发动机工作时,断电器凸轮受驱动而旋转交替将触点闭合或打开。接通点火开关后,在触点闭合时一次侧绕组内有电流流过,并在绕组铁芯中形成磁场。断电器触点打开时,一次侧绕组电流被切断,使磁场迅速消失。在一、二次侧绕组中均产生感应电动势。二次侧绕组匝数多,因而可感应出高达15kV~20kV的高电压。该高电压击穿火花塞间隙,形成火花放电。
通常把传统点火系工作过程分为三阶段:断电器触点闭合,初级电流按指数规律增长;断电器触点打开,次级绕组产生高电压;火花放电。具体分析如下:
1、断电器触点闭合,一次侧绕组电流按指数规律增长。
断电器触点闭合,点火系的一次侧绕组等效电路如图5-26所示。电流i1由蓄电池经附加电阻Rf流过点火线圈一次侧绕组N1,并在磁路中产生磁通,电流的增强引起磁通的增强,既而在一次侧绕组内便产生自感电动势eL。
根据基尔霍夫电压定律,得到下式:
UB=i1R-eL(5-1)
式中UB——蓄电池端电压;
i1——一次侧绕组电流;
R ——一次侧电路总电阻,包括绕组电阻R1和附加电阻Rf;
eL——一次侧绕组自感电动势。
而式中L-——一次侧绕组自感系数。
将eL代入(5-1)式,得
(5-2)
经分析,可知
(5-3)
式中τ——电路的时间常数,大小为;
t——触点K闭合所经历的时间。
显然(5-3)描述了一次侧绕组电流按指数规律从零上升到一稳定极限数值UB/R的全过程;也是一次侧绕组储存磁场能量的过程。如图5-27a)所示。电流上升的速度与时间常数τ有关,理论上要经过无限长时间才能达到极限值,而一般对点火线圈而言,在触点闭合后约20ms,i1就接近于极限值。
一次侧电流增长时,不仅在一次侧绕组N1中产生自感电动势eL约20V,同时在二次侧绕组N2中也感应出电动势约1.5kV~2kV,但不能击穿火花塞间隙。
2、断电器触点打开,二次侧绕组产生高电压
触点闭合后,一次侧电流按指数规律增长,当闭合时间为td,i1增长到Ip时,触点被凸轮顶开,Ip称为一次侧断电电流,其值为:
触点打开后,Ip迅速降到零,磁通也随之减少,一次侧绕组产生感应电动势,大小为200-300伏,在触点断开的瞬间,此电动势不但会使触点间形成强烈火花,氧化或烧蚀触点,而且由于感应电动势的方向与原来的电流方向相同,致使它阻碍了一次侧电流的快速减小,降低了电流变化率和磁通变化率,从而降低了二次侧绕组感应电动势的数值。为避免这种不良后果,可在触点K两旁并接一电容C1,由于电容电压不会突变,电容电压从零逐渐变大,避免了触点间的火花,同时又提高了一次侧电流的变化率,提高二次侧绕组感应电动势。如图5-28所示,比较了触点间有无电容时一次侧电流的变化情况。
触点打开后点火线圈的等效电路如图5-29所示,一次侧电路由电感L1、电阻R和电容C1组成振荡回路,电感L1与电容C1之间进行磁场能与电场能的交换,形成了衰减振荡,如图5-27(b)所示,如果不考虑火花塞间隙被击穿,一次侧电流衰减振荡过程如虚线所示。
同样,触点打开后,由于电磁感应,二次侧绕组中产生感应电动势,并向电容C2充电。电容C2是等效电容,大小为二次侧绕组线匝间、火花塞中心电极与旁电极之间、高压导线和机体之间形成的电容量之和。随着充电的进行,电容电压快速上升,如果电压不能击穿火花塞间隙,则u2将按图5-27(b)中虚线变化,在几次振荡之后消失。如果u2升到uj时火花塞间隙被击穿,则电压的变化如图5-27(b)中实线所示,uj称为击穿电压。通常击穿电压uj总是小于二次侧电压的最大值u2max, 火花塞间隙被击穿时,在两电极间形成火花放电,经过火花塞间隙的电流i2迅速增加,如图5-27(c)所示。
3)火花放电
火花放电一般由电容放电和电感放电两部分组成。首先是电容放电阶段,当火花塞间隙被击穿后,储存在C2的电场能迅速释放出来,其特点是放电时间极短,为1μS左右,但放电电流很大,可达几十安培。
由于火花是在二次侧电压达到最大值之前产生的,所以电容放电只消耗了一次侧绕组存储的一部分磁场能,另一部分磁场能沿着电离的火花间隙缓慢放电,形成电感放电,又称火花尾。它的特点是放电时间较长,达几毫秒,放电电流较小,约为几十毫安,放电电压较低。电感放电的持续时间越长,点火性能越好。