浅析发动机点火系统发展历程及点火信号波形分析

2022-05-04赵宝平戚志刚

汽车电器 2022年4期

赵宝平，戚志刚

（1.南京交通职业技术学院汽车工程学院，江苏南京 211188；2.南京交通技师学院汽车工程系，江苏南京 210049）

1 点火系统功用及要求

众所周知，发动机是内燃机汽车的动力源，而点火系统则是汽油发动机五大系统之一，号称发动机的“命脉”及生命线。其功用是将汽车电源系统（蓄电池与发电机）供给的12～14V低压直流电转变为20～35kV的高压脉冲电，并按照发动机的作功顺序与点火时间的要求适时、准确地配送至各气缸的火花塞，在其间隙处产生电火花，点燃气缸内的可燃混合气。

对点火系统的要求：能适应发动机不同工况和使用条件的变化，自动调节点火时刻，实现可靠而准确的点火。另外，还能在早期安装分电器的汽油发动机上或车辆更换燃油标号时能够进行人工校准点火时刻。

2 点火系统发展历程

汽油发动机及燃气发动机需采用点火系统点燃气缸内的可燃混合气。目前，常见的点火系统按点火线圈安装的数目分类有双缸同时点火与单缸独立点火两种类型，其中后者应用更广泛。采用单缸独立点火系统时，大部分车型已将点火控制器集成在点火线圈上。

汽油发动机点火系统从传统的由分电器内的断电器（机械触点）控制到现在微机控制大致经历了以下几个阶段。

2.1 断电器（机械触点）控制的传统点火系统

断电器控制的传统点火系统简称为蓄电池传统点火系统，是指由分电器内的断电器（机械触点）控制点火线圈初级绕组（也称为一次绕组或低压绕组，常用L、U、N表达）电流的通断，即搭铁回路的接通与断开。此点火系统主要由：蓄电池、点火开关、点火线圈、分电器、电容器、中央高压线、分缸线、火花塞等组成，如图1所示。

图1 传统点火系统基本组成

2.2 电子点火系统

电子点火系统按点火信号发生器的不同，可分为：电磁感应式、霍尔效应式、光电式、电磁振荡式4种。目前最常见的电子点火系统为电磁感应式、霍尔效应式两种，电子点火系统控制原理如图2所示。

图2 电子点火系统控制原理

2.2.1 电磁感应式电子点火系统

电磁感应式电子点火系统主要由信号传感器（安装在分电器内部）、点火模块、点火线圈、点火开关、蓄电池等组成，如图3所示。

图3 解放CA1091发动机点火系统简图

点火模快接收信号发生器（传感器）的点火电信号（交流信号，波形为正弦波），控制点火线圈初级绕组电流的通断，而信号发生器产生与气缸位置、曲轴转角位置相对应的电信号。

2.2.2 带有分电器的霍尔效应式电子点火系统

图4所示为20世纪80年代上汽大众桑塔纳轿车所采用的霍尔效应式电子点火系统结构组成，主要由分电器（内置信号发生器）、点火控制器、点火线圈、点火开关、蓄电池、火花塞等组成。

图4 桑塔纳轿车电子点火系统结构组成

2.3 微机控制的点火系统

微机控制的发动机点火系统在20世纪80～90年代的车辆上普遍装有分电器，如大众、丰田等车系。近10几年来，随着电子技术的飞速发展，传感器技术在电控发动机上得到了广泛应用，故21世纪现代车辆无论是自然吸气电控汽油发动机还是涡轮增压缸内直喷电控汽油发动机均利用传感器取代了分电器。

由于取消了分电器的应用，现代车辆电控汽油发动机点火系统普遍采用单缸独立点火方式，即一个点火线圈控制一只气缸的火花塞点火，而在2010年之前一汽大众的捷达、上汽大众的桑塔纳、北京现代等品牌轿车仍多采用双火花点火方式，即一个点火线圈控制两只气缸的火花塞同时点火。

目前，各车系发动机点火系统虽然均采用了单缸独立点火系统，但根据点火线圈低压供电电路接线端子数目的不同，分为两线制、三线制、四线制3种形式。由于品牌及车系的差异，各车系发动机点火系统对点火系统的控制策略及设计有所不同，故维修技师对点火线圈或点火控制模块采集到的点火控制信号波形一定是有所差异的。

3 点火系统信号波形解析

本文主要对常见的发动机点火系统两线制、三线制、四线制供电方式的点火线圈点火控制信号波形进行解析。

3.1 两线制供电方式的点火线圈点火控制信号波形分析

图5为北京现代伊兰特轿车G4ED 1.6L电控汽油发动机上部（外观），通过图5可以看出该发动机点火系统的点火线圈为两线制供电方式的（一线15供电、一线控制触发搭铁信号），其点火控制触发信号线均为点火线圈2P插接器的外侧端子，也就是说检测点火控制信号时，需将示波器的通道信号线探针插在该连接器端子的背面，通道线的搭铁端与蓄电池负极电缆进行连接，或将鳄鱼夹夹在可靠的车身金属螺栓上，即可。

图5 北京现代两线制点火线圈（G4ED发动机）信号波形检测

图6为该发动机某气缸的正常点火控制信号波形，通过波形可以得知，该点火线圈初级绕组接通的电压值约为14V，其通电时间约10ms；在初级绕组断电后的自感电动势上升最大值约为60.2V，自感电动势衰减时间约为7ms，其波形为下拉的一个矩形波（方波），根据波形特性可以证明该点火线圈不带点火放大器（也称为点火控制模块或点火器）。

图6 北京现代两线制点火线圈点火触发信号波形

3.2 三线制供电方式的点火线圈触发控制信号波形分析

现以2016款东风标致4008车搭载的1.8T MPI发动机点火系统为例来阐述三线制供电方式点火线圈控制触发信号波形。图7所示为2016款东风标致4008车三线制供电方式的点火线圈外观接线图，图8所示为该车型点火线圈的原厂控制电路图。通过图8可以看出，点火线圈对应连接器的2#与3#端子为初级绕组的首端与末端，其中3#端子为初级绕组的供电端，而2#端子应该作为ECU内部三极管控制信号端，但在电路图中已成为搭铁端，反而将1#端子作为搭铁端的变成控制信号端，显然原厂电路图存在错误。

图7 2016款标致4008车点火线圈外观接线图

图8 2016款东风标致4008车点火线圈控制电路图

正常情况下，点火线圈的工作原理为：初级绕组通电后，产生磁场，由于线圈的互感作用，在ECU内部三极管截止时，即初级绕组断电的瞬间，次级绕组才能产生高压脉冲电。该车单缸点火线圈正常控制电路如图9所示。

图9 该车型点火线圈正常控制电路（NO.4缸）

图10为该车型某气缸点火线圈控制触发信号波形，从波形图上可以看出，该波形与北京现代两线制点火触发信号波形基本一致，只是在点火线圈初级绕组断电后自感电动势峰值方面有所偏低，只有49.9V。通过波形及其点火线圈控制电路图能够看出该点火线圈也不带点火器。当检测出来的波形为一条直线，如图11所示，即低电平（0V），说明点火控制信号线对搭铁短路或点火线圈初级绕组断路；如果检测出来的是一条高电平（14V左右）的直线，如图12所示，说明点火控制信号线断路。

图10 东风标致4008车点火线圈正常点火控制信号波形

图11 FCW/LDW开关及仪表配置信息

图11 点火控制信号线一直处于低电平0V（异常）

图12 点火控制信号线一直处于高电平14V左右（异常）

3.3 四线制供电方式的点火线圈触发控制信号波形分析

四线制供电方式的点火线圈通常都带有点火放大器，即点火控制模块，如上汽大众、一汽大众、奥迪、丰田等车系的点火系统。本文主要介绍一汽大众迈腾轿车、奥迪A4L轿车、丰田卡罗拉轿车及早期生产的双缸同时点火的大众桑塔纳轿车的四线制点火线圈控制触发信号及其控制电路。

3.3.1 大众迈腾B7L点火线圈控制电路及触发信号波形分析

大众迈腾B7L 1.8TSi发动机点火线圈控制电路如图13所示，主要包括：J623发动机控制单元（排水槽内中部），N70带功率输出级的点火线圈1，N127带功率输出级的点火线圈2，N291带功率输出级的点火线圈3，N292带功率输出级的点火线圈4，P火花塞插头，Q火花塞。连接器包括：T4be 4芯插头连接，T4bf 4芯插头连接，T4bg 4芯插头连接，T4bh 4芯插头连接，T14a 14芯插头连接，T60 60芯插头连接，T94 94芯插头连接。大众迈腾B7L点火线圈及其4P连接器外观如图14所示。

图13 大众迈腾B7L 1.8TSi发动机点火线圈控制电路

图14 大众迈腾B7L 1.8TSi发动机点火线圈及其4P连接器外观

通过图13可以看出，无论是点火线圈1还是点火线圈4都有4个端子与外部线路相连接。其中每个点火线圈的1#端子均与SB10熔断丝（20A）相连接，作为点火线圈的15供电电源；每个点火线圈的2#端子均作为点火线圈内部点火器（晶体三极管）的搭铁线（或称为搭铁回路）；每个点火线圈的3#端子均与发动机控制单元—J623相连接，发动机控制单元—J623将按照发动机做功顺序适时地控制各缸点火器的触发信号，以此来对点火线圈初级线圈（L）一次电流的接通与断开。

每个点火线圈的4#端子均作为点火线圈次级线圈（L）的搭铁（即搭铁回路）。而点火线圈次级线圈与4#端子之间串联的二极管，则是为了防止点火线圈初级线圈在通电的瞬间，次级线圈与初级线圈形成的电磁互感应，会产生交流振幅波，次级线圈产生的正向上千伏高电压则会造成误点火，但此时的高电压不是点火所需要的，长期这样误点火，务必对火花塞的使用寿命有所影响。故在次级线圈搭铁回路中串联二极管，通过二极管形成续流通过气缸盖搭铁点释放。次级线圈电流回路的形成：次级线圈→二极管→搭铁（气缸盖搭铁点）→火花塞→次级线圈。

另外，也起到过滤次级线圈感应初期的正向电压及正常点火时的升压作用，同时起到保护功率晶体三极管。

图15所示为大众迈腾B7L点火控制触发信号波形，通过波形可以看出，发动机控制单元J623给点火模块提供的是一个14V左右的高电平下拉的方波信号。

图15 大众迈腾B7L点火线圈（点火模块）正常点火控制信号波形

3.3.2 奥迪A4L轿车点火线圈控制电路及触发信号波形分析

图16为奥迪A4L轿车CDZ 2.0L涡轮增压缸内直喷电控汽油发动机点火线圈控制电路图，控制单元给点火模块一个5V左右的上拉方波信号，如图17所示。

图16 奥迪A4L发动机点火线圈控制电路

图17 奥迪A4L轿车正常点火控制信号波形

通过上述两个大众车系点火触发信号波形可以看出并没有一次绕组自感电动势的存在。这是因为大众迈腾B7L及奥迪A4L轿车点火线圈上都带有点火放大器（功率晶体三极管），发动机控制单元J623只是控制点火放大器的点火控制信号，而点火放大器再对点火线圈初级绕组的电流进行通断控制。

3.3.3 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机点火线圈控制电路及其信号波形分析

丰田卡罗拉1ZR-FE 1.6L电控汽油发动机每个点火线圈的插接器上均有4个接线端子，如图18所示。其中1号端子为供电（ON挡电源或称为IG电源）、4号端子为搭铁（GROUND），3号端子为点火控制信号（IGT），2号端子给ECM提供点火确认信号（IGF）。每个点火线圈的点火确认线通过一个公共点连接后通过一根黄色导线再与发动机控制模块ECM的B31插接器的81#端子（IGF1）连接。

图18 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机点火线圈控制电路

发动机控制单元ECM则根据曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器提供的基准信号以及其它传感器（如冷却液温度传感器、空气流量计、节气门位置传感器等）提供的信号，依据点火脉谱图确定点火正时并向每个点火线圈发送点火控制信号（IGT1至IGT4），IGT信号控制点火线圈内功率晶体管的导通与截止，功率晶体管用于控制接通或切断点火线圈初级绕组的电流。

当ECM输出点火控制IGT信号时，控制点火线圈内的功率晶体管使点火线圈内的初级绕组通电，IGT信号为高电位，如图19所示。然后在切断电流的瞬间，点火线圈内的控制器会产生一个点火确认信号IGF，即方波信号，如图20所示，并反馈至ECM。

图19 由ECM输出的点火控制IGT信号

图20 点火模块产生的点火确认信号IGF

图21所示是采用双通道示波器同时测量第一缸点火线圈的点火控制信号IGT1以及ECM接收到的点火确认信号IGF1的波形图。对应第一缸点火线圈的一个点火控制信号IGT1周期内ECM依次接收到了第一缸、第三缸、第四缸以及第二缸点火线圈输出的点火确认信号波形。

图21 IGT1与IGF1的波形图

注：关闭点火开关至OFF挡位，分别拔下各点火线圈4P插接器，当点火开关置于ON挡位置时，在线束侧4P插接器上测量1#端子（供电端）的电压值应为电源电压12.5V左右、4#端子（搭铁端）的电压值应为0V，3#端子（点火控制信号）电压值应为0V，2#端子（点火确认信号）电压值应为5V左右。

3.3.4 双缸同时点火的四线制点火线圈控制电路及点火信号波形分析

大众车系早期搭载的BYJ、AJR、BJG等四缸电控汽油发动机均采用双缸同时点火的点火线圈（也称为点火能量终端输出级N122），目前很多这样的电控汽油发动机教学台架在职业院校汽车发动机检测与排故教学过程中依然发挥“余热”。大众车系双缸同时点火的点火线圈控制电路简图如图22所示，点火线圈外观如图23所示，其点火控制信号波形如图24所示。