大的地方,就是鐵心剛接近與剛離開時,而這種接近與離開時所產生的電動勢必定為交流的情形,如下圖:磁力線與電動勢兩者的關係
  高速與低速的差異
在高速時磁力線的變化仍只在時間上的壓縮,其波形高度並不變,然而電動勢不僅在時間有所壓縮,而且高速愈高其感應電動勢愈強,稍後將會介紹如果利用這個特性來做閉角的控制。
 
這是示波器所截獲的訊號,左邊是曲軸感知器右邊是凸軸位置感知器

  
這是高速時所產生的訊號

在這裡以HONDA車系的曲軸感知器與凸軸位置感知器為例子,下圖中是分電盤內的感應凸輪部,有四個齒的為凸輪位置感知器用以檢測汽缸位置之點火之用,有很多齒的為曲軸位置用以計數及噴嘴計算之用。
 

但注意看兩者除了齒數不同,形狀也不同,曲軸感知器主要為計數之用(詳細的電腦控制之後將說明到),因此有尖峰訊號即可,但凸輪感知器必須正確判別一次線圈接合的時機,因此有如右圖中的形狀,在切入與切出磁力線時能更為顯明。
下圖是兩個感知器在不同轉速時有產生的電動勢訊號


四、點火訊號的控制


當拾波線圈產生正向訊號時,此時由於D二極體之作用因反向偏壓而不導通,所以形成3的迴路,而經由電阻R的2電流來到基極,並使得電晶體成為ON的狀態,一次線圈開始通電。

當拾波線圈產生負向訊號時,這時拾波有如多了一顆電池與電瓶串聯著,並由於二極體的作用,使得BE間因反向偏壓使得電晶體成為OFF的狀態,所以一次線圈斷電。

所以拾波器以類似交流電如此來回作動著電晶體,在一般的點火系統中就是點火模組,之所以稱作模組,因為裡不知有單一個電晶體而以,而是有許多電子元件所組成,以便控制著更多的功能,像是閉角控制及定電流控制(下節中將會介紹)。


這是三缸引擎的分電盤,由轉軸三個凸輪部可得知,其點火模組與拾波器之連接相關位置


這是引擎儀器所截取的訊號,圖中將可以明顯地了解到電晶體如何控制著點火系統

點火系統理論與實務(三)

一、閉角控制
何謂「閉角」?就是白金閉合的角度或稱白金閉角,如下圖
白金裝置之作用圖
也就是一次線圈通電的時間。在舊型白金點火系統中,閉角是由分電盤凸輪的形狀所決定,因此任何時間下白金閉角都是一定的,唯一能改變的就只有白金間隙,雖是可藉由調整白金間隙來改變閉角,然而卻不能隨時應對引擎轉速。因此隨著轉速的升高閉角時間將會縮短,所以一次線電圈通電的時間也跟著縮短,當一次線圈的電流縮短時,二次電壓能量將隨之減弱,在愈高速愈顯明。

但能否將其控制:低速時閉角較小;高速時閉角增大,以白金裝置而言根本不可能,但以電子點火而言卻是輕而易舉,只要在在點火模組中加閉角控制迴路即可輕易達成這項任務,詳細作用如下:

之前所敘述過拾波器的特性,當轉速增加拾波器所產生的電動勢除了時間上的壓縮之外,其電壓也跟著升高。如圖所示,當拾波訊號產生正向電壓時,由於二極體D2之作用會向電容C充電;之後拾波器產生負向電壓時形同一只電池,由電瓶輸出的電流經過B,在此同時由於電容C放電的作用,Tr會保持ON的狀態,因此轉速愈高時電容C放電時間更長,電晶體ON的時間也跟著增長,所以能將一次線圈通電的時間控制一定。

以下用實際動態的波形來解釋將會更加的明白,下圖中是傳統式的白金點火波形,上方是一次線圈通電的電流值,下方是二次線圈的電壓感應值,由於閉角為固定,當轉速升高時,橫向時間跟著被壓縮,因此閉角時間將隨著轉速升高而減少。



而下圖是電子點火所產生的訊號,同樣的上者為電流值,下者為一次線圈電壓值。經由閉角控制迴路的作用,轉速增加橫向時間壓縮時,其閉角時間仍可維持一定值。

另外,當時轉速的可由下計算得知:
一個完整的點火周期為12.5ms(2.5格x5ms),每秒即有80次(1000÷12.5)
每分鐘即有4800(80x60),而四缸引擎每轉一圈可進行兩次點火
所以當時轉速為4800÷2=2400 RPM

二、定電流控制

在這裡稍微對點火線圈做一下說明,一般點火線圈可分為開放式與封閉式,如下圖:
 
一第從外形即可明確地辨別,開放式多為罐裝式,再者開放式的點火線圈其鐵心在中央,封閉式的鐵心在外圍。由於開放式的線圈磁力線須經由空氣產生迴路,同樣的封閉式的點火線圈,磁力線僅能通過鐵心內部,因此封閉式的線圈匝數可較少,即可達到相同的能量,舉例說明,一般開放式的點火線圈一次電圈的電阻值為2.8Ω,所得到電流為12/2.8=4.3A,而封閉式的點火線圈卻只有0.4Ω,所以電流為12/0.4=30A。

然而在罐式的點火線圈中一次電流最大僅僅能達到4.3A,並隨著轉速增加而減小,不過在外鐵心式的點火線圈其一次電流若沒有經過控制將可能達30A(飽和輸出電流),至少在低速如此,所以會使得點火線圈過熱或損壞。

與閉角控制電路一樣,定電流控制在電子點火中可利用簡易的電路即可達成此一目的,詳細作用如下圖:

當一次線圈開始通電時,Tr1為ON,一次電流將升高,而Vr的電壓也將隨之升高,當它達到一定程度時,Tr2則變為ON,使得Tr1基極電流減少,所以Tr1變成OFF,一次電流的通電便停止了。停止之後Vr變小所以Tr2變成OFF,於是Tr1變為ON,又開始通電了,如此ON-OFF地控制即可將電流固定在一定值。