第6单元 发动机电气系统
课文A 充电、起动和点火系统
1.充电系统
充电系统利用发动机的转动来产生电流。这种电流能为蓄电池充电并提供操纵各种汽车电气系统的电能。现代汽车充电系统由发电机和调节器所组成。
1）发电机
发电机是一种带传动的电磁装置。发动机起动之后，发电机产生的电流能够满足车辆的需要，并保持蓄电池处于充足电状态。现代汽车上有许多电路，这些电路对电气系统形成大负载。由于许多车辆在拥挤的城市行驶，这使它很难以保持蓄电池处于充足电状态。因此，发电机必须在所有转速时，都具有极高的工作效率。
在怠速时，转子转动速度相对较慢，发电机能够满足汽车电气系统的需要。在正常车速时，发电机会产生的电压和电流比需要量高得多。为了保护发电机和其余电气系统不受损害，必须有一种降低输出的措施。
2）电压调节器
为了降低发电机输出电压，采用了电压调节器。电压调节器通过调整流经转子的电流的大小来控制发电机的输出电压。这就控制了定子绕组的磁场强度。电压调节器通过识读发电机的输出电压的方法对磁场强度进行控制。如果输出电压太高，调节器就会降低磁场强度；如果输出电压降下来，调节器就会增加磁场强度。
（1）电磁振动式电压调节器
老式的电压调节器使用了由电磁线圈控制的触点。这些电压调节器被称为电磁振动式电压调节器。
（2）电子式电压调节器（EVR）
最近15年内所生产的所有汽车都采用了电子式电压调节器。电子式电压调节器采用功率晶体管、集成电路、二极管以及其他的控制发电机输出的固态电路。电子式电压调节器去掉了容易发生粘结、氧化、磨损的触点和运动部件。有些电子式电压调节器采用远距离安装。然而，电子式电压调节器的特点是可靠性、耐久性好，并且体积小，足以装在发电机内。
（3）内装式电子调节器的工作原理
图6-1给出了采用内装式电子调节器的充电系统电路。一个来自定子线圈的小电流经过二极管（三件套）到达调节器，从而使充电指示灯两侧的电压相等，指示灯熄灭，同时电流企图经过R3搭铁。
当定子电压达到一定值时，经过R3而搭铁的电压将增加到足以使整流二极管D1导通的程度。正向偏置（沿着产生电流的方向加的电压）的晶体管TR2导通，而晶体管TR3反向偏置而截止。随着TR1的截止，磁场电流和系统电压立即下降。
当系统电压下降时，经过R3的电压下降，D1停止导通。这将引起TR2处于反向偏置而截止，晶体管TR1和TR3正向偏置而导通。这样输出电压和磁场电流将会增加。这种工作循环每秒钟重复数千次，从而使发电机输出电压保持在一个预定值上。
电容器C1的作用是防止R3两端的电压发生突变，而R4的作用是防止高温时有过大的反向电流流经TR1。D2作用是防止在TR1截止时磁场绕组中自感高电压到达TR1，从而对TR1起到保护作用。热敏电阻（温度升高时，电阻值下降）的作用是对电压控制进行温度补偿。
（4）计算机控制的电压调节
今天的许多汽车都装有若干个用来控制发动机和其他系统的电子控制单元（ECU）或
叫做动力控制模块（PCM）ECU还能够用来控制加给磁场绕组的电压，这样，也就不再需要一只单独的电压调节器。该系统的缺点是如果ECU的控制电压调节的那部分电路发生故障，就必须更换整个ECU。
2.起动系统
为了起动内燃机，必须先（用外部能源）摇转它。小型的二冲程发动机常常用拉动一根绳索的方法来起动，拉动绳索时，这种内燃机的部件会旋转。早期的汽车使用手摇柄起动。然而，这种方法既危险又不切实际。不久，人们采用了一种新方法，即用电起动机来起动发动机。起动机安装在变速器壳上，其小齿轮与一个大齿圈相啮合，大齿圈安装在飞轮上。为了给起动机通电，驾驶员应将点火开关转到起动（Start）位置，这样就可接通到起动机的电路。当起动机的电枢开始转动时，起动机小齿轮箱外移动并于齿圈啮合，从而带动曲轴转动。当发动机起动后，驾驶员松开点火开关，从而将起动电路切断。这将引起起动机小齿轮的移动，从而脱离与齿圈的啮合。
3.点火系统
点火系统的作用是产生火花，将发动机气缸内的空气-燃油混合气点燃。点火系统必须在精确的时刻点火，并且对于发动机的每只气缸来说，每分钟必须点火几千次。点火时刻即使有微小偏离，也将导致发动机工作状况的恶化，甚至根本不能运转。
当活塞到达压缩上止点时，点火系统将极高的电压送给每只气缸的火花塞。每个火花塞的端部都含有一个间隙。为了搭铁，高电压必须跳过这个间隙。这个间隙就是产生火花的地方。
火花塞所得到的电压在20000~50000V之间，甚至还要高些。点火系统的作用就是要利用12V电源来产生那个高电压，并使高电压按照特定的顺序，在适当的时刻，到达各个气缸。
点火系统有两个任务需要完成：第一，必须产生足以在火花塞间隙处产生电弧放电的高电压，这样才能产生一个足以点燃混合气，使混合气燃烧起来的强火花。第二，必须控制点火正时，使点火时刻正确，并将火花输送给适当的气缸。
点火系统分为两个部分：即初级电路和次级电路。低压初级电路的工作电压为蓄电池电压（12~14.5V）。低压初级电路的作用是在正确的时刻产生使火花塞点火的信号，并将该信号送给点火线圈。点火线圈是将12V电压信号转变成20000V以上的高电压。在电压升高之后，该电压就进入次级电路，然后在适当的时刻将此高电压送给适当的火花塞。
75年来，这种电火花点火系统的基本原理并没有改变。改变的是火花产生的方法和火花分配的方式。
1）三种点火系统
目前，点火系统有三种不同的型式。1975年前，使用机械式（传统式）点火系统。这是一种将机械与电气结合而并没有电子部件的点火系统。首先理解这些早期的点火系统，将会更容易地掌握新型的电子点火系统和计算机控制点火系统，所以不要忽视这些早期的点火系统。电子点火系统在20世纪70年代开始应用于批量生产的汽车上，并且在出现了排放控制装置，对点火系统的控制要求更加精确、更加可靠的时候，才开始普及起来。最后，于20世纪80年代中期，无分电器点火系统开始应用。这种系统总是应用计算机进行控制，并且没有运动部件，因此可靠性大大提高。除了达到一定间隔里程（60000~100000英里）时需要更换火花塞外，大部分无分电器点火系统无需维护。
2）机械式点火系统
分电器是机械式点火系统的神经中心，它需要完成两项任务。第一，负责控制点火线圈，从而在精确的时刻产生一个电火花。第二，负责将电火花分配给适当的气缸。驱动点火系统的电路很简单（图6-2）。当将钥匙插入点火开关，并将其转至运转（Run）位置时，就
使来自蓄电池的电流经过一根导线直接引向点火线圈的正极侧。线圈内，有一个有许多匝的铜线绕组，电流在离开线圈负极侧之前，绕过许多圈。从点火线圈出来，一根导线将这个电流送给分电器，并且与一个叫做触点的专用双位开关相连。当触点闭合时，该电流直接搭铁。当电流从点火开关经过点火线圈绕组，然后再搭铁时，就会在线圈内形成一个强大的磁场。
触点由固定触点和活动触点组成，固定触点被紧固在分电器内侧的一个板上，活动触点安装在弹簧压紧的触点臂的端部。活动触点臂压在一个4、6或8角（取决于发动机缸数）凸轮上，凸轮又安装在分电器内的一根转轴上。分电器的转动与发动机节拍一致，发动机每转两圈，分电器转一整圈。随着分电器的转动，凸轮推动触点，时而打开，时而关闭。每当触点打开时，经过线圈的电流就会中断，从而使磁场消失，通过线圈的次级绕组输出一个高电压脉冲。这个高电压脉冲从线圈顶部输出，并流过点火线圈高压线。
现在，我们已经有了使火花塞跳火所必需的电压，但是，我们还是必须让电压到达各个气缸。点火线圈高压线从点火线圈直接到达分电器盖的中心。在分电器盖的下面有一个安装在转轴顶部的分火头。分火头顶部的金属条与分电器盖的中央电极始终接触。分电器的分火头接受来自点火线圈高压线送来的高压电，并将高压电送到分火头的另一端。分火头在分电器盖内旋转并从通往各个火花塞的旁电极旁边经过。随着分火头在分电器轴上转动，它将电压送给相应的火花塞高压线，火花塞高压线在江高电压送给火花塞，从而产生适合于点燃那个气缸内空气-燃油混合气的电火花。
3）电子点火系统
在电子点火（EI）系统中，触点和电容器都被电子部件所替代。在这些系统上，为了激发点火线圈进行点火，替代触点和电容器所用的方法有若干种。一种方法是采用带牙齿的金属轮，通常情况下每缸一轮。这个轮被称为电枢或叫磁阻轮。一个电磁式传感线圈检测牙齿什么时候通过，并将一个信号送给控制模块，从而使点火线圈产生高电压。
其他一些系统使用一只光电池和遮光轮，从而在需要触发线圈来产生高电压的时刻将信号送给电子控制模块。这些系统仍然需要有通过转动分电器壳来调节的初始点火提前角。
该系统的优点除了免维护外，还有控制模块操纵的电压比机械式触点要高得多。甚至在送到点火线圈之前，就可以提高电压，因此，点火线圈就能产生电压更高的电火花，电压高达50000V，而不是机械式点火系统常见的20000V。由于初级电路电阻器不在被需要，因此这系统从点火开关到点火线圈仅有一根导线。
在有些汽车上，这个控制模块安装在过去常常安装触点的分电器内。在另外一些设计上，控制模块安装在分电器外侧，用外部导线将它连接到感传线圈上。在许多通用汽车公司发动机上，控制模块位于分电器内侧，并且对于单件的整体点火系统来说，点火线圈安装在分电器顶部上。GM（通用汽车公司）将其称为高能点火或者缩写为HEI。
这些系统所提供的高电压能使火花塞采用比原来快得多的间隙，有利于获取更长、更强的电火花。这样还能允许使用更稀薄的混合气来提高燃油经济性，并仍能确保发动机运转平稳。
早期的电子点火系统的计算能力有限甚至根本没有计算能力，因此，点火正时仍然要手动调整，并且在分电器内仍然采用离心式或者真空式点火提前调节调节装置。
对某些新型的电子点火系统，分电器内部空空，所有的点火触发控制都由一只传感器来完成，传感器的带槽磁阻轮或者与曲轴相连或者与凸轮轴相连。这种传感器叫做曲轴位置传感器或叫做凸轮轴位置传感器。在这些系统中，分电器的作用仅仅是通过分电器盖和分火头，将电火花分配给正确的气缸。计算机控制点火定时以及发动机平稳运转所需要的点火提前角。
4）无分电器点火系统
新型的汽车的点火系统已经从机械式点火系统（分电器）演变为没有运动部件的完全