示波器在汽車發動機點火系統波形分析中的應用

武漢理工大學汽車學院 趙若松

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 何子燚

武漢理工大學汽車學院 胡 翼 龐新建

現代發動機采用了大量的電子控制系統，傳統的檢測方法已無法對現代發動機的故障進行診斷，特別是用常規的斷缸法已無法精確地判斷點火系統是否正常工作。由于示波器具有實時性、直觀性和不間斷性，因而得到越來越廣泛的應用。論述了示波器在點火系統波形分析中的應用，以測試某品牌輕型發動機的波形圖。

發動機點火控制系統的基本組成

現代汽車發動機的點火控制系統主要由微機控制系統組成，即由發電機、傳感器、電控單元、點火控制器、點火線圈、高壓線、火花塞等組成。微機控制點火系統的組成如圖1所示。

1. 發電機

發電機的作用是為點火控制系統提供足夠的能量。

2. 傳感器

圖1 微機控制點火系統的組成圖

傳感器主要用于檢測發動機的各種運行狀態的參數，為ECU精確提供點火提前角的控制參數。包括：a.轉速和曲軸位置傳感器，主要用于檢測曲軸的轉速和轉角信號，找出基本點火提前角和曲軸的位置；b.進氣流量傳感器，用于發動機進氣量的檢測，以確定基本點火提前角；c.節氣門位置傳感器，主要用于檢測節氣門的開度大小，以判定發動機的負荷狀態，確定修正的點火提前角；d.水溫傳感器，冷卻液的溫度檢測，作為修正點火提前角的依據；e.進氣溫度傳感器，用于檢測進氣溫度，與水溫傳感器一起作為點火提前角修正的依據；f.爆震傳感器，用于檢測爆震信號，對點火提前角進行修正以實現閉環控制。

3.電控單元ECU

電控單元ECU的作用是根據收到的電源、傳感器和開關信號，按照一定的控制程序進行判斷、運算，并向執行器發出最佳控制信號。它包括：a.點火

時刻的控制信號IGT，其作用是根據傳感器輸入的信號給ECU，以確定曲軸的位置，適時向點火器發出點火控制信號IGT，使火花塞點火；b.氣缸判別

信號IGDA、IGDB，其作用是根據曲軸位置傳感器G、Ne兩個信號傳給ECU，以判斷氣缸的判別信號IGDA、IGDB，用來控制發動機的點火順序。

4. 點火控制器

點火控制器的作用是將ECU輸出的點火信號進行功率放大，以帶動點火線圈工作。

5. 點火線圈

點火線圈的作用是將低壓電變為高壓電，為點火提供能量。

發動機對點火控制系統的要求

為了保證汽油發動機的點火性能指標達到最佳水平，點火系統必須滿足以下要求，即：a.提供的高電壓能足以擊穿火花塞電極的間隙；b.必須提供足夠的電火花能量和持續時間；c.點火時刻（點火提前角）應與汽油機的運行工況相匹配。由此可知，要滿足以上3個條件必須采用先進的電子控制的點火系統，才能達到提高汽油機的動力性、經濟性和排放性能的目的。

示波器

示波器是一種可用于顯示電壓波形隨時間變化的電子檢測設備，其具有多種用途，顯示信號的速度比一般的電子設備快很多，是具有唯一能即時顯示瞬態波形的儀器。示波器一般由傳感器、中間處理環節和顯示器等部件組成。示波器可分為普通示波器和專用示波器兩種。普通和專用示波器分別如圖2所示。

圖2 普通和專用示波器圖

圖3 標準四缸次級電壓的直列波

圖4 標準四缸次級電壓的平列波

將示波器連接在汽油發動機的點火電路中時，示波器會在屏幕上顯示點火電壓隨時間變化的曲線，稱為點火波形圖。在圖中垂直方向的圖形表示電壓，水平方向的圖形表示時間，極限的上方表示正電壓，下方為負電壓。通過示波器可測出點火系統的3類波形，即直列波、重疊波和平列波，通過檢測出的波形與標準波形作比較，就可檢測出故障所發生的部位。

圖5 標準四缸次級電壓的重疊波

圖6 點火次級單缸波形圖

圖7 測試系統的建立圖

1. 直列波

當點火次序按各缸點火波形首尾連接排成一字開來時，就稱為直列波。

其作用是用于分析次級電壓的故障，顯示各缸次級擊穿電壓是否均勻，火花電壓是否均勻及有無差異。標準四缸次級電壓的直列波如圖3所示。

2. 平列波

當各缸的點火波形始點對齊，而由上至下按點火次序排列形成的波形，稱為平列波。其作用是分析各缸的閉合角、開起角和火花塞的工作狀態。標準四缸次級電壓的平列波如圖4所示A。

3. 重疊波

當各缸的點火波形起始點對齊，全部重疊在一個水平位置時，稱為重疊波，其作用是檢測重疊角。標準四缸次級電壓的重疊波如圖5所示。

4. 次級點火波形的特點

次級點火波形具有以下5個基本特點，即：

a.一看閉合部分的下降沿。對于單缸的點火波形，主要觀察點火線圈在開始充電時的波形是否保持相對一致的下降沿。下降沿一致，則表明各缸閉合角一致，說明點火正時正確。

b.二看點火線。注意各缸點火電壓的高度是否一致，點火線的中、后段是否有雜訊。在怠速時，次級點火電壓通常為10～15kV。若點火電壓太高，表明次級電路中存在高電阻；若點火電壓太低，則表明點火次級電路電阻低于正常值；當點火線的中段或后段線條特別粗，則為有雜訊，表明噴油嘴或進氣閥上可能出現嚴重的積碳。

c.三看火花線及燃燒電壓。當波形圖中的火花線接近水平，表明各缸的空燃比一致，火花塞工作正常；若火花出現過多的雜波，表明點火不良，應檢查噴油器、火花塞；若混合氣太稀，燃燒電壓就會低，就不會出現水平；如果火花線顯示傾斜或跳動，則表明火花塞有積碳或污蝕。

d.四看燃燒時間。燃燒時間的長短只是說明氣缸內的混合氣的濃和稀，若時間過長（超過2ms）表示混合氣過濃，若時間過短(少于0.75ms)表示混合氣過稀。

e.五看線圈震蕩。點火線圈的震蕩波最少應有2個，最好多于3個，說明點火線圈工作正常。正常的電子點火次級單缸波形圖如圖6所示。

總之，汽車在點火時，每個缸的點火能量必須保持一致，閉合角必須一致，燃燒電壓必須一致，判缸必須準確，這樣才能滿足發動機對點火系統的要求，而示波器能夠做到不拆檢發動機就能檢測出點火系統的故障。下面以某品牌輕型發動機為例，介紹如何采用示波器檢測出汽車發動機的故障。

根據國家計算機網絡應急技術處理協調中心（CNCERT/CC）通報，第二季度我國互聯網網絡運行正常，互聯網基礎設施總體運行平穩。大陸地區木馬和僵尸網絡程序受控端約為148.67萬個IP，比上一季度環比減少21.96%；木馬和僵尸網絡程序控制端約為2.25萬個IP，環比減少63.39%；感染飛客蠕蟲約為85.87萬個IP，環比增長4.02%；發現網站后門8243個IP，環比減少8.70%；發生網頁篡改約4442個IP，環比下降16.72%。國家信息安全漏洞共享平臺（CNVD）收錄漏洞3635個，其中高危漏洞1179個；收錄0day漏洞1050個。

圖8 點火線圈次級波形圖

圖9 曲軸位置傳感器信號波形圖

圖10 氧傳感器信號波形圖

汽車發動機點火測試系統

1. 測試系統的建立

本次測試由某品牌輕型發動機、某型精密數字示波器、打印機、萬用表等組成。

2. 測試步驟

a.試驗前根據某型數字式示波器使用說明書的要求校正；

b.起動輕型發動機至正常工作溫度，并保持怠速運轉；

c.將數字式示波器與發動機安說明書的要求連接好；

d.打開示波器的電源開關，調整旋鈕，使示波器可以捕捉到點火系統、傳感器、執行器的波形圖；

e.將示波器中的波形圖存檔并通過打印機打印出來；

f.將測試的波形圖與標準的對比，就可分析出故障點；

g. 測試出的輕型發動機點火系統的波形圖如7～11所示。

點火波形圖的分析

1．點火線圈波形圖分析

a.點火部分由一條點火線和一條火花線組成。點火線是一條垂直的直線，表示擊穿火花塞間隙所需要的電壓；而火花線近似于一條水平線，表示維持電流通過的火花塞間隙所需的電壓值。

b.中間部分表示點火線圈中剩余的能量，說明晶體管斷路。

c.閉合部分表示點火線圈的通電狀態，即晶體管的導通時間。

2．傳感器-曲軸位置傳感器信號波形圖分析

通過對曲軸位置傳感器信號波形的分析，可得出以下結論，即：

a．相同的齒形應產生相同型式的連續脈沖，脈沖具有一致的形狀、幅值并與曲軸的轉速成正比；

b．除去傳感器觸發輪上的一個齒或兩個相互靠近的齒所產生的同步脈沖，就可以確定上止點的信號；

c．各個最大（最?。┑姆逯惦妷簯嗖畈欢?，否則觸發輪有彎曲；

d．波形的上下波動，不可能在0電位處上下完美對稱，幅值隨轉速的增加而增加；

e．波形的幅值、頻率和形狀在確定的條件下應是一致的、可重復的、有規律的和可預測的；

f．波形的頻率應同發動機的轉速同步變化，兩個脈沖間隔只在同步脈沖出現時才會改變。

圖11 噴油器控制信號波形圖

圖12 怠速控制閥信號波形圖

汽車點火系統組成圖

3．執行器- 噴油器控制信號波形圖分析

對噴油器控制信號波形圖進行分析可知：

a.噴油器的電壓應是蓄電池的電壓，通過驅動三極管使噴油器中的針閥開始噴油；

b.從圖中可知噴油器的打開時間以及驅動三極管切斷使噴油關閉。在怠速時，其噴油持續時間應為1～6ms到冷起動或節氣門全開時約為6～35ms之間進行變化；

c.可讀出由于噴油器線圈的磁場衰減而產生的峰值電壓。

結語

a.汽車用示波器應該是高頻示波器，具有不拆解就可以分析汽車故障的功能；

b.示波器最大的優勢是能將檢測結果和數據保存在計算機內存中以備用；

c.示波器可用于追蹤信號和干擾的工具，能夠獲取汽車和傳感器上的信息以便于查找故障；d.示波器能清晰的顯示信號是否有正確的電壓、頻率和故障現象；

e.示波器具有兩個波道，可同時顯示兩種信號，可對信號進行轉換；

f.通過對解放牌輕型發動機點火系統、傳感器和執行器的分析，運用示波器對波形圖的分析，可以清楚地看到發動機各缸的點火狀態，檢測出點火閉合角，點火線圈的充電時間，以及火花塞的工作狀態。實現對微機控制的點火系統和汽車底盤電控系統的快速故障診斷，大大提高了維修的工作效率，因此，示波器是一個非常好的檢測汽車故障的測試儀。