淺析發(fā)動機點火系統(tǒng)發(fā)展歷程及點火信號波形分析

趙寶平，戚志剛

（1.南京交通職業(yè)技術學院汽車工程學院，江蘇 南京 211188；2.南京交通技師學院汽車工程系，江蘇 南京 210049）

1 點火系統(tǒng)功用及要求

眾所周知，發(fā)動機是內(nèi)燃機汽車的動力源，而點火系統(tǒng)則是汽油發(fā)動機五大系統(tǒng)之一，號稱發(fā)動機的“命脈”及生命線。其功用是將汽車電源系統(tǒng)（蓄電池與發(fā)電機）供給的12～14V低壓直流電轉變?yōu)?0～35kV的高壓脈沖電，并按照發(fā)動機的作功順序與點火時間的要求適時、準確地配送至各氣缸的火花塞，在其間隙處產(chǎn)生電火花，點燃氣缸內(nèi)的可燃混合氣。

對點火系統(tǒng)的要求：能適應發(fā)動機不同工況和使用條件的變化，自動調節(jié)點火時刻，實現(xiàn)可靠而準確的點火。另外，還能在早期安裝分電器的汽油發(fā)動機上或車輛更換燃油標號時能夠進行人工校準點火時刻。

2 點火系統(tǒng)發(fā)展歷程

汽油發(fā)動機及燃氣發(fā)動機需采用點火系統(tǒng)點燃氣缸內(nèi)的可燃混合氣。目前，常見的點火系統(tǒng)按點火線圈安裝的數(shù)目分類有雙缸同時點火與單缸獨立點火兩種類型，其中后者應用更廣泛。采用單缸獨立點火系統(tǒng)時，大部分車型已將點火控制器集成在點火線圈上。

汽油發(fā)動機點火系統(tǒng)從傳統(tǒng)的由分電器內(nèi)的斷電器（機械觸點）控制到現(xiàn)在微機控制大致經(jīng)歷了以下幾個階段。

2.1 斷電器（機械觸點）控制的傳統(tǒng)點火系統(tǒng)

斷電器控制的傳統(tǒng)點火系統(tǒng)簡稱為蓄電池傳統(tǒng)點火系統(tǒng)，是指由分電器內(nèi)的斷電器（機械觸點）控制點火線圈初級繞組（也稱為一次繞組或低壓繞組，常用L、U、N表達）電流的通斷，即搭鐵回路的接通與斷開。此點火系統(tǒng)主要由：蓄電池、點火開關、點火線圈、分電器、電容器、中央高壓線、分缸線、火花塞等組成，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)點火系統(tǒng)基本組成

2.2 電子點火系統(tǒng)

電子點火系統(tǒng)按點火信號發(fā)生器的不同，可分為：電磁感應式、霍爾效應式、光電式、電磁振蕩式4種。目前最常見的電子點火系統(tǒng)為電磁感應式、霍爾效應式兩種，電子點火系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 電子點火系統(tǒng)控制原理

2.2.1 電磁感應式電子點火系統(tǒng)

電磁感應式電子點火系統(tǒng)主要由信號傳感器（安裝在分電器內(nèi)部）、點火模塊、點火線圈、點火開關、蓄電池等組成，如圖3所示。

圖3 解放CA1091發(fā)動機點火系統(tǒng)簡圖

點火模快接收信號發(fā)生器 （傳感器）的點火電信號（交流信號，波形為正弦波），控制點火線圈初級繞組電流的通斷，而信號發(fā)生器產(chǎn)生與氣缸位置、曲軸轉角位置相對應的電信號。

2.2.2 帶有分電器的霍爾效應式電子點火系統(tǒng)

圖4所示為20世紀80年代上汽大眾桑塔納轎車所采用的霍爾效應式電子點火系統(tǒng)結構組成，主要由分電器（內(nèi)置信號發(fā)生器）、點火控制器、點火線圈、點火開關、蓄電池、火花塞等組成。

圖4 桑塔納轎車電子點火系統(tǒng)結構組成

2.3 微機控制的點火系統(tǒng)

微機控制的發(fā)動機點火系統(tǒng)在20世紀80～90年代的車輛上普遍裝有分電器，如大眾、豐田等車系。近10幾年來，隨著電子技術的飛速發(fā)展，傳感器技術在電控發(fā)動機上得到了廣泛應用，故21世紀現(xiàn)代車輛無論是自然吸氣電控汽油發(fā)動機還是渦輪增壓缸內(nèi)直噴電控汽油發(fā)動機均利用傳感器取代了分電器。

由于取消了分電器的應用，現(xiàn)代車輛電控汽油發(fā)動機點火系統(tǒng)普遍采用單缸獨立點火方式，即一個點火線圈控制一只氣缸的火花塞點火，而在2010年之前一汽大眾的捷達、上汽大眾的桑塔納、北京現(xiàn)代等品牌轎車仍多采用雙火花點火方式，即一個點火線圈控制兩只氣缸的火花塞同時點火。

目前，各車系發(fā)動機點火系統(tǒng)雖然均采用了單缸獨立點火系統(tǒng)，但根據(jù)點火線圈低壓供電電路接線端子數(shù)目的不同，分為兩線制、三線制、四線制3種形式。由于品牌及車系的差異，各車系發(fā)動機點火系統(tǒng)對點火系統(tǒng)的控制策略及設計有所不同，故維修技師對點火線圈或點火控制模塊采集到的點火控制信號波形一定是有所差異的。

3 點火系統(tǒng)信號波形解析

本文主要對常見的發(fā)動機點火系統(tǒng)兩線制、三線制、四線制供電方式的點火線圈點火控制信號波形進行解析。

3.1 兩線制供電方式的點火線圈點火控制信號波形分析

圖5為北京現(xiàn)代伊蘭特轎車G4ED 1.6L電控汽油發(fā)動機上部（外觀），通過圖5可以看出該發(fā)動機點火系統(tǒng)的點火線圈為兩線制供電方式的（一線15供電、一線控制觸發(fā)搭鐵信號），其點火控制觸發(fā)信號線均為點火線圈2P插接器的外側端子，也就是說檢測點火控制信號時，需將示波器的通道信號線探針插在該連接器端子的背面，通道線的搭鐵端與蓄電池負極電纜進行連接，或將鱷魚夾夾在可靠的車身金屬螺栓上，即可。

圖5 北京現(xiàn)代兩線制點火線圈（G4ED發(fā)動機）信號波形檢測

圖6為該發(fā)動機某氣缸的正常點火控制信號波形，通過波形可以得知，該點火線圈初級繞組接通的電壓值約為14V，其通電時間約10ms；在初級繞組斷電后的自感電動勢上升最大值約為60.2V，自感電動勢衰減時間約為7ms，其波形為下拉的一個矩形波（方波），根據(jù)波形特性可以證明該點火線圈不帶點火放大器（也稱為點火控制模塊或點火器）。

圖6 北京現(xiàn)代兩線制點火線圈點火觸發(fā)信號波形

3.2 三線制供電方式的點火線圈觸發(fā)控制信號波形分析

現(xiàn)以2016款東風標致4008車搭載的1.8T MPI發(fā)動機點火系統(tǒng)為例來闡述三線制供電方式點火線圈控制觸發(fā)信號波形。圖7所示為2016款東風標致4008車三線制供電方式的點火線圈外觀接線圖，圖8所示為該車型點火線圈的原廠控制電路圖。通過圖8可以看出，點火線圈對應連接器的2#與3#端子為初級繞組的首端與末端，其中3#端子為初級繞組的供電端，而2#端子應該作為ECU內(nèi)部三極管控制信號端，但在電路圖中已成為搭鐵端，反而將1#端子作為搭鐵端的變成控制信號端，顯然原廠電路圖存在錯誤。

圖7 2016款標致4008車點火線圈外觀接線圖

圖8 2016款東風標致4008車點火線圈控制電路圖

正常情況下，點火線圈的工作原理為：初級繞組通電后，產(chǎn)生磁場，由于線圈的互感作用，在ECU內(nèi)部三極管截止時，即初級繞組斷電的瞬間，次級繞組才能產(chǎn)生高壓脈沖電。該車單缸點火線圈正常控制電路如圖9所示。

圖9 該車型點火線圈正常控制電路（NO.4缸）

圖10為該車型某氣缸點火線圈控制觸發(fā)信號波形，從波形圖上可以看出，該波形與北京現(xiàn)代兩線制點火觸發(fā)信號波形基本一致，只是在點火線圈初級繞組斷電后自感電動勢峰值方面有所偏低，只有49.9V。通過波形及其點火線圈控制電路圖能夠看出該點火線圈也不帶點火器。當檢測出來的波形為一條直線，如圖11所示，即低電平 （0V），說明點火控制信號線對搭鐵短路或點火線圈初級繞組斷路；如果檢測出來的是一條高電平（14V左右）的直線，如圖12所示，說明點火控制信號線斷路。

圖10 東風標致4008車點火線圈正常點火控制信號波形

圖11 FCW/LDW開關及儀表配置信息

圖11 點火控制信號線一直處于低電平0V（異常）

圖12 點火控制信號線一直處于高電平14V左右（異常）

3.3 四線制供電方式的點火線圈觸發(fā)控制信號波形分析

四線制供電方式的點火線圈通常都帶有點火放大器，即點火控制模塊，如上汽大眾、一汽大眾、奧迪、豐田等車系的點火系統(tǒng)。本文主要介紹一汽大眾邁騰轎車、奧迪A4L轎車、豐田卡羅拉轎車及早期生產(chǎn)的雙缸同時點火的大眾桑塔納轎車的四線制點火線圈控制觸發(fā)信號及其控制電路。

3.3.1 大眾邁騰B7L點火線圈控制電路及觸發(fā)信號波形分析

大眾邁騰B7L 1.8TSi發(fā)動機點火線圈控制電路如圖13所示，主要包括：J623發(fā)動機控制單元（排水槽內(nèi)中部），N70帶功率輸出級的點火線圈1，N127帶功率輸出級的點火線圈2，N291帶功率輸出級的點火線圈3，N292帶功率輸出級的點火線圈4，P火花塞插頭，Q火花塞。連接器包括：T4be 4芯插頭連接，T4bf 4芯插頭連接，T4bg 4芯插頭連接，T4bh 4芯插頭連接，T14a 14芯插頭連接，T60 60芯插頭連接，T94 94芯插頭連接。 大眾邁騰B7L點火線圈及其4P連接器外觀如圖14所示。

圖13 大眾邁騰B7L 1.8TSi發(fā)動機點火線圈控制電路

圖14 大眾邁騰B7L 1.8TSi發(fā)動機點火線圈及其4P連接器外觀

通過圖13可以看出，無論是點火線圈1還是點火線圈4都有4個端子與外部線路相連接。其中每個點火線圈的1#端子均與SB10熔斷 絲 （20A） 相 連接，作為點火線圈的15供電電源；每個點火線圈的2#端子均作為點火線圈內(nèi)部點火器 （晶體三極管）的搭鐵線（或稱為搭鐵回路）；每個點火線圈的3#端子均與發(fā)動機控制單元—J623相連接，發(fā)動機控制單元—J623將按照發(fā)動機做功順序適時地控制各缸點火器的觸發(fā)信號，以此來對點火線圈初級線圈（L）一次電流的接通與斷開。

每個點火線圈的4#端子均作為點火線圈次級線圈（L）的搭鐵（即搭鐵回路）。而點火線圈次級線圈與4#端子之間串聯(lián)的二極管，則是為了防止點火線圈初級線圈在通電的瞬間，次級線圈與初級線圈形成的電磁互感應，會產(chǎn)生交流振幅波，次級線圈產(chǎn)生的正向上千伏高電壓則會造成誤點火，但此時的高電壓不是點火所需要的，長期這樣誤點火，務必對火花塞的使用壽命有所影響。故在次級線圈搭鐵回路中串聯(lián)二極管，通過二極管形成續(xù)流通過氣缸蓋搭鐵點釋放。次級線圈電流回路的形成：次級線圈→二極管→搭鐵（氣缸蓋搭鐵點）→火花塞→次級線圈。

另外，也起到過濾次級線圈感應初期的正向電壓及正常點火時的升壓作用，同時起到保護功率晶體三極管。

圖15所示為大眾邁騰B7L點火控制觸發(fā)信號波形，通過波形可以看出，發(fā)動機控制單元J623給點火模塊提供的是一個14V左右的高電平下拉的方波信號。

圖15 大眾邁騰B7L點火線圈（點火模塊）正常點火控制信號波形

3.3.2 奧迪A4L轎車點火線圈控制電路及觸發(fā)信號波形分析

圖16為奧迪A4L轎車CDZ 2.0L渦輪增壓缸內(nèi)直噴電控汽油發(fā)動機點火線圈控制電路圖，控制單元給點火模塊一個5V左右的上拉方波信號，如圖17所示。

圖16 奧迪A4L發(fā)動機點火線圈控制電路

圖17 奧迪A4L轎車正常點火控制信號波形

通過上述兩個大眾車系點火觸發(fā)信號波形可以看出并沒有一次繞組自感電動勢的存在。這是因為大眾邁騰B7L及奧迪A4L轎車點火線圈上都帶有點火放大器（功率晶體三極管），發(fā)動機控制單元J623只是控制點火放大器的點火控制信號，而點火放大器再對點火線圈初級繞組的電流進行通斷控制。

3.3.3 豐田卡羅拉1ZR-FE發(fā)動機點火線圈控制電路及其信號波形分析

豐田卡羅拉1ZR-FE 1.6L電控汽油發(fā)動機每個點火線圈的插接器上均有4個接線端子，如圖18所示。其中1號端子為供電 （ON擋電源或稱為IG電源）、4號端子為搭鐵（GROUND），3號端子為點火控制信號（IGT），2號端子給ECM提供點火確認信號（IGF）。每個點火線圈的點火確認線通過一個公共點連接后通過一根黃色導線再與發(fā)動機控制模塊ECM的B31插接器的81#端子（IGF1）連接。

圖18 豐田卡羅拉1ZR-FE發(fā)動機點火線圈控制電路

發(fā)動機控制單元ECM則根據(jù)曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器提供的基準信號以及其它傳感器（如冷卻液溫度傳感器、空氣流量計、節(jié)氣門位置傳感器等）提供的信號，依據(jù)點火脈譜圖確定點火正時并向每個點火線圈發(fā)送點火控制信號（IGT1至IGT4），IGT信號控制點火線圈內(nèi)功率晶體管的導通與截止，功率晶體管用于控制接通或切斷點火線圈初級繞組的電流。

當ECM輸出點火控制IGT信號時，控制點火線圈內(nèi)的功率晶體管使點火線圈內(nèi)的初級繞組通電，IGT信號為高電位，如圖19所示。然后在切斷電流的瞬間，點火線圈內(nèi)的控制器會產(chǎn)生一個點火確認信號IGF，即方波信號，如圖20所示，并反饋至ECM。

圖19 由ECM輸出的點火控制IGT信號

圖20 點火模塊產(chǎn)生的點火確認信號IGF

圖21所示是采用雙通道示波器同時測量第一缸點火線圈的點火控制信號IGT1以及ECM接收到的點火確認信號IGF1的波形圖。對應第一缸點火線圈的一個點火控制信號IGT1周期內(nèi)ECM依次接收到了第一缸、第三缸、第四缸以及第二缸點火線圈輸出的點火確認信號波形。

圖21 IGT1與IGF1的波形圖

注：關閉點火開關至OFF擋位，分別拔下各點火線圈4P插接器，當點火開關置于ON擋位置時，在線束側4P插接器上測量1#端子（供電端）的電壓值應為電源電壓12.5V左右、4#端子（搭鐵端）的電壓值應為0V，3#端子（點火控制信號）電壓值應為0V，2#端子（點火確認信號）電壓值應為5V左右。

3.3.4 雙缸同時點火的四線制點火線圈控制電路及點火信號波形分析

大眾車系早期搭載的BYJ、AJR、BJG等四缸電控汽油發(fā)動機均采用雙缸同時點火的點火線圈（也稱為點火能量終端輸出級N122），目前很多這樣的電控汽油發(fā)動機教學臺架在職業(yè)院校汽車發(fā)動機檢測與排故教學過程中依然發(fā)揮“余熱”。大眾車系雙缸同時點火的點火線圈控制電路簡圖如圖22所示，點火線圈外觀如圖23所示，其點火控制信號波形如圖24所示。

圖22 大眾車系雙缸同時點火的點火線圈控制電路

圖23 大眾車系雙缸同時點火的點火線圈外觀

圖24 雙缸同時點火的點火模塊控制信號實測波形

通過圖22可以得知，點火線圈的2#端子為供電電源（15電），4#端子為搭鐵線，1#、3#端子與ECU相連接，分別作為點火模塊NO.1、4缸及NO.2、3缸的點火控制信號線。

4 結束語

通過上述多車型點火系統(tǒng)信號波形檢測比較，可以發(fā)現(xiàn)不帶點火控制模塊的點火線圈點火信號波形特征為一個14V左右的方波信號，且有自感電動勢的存在，而帶點火模塊的點火線圈，其點火信號波形同樣為5V或14V方波信號，但都不帶自感電動勢。