汽车发动机点火系统原理及故障分析摘要：点火系统在发动机上由于工作环境相对于其它系统很恶劣，所以其状态的好坏直接决定着发动机的性能。本文较为详细的介绍了各种点火系统的组成结构、工作原理和控制内容，并针对常见的点火系统故障作了简要分析。关键词： 点火系统 点火正时 故障分析汽油发动机正常工作的三要素：良好的空气-燃油混合气，很高的压缩压力，正确的点火正时及强烈的火花，去点燃空气-燃油混合气，从而实现发动机工作。一、发动机点火系统必备的条件及组成结构（一）、点火系统必备的条件1、强烈电火花 在点火系统中产生的强烈电火花应产生于火花塞电极之间，以便于点燃空气-燃油混合气。因为空气存在空气电阻，这个电阻随空气高度压缩时而增大，所以点火系统必须能产生几万伏的高电压以保证产生强烈火花去点燃空气-燃油混合气。2、正确的点火正时 点火系统必须始终根据发动机的转速和载荷和变化提供正确的点火正时。3、持久的耐用性 点火系统必须具备足够的可靠性以经得住发动机产生的振动和高温。（二）、点火系统的组成：如图-1;直接点火系统组成：如图-2 1、直接点火系统元件构成：（1）曲轴位置传感器：（NE）探测曲轴角度位置（发动机转速）。（2）凸轮轴位置传感器:（G）辨认气缸和行程，并探测凸轮轴正时。（3）节气门位置传感器:（VTA）探测节气门的开启角。（4）空气流量计:（VG/PIM）探测进气量。（5）水温传感器:（THW）探测发动机冷却液温度。（6）带点火器的点火线圈:在最佳正时时，接通和切断初级线圈电流。向发动机ECU发送IGF信号。图1 点火系统的组成图2 直接点火系统的组成（7）爆震传感器:（KNK）探测发动机的爆震。（8）发动机:ECU根据多个传感器发出的信号，产生IGT信号，并将此信号送往带点火器的点火线圈。（9）火花塞：产生电火花，引燃空气-燃油混合气。（10）带点火器的点火线圈：此点火器装置由带点火器的点火线圈所构成的。过去，高压电流是通过高压电线送往气缸内。现在通过使用带有点火器的点火线圈，可将点火线圈直接连接在每个气缸的火花塞上。因点火线圈和火花塞直接连接，使高压电流过的距离缩短，从而电压损失和电磁干扰也减少。这样点火系统的可靠性也得到提高。二、点火系统的控制内容（一）、.点火正时控制的必要性在汽油发动机中，空气燃油混合气被点燃，引起燃烧产生的爆发力推动活塞下行。当最大燃烧爆发力发生在压缩上止点10时，热能可以最有效地转化为推动力。发动机不能在点火的同时产生最大爆发力，反而，在点火时刻稍微往后时发动机能够产生最大的爆发力。因此，为使最大爆发力发生在上止点后10，点火时刻应该有所提前。点火正时的调整可以使发动机随时根据工况在上止点后10产生最大爆发力。因此点火系统必须能够根据工况在正确时刻点燃空气燃油混合气，使发动机能够产生最有效的爆发力。 图3 点火时刻点火系统根据发动机的转速和负荷控制点火正时，以使最大燃烧爆发力发生在上止点后10。现代点火系统使用电子控制点火提前装置（ESA）。图4 点火特性脉谱图（二）、发动机转速控制图5 点火正时与发动机转速考虑到发动机最大燃烧爆发力产生在上止点后10时，有效输出功率最大，当发动机转速1000rpm时，最佳点火正时设定在上止点前10。假设发动机的转速提高2000rpm。而实际上点火延迟时间不管发动机的转速而固定不变。因此，这时曲轴转角比1000rpm时增加了。如果在2000rpm时使用和图（1）中相同的点火正时，则发动机的最大燃烧爆发力将产生在上止点后10以后。因此，为了在2000rpm时使最大燃烧爆发力产生上止点后10,点火正时必须提前以校正最大爆发力时曲轴转角的延迟。图（2）中所示。点火正时的提前过程称为正时提前。点火正时的延迟称为正时延迟。（三）、发动机负荷控制图-6 点火正时与负荷考虑到发动机最大燃烧爆发力发生在上止点后10，低负荷时最佳点火正时设定在上止点前20。随着发动机负荷的增加，空气密度增加，火焰的传播期减小。因此，如果发动机高负荷时使用和图（5）中低负荷时相同的点火正时，则最大燃烧爆发力产生在上止点后10之前。为了使发动机高负荷时最大燃烧爆发力产生在上止点后10，点火正时必须被延迟以校正曲轴转角在图（6）中所示的延迟量。相反，发动机低负荷时，点火正时应当被提前。（但是，发动机怠速时，点火提前量必须保持小或为零，以防止不稳定燃烧。）（四）、爆震控制爆震是由燃烧室中的空气燃油混合气自燃（炽热点火）导致的。点火提前时，更易于产生爆震。过度爆震会对发动机性能产生负影响，比如燃油消耗率差，动力下降。相反，轻微的爆震可以改善燃油消耗率和动力性。目前的点火系统，当爆震传感器检测到爆震时，延迟点火正时。检测不到爆震时，提前点火正时。通过防止发动机产生爆震，改善了动力性和燃油消耗率。图- 7点火提前角与爆震的关系（五）、点火线圈的运行 如图81、流往初级线圈的电流。当发动机运转时，根据发动机ECU输出的点火正时信号（IGT），蓄电池的电流通过点火器流到初级线圈。结果，在线圈周围产生磁力线，此线圈在中心包含一个磁芯。2、电流停止流往初级线圈。当发动机继续运转时，点火器按发动机电子控制单元（ECU）输出的点火正时信号（IGT）快速地停止流往初级线圈的电流。其结果是初级线圈的磁通量开始减小。因此，通过初级线圈的自感和次级线圈的互感，在阻止现存磁通量衰减的方向上产生的电动势（EMF）。自感效应产生约为500V的电动势，而与其相伴的次级线圈互感效应产生约为30KV高压电电动势。这样火花塞就产生火花放电。初级电流切断越迅速，及初级电流值越大，则相应的次级电压也愈高。（六）、点火确认信号（IGF）如下图-9点火器按发动机ECU的IGT信号，精确地中断点火线圈中的初级电流。然后，点火器又按初级电流的电流值，向发动机的ECU输送1个点火确认信号（IGF）。当图8 点火线圈的运行来自点火器的初级电流达到预定值IF1时，IGF信号即被输出。当初级电流超过预定值IF2时，此系统就判定所许的电流量已流过，因而允许IGF信号回至其原来的电压。（IGF信号的波形随发动机型号而不同。）如果发动机ECU未收到IGF信号，则可认定点火系统内存在故障。为防止过热造成的不良影响，发动机ECU停止燃料喷射，并将故障储存在诊断功能中。但是，发动机ECU不能探测次级电流电路中的故障，因此发动机ECU只能监视初级电流电路中的IGF信号。图9 点火确认信号（七）、常见故障分析1、点火正时不准确造成起动困难、不能起动、怠速不稳、加速不良、动力不足、排放超标、回火（点火慢）、爆震（点火快）等故障。2、火花塞所引起的故障间隙间隙太宽，可能会引起缺火，若间隙太窄，可能会引起怠速不稳，并导致电极过早地被烧蚀；绝缘体有裂纹导致点火电压下降。造成怠速不稳、加速不良、排放超标等故障；电极熔化，绝缘体多孔，或绝缘体呈灰白色导致失火。造成怠速不稳、加速不良、排放超标等故障；火花塞积垢导致失火造成怠速不稳、加速不良、排放超标等故障。此故障可能是由于火花塞的热型不对造成的；中心电极烧蚀导致失火。造成怠速不稳、加速不良、排放超标等故障。 3、点火线圈损坏或工作不良导致失火。造成发动机不能起动、怠速不稳、加速不良、排放超标等故障。4、ECU工作不良导致失火。造成发动机不能起动、怠速不稳、加速不良、排放超标等故障。5、点火系统的有关传感器故障起动困难、不能起动、怠速不稳、加速不良、动力不足、排放超标等故障。三、丰田汽车点火系统故障案例分析（一）、一辆丰田皇冠轿车采用的无分电器两缸共一个点火线圈的点火系统，行驶中突然发生无法加油现象，拖回来检查；发动机起动时能勉强着火，怠速严重发抖，踩油门不能提速反而熄火。 先目测发动机外观，没有发现可疑之处。测量汽油压力为274kPa；气缸压力108kPa，校对配气正时，准确；检测电控系统正常。再着车做断火试验，发现第二五缸点火线圈不产生高压火，把它与另一个对换时能产生高压火，测量第二五点火线圈的线束的3条线，一条线有12V电源，但是没有点火信号。这时故障被锁定在影响点火的传感器、线路及控制单元之间。 本着由简到繁的原则，该车有三个传感器确定点火顺序，先测量它们的电阻约200欧姆，用交流电表实测起动时为1.5V；再测量点火的三个传感器和点火放大器的线束每一条到控制单元导通性，良好；脱开点火放大器的线束插头，用起动机转动发动机时，用电压表检查控制单元IGT端子与接地之间的电压，只有两条0.8V。疑点锁定在控制单元了。拆开它的盖，没见有损坏迹象。由于控制单元的价格昂贵，在没有百分之百把握的情况下不能轻易更换的。 但是如果控制单元有问题怎么第二五缸就是没有点火信号呢？重新整理思路，分析此车的故障特点；其他几缸的点火正常，说明传感器可以输入信号到控制单元，并且控制单元也能控制点火线圈跳火，而第二五缸却不点火，这会不会是在这个缸点火因缺少判缸而没有点火呢？测量传感器的电压和阻值只能确定传感器本身的好坏，却忽略了产生信号的转子。拆开发动机前盖，发现曲轴转速传感器的齿断了一个，更换了一个新的转子，着车容易，各工况良好。通过点火系统的基本原理不难解释这样的故障现象：G1线圈产生信号就表示第六缸处于压缩上止点附近，其点火提前角和闭合角由ECU根据NE信号决定，G2信号与G1信号相隔180度，当它产生量即表示第一缸活塞处于上压缩上止点的附近，应完成其点火准备，点火正时也由NE信号决定。NE正时转子有24个齿，它每转一转，产生24个信号波形，每个波形表示NE正时转子角度为15度或发动机曲轴转角30度。这个数值要点火控制中会引起较大误差，为了保持一定的精度，需将这些电压信号整形，再通过转动脉冲发生器，把24个脉冲转变为曲轴一转产生720个脉冲，即转变为0.5度曲轴转角产生一个脉冲。 ECU通过曲轴位置传感器G1、G2、GE信号，向点火器输IGT、IGdA、IGdB三个信号，IGT信号是点火正时信号，而IGdA、IGdB是判缸信号，以确定各缸的点火顺序。而该车在之前维修中人为使NE的转子齿受损，在行驶中转子中一个齿突然断脱，使NE的信号变得不完整，导致第二五缸点火信号没有，同时其他缸的点火和喷油时刻也不是十分准确，所以发动机出现难起动，加油熄火的故障现象。（二）、一款雅力士轿车，在做完保养（更换气门室盖垫、火花塞以及清洗喷油器），行驶10KM后，出现发动机怠速抖动，加速无力。诊断与分析:先用诊断仪调取故障码，并不存在故障码。然后逐一拔下每缸火花塞进行诊断，发现三缸火花塞去掉后发动机工作状况无变化。判断三缸点火有问题，仔细检查火花塞，电极弯曲。更换新的火花塞，故障排除。在总结：在之前保养时，由于不注意碰到了火花塞，电极弯曲，火花能量太小，出现此故障。(三）、一辆丰田凯美瑞轿车，在开空调时有时会熄火，并且还会出现挂档后熄火和加速到17001900rpm时发动机游车的情况，排出的废气汽油味很大。 诊断与分析：检查燃油压力、高压火和火花塞等均正常。用诊断仪读取故障码。显示电控系统工作正常；读取动态数据流，节气门位置传感器信号、空气流量传感器信号和喷油脉宽等均正常，但发动机怠速运转时的点火提前角为0，回到到2000rpm时点火提前角增大到28，这是一个异常值。询问驾驶员后得知，该车因为曲前油封漏油修理过。判断可能因为正时没有对好，拆开后发现正时齿链推迟了一个齿。重新调整后，发动机工作正常，故障排除。（四）、一