點火波形分析(圖)

m.jxmhotel.com.cn 來源：互聯網作者：wl04qc1b 類別：汽車構造維修時間：2006-12-19

最初的內燃機結構很簡單，但為了增加動力和提高效率，人們已對其進行了許多次的改進，結構也就越來越復雜了。當今的內燃機主要有兩種，一種是壓燃式（柴油機），另一種是點燃式（汽油機）。在此，我們要探究的是汽油機。

要懂得在汽油機中能量是怎樣釋放出來的，這一點很重要。對于內燃機來說，空氣和燃油的混合氣被吸入汽缸并在缸內被壓縮。當混合氣被壓縮時，其分子被迫進入一個很小的空間。這就使得分子之間相互碰撞，從而產生了摩擦力和熱。燃油分子的分子鏈是由不同的原子組成的，將這些不同的原子結合在一起就需要能量。為了釋放燃油的能量，燃油分子就必須分裂并重新組成一種不同結構的低能量分子。燃油分子一旦分裂，將不同原子結合在一起的能量就不再需要了。這種被釋放的能量就為內燃機提供了動力。

對于汽油機來說，單憑壓縮還不能提供足夠的能量使燃油分子分裂。傳入燃油分子的熱能使其變得不穩定，但為了分開鏈接燃油分子的原子還需施加更大的力。要將兩個扭打在一起的人分開是件很不容易的事。要把他們拉開，你所用的力要大于他們扭在一起的力。采用電擊槍可以使兩個扭打在一起的人分開，因為電擊槍放電時電壓可達100kV。電擊槍的勢能大于兩個扭打在一起的人所用的能量，因此，那兩人就會松手而分開。盡管汽缸壓縮產生了熱能，但要將燃油的分子分裂并釋放能量還需要更大的力。點火系統所產生的高能電火花可以提供這個力。

點燃混合氣需要高能量的電火花，為此人們采用了多種不同的點火系統。升壓變壓器是當今較常用的一種點火系統。這種變壓器采用低電壓、大電流的電極來產生高電壓、小電流的電極。它是由兩個不同的線圈組成的。第一個線圈叫初級線圈，第二個線圈叫次級線圈（見圖1）。為了增加磁場，初級線圈繞在一個鐵芯上。在新式的變壓器上這個鐵芯是由許多片疊加在一起的黑色金屬（通常為軟鐵）片組成的。相對于整塊的鐵芯，它的磁增強能力更好。

初級繞組的線較粗、匝數少，這就使得它的電阻值很低。次級繞組的線較細、匝數多，從而電阻值較高。車用點火線圈的匝數比通常約為1:100，也就是說，初級線圈繞1匝，次級線圈就繞100匝。初級線圈的電阻值通常在1～4Ω之間，次級線圈的電阻值通常在8000～16000Ω之間。

初級線圈和次級線圈之間相互絕緣，絕緣的介質為變壓器油或環氧樹脂。變壓器油的耐壓值是20～25kV，所以在新式的點火線圈中采用了真空封閉的環氧樹脂，其耐壓值可達50kV。初級線圈和次級線圈是電磁耦合的，所以，一個線圈受到影響，另一個也會受影響。

點火線圈采用電磁感應的方式來提供所需的點火能量。要了解點火線圈是如何工作的，我們就來看一下它所產生的波形。先從圖2中A部分看起，這一部分是開路電壓，因為此刻電路還沒有閉合，初級線圈中沒有電流流動。隨后，當驅動電路閉合，電壓便突然下降，初級線圈就對地構成了回路（圖2中的B部分）。這個電壓降會非常接近于零電位。

固有的電壓降取決于驅動電路中控制電流用的是三極管還是場效應管。如果是三極管，它的電壓降就是0.7～1V，其原因是三極管的基極存在電阻。場效應管的基極電阻很小，所造成的電壓降約為0.1～0.3V。固有的壓降是電路中的保持電壓，這個保持電壓用來克服驅動電路或基極的電阻，從而使電流流動（圖2中的C部分）。一旦驅動電路閉合，電流就流過初級線圈的繞阻。當電流流經繞組時，所有的電流都用來在繞組周圍建立一個磁場（見圖3）。這個磁場的建立叫做電感，它的強度是和電感系數以及電流成正比的。換句話說，就是電流越大，磁感應就越強。

當磁場建立時，磁力線切割初級線圈和次級線圈，使兩個線圈產生感應電壓，然而這個電壓對兩個線圈的影響是不同的。隨著磁場的建立，磁力線切割次級線圈，次級線圈中就會產生感應電動勢（emf）并釋放電子。當驅動電路閉合時，可以從次級電壓波形中看到這個感應電動勢。線路閉合的初始會產生電壓振蕩（見圖4）。這是由于磁力線切割次級線圈并在次線圈不同的繞阻中產生感應電壓。

線圈繞組中存在著電容。當兩個導體被空間分割并且電流通過兩個導體時就會產生電容。而且，這兩個導體之間會產生電位差。導體的尺寸和導體之間的距離決定了電容量。

電能和磁能互相轉換時會產生振蕩波。線圈充電飽和后，這個振蕩波將減弱成一條穩定的弧線，隨后再成一直線。線圈充電的飽和點各不相同，主要取決于流過初級線圈的電流、電阻值和線圈的匝數。

磁場建立時，磁力線切割初級線圈，初級線圈中產生的感應電壓就會釋放電子。可是，由于初級線圈中有電流，這些被釋放的電子會阻礙電流的流動。我在以前的文章中，曾以學校的過道擠滿了學生為例說明了這個問題。這個例子同樣也適用于點火線圈。想象一下，孩子們沿著教室樓的過道飛快地奔跑。然后，更多的孩子們從沿過道的教室里出來，進入過道。離開教室進入過道的孩子們如果不用力推擠在過道里奔跑的孩子們，過道里的孩子們就不會跑得更快。就像進入過道的孩子們一樣，這個在初級線圈中產生的感應電壓阻礙了初級線圈中電流的流動。這種阻礙，我們稱之為反向電動勢或反向電壓。

每當線路中有電感現象時，電流的變化就會產生一個反向電動勢，這個反向電動勢會阻礙電流的流動。每當線路中有電阻時，就會產生電壓降，電壓降的大小與電阻值成正比。從初級波形略為上升的底線（圖4中的D部分）就可以看出這個電壓降。如果將示波器的電壓量程降低，放大初級點火波形的底部，就可以清楚地看見這個壓降（圖5中上半部的D部分）。

電流流過線圈，遇有電阻便會產生電壓降，用電流鉗測量初級線圈的電流波形時也能反映出這一現象（見圖5下半部）。點火線圈的初級電流一旦飽和（磁場不再運動），次級線圈的周圍就充滿磁場。點火線圈的電流飽和點取決于流經它的電流，電流越大磁力線的強度就越大，反之，電流越小磁力線的強度也就越小。

線圈充電飽和后，流經初級線圈的電流將受到限制（圖2中E部分），但是磁場強度仍處在最大狀態。注意，此時電流受到限制，但電壓仍然低于開路電壓（圖2中F部分）。為了限制電流，線路中加了一個電阻，其作用是限制流經初級線圈的電流。如果初級電路中存在額外的電阻，電流限制的時間就會提前。如果線圈短路或阻值低于規定值，電流限制的時間就會滯后。所以，你如果知道電路設計的特點，從電流限制時間的變化就可以判斷出故障。

隨著發動機轉速的提高，各汽缸間的點火間隔時間變短，線圈飽和充電的時間也就隨之變短，因此電流限制就會停止（并不是所有的點火系統都有電流限制器）。充電飽和后，動力控制模塊（PCM）切斷點火系統的驅動電路，初級線圈的電流不再流過初級繞組，這樣一來，磁場便穿越次級線圈并消失。當磁場穿越導線或繞組時，導線或繞組中就會產生感應電壓。這種感應電壓會產生電動勢。電動勢推動電子沿線路運動，直到它們返回次級繞組。

電容器的作用是加快磁場消失的速度。直流電不可能通過這種元件接地，但交流電可以，交流電是可以通過電容器的。所以，初級線圈中的電流就可以通過電容器接地。

電容器是連在初級電路中的（見圖6）。電流停止時，磁場在初級線圈中收縮使線圈中的電流穩定。初級線圈的電流通過電容器消失得越快，磁場也就消失得越快。快速運動的磁場能提高次級線圈中的感應電壓，因而，受到高達50kV電壓推動的電流就要尋找通道或出路。次級線圈和火花塞相連，電子運動到火花塞電極的開口處，然而次級線路是一個開路電路。當高壓電試圖推動電子穿越開路電路時，會首先在火花塞的兩個電極之間建立電暈或者說低能量場（圖7A）。

這種電暈一旦建立，電離就會開始。電離開始時，所需的電壓很高。為了釋放電子，電位差必須對原子施加足夠的壓力（圖7B）。失去電子的原子就成了正離子（離子就是帶正電或負電的原子，是原子失去或得到一個或多個電子的結果）。這就是擊穿電壓或者是推動電子克服電阻所需的電壓。

在次級線圈中，電阻就是火花塞電極間的間隙（見圖2的G部分）。火花塞的電極間隙越大，電阻就越大，因而所需的擊穿電壓就越高。擊穿電壓的讀數單位為千伏（kV），它是克服次級線路中全部的電阻所需的能量。電子開始穿越火花塞的兩電極時，電離就完成了。

請注意：隨著電子流動的開始所出現的振蕩波，這個振蕩是在擊穿電壓出現后開始的（圖2中的H部分）。這個振蕩或脈動是由線圈或繞組間的電容現象引起的。電能與磁能間的轉換在變壓器中很容易出現。擊穿電壓所產生的電弧速度非常快，大約為2 ns。這個高速的能量脈沖使得能量在電與磁之間互相轉換。電弧的能量脈沖越強，振蕩波出現得就越多。

這些振蕩波類似于小孩蕩秋千。開始時小孩在秋千上處于靜止狀態。用力一推，秋千就蕩了起來。用的力越大，秋千就蕩得越高。隨后秋千就會蕩來蕩去，直到能量消失后才能停下。點火線圈里的電、磁能量轉換和磁、電能量轉換與蕩秋千十分相似。作為一種機械裝置，秋千需要推力，以便使其運動，就像點火線圈的放電或“推動力”產生了能量脈沖一樣。電子流動開始后，電壓就穩定下來，振蕩就會減弱成平穩的電壓（圖2中的I部分）。

電離現象一旦出現，自由電子和正離子就會在火花塞的電極間構成一個通道。這種情況是在電子流動的數量等于正離子流動的數量，并且在火花塞電極間“出現等離子體”時出現的（圖7C）。等離子體的電阻大小與氣體成份和氣體壓力有關。等離子體能降低電子流過火花塞電極間所需的電壓。

電離轉變成等離子體時的電壓值是一項用來分析問題的重要參數。由于擊穿電壓不穩定，每個點火循環時上下都有波動，所以觀察出現等離子體時的電壓值尤為重要。出現等離子體時的電壓值比擊穿電壓穩定，因而能看出從擊穿電壓中看不出的電阻值。電離轉變成等離子體時所受的唯一影響就是線路中的電阻值。

圖9中的黃色波形線表明次級電路中有20kΩ的額外電阻。紅色波形線代表相鄰的一個汽缸，其等離子體出現時電壓正常。黃色波形線的等離子體出現時的電壓比正常值高出了2.3kV，這就表明線路中有額外的電阻。

在圖10中黃色波形線顯示的是高壓導線和火花塞之間有0.2in.（約5mm）的間隙。紅色波形線代表相鄰的一個汽缸，其等離子體出現時，電壓值正常。在黃線中，等離子體出現時的電壓值比正常值高出1.2kV，表明線路中有電阻。

在圖11中，一個缸的噴油嘴插頭被斷開，燃油不進缸。注意，黃色和紅色的波形線，它們在電離轉變成等離子體時，其電壓值沒什么差別，這表明線路中的電阻正常。然而，在黃色波形線中，代表等離子體出現的一段波形表明電阻較高，這是因為等離子體中缺少碳氫化合物。這就使得電壓在燃燒時陡然高出10kV。

電子一旦在火花塞的電極之間開始流動就會持續下去，直到次級線圈的能量耗盡。當燃燒時間接近終了、點火線圈的能量將盡時，電壓在電火花熄滅前會略有上升（圖2中J部分）。這種現象是等離子體的消失所造成的。點火線圈所產生的電子數量減少，使得正離子和電子的數量不等，因而等離子體便消失。由于等離子體所構成的電流通道電阻較小，所以等離子體的消失會使電阻升高，這就使得在燃燒時間接近終了時電壓有所升高。

使點火線圈次級繞組產生電能的電感作用是有限的。飽和充電的點火線圈就像盛滿水的水桶一樣，如果用水泵通過壓力將桶里的水抽出并規定水管的直徑，那么壓力越大，水被抽光的時間就越短。水被抽光后，壓力也隨之消失。對于次級線圈來說，推動電子穿越線路中電阻所需的電壓或壓力越高，電子耗盡的速度就越快。

電子流過火花塞電極間這一階段叫做燃燒時間（圖2中G、J部分）。推動電子在線路中流動所需的電壓不同，燃燒時間也不同。電壓越低，燃燒時間就越長。反之，電壓越高，燃燒時間就越短。

我們用一根繩子來演示一下這一規律。假定繩子的長度是一定的，并將它用來表示擊穿電壓和燃燒時間的波形部分（見圖12）。繩子用在垂直線的部分越長，用在水平線的部分就越短。反之，如果水平的部分變長，垂直的部分就會變短。假如繩子整體短，就像點火線圈的磁場不飽和一樣，垂直和水平的部分也會受到影響，這是由于可提供的能量減少所造成的。

擊穿電壓和燃燒時間受汽缸內的壓力以及氣體成份的影響。通常進入汽缸里的空氣（大約21%的氧氣和79%的氮氣）以及C4H8碳氫化合物（汽油）。空氣和碳氫化合物的混合比例為14.7:1。汽缸里的混合氣由原子組成，這些原子能夠電離或者說使火花塞的電極間產生電火花。我們知道這些原子會電離，但如果條件變化，電離的性能也會變化。汽缸壓力的大小將會改變混合氣的密度，而混合氣的密度會影響電離的性能。汽缸里的紊流也會改變點火波形的特性曲線。壓力、紊流、氣體成份、燃油或水蒸汽等都是變量。如果這些變量中的任何一項發生變化，則由電離所形成的等離子體也會發生變化。其結果是點火波形將受到影響。

如果電能不足以維持電子流過火花塞的電極之間，那么電火花就會熄滅（圖2中的J部分），點火線圈里剩余的任何能量都將會被繞組吸收。被吸收的能量通過電能和磁能的轉換而耗散。這就是點火終了時波形中為什么會出現振蕩波的原因（圖2中的K部分）。通過這個振蕩波可以看出點火線圈放電時有多少能量被利用了或者有多少能量沒有被利用。電壓變化大、振蕩的次數多表明了點火線圈中的剩余能量多，如果沒有振蕩波，就說明點火線圈的能量完全用盡了。

點火波形是一扇窗，透過這扇窗，技師們可以看見燃燒室所發生的情況。一旦學會了怎樣看波形中代表擊穿電壓和燃燒時間的部分，你就會知道汽缸內所發生的情況。通過點火波形能夠看出的問題有：稀空燃比、濃空燃比、早燃、配氣相位和氣門造成的紊流、排氣背壓造成的紊流、EGR閥、冷卻液漏進汽缸形成水蒸氣、火花塞電極燒蝕、積炭、線路中的電阻等。對汽車來說，點火波形所包含的信息比其他任何波形都要多。