汽车点火线圈测试条件及性能参数的物理意义分析

（2）14 V适用于发动机正常工作状况。在发动 机怠速运转时，交流发电机向点火系统供电。当发动 机转速及负载在很大范围内变化时，均可引起发电机 的输出电压发生较大变化，因而不能满足用电设备的 工作要求。基于上述原因，为了保证用电设备正常工 作，防止蓄电池过充电，交流发电机必须配用电压调 节器，使其输出电压保持稳定。电压调节器将交流发 电机输出电压固定在某一值附近，对于12 V电系，该 电压值为13.5~14.8 V。
哈尔滨工业大学自动化测试与控制系 安 权 王启松 赵永平 李木天
随着汽车电子点火系统的产生和普遍应用，对作 为重要部件的电感储能式点火线圈的性能及其测试方 法提出了更高的要求，ISO国际标准化组织也制定了 新的标准进行测试，同时基于新的标准也提出了各种 新的测试方法。但是，对于所需的测试条件及所测的 性能参数的实际物理意义却没有详细而完整的分析。 实际上，点火线圈需要测量的性能参数及其测试条件 都有着实际的物理意义，与发动机的实际工作状况有 着很密切的联系。
3 性能参数物理意义
点火系统在各种工况和使用条件下，能够在气缸 内适时、准确、可靠地产生电火花，以点燃可燃混合 气，使汽油发动机实现做功。为了实现此点火特性， 点火系统应满足如下基本要求：能产生足以击穿火花 塞两电极间隙的电压、电火花应具有足够的点火能量 以及点火时刻应与发动机的工作状况相适应。
因此，需要测量的性能参数主要有初级断电电 流、初级线圈电流上升时间、次级线圈电压最大值、 次级线圈电压上升率、霍尔延迟时间、点火持续时
初级绕组持续通过大电流，如不适当加以控制， 特别是在低转速时长时间通过大电流，不但浪费电 能，更重要的是会使点火线圈以及点火电子组件过热 而烧坏，为此在点火电子组件内设置点火线圈限流控 制保护电路，其目的是将初级电流限制在某一值并保 持恒定不变。
初级绕组的限流值也称为峰值电流。在满足发动 机使用要求的前提下，保持峰值电流不变，即可保持 次级电压和点火能量恒定不变，这是一种比较理想的 工作状况。限流值大小的确定应以满足发动机的使用 要求为前提，不能太大，也不能太小。过小达不到高 能点火的目的，过大会增加点火线圈的功耗，浪费电 能。通常取6~8 A，桑塔纳轿车取7.5 A。
闭合角控制实质上是导通时间(初级电路接通时 间)的控制，控制其导通时间在一定范围内基本保持 不变，以确保高转速时有足够的能量和次级电压，不 致发生断火，又能防止低转速时点火线圈和点火电子 组件达林顿管过热而损坏。 3.2 次级线圈电压
作用在火花塞间隙的电压（即次级线圈电压） 只有达到一定值时，才能击穿火花塞两电极间隙而点 火，从而使发动机在各种工况下均能可靠地点火。一
般而言，次级电压的最大值与初级断电电 流成正比，且当蓄电池电压和点火线圈一 定时，又与达林顿管的导通时间有关。
次级电压的最大值将随发动机转速的 升高而降低。这是因为初级电流是按指数 规律增长的，当转速升高时，由于达林顿 管导通时间缩短，初级电流来不及上升到 较大数值，而使初级断电电流减小，次级 电压最大值降低。图3为次级线圈最大电压 随发动机转速而改变的曲线图。
其主要作用是在发电机转速增高时，自动 调节发电机的电压使之保持稳定。汽油机 普遍采用12 V电系，在发动机起动时，蓄 电池向起动机和点火系统供电；在发动机 怠速运转时，发电机向除起动机以外的所 有用电设备供电，并向蓄电池充电。在点 火线圈性能参数的测试中，所提供的电源 电压分别为6 V、14 V、20 V，其物理意义 分别如下。
2 测试条件物理意义
在对点火线圈的性能参数进行测试时，必须对其 提供一定的测试条件，包括点火电源电压、点火信号 和测试负载。这些测试条件都是用来模拟汽车实际工 作过程中的具体情况，具有实际的物理意义。 2.1 点火电源电压
点火电源电压用来模拟汽车用电源，包括蓄电 池、交流发电机及其调节器。两者并联工作，发电机 是主电源，蓄电池是辅助电源。发电机配有调节器，
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汽车点火线圈测试条件 及性能参数的物理意义分析
目前，在汽车点火线圈的测试标准及测试方法中，对测试条件及需要测量的性能参数的实际物理 意义尚没有完整而详细的论述。针对这种状况，本文基于点火线圈实际工作过程，通过分析点火线圈 的性能参数与测试条件的实际物理意义及其影响因素，为制定合适的测试方法提供了理论指导。
在电子点火系统中，闭合角是指点火电子组件末 级大功率开关管导通期间分电器轴转过的角度。图2 为装与未装闭合角控制电路时的初级电流波形图。由
图2 装与未装闭合角控制电路时的初级电流波形图
图2看出，如果闭合角保持不变，则低转速时初级电 路接通时间较长，高转速时初级电路接通时间较短， 导通时间tb与分电器转速成反比。而在电源电压一定 时，由于初级电流从0上升到限流值的时间t 1是个定 值，它不随转速变化，因而必然形成低转速时限流时 间t 2长，高转速时t 2短，甚至在高转速时达不到限流 值会出现断火现象。
1 点火线圈工作过程
在汽车发动机点火系统中，点火线圈是点燃发动 机气缸内空气和燃油混合物从而提供点火能量的执行 部件。本文以RUV4点火线圈为例介绍其工作过程， 其结构如图1。
图1 电子点火系统结构
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点火线圈基于电磁感应原理工作，在单个点火周 期内其工作过程可分为3个阶段：达林顿管导通，初级 电流按照指数规律增长，磁路中产生一个很强的磁场； 达林顿管截止，磁场迅速衰减，次级绕组产生高压；次 级电压击穿火花塞，点燃燃烧室内油气混合物。
图3 次级线圈最大电压随发动机转速改变的曲线图 另外，火花塞积碳会在次级电路内产生泄漏电 流，消耗了一部分电磁能，从而使次级电压最大值降 低；次级电压的最大值会随着初级电容和次级电容的 增大而减小；使用中当点火线圈过热时，由于初级绕 组的电阻增大，使初级断电电流减小，也会使次级电 压降低。 3.3 次级线圈电压上升率 次级电压的上升时间对火花塞的能量泄漏有很 大的影响。次级电压上升时间越短，则火花塞积碳引 起能量的泄漏越少，损失越小，用于点火的能量就越 多，故对点火系点火性能的影响越小。次级电压上升 率受初级电流断开速度、初次级线圈匝数比以及次级 线圈的电感和电容值的影响。点火线圈耦合系数在简 化等效电路及据此得出的表达式中，被假定为1，即 在无损耗情况下得出。但事实上，耦合系数远小于 1，因此如能设法提高转换效率，无疑会使次级电压 上升速度提高。 3.4 霍尔延迟时间 霍尔延迟时间是点火模块的性能指标，对点火 时间精度有影响。如果要想使发动机获得最佳的动力 性和经济性等性能，点火时刻至关重要，需要点火正 时，达到最佳点火提前角。而霍尔延迟时间将会影响
到点火时刻。
电子点火模块传输延迟时间一般为十几微秒至几
十微秒之间。当发动机在低转速时，由于发动机频率
低，点火周期时间长，使得模块的传输延迟时间对点
火时间精度影响不大。但随着发动机转速增加，点火
周期缩短，又使得模块的传输延迟时间对点火时间精
度影响较大，表现为点火滞后。例如，六缸发动机分
火角为60°，当点火频率为20 Hz时，点火周期为50
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间、点火电流和点火能量。其物理意义分析如下。 3.1 初级线圈电流
初级断电电流与次级电压峰值成正比关系，它 表征了线圈的储能能力。而初级线圈电流的上升时 间，则表征了线圈充电速度的快慢。为了增大初级电 流值，保证发动机在任何工况下都能实现稳定的高能 点火，专用点火线圈初级绕组电阻值较小，一般多为 0.65 Ω。
次级电压随转速升高而降低的现象， 是发动机高速时容易断火的原因。如果在
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图3中做一条相当于发动机最不利情况下所需击穿电 压的水平虚线，则此水平虚线与特性曲线的交点即 为发动机的极限转速，超过此转速将不能保证可靠 点火。
点火信号由点火信号发生器在发动机工作时产 生，其频率和占空比可以确定达林顿管的导通和截止 时间。达林顿管的导通时间决定初级线圈的电流，从 而决定点火能量的大小。为保证火花塞在恰当的时刻 点火，点火信号与活塞在气缸中所处的位置、凸轮轴 位置等信息密切相关。 2.3 测试负载
测试负载主要包括标准负载（1 MΩ/50 pF并联
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（1）6 V是一种极限情况，适用于发动机冷起 动状况。发动机起动时，蓄电池向点火系统供电。在 寒冷天，由于润滑油粘度增高，曲轴转动阻力增大， 加上蓄电池在低温时电解液粘度增加，引起内电阻增 大，造成蓄电池端电压下降，使起动机的输出功率减 小，火花塞跳火能量变弱，再加上进气管和气缸等温 度下降，所以燃油气化不良，发动机起动困难。
ms对应的角度为60°，每度对应的时间为830 μs，
若模块传输滞后假定为40 μs，则由于模块传输延迟
而引起的附加点火滞后仅为0.048°，可忽略不计。
但当点火频率为200 Hz时，点火周期为5 ms，每度
对应的时间为83 μs，由模块传输延迟而引起的附加
点火滞后为0.5°，其影响不可忽略。这就要求模块
测试负载总电容是模拟点火系在汽车发动机上工 作时(实际使用) 所用电缆和火花塞等电容(包括分布电 容) 总和。
在负载为模拟负载的情况下，如果点火能量一 定，对点火线圈来说，次级电压最大值越高，火花持 续时间越短，因此将使用模拟负载时所测得的火花持 续时间作为检验参数标准无实际意义。由于每个产品 的次级电压最大值不同，要建立产品在该参数上的检 验标准，使测得的火花持续时间具有可比性，就必须 将次级电压钳位在一定的值。因此在测量点火线圈火 花持续时间时，不能像次级电压常规测量那样使用同 样的标准模拟负载，而应该使用专用的钳位负载（齐 纳二极管放电负载）。