图7-3-1为现在的电子点火次级电压波形,这个图片与前图7-1-2类似,只是在B段点火火花时间大约是1ms,略微有些区别。 次级电压波形显示火花塞跳火所需的电压(A),和跳火电压击穿火花塞间隙所持续的时间(B)。这段时间被称为“燃烧时间”或“火花持续时间”。图中间有一条水平的电压线(C),大约在3kV。这个电压是用来保持火花通过火花塞电极的,该电压由次级电压电路的阻抗决定。屏幕上0ms到D点是火花持续时间,这段时间大概有1ms。然后波形急剧下降,这称为“线圈振荡”(E)。线圈振荡应该显示有必备数量的峰值点(包括最高点和最高点),应该有4~5个峰值点,峰值点少了,可能点火线圈不良,需要更换线圈了。F点的振荡称为“反极性峰值”,这个电压是火花塞点火电压的反向极电压,产生于磁通量营造的初期或闭合期的起点。 图7-3-2为有故障的点火线圈波形,可以见到缺少线圈振荡。 1.击穿电压电子流过火花塞电极间的这一时间段称为燃烧时间。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。 在示波器上,点火线和火花线可表明次级线圈电阻的大小。 点火线(击穿电压)的高度随着电阻的增加而增加。在点火线高度增加的同时火花线的长度减少,这说明高电阻将引起过高的点火电压,并减少火花持续时间。 用一根绳子来演示一下这一规律。如图7-3-3所示,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。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,垂直和水平的部分都会受到影响,这是由于可提供的能量减少所造成的。
电阻过大不是影响火花塞点火的唯一因素。
高压线和火花塞本身也可能造成高压漏电,从而使电流流经其他金属物体而不是火花塞的电极。
当这种情况发生时,火花塞不点火,因而气缸内不会发生燃烧。
1)观察击穿电压高度的一致性,如果击穿电压太高(甚至超过了示波器的显示屏),表明在点火次级电路中电阻值过高(如开路或损坏的火花塞、开路的高压线或是火花塞间隙过大),如果击穿电压太低,表明点火次级电路电阻低于正常值(受污损或破裂的火花塞、阻值过低的火花塞或高压线漏电等),如图7-3-4。
由上式可知,电极间隙越大,击穿电压越高。这是因为当电极间隙增大时,气体中的离子和电子距离电极的路程增大,受电场力的作用减小,不易发生碰撞电离,因此需要较高的电压才能跳火。
2)点火时刻过晚时,缸内压力过高,此时,也会出现击穿电压过高的情况。实际上击穿电压与混合气的压力和温度并无直接关系,而是与混合气的密度有关。因为混合气的密度越大,即单位体积中气体分子的数量越多,离子自由运动的距离(即两次碰撞之间的距离)就越短,故不易发生碰撞电离作用。只有提高加在电极上的电压,增大作用于离子上的电场力,使离子加速才能碰撞电离,进而使火花塞间隙击穿。因此混合气的密度越大,则击穿电压越高。因此,当点火时刻过晚时缸内压力过高,混合气压力增大,混合气密度增大,所以击穿电压增大;反之,当点火时刻过早时缸内压力过低,混合气压力减小,混合气密度减小,因而击穿电压降低。
3)由于进气歧管漏气、进气门密封不良或喷油器堵塞导致混合气出现过稀的情况时多数情况下击穿电压会高于正常值。在部分发动机上,此电压值的变化可能不明显,这与发动机进气道设计、喷油量大小以及点火时刻的控制存在一定关系。
4)急加速或高负荷时,由于大量的混合气突然进入气缸,使火花塞中心电极温度降低,因此击穿电压也升高。如果有负荷时断火或急加速时所有气缸的点火峰值都低,说明点火线圈不良。
5)发动机起动时,由于起动时气缸壁、活塞以及火花塞的电极都处于冷态,吸入的混合气温度低、雾化不良。压缩时混合气的温度升高不大,加之火花塞电极之间还可能积存有机油或汽油,因此击穿电压最高。
6)火花塞不良时,由于火花塞分流电阻的存在,产生电压泄漏的情况,会导致加速过程中单缸击穿电压不再升高。正常情况下,记录发动机怠速时的点火电压,然后,快速打开节气门(突然加速),在检查击穿电压一致性的同时,记录下击穿电压升高的高度。在突然加速时,正常的电压升高值一般为3-4kV。
7)进气道严重积炭时,由于积炭对燃油的吸附,导致发动机工作中,进入气缸的混合气成分变化起伏较大。不断重复的燃油的吸附与释放过程,导致了火花塞电极之间的混合气浓稀变化较剧烈。所以,击穿电压高低变化幅度较大,从波形图上,可以看到部分或全部气缸的击穿电压峰值不够稳定,上下跳动很大,且其值的差异一般在3-5kV之间,严重时甚至有超过5kV的电压波动。
2.燃烧电压观察跳火或燃烧电压的相对一致性,它可说明火花塞工作和各缸空燃比正常与否,如果混合气太稀,燃烧电压就比正常值高一些。
2)次级回路出现高压线断路、火花塞电阻过大的情况时,燃烧电压会明显高于正常值。
3)如果火花塞有污浊或积炭,在火花塞分流电阻的作用下,由于次级电压的泄漏,火花的起点就会上下跳动,燃烧电压高于正常值,火花线明显会向下倾斜。
图7-3-5是某发动机燃烧电压变化趋势图。由于火花塞不良造成1缸燃烧电压过高,图中1缸燃烧电压大约是2.0kV,远高于其他缸1.25kV的燃烧电压。
3.燃烧线1)观察点火部分的燃烧线是否近似水平,燃烧线的起点是否和燃烧电压一致且稳定如一致,表明各缸的混合气浓度一致,火花塞是正常的。
2)观察跳火或燃烧线应十分“干净”,即燃烧线上应没有过多的杂波。过多的杂波表明气缸点火不良,或是由于点火过早、喷油器损坏、污浊的火花塞以及混合气过稀等其他原因造成的。
3)燃烧时间的长度主要和次级回路中的电阻值大小有关,当电阻过大导致击穿电压过高时,用于进行保持火花持续的时间就会缩短。燃烧的持续时间长度也与气缸内混合气浓度有关。混合气浓时燃烧线长(通常超过2ms),混合气稀时燃烧线短(通常少于0.75ms)。
通过并列波观察各缸燃烧线的长度,对于独立点火系统,当某缸击穿电压正常,但火花持续时间过短时,通常是点火线圈性能下降所致。
4)混合气过稀会导致燃烧线末端向上倾斜。通常气缸内混合气越稀,燃烧线就越陡,燃烧线末端峰值可能接近甚至超过击穿电压的高度。另外,混合气过稀也会导致出现异常粗糙、锯齿状或奇怪的燃烧线。
5)急加速时,燃烧时间应该比怠速时短,因为急加速时吸入的混合气要比正常时少击穿电压比正常值高,燃烧电压也会比正常值高,而稀的混合气使得燃烧速度放慢,因此火花持续时间缩短。
燃烧线除了与气缸内混合气浓或稀有关外,还与火花塞的状况有着直接的关系。
图7-3-6是某发动机燃烧时间变化趋势图。图中1缸火花塞不良时,击穿电压会过低,燃烧电压会偏高,燃烧时间1.1-1.2ms比实际1.3~1.4ms短。
4.低频振荡低频振荡:观察到在燃烧线后面(图7-3-7)有最少2个(一般多于3个)的振荡波,这表明点火线圈是好的。
在火花刚一结束的时候,点火线圈内会存储相当小的电压。点火线圈内的这部分剩余电压会在初级电路中波动,或者不断改变方向直至降到0为止。
燃烧线(火花线)具有长度和斜度,并和击穿电压一起提供关于点火性能的信息。燃烧线的斜度表明点火后维持火花塞处的火花所需要的电压大小。燃烧线的斜度越陡,说明克服次级电路电阻所需要的电压越大。燃烧线的长度(燃烧时间)是用来衡量火花保持在火花塞的电极间的时间长度。点火线圈能量消耗的物理性质使得三个衡量指标(击穿电压燃烧电压和燃烧时间)之间形成一定的比例关系。这种关系可以从以下点火系统存在的故障得到。比如:火花塞间隙过大,次级电路断路,火花塞间隙小,火花塞或者高压线短路。
如果火花塞间隙过大,点火线的位置会很高(击穿电压高),这表明需要更高的电压才能触发火花塞产生火花。因为高电阻与燃烧线之间的关系,电路中增加高电阻后,维持火花塞处的火花就需要更高的电压。这将导致火花线的斜度更陡或燃烧电压更高。最后,点火线圈的电能过多消耗,会减少火花在火花塞电极间持续的时间,就是导致更短的火花持续时间。总之,如果点火击穿电压比正常需要的电压高,则燃烧时间将缩短。如果点火击穿电压比正常需要的电压低,则燃烧时间将增加。
5.气缸点火的内部外部阻力因素记住影响和确定所需点火击穿电压的因素是重要的。气缸内部和外部的阻力是两个基本的影响因素。内部阻力因素是指气缸内部所有会导致点火电压升高或降低的因素,包括气缸压缩压力情况,混合气浓度以及温度。比如压缩比越大,则气缸的压力越大,这就将增加阻力。因而,就需要更高的点火电压。在稀薄混合气的碳氢化合物(HC)分子之间有更多的氧分子。多出来的氧分子不及碳氢化合物易导电,所以将需要更高的电压来触发火花和维持火花。甚至点火时刻以及燃烧室温度都将影响所需的点火电压。如过迟的点火时刻,会导致缸内压力升高,使得击穿电压急剧上升。反之,过早的点火时刻,会导致缸内压力降低,使得击穿电压急剧下降。
外部阻力因素是指气缸外部的所有因素,通常包括次级点火系统部件。比如火花塞、高压线、分电器盖、分火头、中央高压线以及点火线圈。火花塞间隙大和火花塞导线损坏都将使所需的点火击穿电压成比例增加。值得注意的是:确定点火系统发生的故障是对针对所有气缸的公共故障,还是只影响一个或几个气缸的非公共故障是很有必要的。如果只有一个或几个气缸的点火线不正常,则故障仅仅与那几个缸有关。
识别与点火相关的故障是相对比较容易的。识别出故障是公共故障还是只与某个缸有关以后,继续进行下一步测试。例如,如果某个缸的点火线和燃烧时间不同于其他的缸,那么故障最有可能发生在火花塞、高压分线等处,也可能是那个气缸内的混合气或缸内机械部分发生故障。次级点火波形常规检测数据见表7-3-1。
关于峰值击穿电压的诊断见表7-3-2。
5.闭合角控制闭合角区域的长度取决于控制模块接通或切断晶体管的时刻。有些因素可能会影响接通或切断晶体管的时刻,现将其分成如下三类。
1)固定闭合角。
2)可变闭合角3)限流特性。
传统式断电器触点系统以及某些电子点火系统使用固定闭合角型系统。在这种系统中,闭合角的长度在发动机的各种转速下都是相同的。因此,如果发动机在怠速时的闭合角为30°,在2000r/min时的闭合角也应该为30°。这并不是说闭合角的实际时间长短是相同的。
在2000r/min时30°的固定闭合角使得点火线圈的饱和时间只有500/min时的1/4。从示波器的波形上应该看到:在发动机转速变化时,闭合角的角度或者闭合角所占的百分数仍然是相同的。
在大多数电子点火系统的控制模块内内置有可变闭合角功能。闭合角会随着发动机转速的变化而有很大变化。在怠速和低速时,短的闭合时间便可提供足够的时间,使点火线圈完全达到饱和。初级电流接通的信号和切断的信号之间的距离看起来很近,通常小于20°。随着发动机转速的增加,控制模块将闭合时间加长。这样就使点火模块达到饱和可用的时间延长当点火模块发生故障时,闭合角控制终止,闭合角采用某一固定值,这样仍能保持车辆运行,但是会影响到发动机的性能。所以当检测到具有可变闭合角系统的闭合角不随发动机转速变化时,应及时更换点火控制模块。
现代的许多电子点火系统具有限流特征。这些系统极高的电流在几分之一秒的时间内流过初级绕组,从而使点火线圈快速达到饱和。点火线圈一旦达到饱和,便取消了对高电流的需求,此时使用小电流使点火线圈维持饱和。这种类型的点火系统延长了点火线圈的寿命。
当控制模块使初级电流从大电流变回小电流时,在波形的闭合角区域可看到一个小的尖峰信号或者振荡信号,如图7-3-8所示。发动机在极高转速下,这个尖峰信号可能会消失,因为,此时为了使点火线圈持续饱和从而快速点火,应该一直保持大电流。
在相反的情况下,如果点火线圈初级绕组的电阻过大,或者点火线圈发生故障,限流尖峰可能永远不会出现,这是因为初级绕组不会完全饱和。此时需要进一步测试点火线圈,以便找出尖峰信号丢失的具体原因。就可变闭合角功能来说,当控制模块的限流功能电阻烧断或者发生故障时,车辆还能维持继续运行,但这时尖峰信号也会从波形上消失。
6.固定电阻、异变电阻与等离子体电阻通过对一线技术人员的调查,可总结出妨碍大多数技术人员读懂点火系统次级波形的原因有以下两点1)目前,对次级波形分析的参考书籍分析深度不够,只是宽泛解释一些专用名词,采集故障波形的数量较少、分析实际案例较少。虽然次级点火波形存在着一定的规律性,但需要技术人员具备丰富的经验,才能理解书本上的一些理论分析,而这恰恰是刚刚接触示波器的技术人员的弱项。
2)点火系统次级电路中,影响次级波形形状特性的一些因素缺乏统一的定义,因此,对于一些很简单的问题却无法给出一个让人容易接受的解释。
比如,对于火花塞电极之间空气间隙的电阻值描述,书本上只是说出了其需要较高的电压来克服电极间隙。形成击穿电压后,由于形成了离子流,使电子穿过电极间隙的阻力变小,所以燃烧电压会降低。这样的解释,很多技术人员不易理解,特别是在同样是击穿电压过高,但燃烧电压却有高有低的情况出现时,令很多技术人员产生迷惑。而这需要通过很多实际故障的排除、分析,积累了一定经验后,最后才能搞清楚其中的关联关系。
而如果将其中几个变化的因素,用几个专有名词来解释,就便于快速地加以理解。下面引入几个比较贴近的名词(图7-3-9),来进行分析解释,希望有助于读者理解次级点火波形。
①固定电阻:这里指的是在整个次级电路中,电阻值不随次级电压的产生而发生较大变化的电子器件的电阻,固定电阻只有一个电阻值,这个阻值不会变化。如次级线圈的电阻,中央高压线、分缸线的电阻,以及火花塞本身的电阻。固定电阻阻值过大时,会使击穿电压较高、燃烧电压较高,火花持续时间较短。从燃烧线(火花线)形状看,高压线断路导致的高电阻造成火花线非常陡。
②异变电阻(也可称为空气隙电阻):为了有别于固定电阻阻值不变的情况,根据次级电路当中的空气隙电阻在次级电压作用下,电阻值(形成等离子体电阻)发生改变的特性,将其命名为异变电阻。异变电阻的电阻值,在正常情况下,其电阻值极大,通常是由空气间隙形成(包括火花塞电极间隙),只有在高电压的作用下,才会由于等离子体的产生形成导通,此时,异变电阻演变为等离子体电阻。正常情况下,异变电阻是应该存在的,否则就不会形成火花塞电极间的火花放电。但当异变电阻(空气隙电阻)过大时,如次级回路中出现异常的空气间隙时,则使得击穿电压较高,而燃烧电压略高于正常值,火花持续时间缩短(长于固定电阻高时的持续时间),从燃烧线(火花线)形状看,异变电阻过大时,火花线会较平直。如图7-3-10所示。
③等离子体电阻:等离子体电阻指的是在次级高电压的作用下,在次级电路中的空气间隙之间的空气或混合气(包括火花塞电极间隙),在高电势的作用下,产生电离形成等离子体和电子,从而具有导电性,此时作用在空气隙之间的电阻急剧减小。此电阻值除了与空气间隙的大小有关(间隙大,则等离子体电阻增加)外,还和气缸内的混合气浓度、气缸内的紊流、压缩压力有关。同时等离子体电阻在整个火花持续期间,是一直在变化的,这从火花线的上下跃动可以清楚看到。
在大气学中,有这样一个概念,那就是对于地球表面和高空电离层之间,存在着定的电势差,其平均值大约为300kV。电离层和地表之间的整个睛天大气电阻大约为为200Ω。这也是我们见到的雷电产生的根本原因。而在汽油发动机点火系统次级回!路中,其实也存在着空气隙电阻,我们利用的就是在火花塞中央电极和侧电极之间火花放电的方式来点燃气红内的混合气,从而实现发动机将化学能转变为机械能的作用。对于空气隙电阻,这里采用的名称是“异变电阻”,之所以采用这一名称,而没有使用“可变电阻”的原因,主要是因为在物理学上,可变电阻一般指的是其阻值可以连续变化的电阻。而对于空气隙电阻来讲,由于其在特定的情况下,在外界施加高电压的情况下,空气或混合气发生电离,由于等离子体的出现,导致在电路上的正离子及电子流动形成通路,而此等离子体具备一定的电阻值。因此,使用“异变电阻”这一名称,才符合这种由于物质形态发生变化,其阻值发生变化的特性。
火花塞分流电阻:指的是由于火花塞表面积炭,产生的对于中央电极与旁电极来说,通过积炭形成的一条导电通路。这种漏电通路会带走一部分点火能量,并形成回路,从而减少火有效电流。它具有一定的电阻值,随积炭量的增加,分流电阻的电阻值逐渐减小,这将影响在中央电极与侧电极之间形成高电压的能力,严重积炭时,次级回路的能量沿积炭向侧电极释放,导致失火的发生。
④火花塞分流电阻:形成的机理见图7-3-11。
火花塞积炭是具有一定电阻的导体,这就相当于在火花塞电极之间并联了一个分流电阻R,如图7-3-12所示,使次级电路形成闭合回路。当功率晶体管断开,次级电压增长时,在次级电路内会产生泄漏电流,这消耗了一部分电磁能,从而使次级峰值电压降低。当积炭严重时,会使次级峰值电压低于火花塞的击穿电压,从而发生失火现象。
前述几个电阻与次级点火波形之间的关系如下1)对于击穿电压来讲,固定电阻与异变电阻(空气隙电阻)增大导致的后果是一样的,无论是中央高压线断路还是分缸线断路,或者说是火花塞电极间隙增大,带来的都是整个次级电路的电阻增大,这样就使得次级回路的击穿峰值电压升高。反过来讲,当固定电阻与异变电阻减小时,次级击穿电压就会降低。
2)对于燃烧电压(火花电压)来讲,固定电阻与异变电阻(空气隙电阻)增大导致的后果则截然不同,在后面的案例中,会看到高压线断路与分火头烧蚀造成的燃烧电压的不同。现在来分析其中的原因。
首先,来看固定电阻和燃烧电压之间的关系,由于固定电阻的特性是其阻值不会随次级电压的变化而变化,所以,当固定电阻增大,使次级回路电阻增大时,如图7-3-13所示,中央高压线断路时,次级击穿电压过高,这时,在火花塞中央电极与侧电极之间形成离子流,虽然形成了离子流,但是由于固定电阻过大,整个次级回路的电阻仍然处于一个较高的阻值范围,所以,克服次级回路电阻所需的电压就较高,因而表现在燃烧电压(火花电压)起点较高,火花线较陡,且从高到低变化。
接下来,再来看异变电阻(空气隙电阻)、等离子体电阻和燃烧电压之间的关系。异变电阻是由于次级回路中气隙产生的。当空气隙变化时,诸如火花塞电极间隙的变化都会影响次级击穿电压。击穿电压随空气隙的增大而升高。但是与固定电阻不同的是,异变电阻(空气隙电阻)在高电压的作用下,会发生变化,演变为等离子体电阻。此时,由于等离子体的形成,使整个次级回路的电阻急剧降低,这样,形成电极间火花所需的电压也大大降低。如图7-3-14所示,这与固定电阻大而导致的燃烧电压过高截然不同。
3)对于燃烧时间(火花线)来讲,固定电阻与异变电阻过大导致的后果也是有很大不同,一般来说,固定电阻增大与异变电阻增大,都将导致燃烧时间(火花持续时间)减少。
过高的击穿电压会导致点火能量的损失,用于维持火花持续的时间减少。但仔细分析,我们还是可以看出其中的分别。对于固定电阻来说,其电阻值并不随火花塞电极间离子流的出现而降低,也就是说,次级回路仍然维持一高电阻值,这使得燃烧电压升高,维持电极间火花所需要的电压要高,一旦能量降低,火花就会熄灭。这使得火花持续时间极短,火花线起点高且较陡。
对于异变电阻(空气隙电阻)来讲,它在电极间隙或者在空气隙被击穿,形成离子流后,演变为电阻值较小的等离子体电阻,整个次级回路的电阻会降低,火花线起点较低,维持火花塞电极间火花的电压也较低,这样,火花线相对来讲会长且平。
4)火花塞分流电阻对于点火次级波形的影响,主要反映在由于分流电阻的出现,会使火花塞电极间产生击穿的电压最高峰值降低,也就是说因为漏电,无法建立很高的击穿电压,使火花塞中央电极和侧电极之间形成的离子流的强度减弱,甚至可能因为电压过低而无法使混合气形成电离现象。这样,电极间也不存在火花放电的情形出现。常规情况下,由于火花塞分流电阻值大于等离子体电阻,使次级回路中的电阻值大于正常值,这样就导致燃烧电压(火花电压)起点稍高,火花线呈现由高至低的情况。同时,由于击穿电压较低,整个次级回路中存储的后备电压出现剩余,这样,多余的能量会使得火花持续时间延长。
从图7-3-15可以看出,当火花塞积炭严重时,分流电阻会降低到一较低电阻值,这时,就会由于漏电严重,使击穿电压无法建立,导致失火故障发生。
同样的,如图7-3-16所示,蓝色波形显示的是初级低压信号,该信号是从线圈负极(标号为1)测量到的。红色波形显示的是次级高压输出电压,是从火花塞插头上测量到的。
在这个例子里,初级次级波形都精确地显示2ms的燃烧时间。
