由于次级点火波形明显受到发动机机械、燃油系统和点火系统的影响,所以它对检测发动机机械部分和燃油系统部件及点火系统相关部件的故障非常有用。同时,每个次级点火波形的不同部分,还能分别表明相应气缸点火系统和部件的故障。对应于每一部分的故障,可以通过参照波形图的指示点及观看波形特定段相应的变化来判定。测试时,按照行驶性能故障或点火不良等情况出现的工况来起动发动机或驾驶汽车。然后确认各缸幅值、频率、形状和脉冲宽度等,检查对应部件的波形部分的异常。 次级点火波形与初级点火波形相似的是,次级点火波形也区分为单缸次级点火波形,以及多缸并列平列、重叠次级波形。 1.按照点火系统的组成划分(1)单缸次级点火波形(常规点火)图7-1-1为单缸次级点火(常规点火)波形图从中可以看出,由于采用白金触点作为初级电路的触发,而白金触点在闭合以及断开时,存在触点火花,所以在常规点火波形中,可以看到触点闭合时,伴随有闭合振荡;而在白金触点断开时,通常还可以看到由于白金触点间的火花导致的次级击穿电压前产生的杂波。 (2)单缸次级点火波形(电子点火)图7-1-2是电子点火系统中的次级点火波形。 传统点火系统相比,该波形有着许多不同。首先,由于采用大功率晶体管代替传统点火的白金触点,所以在触点闭合时的闭合振荡波减少甚至消失;其次,在大功率晶体管截止时,没有了类似白金触点间火花的影响,初级电流迅速消失,次级电压得以迅速建立。 图7-1-3是2005款吉利三缸排量1.0L车型,行驶36万千米,点火方式:微机控制点火(带分电器),利用国产25M国产数字示波器,高压探头(10000X)得出的点火次级波形。 分析发现:三个缸击穿电压不一致,有一个缸击率电压偏高。这个缸振荡电压太高,都超过了击穿电压了。估计是高压线路中存在高电阻,可能是火花塞脏污或分缸线绝缘不好。 更换了三个新的火花塞,如图7-1-4所示。 然后再次检查点火次级波形,发现三个气缸的火花塞波形正常,相互之间比较吻合,如图7-1-5所示。
2.按照波形显示方式(1)次级点火平列波形在屏幕上从左至右按点火次序将各缸点火波形首尾相连排成字形,称为多缸平列波。其作用是分析次级点火电压的故障。比如各缸次级击穿电压是否均衡,火花电压是否有差异等。一般情况下,各缸点火高压值一般为8~15kV,各缸相差应不超过2kV。
图7-1-6为四缸发动机的次级平列波形,其点火顺序是1-3-4-2,可以发现1缸跳火电压约为6kV,明显偏低。
2)次级点火并列波形在屏幕上从上到下按点火次序将各缸点火波形之首对齐并分别放置,称为多缸并列波形。
图7-1-7是发动机次级并列波形。通过并列波形图可以看到各缸点火波形的全貌,便于分析各缸闭合角和开启角的情况,另外,通过比较燃烧时间的长短,可以分析出各缸混合气燃烧情况及点火系统部件的工作状况。
(3)次级点火重叠波形在屏幕上将各缸点火波形之首对齐,并重叠在一个水平线上称为多缸重叠波形,如图7-1-8所示。由于重叠角直接影响各缸点火提前角的大小,对发动机动力性影响较大,所以一般重叠角不能超过3°。
(4)次级点火波形倒置图7-1-9表示了吉利三缸发动机次级点火波形倒置,这可能是点火线圈初级绕组两个接线柱接反导致。通常的次级点火波形图是自下往上上升,点火电压峰值较高。当点火线圈的初级线圈极性接反时,会产生与此相反的波形,即点火波形是自上往下衰减,点火电压峰值降低。当点火线圈极性适当时使火花塞发火所需的电压较低。如果极性颠倒,则需要更高的电压才能触发火花塞产生火花,一般要高20%~40%,所以点火线圈极性接反会导致发动机起动困难或点火不正确。
(5)次级点火全适配图如图7-1-10所示,次级点火全适配图是利用柱状图的形式将各个气缸的击穿电压、燃烧电压以及燃烧时间表现出来,直观易读;也是技术人员对点火系统进行测试时比较方便的检测手段之一。
二、双电子点火次级波形图7-1-11是宝来1.8L轿车的双电子点火次级波形图。图中显示,有KV+以及KV-两个通道进行检测,其中在0°、180°、360°、540°,每次只有1个气缸是真实点火,这是双缸跳火性质决定的。
三、连续点火系统次级波形在电子点火的技术基础上,有几种新的点火控制技术也在发动机点火控制系统中得以采用。其中有连续点火(也称交替点火)技术,以及最新奔驰S600汽车所采用的高压高频交流点火技术。下面分别进行简单介绍。
1.连续点火连续点火(也被称为连续击穿)的技术已从数年前的研究阶段逐步发展到开始应用。
这种技术是使每个气缸工作过程中产生连续两个甚至几十个高压火花,能够使放电时间所覆盖的曲轴旋转角度延长十几倍(怠速工况),也就是气缸的每个工作过程产生一串火花而不是仅一个火花。
为此,有的制造厂采取在一个火花塞上连续数次放电,也有的制造厂是每个气缸安装两个火花塞依次放电。尽管各厂实现连续点火的形式有所不同,但都是通过增加点火次数和延长点火时间实现了增强点火能量的目的。
发动机的多次点火技术的确是发动机点火领域的重大变革,也是今后发动机点火系统发展的方向。由于增加点火次数、延长放电时间,向混合气提供了更多的点火能量,同时连续击穿放电产生较强的电磁场,这些都使混合气中的氧分子吸收大量能量而转化为活化氧分子、新生氧原子和臭氧。活化氧分子的键比普通氧分子的键容易断裂,它们和新生氧原子都表现出较强的化学活泼性,强烈地参与同汽油分子、烃类分子的氧化反应,这样就使得反应速度加快,燃烧更加充分。
(1)双火花塞点火的车型本田飞度(Fit)双火花塞点火系统是在半球形燃烧室两侧对称布置两个同型号火花塞,这两个火花塞与燃烧室中心的距离相等,两个火花塞同时点火,不仅火焰传播距离缩短了一半,而且两个火花塞同时点火燃烧,形成较强烈的涡流,大幅度加快了火焰的传播速度。
本田飞度(Fit)配备了本田新一代低耗油发动机“i-DSI发动机”。如图7-1-12所示,智能化双火花塞顺序点火i-DSI系统,把通常1个气缸1个火花塞控制点火方式改为在1气缸上安装2个火花塞,分别设在进气侧和排气侧,缩短了燃烧室内火焰传播的时间,实现了全域范围内的急速燃烧,同时降低了爆燃的倾向,使得大幅度提高压缩比成为可能,实现了高输出功率、高输出转矩及低油耗的统一。
本田独有的双火花塞连续点火控制系统是根据发动机转速和负荷状况来设计的。当燃料化合物进入燃烧室,第一个靠近入口的火花塞点火。接着,靠近排气口的第二个火花塞点火,促进燃烧过程。与单一的火花塞系统相比,这个系统使燃烧更加完全,使发动机输出功率更大,油耗更少,并排放了降低。
(2)连续点火的车型(宝马、奔驰、福特嘉年华和福克斯)。图7-1-13是宝马520i轿车连续点火的次级电压和初级电流波形图。宝马一般采用3~8次的连续点火控制方式,图中在5ms时间内有5次急促的点火,而福特嘉年华、福克斯采用的是2次连续点火控制方式。具体的控制见第六章和本章的波形分析部分。
2.高压高频连续点火在连续点火控制技术逐步应用在汽车电子点火系统的同时,一种更加先进的电子点火控制技术也在最新型的车辆上得到采用,这就是高压高频交流连续点火技术。
在最新的奔驰S600轿车上,M137.970发动机控制系统就采用了这一新的点火系统。奔驰高压高频连续点火控制系统阳图7-1-14所示。
这一点火系统,专门使用了一个ECI主控单元(图7-1-15),为点火模块提供180V的直流电压,以及一个23V的辅助电压(用于爆燃监控)。
来自ECI主控单元的180V直流电压提供给两个点火模块(N2/1,N92/2),如图7-1-16所示。在点火瞬间,直流电压被转换为频率为25kHz的交流电压,这意味着每一次点火操作时,在点火线圈内每秒钟会产生25,000次的磁场的变化,也即是说会产生同等次数的电火花,这使得在整个燃烧过程中拥有持续不断的火花放电。燃烧周期由ME-SFI控制模块确定在5°曲轴转角内保持火花持续产生。
采用高压高频点火技术的奔驰发动机已无法使用常规的方法进行检测,只能通过使用奔驰原厂的检测仪读取故障码的方法进行检查。
如图7-1-17所示,这种发动机在气缸的每个工作过程中产生一串连续的次级点火火花波形,图中在5ms时间内有6次急促的点火过程,每次点火仅0.83ms。
图7-1-18为宝马520i连续点火初级点火电压和电流波形。从图中可以看出,初级电流的信号为连续变化的波形,伴随着初级电流波形导通、截止的变化,初级点火电压波形也产生了相应的脉冲点火波形。
图7-1-19是宝马528li轿车起动瞬间,在5ms时间范围内测量的连续点火的波形,从中可以清楚看到,从第一个点火波形出现,到最后的点火火花放电结束,持续时间大约3.3ms,远远大于正常单次点火时的1.5ms的火花放电时间。
采用连续点火控制时,对于每个气缸的点火次数,不是固定的,根据测试,连续点火次数从3~8次之间变化。每次放电时间在0.3ms左右。
图7-1-20给出的是福特嘉年华轿车的连续点火波形,其连续点火的控制方式与宝马车有着显著的不同。福特嘉年华轿车采用每缸两次连续点火的控制方式,间隔时间相对固定,控制策略简单,可以有效延长点火时间,使燃烧更充分。图7-1-20两次点火时间对应曲轴转角大约是30°。
图7-1-21是以50ms的测量时间为单位所测得的福特嘉年华轿车连续点火次级波形。从图中可以清晰地看到,每缸在一次点火的过程中,产生两次点火脉冲信号,第一次的击穿电压稍高于第二次。图7-1-21中测得的一缸第1次击穿电压偏高(约34kV),疑似存在点火系统开路、火花塞间隙偏大等故障。第1次与第2次击穿电压差24kV,时间间隔大约3.5ms,可能原因为次级点火系统存在故障。正常情况下,第1次的击穿电压与第2次的击穿电压不应超过5kV的差值。另外同时两个正常点火波形之间时间间距为25ms。
福特与宝马5系发动机控制系统不同之处在于,嘉年华轿车所采用的连续点火方式是每次点火只有两次脉冲,但其控制产生连续点火的转速范围与宝马很不同。宝马5系发动机的连续点火控制只是在怠速工况下进行。当发动机加速踏板开度稍微开大时,即转变为正常的次点火方式。而福特嘉年华轿车的连续点火控制转速范围远远超过这一转速,根据实际测试的结果,在发动机转速低于1700r/min时,ECU仍执行每缸两次的点火脉冲控制,但当发动机转速超过1700r/min时,点火次数也会从两次连续脉冲点火变换为每缸一次的正常点火方式。图7-1-22为嘉年华轿车连续点火控制终止时的波形。
连续点火波形控制在特定情况下,转变为常规波形,主要是由于随着发动机转速的增加,曲轴转角速度增加,线圈充电的时间相应地减少造成的。当发动机转速超过某一临界转速时,连续点火控制就会终止,直到发动机转速降低到某一转速时,连续点火控制功能随之恢复。
四、电容放电点火(CDI)这种点火方式与传统的通过电磁感应产生高电压点火的方式不同,被称为电容放电点火(CDI)。CDI在20世纪60年代末70年代初被用在少数车辆上,但现在看到了它在这个创新体系中的复苏。
点火包由独立的线圈组成,独立线圈直接安装在火花塞上,并用“罐子”包裹起来,位置在发动机凸轮轴之间。在这个“罐子”里除了点火线圈和火花塞接头,还有电容器和点火变压器,再加上其他电路,因为直流电压不能通过变压器变成几倍高,除非转化为交流电压。整个结构如图7-1-23所示。
当从电子控制模块(ECM)上接到信号,电容器里的400V电压就会放电到适当的线圈上。这是该系统主要区别于“每缸一线圈”系统的地方。400V放电到线圈正极,而线圈负极则永久接地。因为典型系统供给正极端的电压为12V,负极端有400V的感应电压。所有进、出“罐子”的连接线是12V供电线和ECM的主要接线端。起动发动机,ECM指令1、4缸同时点火,此时2、3缸为无效点火。ECM从安装在前带轮上的霍尔传感器上获得上止点信息来决定哪一个缸在做功行程。
在发动机速度低时,为了辅助起动,ECM会继续让火花塞点火到上止点(TDC)后60°,让连续电弧跨过火花塞电极,这个过程会持续到发动机速度达到850r/min。
如果发动机无法起动,点火开关从起动位置上复位时,会有一连串的火花穿过火花塞,清除火花塞上的污垢和气缸内遗留的碳氢化合物。
