示波器點(diǎn)火波形在汽車(chē)故障診斷中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

龐成立

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，大連 116035）

0 引言

環(huán)保、節(jié)能以及安全是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的方向和課題，現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高壓縮比和稀薄混合氣燃燒技術(shù)，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及可靠性提出了更高的要求。正確的點(diǎn)火時(shí)間以及足夠能量的火花是保證發(fā)動(dòng)機(jī)良好工作的重要條件之一。那么如何確定發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的好壞以及如何診斷和排除發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的故障呢？檢測(cè)點(diǎn)火系統(tǒng)故障最直接準(zhǔn)確快捷的方式就是利用示波器分析點(diǎn)火波形，使從事汽車(chē)售后服務(wù)人員能從細(xì)微處分析車(chē)輛的運(yùn)行狀況，確定點(diǎn)火系統(tǒng)本身，排查發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械部分和燃油系統(tǒng)是否有故障，從而確定修理方向。

1 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火波形

在利用示波器進(jìn)行故障波形分析的時(shí)候，要明確各種不同車(chē)型正確標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)火波形，也就是說(shuō)能知曉各車(chē)型正確的點(diǎn)火波形應(yīng)該是什么樣子的。

1.1 有分電器點(diǎn)火波形

如圖1所示為常規(guī)（傳統(tǒng)點(diǎn)火）初級(jí)、次級(jí)點(diǎn)火標(biāo)準(zhǔn)波形。

圖1可非常清楚的觀察到分電器觸點(diǎn)閉合角、開(kāi)起角、火花電壓幅值以及擊穿電壓，也可以觀測(cè)到兩次振蕩過(guò)程以及火花的延遲期。如果點(diǎn)火系統(tǒng)沒(méi)有故障，對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)觸點(diǎn)閉合角為全周期的46%-51%；對(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)觸點(diǎn)閉合角為全周期的62%-69%；八缸機(jī)則為65%-72%，火花電壓為9KV，擊穿電壓超過(guò)15KV，火花時(shí)間超過(guò)0.8ms。如果波形或數(shù)值不正常時(shí)，則說(shuō)明系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)整或已經(jīng)有故障存在。

圖 1 常規(guī)初級(jí)、次級(jí)點(diǎn)火標(biāo)準(zhǔn)波形

針對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)的故障診斷方法歸納：

1）點(diǎn)火線：觀察跳火電壓高度是否一致，一個(gè)非常高的跳火電壓表明在點(diǎn)火次級(jí)電路中存在著高電阻，一個(gè)過(guò)短的跳火電壓線，表明點(diǎn)火次級(jí)電路電阻比正常值低。

2）流入點(diǎn)火線圈電流：觀測(cè)點(diǎn)火線圈起初充電時(shí)，保持一致波形的下降沿，這說(shuō)明各缸的閉合角相同，點(diǎn)火正時(shí)比較精確。

3）燃燒線：觀察燃燒線或火花應(yīng)非常干凈才好，過(guò)多的雜波不應(yīng)出現(xiàn)在燃燒線上，過(guò)多的雜波表明氣缸點(diǎn)火不良，其主要的原因應(yīng)該是污濁了火花、損壞了噴油器或者過(guò)早的進(jìn)行了點(diǎn)火。其缸內(nèi)的異常稀或者異常濃的混合比例能夠通過(guò)燃燒線的持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短得到很好地表征。一般情況下而言，如果少于0.75ms的時(shí)候，也就被認(rèn)為燃燒過(guò)短了，此時(shí)混合氣的濃度表明是比較稀的，過(guò)長(zhǎng)燃燒線(通常超過(guò)2 ms)表明混合氣濃。

4）燃燒電壓或火花：觀測(cè)燃燒電壓或火花保持相對(duì)一致，這表征各缸空燃比情況，若混合氣比過(guò)稀，燃燒電壓會(huì)稍低于正常值。

5）點(diǎn)火線圈振蕩：觀察在燃燒線后面兩至三個(gè)或更多的振蕩波（越多越好），這說(shuō)明電容器及點(diǎn)火線圈狀態(tài)優(yōu)良。

1.2 獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)波形

無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的波形圖在正常的時(shí)候如圖2所示，我們可以看出其波形圖和有觸點(diǎn)的點(diǎn)火系統(tǒng)是有明顯的差別之處的，在無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)中的初級(jí)電路是不依靠觸點(diǎn)的開(kāi)或者閉來(lái)進(jìn)行電路通或者斷的控制，通常在持續(xù)期內(nèi)的晶體管導(dǎo)的初級(jí)電壓是沒(méi)有太過(guò)明顯的變化的，但是，其電壓在其充磁的過(guò)程之中有可能得到一定程度的升高，引起電壓升高的原因就在于初次級(jí)電壓線產(chǎn)生了相應(yīng)的波動(dòng)和變化，而這波動(dòng)和變化又是由于點(diǎn)火線圈的感應(yīng)而引起的，如圖2中點(diǎn)2所示，這不是故障，是正常現(xiàn)象。

圖2 無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火系統(tǒng)的波形圖

圖3 雙缸點(diǎn)火的兩次點(diǎn)火

1.3 雙缸點(diǎn)火系統(tǒng)波形

雙缸點(diǎn)火將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)工作循環(huán)中各氣缸點(diǎn)兩次火，一次是在排氣行程末期如圖3(b)所示，該行程氣缸內(nèi)多為燃燒廢氣，電離程度較高，因而火花電壓及擊穿電壓比較低，是無(wú)效點(diǎn)火；另外的一次見(jiàn)圖3中的(a)所表示的，其時(shí)間是在壓縮行程的末期，圖中汽缸內(nèi)是新鮮的可以燃燒的混合氣體，由于其電離的程度是比較低的，因而導(dǎo)致了擊穿的電壓、火花的電壓均比較高，是有效點(diǎn)火，檢測(cè)時(shí)需要加以區(qū)分。

2 故障波形及影響因素

2.1 點(diǎn)火故障波形分析

根據(jù)示波器所采集到的各類故障初級(jí)電壓波形，可以分析點(diǎn)火系斷電電路有關(guān)電氣元件和機(jī)械裝置的狀態(tài)，為斷電電路的維修和調(diào)整提供可靠的依據(jù)，以避免盲目拆卸。

圖4所示波形在觸點(diǎn)開(kāi)啟點(diǎn)出現(xiàn)大量雜波，顯然是觸點(diǎn)嚴(yán)重?zé)g而造成的，打磨觸點(diǎn)或更換斷電器即可證實(shí)。

圖4 雜波

圖5 初級(jí)電壓波形

圖5的初級(jí)電壓波形在火花期間的衰減周期數(shù)明顯減少，幅值也變低，顯然是電器漏電造成的。

圖6所示波形在觸點(diǎn)閉合階段有意外的跳動(dòng)，造成這種現(xiàn)象的原因是觸點(diǎn)因彈簧力不足引起不規(guī)則跳動(dòng)。

圖7所示曲線的充磁期即觸點(diǎn)閉合角太小，一般由觸點(diǎn)間隙過(guò)大造成。

如果觸點(diǎn)接地不良就會(huì)引起低壓波水平部分的大面積雜波，如圖 8所示。

圖6 有意外跳動(dòng)

圖7 閉合角太小

圖9為電子點(diǎn)火系統(tǒng)的低壓故障波形，對(duì)比圖

圖8 大面積雜波

圖9 低壓故障波形

8所示之正常波形，在充磁階段電壓沒(méi)有上升，說(shuō)明電路的限流作用失效，無(wú)分電器點(diǎn)火系統(tǒng)沒(méi)有元件可以調(diào)整，如果波形很不正常時(shí)只能采取替換法逐個(gè)更換點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生器以及凸輪位置傳感器等元件，排查出故障所在。

2.2 影響傳統(tǒng)點(diǎn)火波形的主要因素

蓄電池點(diǎn)火系統(tǒng)在汽車(chē)上使用，而磁電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)多用于小型二行程發(fā)動(dòng)機(jī)上，因此主要面向汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能檢測(cè)，故磁電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)不加考慮。影響傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)主要因素如下：

1）火花塞電極間隙

根據(jù)柏申的經(jīng)驗(yàn)公式，均勻電場(chǎng)下的擊穿電壓U是兩電極間的距離d、氣體壓力p和絕對(duì)溫度T的函數(shù)。

由上式可知，電極間隙越大，擊穿電壓越高。原因是當(dāng)電極間隙變大時(shí)，氣體中的電子及離子距電極路程變大，不容易產(chǎn)生碰撞電離作用，所以需要比正常值更高的電壓才能完成跳火過(guò)程。

傳統(tǒng)式點(diǎn)火系統(tǒng)火花塞間隙：0.6～0.7mm ；電子點(diǎn)火系統(tǒng)火花塞間隙：1.0～1.2mm。

2）氣缸內(nèi)混合氣的壓力和溫度

實(shí)際情況是，擊穿的溫度機(jī)器電壓和混合氣的密度是有著非常緊密的聯(lián)系的，其恰恰和壓力沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)，原因是混合氣密度越大，離子自由運(yùn)動(dòng)的距離越短，所以不易發(fā)生碰撞電離作用。這樣一來(lái)只能增大電極電壓，促使離子加速運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)碰撞電離效應(yīng)完成點(diǎn)火。因此，混合氣的密度和擊穿電壓之間是正比例關(guān)系。

而混合氣的密度又是受到壓力和溫度的直接影響。因?yàn)楫?dāng)混合氣壓力增大時(shí)，混合氣密度增大，所以擊穿電壓增大；而當(dāng)混合氣溫度增高時(shí)，混合氣密度減小而使擊穿電壓降低。

3）電極的溫度和極性

我們通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證，火花塞電極的溫度如果超過(guò)了混合氣的溫度的時(shí)候，其擊穿電壓在通常情況下會(huì)降低比較大的幅度，大約會(huì)降低三成到五成，原因就在于電極的溫度升高的時(shí)候周?chē)臍怏w密度就會(huì)降低，在這個(gè)時(shí)候發(fā)生碰撞電離的幾率大大增加。

4）發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況

工作的狀況不同的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的擊穿電壓也是十分不同的，火花塞的擊穿電壓一般能夠隨著功率、壓縮比、混合氣成分、點(diǎn)火提前角等的變化而發(fā)生不同的變化。

在通常情況下，擊穿電壓最高的是在車(chē)輛啟動(dòng)之時(shí)，當(dāng)火花塞間隙為0.7mm時(shí)擊穿電壓可高達(dá)19KV。這是由于起動(dòng)時(shí)氣缸壁以及活塞、火花塞電極都處在冷態(tài)，導(dǎo)致了汽缸之內(nèi)的混合氣不容易發(fā)生霧化。由于通常情況下火塞的電極之間很有可能附有機(jī)油或者汽油，再加上在壓縮的時(shí)候混合氣的溫度上升不夠高，因而最高的電壓就是擊穿電壓。除此之外，在車(chē)輛進(jìn)行加速的時(shí)候能夠?qū)е略S多冷空氣吸入汽缸之內(nèi)，使火花塞中心電極溫度降低，因此擊穿電壓也會(huì)較高。

5）發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)

次級(jí)電壓的最大值將隨發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)的增加而降低。這是因?yàn)橥馆喌耐蛊饠?shù)與汽缸數(shù)相同，發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸越多，凸輪每轉(zhuǎn)一周觸點(diǎn)閉合與打開(kāi)的次數(shù)就越多，于是觸點(diǎn)的閉合時(shí)間縮短，初級(jí)斷開(kāi)電流減小，因而使次級(jí)電壓降低。

6）觸點(diǎn)間隙對(duì)次級(jí)電壓的影響

觸點(diǎn)間隙的大小，不僅影響次級(jí)電壓，同時(shí)也影響了點(diǎn)火時(shí)間，如間隙增大時(shí)，由于觸點(diǎn)提前打開(kāi)，會(huì)使點(diǎn)火提前角增大。因此，在使用中應(yīng)該按制造廠的規(guī)定進(jìn)行調(diào)整一般為0.35～0.45mm。

7）點(diǎn)火線圈的溫度對(duì)次級(jí)電壓的影響

點(diǎn)火線圈過(guò)熱時(shí)，繞組電阻增大，初級(jí)電流下降，導(dǎo)致次級(jí)電壓降低。點(diǎn)火線圈過(guò)熱的原因有：夏季天氣炎熱，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱或因發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器調(diào)整不當(dāng)使發(fā)動(dòng)機(jī)電壓過(guò)高，初級(jí)電流增大所致。

8）火花塞積炭對(duì)次級(jí)電壓的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，若潤(rùn)滑油過(guò)多會(huì)造成火花塞絕緣體上積碳的快速形成，積碳積蓄到一定程度會(huì)導(dǎo)致火花塞不能正常跳火，這時(shí)將高壓線拔離火花塞上端3～4mm高后，火花塞會(huì)重新正常工作。原因是在火花塞的導(dǎo)線中串聯(lián)一個(gè)附加間隙后，泄漏電流不再產(chǎn)生，而當(dāng)次級(jí)電壓達(dá)到較高值時(shí)，才能同時(shí)擊穿火花塞間隙和附加間隙，產(chǎn)生火花點(diǎn)燃混合氣。可見(jiàn)附加火花間隙在火花塞積炭時(shí)，能起到改善點(diǎn)火的效果。但此種方法不建議長(zhǎng)期使用，因?yàn)檫@會(huì)加重點(diǎn)火線圈的負(fù)擔(dān)而使其損壞，而且還會(huì)有起火安全隱患。

3 結(jié)束語(yǔ)

點(diǎn)火波形就像人的一雙眼睛，通過(guò)這雙眼睛維修技術(shù)人員可以看到汽缸燃燒室的燃燒狀況。點(diǎn)火波形是最復(fù)雜多樣的波形，能夠提供出各汽缸點(diǎn)火和燃燒狀況的有價(jià)值資料。筆者利用示波器通過(guò)大量試驗(yàn)捕捉采樣了傳統(tǒng)分電器式、雙缸點(diǎn)火系統(tǒng)以及獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的波形，初級(jí)點(diǎn)火故障波形的波樣進(jìn)行了采集和分析，并詳細(xì)闡述了影響傳統(tǒng)點(diǎn)火波形的主要因素。希望能夠?qū)ζ?chē)維修技術(shù)人員快速準(zhǔn)確有效的檢測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)的故障提供一些參考和幫助。

[1] 元征.ADC2000汽車(chē)診斷電腦[J].汽車(chē)與維修駕駛,2002, 08.

[2] 段軼男.電控LPG缸內(nèi)直噴系統(tǒng)及高能點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[D], 浙江大學(xué), 2006, 01.

[3] 魏紅偉.次級(jí)點(diǎn)火波形分析[J], 汽車(chē)維修與保養(yǎng), 2009,05.

[4] 劉莉, 二四沖程汽油機(jī)四沖程模式點(diǎn)火控制系統(tǒng)研究[D].燕山大學(xué), 2010, 06.