汽车内燃机点火波形分析

作者：东风汽车有限公司科技情报所

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 最初的内燃机结构很简单，但为了增加动力和提高效率，人们已对其进行了许多次的改进，结构也就越来越复杂了。当今的内燃机主要有两种，一种是压燃式（柴油机），另一种是点燃式（汽油机）。在此，我们要探究的是汽油机。 要懂得在汽油机中能量是怎样释放出来的，这一点很重要。对于内燃机来说，空气和燃油的混合气被吸入汽缸并在缸内被压缩。当混合气被压缩时，其分子被迫进入一个很小的空间。这就使得分子之间相互碰撞，从而产生了摩擦力和热。燃油分子的分子链是由不同的原子组成的，将这些不同的原子结合在一起就需要能量。为了释放燃油的能量，燃油分子就必须分裂并重新组成一种不同结构的低能量分子。燃油分子一旦分裂，将不同原子结合在一起的能量就不再需要了。这种被释放的能量就为内燃机提供了动力。 对于汽油机来说，单凭压缩还不能提供足够的能量使燃油分子分裂。传入燃油分子的热能使其变得不稳定，但为了分开链接燃油分子的原子还需施加更大的力。要将两个扭打在一起的人分开是件很不容易的事。要把他们拉开，你所用的力要大于他们扭在一起的力。采用电击枪可以使两个扭打在一起的人分开，因为电击枪放电时电压可达100kV。电击枪的势能大于两个扭打在一起的人所用的能量，因此，那两人就会松手而分开。尽管汽缸压缩产生了热能，但要将燃油的分子分裂并释放能量还需要更大的力。点火系统所产生的高能电火花可以提供这个力。 点燃混合气需要高能量的电火花，为此人们采用了多种不同的点火系统。升压变压器是当今较常用的一种点火系统。这种变压器采用低电压、大电流的电极来产生高电压、小电流的电极。它是由两个不同的线圈组成的。第一个线圈叫初级线圈，第二个线圈叫次级线圈（见图1）。为了增加磁场，初级线圈绕在一个铁芯上。在新式的变压器上这个铁芯是由许多片叠加在一起的黑色金属（通常为软铁）片组成的。相对于整块的铁芯，它的磁增强能力更好。 初级绕组的线较粗、匝数少，这就使得它的电阻值很低。次级绕组的线较细、匝数多，从而电阻值较高。车用点火线圈的匝数比通常约为1:100，也就是说，初级线圈绕1匝，次级线圈就绕100匝。初级线圈的电阻值通常在1～4Ω之间，次级线圈的电阻值通常在8000～16000Ω之间。 初级线圈和次级线圈之间相互绝缘，绝缘的介质为变压器油或环氧树脂。变压器油的耐压值是20～25kV，所以在新式的点火线圈中采用了真空封闭的环氧树脂，其耐压值可达50kV。初级线圈和次级线圈是电磁耦合的，所以，一个线圈受到影响，另一个也会受影响。 点火线圈采用电磁感应的方式来提供所需的点火能量。要了解点火线圈是如何工作的，我们就来看一下它所产生的波形。先从图2中A部分看起，这一部分是开路电压，因为此刻电路还没有闭合，初级线圈中没有电流流动。随后，当驱动电路闭合，电压便突然下降，初级线圈就对地构成了回路（图2中的B部分）。这个电压降会非常接近于零电位。 固有的电压降取决于驱动电路中控制电流用的是三极管还是场效应管。如果是三极管，它的电压降就是0.7～1V，其原因是三极管的基极存在电阻。场效应管的基极电阻很小，所造成的电压降约为0.1～0.3V。固有的压降是电路中的保持电压，这个保持电压用来克服驱动电路或基极的电阻，从而使电流流动（图2中的C部分）。一旦驱动电路闭合，电流就流过初级线圈的绕阻。当电流流经绕组时，所有的电流都用来在绕组周围建立一个磁场（见图3）。这个磁场的建立叫做电感，它的强度是和电感系数以及电流成正比的。换句话说，就是电流越大，磁感应就越强。 当磁场建立时，磁力线切割初级线圈和次级线圈，使两个线圈产生感应电压，然而这个电压对两个线圈的影响是不同的。随着磁场的建立，磁力线切割次级线圈，次级线圈中就会产生感应电动势（emf）并释放电子。当驱动电路闭合时，可以从次级电压波形中看到这个感应电动势。线路闭合的初始会产生电压振荡（见图4）。这是由于磁力线切割次级线圈并在次线圈不同的绕阻中产生感应电压。 线圈绕组中存在着电容。当两个导体被空间分割并且电流通过两个导体时就会产生电容。而且，这两个导体之间会产生电位差。导体的尺寸和导体之间的距离决定了电容量。 电能和磁能互相转换时会产生振荡波。线圈充电饱和后，这个振荡波将减弱成一条稳定的弧线，随后再成一直线。线圈充电的饱和点各不相同，主要取决于流过初级线圈的电流、电阻值和线圈的匝数。 磁场建立时，磁力线切割初级线圈，初级线圈中产生的感应电压就会释放电子。可是，由于初级线圈中有电流，这些被释放的电子会阻碍电流的流动。我在以前的文章中，曾以学校的过道挤满了学生为例说明了这个问题。这个例子同样也适用于点火线圈。想象一下，孩子们沿着教室楼的过道飞快地奔跑。然后，更多的孩子们从沿过道的教室里出来，进入过道。离开教室进入过道的孩子们如果不用力推挤在过道里奔跑的孩子们，过道里的孩子们就不会跑得更快。就像进入过道的孩子们一样，这个在初级线圈中产生的感应电压阻碍了初级线圈中电流的流动。这种阻碍，我们称之为反向电动势或反向电压。 每当线路中有电感现象时，电流的变化就会产生一个反向电动势，这个反向电动势会阻碍电流的流动。每当线路中有电阻时，就会产生电压降，电压降的大小与电阻值成正比。从初级波形略为上升的底线（图4中的D部分）就可以看出这个电压降。如果将示波器的电压量程降低，放大初级点火波形的底部，就可以清楚地看见这个压降（图5中上半部的D部分）。 电流流过线圈，遇有电阻便会产生电压降，用电流钳测量初级线圈的电流波形时也能反映出这一现象（见图5下半部）。点火线圈的初级电流一旦饱和（磁场不再运动），次级线圈的周围就充满磁场。点火线圈的电流饱和点取决于流经它的电流，电流越大磁力线的强度就越大，反之，电流越小磁力线的强度也就越小。 线圈充电饱和后，流经初级线圈的电流将受到限制（图2中E部分），但是磁场强度仍处在最大状态。注意，此时电流受到限制，但电压仍然低于开路电压（图2中F部分）。为了限制电流，线路中加了一个电阻，其作用是限制流经初级线圈的电流。如果初级电路中存在额外的电阻，电流限制的时间就会提前。如果线圈短路或阻值低于规定值，电流限制的时间就会滞后。所以，你如果知道电路设计的特点，从电流限制时间的变化就可以判断出故障。 随着发动机转速的提高，各汽缸间的点火间隔时间变短，线圈饱和充电的时间也就随之变短，因此电流限制就会停止（并不是所有的点火系统都有电流限制器）。充电饱和后，动力控制模块（PCM）切断点火系统的驱动电路，初级线圈的电流不再流过初级绕组，这样一来，磁场便穿越次级线圈并消失。当磁场穿越导线或绕组时，导线或绕组中就会产生感应电压。这种感应电压会产生电动势。电动势推动电子沿线路运动，直到它们返回次级绕组。 电容器的作用是加快磁场消失的速度。直流电不可能通过这种元件接地，但交流电可以，交流电是可以通过电容器的。所以，初级线圈中的电流就可以通过电容器接地。 电容器是连在初级电路中的（见图6）。电流停止时，磁场在初级线圈中收缩使线圈中的电流稳定。初级线圈的电流通过电容器消失得越快，磁场也就消失得越快。快速运动的磁场能提高次级线圈中的感应电压，因而，受到高达50kV电压推动的电流就要寻找通道或出路。次级线圈和火花塞相连，电子运动到火花塞电极的开口处，然而次级线路是一个开路电路。当高压电试图推动电子穿越开路电路时，会首先在火花塞的两个电极之间建立电晕或者说低能量场（图7A）。 这种电晕一旦建立，电离就会开始。电离开始时，所需的电压很高。为了释放电子，电位差必须对原子施加足够的压力（图7B）。失去电子的原子就成了正离子（离子就是带正电或负电的原子，是原子失去或得到一个或多个电子的结果）。这就是击穿电压或者是推动电子克服电阻所需的电压。 在次级线圈中，电阻就是火花塞电极间的间隙（见图2的G部分）。火花塞的电极间隙越大，电阻就越大，因而所需的击穿电压就越高。击穿电压的读数单位为千伏（kV），它是克服次级线路中全部的电阻所需的能量。电子开始穿越火花塞的两电极时，电离就完成了。 请注意：随着电子流动的开始所出现的振荡波，这个振荡是在击穿电压出现后开始的（图2中的H部分）。这个振荡或脉动是由线圈或绕组间的电容现象引起的。电能与磁能间的转换在变压器中很容易出现。击穿电压所产生的电弧速度非常快，大约为2 ns。这个高速的能量脉冲使得能量在电与磁之间互相转换。电弧的能量脉冲越强，振荡波出现得就越多。 这些振荡波类似于小孩荡秋千。开始时小孩在秋千上处于静止状态。用力一推，秋千就荡了起来。用的力越大，秋千就荡得越高。随后秋千就会荡来荡去，直到能量消失后才能停下。点火线圈里的电、磁能量转换和磁、电能量转换与荡秋千十分相似。作为一种机械装置，秋千需要推力，以便使其运动，就像点火线圈的放电或“推动力”产生了能量脉冲一样。电子流动开始后，电压就稳定下来，振荡就会减弱成平稳的电压（图2中的I部分）。 电离现象一旦出现，自由电子和正离子就会在火花塞的电极间构成一个通道。这种情况是在电子流动的数量等于正离子流动的数量，并且在火花塞电极间“出现等离子体”时出现的（图7C）。等离子体的电阻大小与气体成份和气体压力有关。等离子体能降低电子流过火花塞电极间所需的电压。 电离转变成等离子体时的电压值是一项用来分析问题的重要参数。由于击穿电压不稳定，每个点火循环时上下都有波动，所以观察出现等离子体时的电压值尤为重要。出现等离子体时的电压值比击穿电压稳定，因而能看出从击穿电压中看不出的电阻值。电离转变成等离子体时所受的唯一影响就是线路中的电阻值。 图9中的黄色波形线表明次级电路中有20kΩ的额外电阻。红色波形线代表相邻的一个汽缸，其等离子体出现时电压正常。黄色波形线的等离子体出现时的电压比正常值高出了2.3kV，这就表明线路中有额外的电阻。 在图10中黄色波形线显示的是高压导线和火花塞之间有0.2in.（约5mm）的间隙。红色波形线代表相邻的一个汽缸，其等离子体出现时，电压值正常。在黄线中，等离子体出现时的电压值比正常值高出1.2kV，表明线路中有电阻。 在图11中，一个缸的喷油嘴插头被断开，燃油不进缸。注意，黄色和红色的波形线，它们在电离转变成等离子体时，其电压值没什么差别，这表明线路中的电阻正常。然而，在黄色波形线中，代表等离子体出现的一段波形表明电阻较高，这是因为等离子体中缺少碳氢化合物。这就使得电压在燃烧时陡然高出10kV。 电子一旦在火花塞的电极之间开始流动就会持续下去，直到次级线圈的能量耗尽。当燃烧时间接近终了、点火线圈的能量将尽时，电压在电火花熄灭前会略有上升（图2中J部分）。这种现象是等离子体的消失所造成的。点火线圈所产生的电子数量减少，使得正离子和电子的数量不等，因而等离子体便消失。由于等离子体所构成的电流通道电阻较小，所以等离子体的消失会使电阻升高，这就使得在燃烧时间接近终了时电压有所升高。 使点火线圈次级绕组产生电能的电感作用是有限的。饱和充电的点火线圈就像盛满水的水桶一样，如果用水泵通过压力将桶里的水抽出并规定水管的直径，那么压力越大，水被抽光的时间就越短。水被抽光后，压力也随之消失。对于次级线圈来说，推动电子穿越线路中电阻所需的电压或压力越高，电子耗尽的速度就越快。 电子流过火花塞电极间这一阶段叫做燃烧时间（图2中G、J部分）。推动电子在线路中流动所需的电压不同，燃烧时间也不同。电压越低，燃烧时间就越长。反之，电压越高，燃烧时间就越短。 我们用一根绳子来演示一下这一规律。假定绳子的长度是一定的，并将它用来表示击穿电压和燃烧时间的波形部分（见图12）。绳子用在垂直线的部分越长，用在水平线的部分就越短。反之，如果水平的部分变长，垂直的部分就会变短。假如绳子整体短，就像点火线圈的磁场不饱和一样，垂直和水平的部分也会受到影响，这是由于可提供的能量减少所造成的。 击穿电压和燃烧时间受汽缸内的压力以及气体成份的影响。通常进入汽缸里的空气（大约21%的氧气和79%的氮气）以及C4H8碳氢化合物（汽油）。空气和碳氢化合物的混合比例为14.7:1。汽缸里的混合气由原子组成，这些原子能够电离或者说使火花塞的电极间产生电火花。我们知道这些原子会电离，但如果条件变化，电离的性能也会变化。汽缸压力的大小将会改变混合气的密度，而混合气的密度会影响电离的性能。汽缸里的紊流也会改变点火波形的特性曲线。压力、紊流、气体成份、燃油或水蒸汽等都是变量。如果这些变量中的任何一项发生变化，则由电离所形成的等离子体也会发生变化。其结果是点火波形将受到影响。 如果电能不足以维持电子流过火花塞的电极之间，那么电火花就会熄灭（图2中的J部分），点火线圈里剩余的任何能量都将会被绕组吸收。被吸收的能量通过电能和磁能的转换而耗散。这就是点火终了时波形中为什么会出现振荡波的原因（图2中的K部分）。通过这个振荡波可以看出点火线圈放电时有多少能量被利用了或者有多少能量没有被利用。电压变化大、振荡的次数多表明了点火线圈中的剩余能量多，如果没有振荡波，就说明点火线圈的能量完全用尽了。 点火波形是一扇窗，透过这扇窗，技师们可以看见燃烧室所发生的情况。一旦学会了怎样看波形中代表击穿电压和燃烧时间的部分，你就会知道汽缸内所发生的情况。通过点火波形能够看出的问题有：稀空燃比、浓空燃比、早燃、配气相位和气门造成的紊流、排气背压造成的紊流、EGR阀、冷却液漏进汽缸形成水蒸气、火花塞电极烧蚀、积炭、线路中的电阻等。对汽车来说，点火波形所包含的信息比其他任何波形都要多。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/9/2006)