示波器点火波形在汽车故障诊断中的开发与应用

庞成立

（大连职业技术学院，大连 116035）

0 引言

环保、节能以及安全是未来汽车发展的方向和课题，现代汽车发动机采用了高压缩比和稀薄混合气燃烧技术，对点火系统的准确性以及可靠性提出了更高的要求。正确的点火时间以及足够能量的火花是保证发动机良好工作的重要条件之一。那么如何确定发动机点火系统的好坏以及如何诊断和排除发动机点火系统的故障呢？检测点火系统故障最直接准确快捷的方式就是利用示波器分析点火波形，使从事汽车售后服务人员能从细微处分析车辆的运行状况，确定点火系统本身，排查发动机机械部分和燃油系统是否有故障，从而确定修理方向。

1 标准点火波形

在利用示波器进行故障波形分析的时候，要明确各种不同车型正确标准的点火波形，也就是说能知晓各车型正确的点火波形应该是什么样子的。

1.1 有分电器点火波形

如图1所示为常规（传统点火）初级、次级点火标准波形。

图1可非常清楚的观察到分电器触点闭合角、开起角、火花电压幅值以及击穿电压，也可以观测到两次振荡过程以及火花的延迟期。如果点火系统没有故障，对于四缸发动机触点闭合角为全周期的46%-51%；对于六缸发动机触点闭合角为全周期的62%-69%；八缸机则为65%-72%，火花电压为9KV，击穿电压超过15KV，火花时间超过0.8ms。如果波形或数值不正常时，则说明系统需要进行调整或已经有故障存在。

图 1 常规初级、次级点火标准波形

针对专业术语的故障诊断方法归纳：

1）点火线：观察跳火电压高度是否一致，一个非常高的跳火电压表明在点火次级电路中存在着高电阻，一个过短的跳火电压线，表明点火次级电路电阻比正常值低。

2）流入点火线圈电流：观测点火线圈起初充电时，保持一致波形的下降沿，这说明各缸的闭合角相同，点火正时比较精确。

3）燃烧线：观察燃烧线或火花应非常干净才好，过多的杂波不应出现在燃烧线上，过多的杂波表明气缸点火不良，其主要的原因应该是污浊了火花、损坏了喷油器或者过早的进行了点火。其缸内的异常稀或者异常浓的混合比例能够通过燃烧线的持续时间的长短得到很好地表征。一般情况下而言，如果少于0.75ms的时候，也就被认为燃烧过短了，此时混合气的浓度表明是比较稀的，过长燃烧线(通常超过2 ms)表明混合气浓。

4）燃烧电压或火花：观测燃烧电压或火花保持相对一致，这表征各缸空燃比情况，若混合气比过稀，燃烧电压会稍低于正常值。

5）点火线圈振荡：观察在燃烧线后面两至三个或更多的振荡波（越多越好），这说明电容器及点火线圈状态优良。

1.2 独立点火系统波形

无触点电子点火系统的波形图在正常的时候如图2所示，我们可以看出其波形图和有触点的点火系统是有明显的差别之处的，在无触点点火系统中的初级电路是不依靠触点的开或者闭来进行电路通或者断的控制，通常在持续期内的晶体管导的初级电压是没有太过明显的变化的，但是，其电压在其充磁的过程之中有可能得到一定程度的升高，引起电压升高的原因就在于初次级电压线产生了相应的波动和变化，而这波动和变化又是由于点火线圈的感应而引起的，如图2中点2所示，这不是故障，是正常现象。

图2 无触点电子点火系统的波形图

图3 双缸点火的两次点火

1.3 双缸点火系统波形

双缸点火将会导致一个工作循环中各气缸点两次火，一次是在排气行程末期如图3(b)所示，该行程气缸内多为燃烧废气，电离程度较高，因而火花电压及击穿电压比较低，是无效点火；另外的一次见图3中的(a)所表示的，其时间是在压缩行程的末期，图中汽缸内是新鲜的可以燃烧的混合气体，由于其电离的程度是比较低的，因而导致了击穿的电压、火花的电压均比较高，是有效点火，检测时需要加以区分。

2 故障波形及影响因素

2.1 点火故障波形分析

根据示波器所采集到的各类故障初级电压波形，可以分析点火系断电电路有关电气元件和机械装置的状态，为断电电路的维修和调整提供可靠的依据，以避免盲目拆卸。

图4所示波形在触点开启点出现大量杂波，显然是触点严重烧蚀而造成的，打磨触点或更换断电器即可证实。

图4 杂波

图5 初级电压波形

图5的初级电压波形在火花期间的衰减周期数明显减少，幅值也变低，显然是电器漏电造成的。

图6所示波形在触点闭合阶段有意外的跳动，造成这种现象的原因是触点因弹簧力不足引起不规则跳动。

图7所示曲线的充磁期即触点闭合角太小，一般由触点间隙过大造成。

如果触点接地不良就会引起低压波水平部分的大面积杂波，如图 8所示。

图6 有意外跳动

图7 闭合角太小

图9为电子点火系统的低压故障波形，对比图

图8 大面积杂波

图9 低压故障波形

8所示之正常波形，在充磁阶段电压没有上升，说明电路的限流作用失效，无分电器点火系统没有元件可以调整，如果波形很不正常时只能采取替换法逐个更换点火器、点火线圈、点火信号发生器以及凸轮位置传感器等元件，排查出故障所在。

2.2 影响传统点火波形的主要因素

蓄电池点火系统在汽车上使用，而磁电机点火系统多用于小型二行程发动机上，因此主要面向汽车发动机性能检测，故磁电机点火系统不加考虑。影响传统点火系统主要因素如下：

1）火花塞电极间隙

根据柏申的经验公式，均匀电场下的击穿电压U是两电极间的距离d、气体压力p和绝对温度T的函数。

由上式可知，电极间隙越大，击穿电压越高。原因是当电极间隙变大时，气体中的电子及离子距电极路程变大，不容易产生碰撞电离作用，所以需要比正常值更高的电压才能完成跳火过程。

传统式点火系统火花塞间隙：0.6～0.7mm ；电子点火系统火花塞间隙：1.0～1.2mm。

2）气缸内混合气的压力和温度

实际情况是，击穿的温度机器电压和混合气的密度是有着非常紧密的联系的，其恰恰和压力没有直接的关联，原因是混合气密度越大，离子自由运动的距离越短，所以不易发生碰撞电离作用。这样一来只能增大电极电压，促使离子加速运动，增强碰撞电离效应完成点火。因此，混合气的密度和击穿电压之间是正比例关系。

而混合气的密度又是受到压力和温度的直接影响。因为当混合气压力增大时，混合气密度增大，所以击穿电压增大；而当混合气温度增高时，混合气密度减小而使击穿电压降低。

3）电极的温度和极性

我们通过相关的实验得到了验证，火花塞电极的温度如果超过了混合气的温度的时候，其击穿电压在通常情况下会降低比较大的幅度，大约会降低三成到五成，原因就在于电极的温度升高的时候周围的气体密度就会降低，在这个时候发生碰撞电离的几率大大增加。

4）发动机的工作状况

工作的状况不同的时候，发动机火花塞的击穿电压也是十分不同的，火花塞的击穿电压一般能够随着功率、压缩比、混合气成分、点火提前角等的变化而发生不同的变化。

在通常情况下，击穿电压最高的是在车辆启动之时，当火花塞间隙为0.7mm时击穿电压可高达19KV。这是由于起动时气缸壁以及活塞、火花塞电极都处在冷态，导致了汽缸之内的混合气不容易发生雾化。由于通常情况下火塞的电极之间很有可能附有机油或者汽油，再加上在压缩的时候混合气的温度上升不够高，因而最高的电压就是击穿电压。除此之外，在车辆进行加速的时候能够导致许多冷空气吸入汽缸之内，使火花塞中心电极温度降低，因此击穿电压也会较高。

5）发动机的气缸数

次级电压的最大值将随发动机的汽缸数的增加而降低。这是因为凸轮的凸起数与汽缸数相同，发动机的汽缸越多，凸轮每转一周触点闭合与打开的次数就越多，于是触点的闭合时间缩短，初级断开电流减小，因而使次级电压降低。

6）触点间隙对次级电压的影响

触点间隙的大小，不仅影响次级电压，同时也影响了点火时间，如间隙增大时，由于触点提前打开，会使点火提前角增大。因此，在使用中应该按制造厂的规定进行调整一般为0.35～0.45mm。

7）点火线圈的温度对次级电压的影响

点火线圈过热时，绕组电阻增大，初级电流下降，导致次级电压降低。点火线圈过热的原因有：夏季天气炎热，发动机过热或因发动机调节器调整不当使发动机电压过高，初级电流增大所致。

8）火花塞积炭对次级电压的影响

发动机运转过程中，若润滑油过多会造成火花塞绝缘体上积碳的快速形成，积碳积蓄到一定程度会导致火花塞不能正常跳火，这时将高压线拔离火花塞上端3～4mm高后，火花塞会重新正常工作。原因是在火花塞的导线中串联一个附加间隙后，泄漏电流不再产生，而当次级电压达到较高值时，才能同时击穿火花塞间隙和附加间隙，产生火花点燃混合气。可见附加火花间隙在火花塞积炭时，能起到改善点火的效果。但此种方法不建议长期使用，因为这会加重点火线圈的负担而使其损坏，而且还会有起火安全隐患。

3 结束语

点火波形就像人的一双眼睛，通过这双眼睛维修技术人员可以看到汽缸燃烧室的燃烧状况。点火波形是最复杂多样的波形，能够提供出各汽缸点火和燃烧状况的有价值资料。笔者利用示波器通过大量试验捕捉采样了传统分电器式、双缸点火系统以及独立点火系统标准的波形，初级点火故障波形的波样进行了采集和分析，并详细阐述了影响传统点火波形的主要因素。希望能够对汽车维修技术人员快速准确有效的检测出发动机点火系统及燃油系统的故障提供一些参考和帮助。

[1] 元征.ADC2000汽车诊断电脑[J].汽车与维修驾驶,2002, 08.

[2] 段轶男.电控LPG缸内直喷系统及高能点火系统应用于小型发动机的研究[D], 浙江大学, 2006, 01.

[3] 魏红伟.次级点火波形分析[J], 汽车维修与保养, 2009,05.

[4] 刘莉, 二四冲程汽油机四冲程模式点火控制系统研究[D].燕山大学, 2010, 06.