淺析發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)展歷程及點(diǎn)火信號波形分析

趙寶平，戚志剛

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

1 點(diǎn)火系統(tǒng)功用及要求

眾所周知，發(fā)動機(jī)是內(nèi)燃機(jī)汽車的動力源，而點(diǎn)火系統(tǒng)則是汽油發(fā)動機(jī)五大系統(tǒng)之一，號稱發(fā)動機(jī)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(jī)）供給的12～14V低壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0～35kV的高壓脈沖電，并按照發(fā)動機(jī)的作功順序與點(diǎn)火時(shí)間的要求適時(shí)、準(zhǔn)確地配送至各氣缸的火花塞，在其間隙處產(chǎn)生電火花，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣。

對點(diǎn)火系統(tǒng)的要求：能適應(yīng)發(fā)動機(jī)不同工況和使用條件的變化，自動調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)可靠而準(zhǔn)確的點(diǎn)火。另外，還能在早期安裝分電器的汽油發(fā)動機(jī)上或車輛更換燃油標(biāo)號時(shí)能夠進(jìn)行人工校準(zhǔn)點(diǎn)火時(shí)刻。

2 點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)展歷程

汽油發(fā)動機(jī)及燃?xì)獍l(fā)動機(jī)需采用點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣。目前，常見的點(diǎn)火系統(tǒng)按點(diǎn)火線圈安裝的數(shù)目分類有雙缸同時(shí)點(diǎn)火與單缸獨(dú)立點(diǎn)火兩種類型，其中后者應(yīng)用更廣泛。采用單缸獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí)，大部分車型已將點(diǎn)火控制器集成在點(diǎn)火線圈上。

汽油發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)從傳統(tǒng)的由分電器內(nèi)的斷電器（機(jī)械觸點(diǎn)）控制到現(xiàn)在微機(jī)控制大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。

2.1 斷電器（機(jī)械觸點(diǎn)）控制的傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)

斷電器控制的傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)簡稱為蓄電池傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)，是指由分電器內(nèi)的斷電器（機(jī)械觸點(diǎn)）控制點(diǎn)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(dá)）電流的通斷，即搭鐵回路的接通與斷開。此點(diǎn)火系統(tǒng)主要由：蓄電池、點(diǎn)火開關(guān)、點(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)基本組成

2.2 電子點(diǎn)火系統(tǒng)

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

圖2 電子點(diǎn)火系統(tǒng)控制原理

2.2.1 電磁感應(yīng)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)

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

圖3 解放CA1091發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)簡圖

點(diǎn)火?？旖邮招盘柊l(fā)生器 （傳感器）的點(diǎn)火電信號（交流信號，波形為正弦波），控制點(diǎn)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(zhuǎn)角位置相對應(yīng)的電信號。

2.2.2 帶有分電器的霍爾效應(yīng)式電子點(diǎn)火系統(tǒng)

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

圖4 桑塔納轎車電子點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.3 微機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)

微機(jī)控制的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)在20世紀(jì)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(shù)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)在電控發(fā)動機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，故21世紀(jì)現(xiàn)代車輛無論是自然吸氣電控汽油發(fā)動機(jī)還是渦輪增壓缸內(nèi)直噴電控汽油發(fā)動機(jī)均利用傳感器取代了分電器。

由于取消了分電器的應(yīng)用，現(xiàn)代車輛電控汽油發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)普遍采用單缸獨(dú)立點(diǎn)火方式，即一個(gè)點(diǎn)火線圈控制一只氣缸的火花塞點(diǎn)火，而在2010年之前一汽大眾的捷達(dá)、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(diǎn)火方式，即一個(gè)點(diǎn)火線圈控制兩只氣缸的火花塞同時(shí)點(diǎn)火。

目前，各車系發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)雖然均采用了單缸獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)，但根據(jù)點(diǎn)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(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)對點(diǎn)火系統(tǒng)的控制策略及設(shè)計(jì)有所不同，故維修技師對點(diǎn)火線圈或點(diǎn)火控制模塊采集到的點(diǎn)火控制信號波形一定是有所差異的。

3 點(diǎn)火系統(tǒng)信號波形解析

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

3.1 兩線制供電方式的點(diǎn)火線圈點(diǎn)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(jī)上部（外觀），通過圖5可以看出該發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)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(diǎn)火控制觸發(fā)信號線均為點(diǎn)火線圈2P插接器的外側(cè)端子，也就是說檢測點(diǎn)火控制信號時(shí)，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(fù)極電纜進(jìn)行連接，或?qū)Ⅶ{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(diǎn)火線圈（G4ED發(fā)動機(jī)）信號波形檢測

圖6為該發(fā)動機(jī)某氣缸的正常點(diǎn)火控制信號波形，通過波形可以得知，該點(diǎn)火線圈初級繞組接通的電壓值約為14V，其通電時(shí)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(shí)間約為7ms，其波形為下拉的一個(gè)矩形波（方波），根據(jù)波形特性可以證明該點(diǎn)火線圈不帶點(diǎn)火放大器（也稱為點(diǎn)火控制模塊或點(diǎn)火器）。

圖6 北京現(xiàn)代兩線制點(diǎn)火線圈點(diǎn)火觸發(fā)信號波形

3.2 三線制供電方式的點(diǎn)火線圈觸發(fā)控制信號波形分析

現(xiàn)以2016款東風(fēng)標(biāo)致4008車搭載的1.8T MPI發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)為例來闡述三線制供電方式點(diǎn)火線圈控制觸發(fā)信號波形。圖7所示為2016款東風(fēng)標(biāo)致4008車三線制供電方式的點(diǎn)火線圈外觀接線圖，圖8所示為該車型點(diǎn)火線圈的原廠控制電路圖。通過圖8可以看出，點(diǎn)火線圈對應(yīng)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(yīng)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(cuò)誤。

圖7 2016款標(biāo)致4008車點(diǎn)火線圈外觀接線圖

圖8 2016款東風(fēng)標(biāo)致4008車點(diǎn)火線圈控制電路圖

正常情況下，點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)火線圈正?？刂齐娐啡鐖D9所示。

圖9 該車型點(diǎn)火線圈正常控制電路（NO.4缸）

圖10為該車型某氣缸點(diǎn)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(diǎn)火觸發(fā)信號波形基本一致，只是在點(diǎn)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(diǎn)火線圈控制電路圖能夠看出該點(diǎn)火線圈也不帶點(diǎn)火器。當(dāng)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(diǎn)火控制信號線對搭鐵短路或點(diǎn)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(diǎn)火控制信號線斷路。

圖10 東風(fēng)標(biāo)致4008車點(diǎn)火線圈正常點(diǎn)火控制信號波形

圖11 FCW/LDW開關(guān)及儀表配置信息

圖11 點(diǎn)火控制信號線一直處于低電平0V（異常）

圖12 點(diǎn)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(diǎn)火線圈觸發(fā)控制信號波形分析

四線制供電方式的點(diǎn)火線圈通常都帶有點(diǎn)火放大器，即點(diǎn)火控制模塊，如上汽大眾、一汽大眾、奧迪、豐田等車系的點(diǎn)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(shí)點(diǎn)火的大眾桑塔納轎車的四線制點(diǎn)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(diǎn)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(jī)點(diǎn)火線圈控制電路如圖13所示，主要包括：J623發(fā)動機(jī)控制單元（排水槽內(nèi)中部），N70帶功率輸出級的點(diǎn)火線圈1，N127帶功率輸出級的點(diǎn)火線圈2，N291帶功率輸出級的點(diǎn)火線圈3，N292帶功率輸出級的點(diǎn)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(diǎn)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(jī)點(diǎn)火線圈控制電路

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

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

每個(gè)點(diǎn)火線圈的4#端子均作為點(diǎn)火線圈次級線圈（L）的搭鐵（即搭鐵回路）。而點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)，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(diǎn)火，但此時(shí)的高電壓不是點(diǎn)火所需要的，長期這樣誤點(diǎn)火，務(wù)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(diǎn)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(diǎn)）→火花塞→次級線圈。

另外，也起到過濾次級線圈感應(yīng)初期的正向電壓及正常點(diǎn)火時(shí)的升壓作用，同時(shí)起到保護(hù)功率晶體三極管。

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

圖15 大眾邁騰B7L點(diǎn)火線圈（點(diǎn)火模塊）正常點(diǎn)火控制信號波形

3.3.2 奧迪A4L轎車點(diǎn)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(jī)點(diǎn)火線圈控制電路圖，控制單元給點(diǎn)火模塊一個(gè)5V左右的上拉方波信號，如圖17所示。

圖16 奧迪A4L發(fā)動機(jī)點(diǎn)火線圈控制電路

圖17 奧迪A4L轎車正常點(diǎn)火控制信號波形

通過上述兩個(gè)大眾車系點(diǎn)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?yàn)榇蟊娺~騰B7L及奧迪A4L轎車點(diǎn)火線圈上都帶有點(diǎn)火放大器（功率晶體三極管），發(fā)動機(jī)控制單元J623只是控制點(diǎn)火放大器的點(diǎn)火控制信號，而點(diǎn)火放大器再對點(diǎn)火線圈初級繞組的電流進(jìn)行通斷控制。

3.3.3 豐田卡羅拉1ZR-FE發(fā)動機(jī)點(diǎn)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(jī)每個(gè)點(diǎn)火線圈的插接器上均有4個(gè)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(diǎn)火控制信號（IGT），2號端子給ECM提供點(diǎn)火確認(rèn)信號（IGF）。每個(gè)點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火確認(rèn)線通過一個(gè)公共點(diǎn)連接后通過一根黃色導(dǎo)線再與發(fā)動機(jī)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(jī)點(diǎn)火線圈控制電路

發(fā)動機(jī)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(zhǔn)信號以及其它傳感器（如冷卻液溫度傳感器、空氣流量計(jì)、節(jié)氣門位置傳感器等）提供的信號，依據(jù)點(diǎn)火脈譜圖確定點(diǎn)火正時(shí)并向每個(gè)點(diǎn)火線圈發(fā)送點(diǎn)火控制信號（IGT1至IGT4），IGT信號控制點(diǎn)火線圈內(nèi)功率晶體管的導(dǎo)通與截止，功率晶體管用于控制接通或切斷點(diǎn)火線圈初級繞組的電流。

當(dāng)ECM輸出點(diǎn)火控制IGT信號時(shí)，控制點(diǎn)火線圈內(nèi)的功率晶體管使點(diǎn)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(diǎn)火線圈內(nèi)的控制器會產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)火確認(rèn)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(diǎn)火控制IGT信號

圖20 點(diǎn)火模塊產(chǎn)生的點(diǎn)火確認(rèn)信號IGF

圖21所示是采用雙通道示波器同時(shí)測量第一缸點(diǎn)火線圈的點(diǎn)火控制信號IGT1以及ECM接收到的點(diǎn)火確認(rèn)信號IGF1的波形圖。對應(yīng)第一缸點(diǎn)火線圈的一個(gè)點(diǎn)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(diǎn)火線圈輸出的點(diǎn)火確認(rèn)信號波形。

圖21 IGT1與IGF1的波形圖

注：關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)至OFF擋位，分別拔下各點(diǎn)火線圈4P插接器，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)置于ON擋位置時(shí)，在線束側(cè)4P插接器上測量1#端子（供電端）的電壓值應(yīng)為電源電壓12.5V左右、4#端子（搭鐵端）的電壓值應(yīng)為0V，3#端子（點(diǎn)火控制信號）電壓值應(yīng)為0V，2#端子（點(diǎn)火確認(rèn)信號）電壓值應(yīng)為5V左右。

3.3.4 雙缸同時(shí)點(diǎn)火的四線制點(diǎn)火線圈控制電路及點(diǎn)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(jī)均采用雙缸同時(shí)點(diǎn)火的點(diǎn)火線圈（也稱為點(diǎn)火能量終端輸出級N122），目前很多這樣的電控汽油發(fā)動機(jī)教學(xué)臺架在職業(yè)院校汽車發(fā)動機(jī)檢測與排故教學(xué)過程中依然發(fā)揮“余熱”。大眾車系雙缸同時(shí)點(diǎn)火的點(diǎn)火線圈控制電路簡圖如圖22所示，點(diǎn)火線圈外觀如圖23所示，其點(diǎn)火控制信號波形如圖24所示。

圖22 大眾車系雙缸同時(shí)點(diǎn)火的點(diǎn)火線圈控制電路

圖23 大眾車系雙缸同時(shí)點(diǎn)火的點(diǎn)火線圈外觀

圖24 雙缸同時(shí)點(diǎn)火的點(diǎn)火模塊控制信號實(shí)測波形

通過圖22可以得知，點(diǎn)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(diǎn)火模塊NO.1、4缸及NO.2、3缸的點(diǎn)火控制信號線。

4 結(jié)束語

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