第三节 电子点火系统

传统点火系统依靠断电器触点通断点火线圈初级电流，触点工作时的触点火花问题使得这种点火装置不可避免地存在着工作可靠性差、最高次级电压不稳定、点火能量低、对火花塞积炭敏感、对无线电干扰大等缺陷。因此，传统触点式点火系统已不能适应现代汽车发展的要求。

无触点的电子点火系统用晶体管的导通和截止来控制点火线圈初级电流的通断，从而彻底解决了触点火花问题，避免了传统点火系统的种种缺陷。

一、电子点火系统的组成与基本原理

1.电子点火系统的基本组成

电子点火系统的基本组成如图3-16所示。点火线圈初级电流的通断由电子点火器中的晶体管控制，该晶体管工作在开关状态，其导通与截止则是由点火信号发生器产生的电信号控制的。

2.电子点火系统的基本工作原理

当分电器轴转动时，安装在分电器内的点火信号发生器就会产生与发动机曲轴位置相对应的脉冲电压信号，此脉冲电压信号经电子点火器大功率晶体管前置电路处理后，控制大功率开关晶体管的导通或截止，使点火线圈初级电流适时地通断。

图3-16 电子点火系统的基本组成

1—点火信号发生器 2—点火信号 3—电子点火器 4—点火开关 5—点火线圈6—火花塞

当输入的电子点火器的点火脉冲信号电压使大功率开关晶体管导通时，点火线圈初级通路，储存点火能量；当输入电子点火器的点火信号脉冲使开关晶体管截止时，点火线圈初级断路，次级便产生高压，通过配电器及高压导线等将高压送至点火缸火花塞。

相比于触点式点火系统，电子点火系统由点火信号发生器和大功率开关晶体管替代断电器的凸轮和触点，由晶体管的导通和截止通断点火线圈初级电流，其点火性能和工作的可靠性有了很大的提高。

二、电子点火系统部件的结构与原理

无触点分电器总成由点火信号发生器、配电器、点火提前调节器等组成（图3-17），其中配电器、点火提前调节器的结构与触点式分电器相同。

1.点火信号发生器

点火信号发生器的作用是产生与气缸数及曲轴位置相对应的电压信号，用以触发电子点火器工作，及时通断点火线圈初级回路，使次级产生高压。点火信号发生器由信号触发转子和产生信号的定子组成，按信号产生的原理不同分类，有磁感应式、光电式和霍尔效应式等几种。

（1）磁感应式点火信号发生器 磁感应式点火信号发生器的主要组成部件如图3-18所示。永久磁铁、导磁铁心及导磁板、感应线圈等组成定子总成，通常固定在活动底板上，可由真空点火提前装置改变其与分电器轴的相对位置。导磁转子有与发动机气缸数相对应的叶片，它与分电器轴的连接方式则与断电器凸轮相似，工作时，可由离心点火提前装置改变其与分电器轴的相对位置。

永久磁铁经导磁铁心、空气隙和导磁转子构成磁路（图3-18b）。分电器轴转动时，通过离心点火提前调节器带动导磁转子转动，使导磁转子与铁心之间的气隙发生变化，磁路的磁阻随之改变，使通过感应线圈的磁通量发生变化，产生与发动机曲轴位置相对应的感应电压信号（图3-18c）。

磁感应式电子点火信号发生器结构简单、工作可靠，使用较为广泛。由于电磁感应的电压大小会随发动机转速变化而改变，因此，磁感应式点火信号发生器的结构参数和电子点火器电路设计，需要充分考虑在发动机低速时能有足够强的信号电压的同时，还要注意在发动机高速时不至于因信号电压过高而损坏电子点火器中的电子元件。

图3-17 无触点分电器

1—分电器盖 2—分火头 3—防尘罩 4—分电器盖弹簧夹 5—分电器轴 6—点火信号触发转子 7—真空点火提前调节器 8—点火信号发生器定子及托架 9—离心点火提前调节器 10—分电器外壳 11—密封圈12—驱动斜齿轮

图3-18 磁感应式点火信号发生器

a）结构简图 b）工作原理 c）点火信号波形

1—感应线圈 2—永久磁铁 3—导磁转子 4—导磁铁心

呈对称分布的磁感应式点火信号发生器如图3-19所示，盘状永久磁铁的一面为N极，一面为S极，安装在磁铁上端的软铁有6个向上弯曲的极爪，构成定子磁极；导磁转子的6个极爪则向下弯曲，磁感应线圈安装在转子与定子之间，并与转子同心。导磁转子转动时，转子与定子爪极之间的气隙就发生周期性的变化，使通过感应线圈的磁通量也呈周期变化，感应线圈产生与发动机曲轴位置相对应的交变电动势。

图3-19 CA1092型汽车用磁感应式点火信号发生器

a）外形结构 b）内部结构

1—转子轴 2—导磁转子 3—感应线圈 4—定子 5—永久磁铁 6—活动底板 7—固定底板 8—插接器 9—外壳 10—真空点火提前装置

（2）光电式点火信号发生器 光电式点火信号发生器的主要组成部分是发光元件、光敏元件和遮光转子，如图3-20所示。发光元件通入电流后产生光源，光敏元件受光后产生电压，遮光转子有与气缸数相对应的缺口，光源照射到光敏元件的光线受转动的遮光转子控制。

分电器轴转动时，通过离心点火提前装置驱动遮光转子转动，遮光转子缺口周期性地通过光线，使光敏元件周期性受光，光敏元件便产生了与曲轴位置相对应的电压脉冲。

图3-20 光电式点火信号发生器

a）结构简图 b）原理简图

1—分火头 2—发光元件 3—光敏元件 4—遮光转子 5—信号波形

光电式点火信号发生器结构简单，信号电压不受转速影响，工作时需要有直流电源。其最大的缺点是抗污能力较差，发光元件和光敏元件上沾灰或油污就会影响正常的信号电压的产生。为保证其工作可靠性，光电式点火信号发生器的分电器需要有较高的密封性。

（3）霍尔效应式点火信号发生器 霍尔效应式点火信号发生器用霍尔效应产生电压信号，霍尔效应原理如图3-21所示。

将霍尔元件（半导体基片）置于磁场中，并通入一电流，电流的方向与磁场的方向互相垂直，在垂直于电流和磁场的霍尔元件的横向两侧会产生一个与电流和磁感应强度成正比的电压。这种现象称为霍尔效应，这个电压称为霍尔电压，其大小可用下式表示。

图3-21 霍尔效应原理

I—通过霍尔元件的电流 B—磁感应强度 UH—霍尔电压 d—霍尔元件基片厚度

式中RH——霍尔系数；

d——半导体基片的厚度（m）；

I——通过霍尔元件的电流（A）；

B——磁感应强度（T）。

霍尔效应式点火信号发生器流过霍尔元件的电流I固定不变，使磁感应强度B周期性变化来产生脉动电压。霍尔效应式点火信号发生器的组成与原理如图3-22所示。

图3-22 霍尔效应式点火信号发生器的组成和原理

a）结构 b）转子叶片插入时 c）转子叶片离开时

1—导磁转子 2—霍尔集成块 3—信号触发开关 4—永久磁铁 5—导线 6—导磁板

信号触发开关由霍尔集成块2和带导磁板的永久磁铁4组成。霍尔集成块除外层的霍尔元件外，同一基层的其它部分为集成电路（图3-23），用于对霍尔元件产生的微弱电压信号进行放大、整形及温度修正等。导磁转子有与气缸数相同的叶片，与分火头为一体，套装在分电器轴上部。

分电器轴转动时，导磁转子由离心点火提前装置带动而随分电器轴一起转动。当导磁转子的叶片插入信号触发开关的缝隙时，导磁叶片将磁路短路（图3-22b），此时霍尔元件上无磁通量而不产生霍尔电压；当导磁转子的缺口通过时，磁路经空气隙、导磁板、霍尔元件形成闭合回路（图3-22c），霍尔元件上的磁通量加强而产生霍尔电压。分电器轴转一圈，霍尔元件产生与气缸数相同的霍尔电压脉冲，再经集成电路的整形、放大后输出与霍尔电压脉冲反相的方波电压脉冲。

图3-23 霍尔集成块电路框图

霍尔效应式点火信号发生器精度高、耐久性好、信号电压较为稳定，已有较多的应用。

2.电子点火器

电子点火器的基本功能是在输入点火信号的触发下工作，及时通断点火线圈初级电流，使点火线圈次级适时地产生高压。为进一步提高点火系统点火性能及工作的安全可靠性，一些电子点火系统的电子点火器增加了闭合角可控功能电路、初级回路电阻控制电路、停车断电保护电路、过压断电保护电路、低速推迟点火功能电路等。

不同汽车上使用的电子点火器其功能不完全一致，结构形式也多种多样，下面以典型的实例说明电子点火器的作用与原理。

（1）分立元件的电子点火器 典型的电子点火器一例如图3-24所示。该电子点火器还具有闭合角可控、发动机停机自动断电、初级电流稳定控制等功能电路。

图3-24 典型的电子点火器电路原理

1—点火信号感应线圈 2—点火开关 3—火花塞 4—点火线圈

1）点火控制工作过程。本例点火信号发生器为磁感应式，VT1为触发管，VT2起放大作用，复合管VT3为大功率开关晶体管，用于通断初级电流。电子点火器根据输入的点火信号脉冲控制点火的原理如下。

当点火信号负脉冲输入时，信号电流流经VD3、R2、VD2、R1，VD3的正向导通电压降使VT1处于反向偏压而截止。VT1截止时，其P点的电位升高，使VT2导通，给VT3提供了正向偏压，使VT3导通。这时，点火线圈初级通路，初级电流增长，此为点火线圈的储能过程。

当点火信号正脉冲输入时，VT1获得正向偏压而导通，信号电流经R1、VD1、R2、VT1发射结形成通路。VT1导通后使P点电位下降，并使VT2失去正向偏压而截止，VT3也随之无正向偏压而截止，使点火线圈初级断流，次级产生高压。

2）闭合角可控电路原理。在电子点火系统中，闭合角是指点火线圈初级通路的相对时间（初级通路时间/初级通断周期）。闭合角可控是要使点火线圈初级通路的相对时间随发动机转速的升高而增大，以保证发动机在高速时点火线圈初级仍有时间形成足够大的初级电流。

闭合角可控电路由VD5、C2、R3组成。在点火信号正脉冲时，信号电流同时对电容C2充电，充电电路为：e+→R1→VD1→VD5→C2→VT1发射结→e-。而当信号正脉冲消失时，C2放电。放电电路：C2+→R3→VD2→R1→点火信号发生器感应线圈→VD3→C2-。在C2放电时，使VT1反向偏压而保持截止、VT2和VT3保持导通、初级线圈保持通路。发动机转速升高时，信号正脉冲电压随之升高，C2的充电电压也随之升高，正信号脉冲消失后C2的放电时间延长，VT1的截止时间也就相对增加了，也即增加了点火线圈初级通路的相对时间。

3）发动机停转断电保护。当发动机熄火时，如果点火开关仍然接通，这时电源通过R4向VT1提供正向偏压而使VT1导通，VT2、VT3截止，于是，点火线圈初级处于断路状态，避免了蓄电池向点火线圈持续放电而白白消耗电能和烧坏点火线圈及晶体管的可能。

4）初级电流稳定控制。在工作中，蓄电池的电压波动很大。初级回路的电阻、电感参数设计必须保证在蓄电池电压较低时能有足够大的初级电流，这会造成蓄电池电压较高时的初级电流过大，导致点火线圈的温度过高。

R8、VD6组成的反馈电路起电源电压波动时的初级稳定电流控制作用。当电源电压上升时，VT3在截止状态下的集电极电位也随之升高，通过R8、VD6的反馈作用，增加了VT1的饱和导通深度，在信号负脉冲时VT1由导通转向截止变得迟缓，这样就减少了VT1相对的截止时间，也即减少了VT3的相对导通时间，以使点火线圈初级电流不随电源电压的上升而增大。

5）初级回路电阻可变控制。初级回路的等效电阻可变控制也是用来实现初级电流的稳定控制，它与闭合角可控电路结合，可实现初级电流恒定控制。

初级回路等效电阻可变控制电路由VT4、R8、R9组成。当点火线圈初级电流增大到某一限定值时，A点的电位上升至使VT4导通，VT4导通后使VT3的基极电位下降，其基极电流减小，集电极电流（即点火线圈初级电流）就受到了一定的限制。初级电流越大，A点的电位就越高，VT4的导通深度就增加，使VT3的基极电流下降得就更多，对初级电流的限制作用也就更大。

由于是通过电流反馈的形式来实现初级回路等效电阻的控制，因此，不仅可使初级电流不因电源电压的上升而过大，还可以在发动机转速变化时起稳定初级电流的作用。

（2）集成电路电子点火器 集成电路电子点火器是将大功率晶体管以外的电子电路用集成块代替，配以所需的外围电路组成电子点火器。这种专用的点火集成模块一般功能较全，性能良好，工作可靠性好，且体积小，价格较低，在汽车上使用已较为普遍。现以典型的L497点火集成模块所组成的电子点火器为例，介绍集成电路电子点火器的结构形式与工作原理。

L497集成块的内部电路及引出脚的排列如图3-25所示，国产桑塔纳轿车电子点火系统用L497集成块组成的电子点火电路如图3-26所示。

1）基本点火控制。霍尔效应式点火信号发生器产生的点火触发脉冲从电子点火器的⑥、③端子输入。当点火信号发生器输出正脉冲（信号转子叶片插入缝隙）时，集成电路的5脚为高电位，经内部电路的处理后，使14脚输出高电平，大功率开关晶体管VT导通，接通点火线圈初级回路。当点火信号发生器输出负脉冲（信号转子叶片离开缝隙）时，集成电路5脚为低电位，内部电路使14输出低电位，VT截止，点火线圈初级回路断路，次级绕组产生高压。

图3-25 L497点火集成模块

a）内部电路框图 b）引出脚排列

图3-26 桑塔纳轿车用L497集成块组成的电子点火器电路

2）闭合角控制电路

①闭合角控制电路的组成与作用：闭合角控制电路由两部分组成，第一部分由L497集成块与10脚电容CT、12脚偏流电阻R7组成一闭合角基准定时电路。当霍尔电压信号为高电平时，CT以一恒定的电流IT充电，其电压UT上升（图3-27b），调节偏流电阻R7可调整IT值。第二部分由L497集成块与11脚电容CW、12脚电阻R7组成一闭合角控制和调整电路。当霍尔信号电压为低电平时，CW以恒定的电流IW放电，其电压UW下降（图3-27b），而当初级电流达到限定值时CW则开始充电。当CT、CW的充、放电达到UT=UW（图3-27b两曲线相交）时，内部控制开关使驱动级立即工作，VT立即导通，接通初级电路。可见，点火线圈初级通路的起始点由CT、CW的充、放电电压达到一致的时间控制。CW的电压取决于发动机的转速和集成块的工作电压，于是，该电路可在发动机转速变化和电源电压波动时，起初级电流稳定的作用。

②转速变化初级电流稳定控制原理：当发动机转速上升时，初级电流达到限定值后的限流时间t2缩短，CW的充电电压降低，CW放电时达到UT=UW点提前（UW曲线下移），使初级通路提前（闭合角增大）；当发动机转速下降时，则有相反的变化。因此，闭合角控制电路根据发动机转速的变化自动调整下一周期的初级通路起始点，从而使初级通路时间tb基本上保持稳定不变。

③电源电压变化初级电流稳定控制原理：当电源电压升高时，CW的充电电压也会升高，CW放电时达到UT=UW点推迟（UW曲线上移），使初级通路推迟（闭合角减小）；当电源电压下降时，则作出相反的调整。因此，当电源电压变化、初级电流的上升速率变化时，闭合角控制电路通过自动调整闭合角，使初级电流基本保持稳定。

3）电流上升率控制。电流上升率控制电路由L497集成块与8脚电容器CSRC、偏值电阻R7组成，该电路可调整点火线圈初级电流由0上升到峰值的速率。当电路检测到初级电流小于额定值的94%时，控制电路会在输入信号正脉冲消失前将初级电流的上升速率加大，以增大初级电流。

图3-27 闭合角控制波形图

a）霍尔信号发生器输出电压波形 b）CT、CW充放电电压波形 c）初级电流波形 t2—初级电流达限定值的持续时间 tb—初级通路的时间

4）发动机停转断电保护。发动机停转但点火开关未关断时，如霍尔点火信号发生器输出高电平（信号转子叶片插入缝隙），就会使点火线圈持续通路而对点火线圈、蓄电池及电子点火器等不利。为此，设置了发动机停转断电保护电路。该电路由L497集成块、9脚的CP及R7等元件组成，基准导通时间（ms）为tP=16CPR7。工作时，保护电路不停地检测输入的点火信号电压，信号脉冲高电平时对CP充电，信号脉冲低电平时CP放电。如果在发动机停转时霍尔电压为高电平，CP充电持续时间超过了tP时，CP上的电压就会达到限流回路模块的阈值工作电压，控制回路就会使点火线圈初级电流逐步下降为0。

5）初级电流限制。该电路由L497和RS、R10、R11等组成。RS为点火线圈初级电流的采样电阻，通过RS的电流除初级电流外，还有VT的基极电流（14脚的电流），当初级电流上升至限定值（桑塔纳轿车为7.5A），RS上的电压降达到L497内部限流电路的比较电压时，控制回路就使VT的基级电流减小，使之从饱和导通状态进入放大导通状态，从而限制了初级电流。调整R10、R11的比值，可改变初级电流的限流值。

三、电容储能式电子点火系统简介

1.电容储能式电子点火系统的组成

电容储能式电子点火系统的基本组成如图3-28所示。

图3-28 电容储能式电子点火系统的基本组成

1—振荡器 2—晶闸管触发电路 3—点火信号发生器 C—储能电容

（1）直流升压器 直流升压器由振荡器、变压器、整流器三部分组成，用于将电源的低压直流电转变成400V左右的直流电。其中，振荡器用于将电源12V的直流电转变成交流电；变压器则将振荡器产生的低压交流电升压为300～500V左右的交流电；整流器将变压器输出的交流电变为400V左右的直流电，并向储能电容充电。

（2）储能电容 储能电容用于储存点火能量，并在需要点火时向点火线圈初级绕组放电，使点火线圈次级产生高压。

（3）晶闸管 晶闸管的作用是在非点火时间里，隔断储能电容与点火线圈的连接，以使直流升压器能迅速将电容充足电；在点火触发信号输入时，则迅速导通，让储能电容及时向点火线圈初级绕组放电，使点火线圈次级产生高压。

（4）晶闸管触发电路 晶闸管触发电路的作用是根据点火信号发生器的点火信号产生触发脉冲，使晶闸管能迅速导通，而在非点火时间，则保持晶闸管的控制极为零电位或负电位。

2.电容储能式电子点火系统的基本工作原理

（1）点火线圈储能过程 接通点火开关，振荡器便开始工作，将电源的低压直流电转变为变压器初级的低压交流电，经变压器升压，变压器的次级输出400V左右的交流电，再经整流器整流后，成为400V左右的直流电，并向储能电容充电。这就是电容储能式点火系统的储能过程，只要接通点火开关，储能过程便不停地进行着，不受点火信号的控制。

（2）点火线圈次级产生高压过程 当点火信号输入时，触发电路便产生一个触发脉冲，使晶闸管迅速导通，储能电容便向点火线圈初级绕组放电。在点火线圈初级通路，初级电流迅速增长的同时，点火线圈次级绕组产生很高的互感电动势，并使火花塞电极两端的电压迅速升高直到跳火。

由上可知，与电感储能式点火系统不同的是，电容储能式电子点火系统在点火开关接通时，就随时进行着储能过程；在点火线圈初级绕组通电的瞬间，次级产生高压。

3.电容储能式电子点火系统的特点

相比于电感储能式点火系统，电容储能方式点火具有如下特点。

（1）最高次级电压稳定 储能电容的充电电压高，充足电的时间极短，晶闸管的导通速率又极高，因此，次级电压几乎不受发动机转速的影响。这一特性使得电容储能式点火系统特别适用于高速发动机。

（2）对火花塞积炭不敏感 次级电压上升速率高，一般在3～20μs，因此，次级回路有漏电对最高次级电压影响很小。也就是说，电容储能式点火系统对火花塞积炭不敏感，在火花塞有积炭、高压回路有漏电（不很严重）的情况下，仍能保持良好的点火性能。

（3）点火线圈的工作温度低 由于电容储能方式只是在点火的瞬间有较大的电流通过点火线圈，而在其它的时间里点火线圈不通电流，因此，点火线圈的平均电流小，其工作温度低，使用寿命长。

（4）低速时点火系统能耗低 电容储能方式其电能的消耗随发动机转速的增加而增加，而在发动机怠速时电能消耗最少。这一特点对蓄电池极为有利，因为在发动机怠速时，往往需要蓄电池提供电能。

（5）能量损失小 整个储能过程能量损失小，点火线圈的能量转换效率高。

（6）火花的持续时间短 电容储能式电子点火系统的火花持续时间一般为1～50μs（电感储能式为1～2ms）。太短的点火时间会造成在发动机起动和低速时电火花难以点燃混合气，使发动机不能正常工作，甚至于熄火。这一缺点正是电容储能式点火系统在普通发动机上使用很少的原因所在。