示波器在汽車發(fā)動機點火系統(tǒng)波形分析中的應(yīng)用

武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院 趙若松

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 何子燚

武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院 胡 翼 龐新建

現(xiàn)代發(fā)動機采用了大量的電子控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的檢測方法已無法對現(xiàn)代發(fā)動機的故障進行診斷，特別是用常規(guī)的斷缸法已無法精確地判斷點火系統(tǒng)是否正常工作。由于示波器具有實時性、直觀性和不間斷性，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。論述了示波器在點火系統(tǒng)波形分析中的應(yīng)用，以測試某品牌輕型發(fā)動機的波形圖。

發(fā)動機點火控制系統(tǒng)的基本組成

現(xiàn)代汽車發(fā)動機的點火控制系統(tǒng)主要由微機控制系統(tǒng)組成，即由發(fā)電機、傳感器、電控單元、點火控制器、點火線圈、高壓線、火花塞等組成。微機控制點火系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1. 發(fā)電機

發(fā)電機的作用是為點火控制系統(tǒng)提供足夠的能量。

2. 傳感器

圖1 微機控制點火系統(tǒng)的組成圖

傳感器主要用于檢測發(fā)動機的各種運行狀態(tài)的參數(shù)，為ECU精確提供點火提前角的控制參數(shù)。包括：a.轉(zhuǎn)速和曲軸位置傳感器，主要用于檢測曲軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角信號，找出基本點火提前角和曲軸的位置；b.進氣流量傳感器，用于發(fā)動機進氣量的檢測，以確定基本點火提前角；c.節(jié)氣門位置傳感器，主要用于檢測節(jié)氣門的開度大小，以判定發(fā)動機的負(fù)荷狀態(tài)，確定修正的點火提前角；d.水溫傳感器，冷卻液的溫度檢測，作為修正點火提前角的依據(jù)；e.進氣溫度傳感器，用于檢測進氣溫度，與水溫傳感器一起作為點火提前角修正的依據(jù)；f.爆震傳感器，用于檢測爆震信號，對點火提前角進行修正以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3.電控單元ECU

電控單元ECU的作用是根據(jù)收到的電源、傳感器和開關(guān)信號，按照一定的控制程序進行判斷、運算，并向執(zhí)行器發(fā)出最佳控制信號。它包括：a.點火

時刻的控制信號IGT，其作用是根據(jù)傳感器輸入的信號給ECU，以確定曲軸的位置，適時向點火器發(fā)出點火控制信號IGT，使火花塞點火；b.氣缸判別

信號IGDA、IGDB，其作用是根據(jù)曲軸位置傳感器G、Ne兩個信號傳給ECU，以判斷氣缸的判別信號IGDA、IGDB，用來控制發(fā)動機的點火順序。

4. 點火控制器

點火控制器的作用是將ECU輸出的點火信號進行功率放大，以帶動點火線圈工作。

5. 點火線圈

點火線圈的作用是將低壓電變?yōu)楦邏弘?，為點火提供能量。

發(fā)動機對點火控制系統(tǒng)的要求

為了保證汽油發(fā)動機的點火性能指標(biāo)達到最佳水平，點火系統(tǒng)必須滿足以下要求，即：a.提供的高電壓能足以擊穿火花塞電極的間隙；b.必須提供足夠的電火花能量和持續(xù)時間；c.點火時刻（點火提前角）應(yīng)與汽油機的運行工況相匹配。由此可知，要滿足以上3個條件必須采用先進的電子控制的點火系統(tǒng)，才能達到提高汽油機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能的目的。

示波器

示波器是一種可用于顯示電壓波形隨時間變化的電子檢測設(shè)備，其具有多種用途，顯示信號的速度比一般的電子設(shè)備快很多，是具有唯一能即時顯示瞬態(tài)波形的儀器。示波器一般由傳感器、中間處理環(huán)節(jié)和顯示器等部件組成。示波器可分為普通示波器和專用示波器兩種。普通和專用示波器分別如圖2所示。

圖2 普通和專用示波器圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)四缸次級電壓的直列波

圖4 標(biāo)準(zhǔn)四缸次級電壓的平列波

將示波器連接在汽油發(fā)動機的點火電路中時，示波器會在屏幕上顯示點火電壓隨時間變化的曲線，稱為點火波形圖。在圖中垂直方向的圖形表示電壓，水平方向的圖形表示時間，極限的上方表示正電壓，下方為負(fù)電壓。通過示波器可測出點火系統(tǒng)的3類波形，即直列波、重疊波和平列波，通過檢測出的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形作比較，就可檢測出故障所發(fā)生的部位。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)四缸次級電壓的重疊波

圖6 點火次級單缸波形圖

圖7 測試系統(tǒng)的建立圖

1. 直列波

當(dāng)點火次序按各缸點火波形首尾連接排成一字開來時，就稱為直列波。

其作用是用于分析次級電壓的故障，顯示各缸次級擊穿電壓是否均勻，火花電壓是否均勻及有無差異。標(biāo)準(zhǔn)四缸次級電壓的直列波如圖3所示。

2. 平列波

當(dāng)各缸的點火波形始點對齊，而由上至下按點火次序排列形成的波形，稱為平列波。其作用是分析各缸的閉合角、開起角和火花塞的工作狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)四缸次級電壓的平列波如圖4所示A。

3. 重疊波

當(dāng)各缸的點火波形起始點對齊，全部重疊在一個水平位置時，稱為重疊波，其作用是檢測重疊角。標(biāo)準(zhǔn)四缸次級電壓的重疊波如圖5所示。

4. 次級點火波形的特點

次級點火波形具有以下5個基本特點，即：

a.一看閉合部分的下降沿。對于單缸的點火波形，主要觀察點火線圈在開始充電時的波形是否保持相對一致的下降沿。下降沿一致，則表明各缸閉合角一致，說明點火正時正確。

b.二看點火線。注意各缸點火電壓的高度是否一致，點火線的中、后段是否有雜訊。在怠速時，次級點火電壓通常為10～15kV。若點火電壓太高，表明次級電路中存在高電阻；若點火電壓太低，則表明點火次級電路電阻低于正常值；當(dāng)點火線的中段或后段線條特別粗，則為有雜訊，表明噴油嘴或進氣閥上可能出現(xiàn)嚴(yán)重的積碳。

c.三看火花線及燃燒電壓。當(dāng)波形圖中的火花線接近水平，表明各缸的空燃比一致，火花塞工作正常；若火花出現(xiàn)過多的雜波，表明點火不良，應(yīng)檢查噴油器、火花塞；若混合氣太稀，燃燒電壓就會低，就不會出現(xiàn)水平；如果火花線顯示傾斜或跳動，則表明火花塞有積碳或污蝕。

d.四看燃燒時間。燃燒時間的長短只是說明氣缸內(nèi)的混合氣的濃和稀，若時間過長（超過2ms）表示混合氣過濃，若時間過短(少于0.75ms)表示混合氣過稀。

e.五看線圈震蕩。點火線圈的震蕩波最少應(yīng)有2個，最好多于3個，說明點火線圈工作正常。正常的電子點火次級單缸波形圖如圖6所示。

總之，汽車在點火時，每個缸的點火能量必須保持一致，閉合角必須一致，燃燒電壓必須一致，判缸必須準(zhǔn)確，這樣才能滿足發(fā)動機對點火系統(tǒng)的要求，而示波器能夠做到不拆檢發(fā)動機就能檢測出點火系統(tǒng)的故障。下面以某品牌輕型發(fā)動機為例，介紹如何采用示波器檢測出汽車發(fā)動機的故障。

根據(jù)國家計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心（CNCERT/CC）通報，第二季度我國互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)運行正常，互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施總體運行平穩(wěn)。大陸地區(qū)木馬和僵尸網(wǎng)絡(luò)程序受控端約為148.67萬個IP，比上一季度環(huán)比減少21.96%；木馬和僵尸網(wǎng)絡(luò)程序控制端約為2.25萬個IP，環(huán)比減少63.39%；感染飛客蠕蟲約為85.87萬個IP，環(huán)比增長4.02%；發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站后門8243個IP，環(huán)比減少8.70%；發(fā)生網(wǎng)頁篡改約4442個IP，環(huán)比下降16.72%。國家信息安全漏洞共享平臺（CNVD）收錄漏洞3635個，其中高危漏洞1179個；收錄0day漏洞1050個。

圖8 點火線圈次級波形圖

圖9 曲軸位置傳感器信號波形圖

圖10 氧傳感器信號波形圖

汽車發(fā)動機點火測試系統(tǒng)

1. 測試系統(tǒng)的建立

本次測試由某品牌輕型發(fā)動機、某型精密數(shù)字示波器、打印機、萬用表等組成。

2. 測試步驟

a.試驗前根據(jù)某型數(shù)字式示波器使用說明書的要求校正；

b.起動輕型發(fā)動機至正常工作溫度，并保持怠速運轉(zhuǎn)；

c.將數(shù)字式示波器與發(fā)動機安說明書的要求連接好；

d.打開示波器的電源開關(guān)，調(diào)整旋鈕，使示波器可以捕捉到點火系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器的波形圖；

e.將示波器中的波形圖存檔并通過打印機打印出來；

f.將測試的波形圖與標(biāo)準(zhǔn)的對比，就可分析出故障點；

g. 測試出的輕型發(fā)動機點火系統(tǒng)的波形圖如7～11所示。

點火波形圖的分析

1．點火線圈波形圖分析

a.點火部分由一條點火線和一條火花線組成。點火線是一條垂直的直線，表示擊穿火花塞間隙所需要的電壓；而火花線近似于一條水平線，表示維持電流通過的火花塞間隙所需的電壓值。

b.中間部分表示點火線圈中剩余的能量，說明晶體管斷路。

c.閉合部分表示點火線圈的通電狀態(tài)，即晶體管的導(dǎo)通時間。

2．傳感器-曲軸位置傳感器信號波形圖分析

通過對曲軸位置傳感器信號波形的分析，可得出以下結(jié)論，即：

a．相同的齒形應(yīng)產(chǎn)生相同型式的連續(xù)脈沖，脈沖具有一致的形狀、幅值并與曲軸的轉(zhuǎn)速成正比；

b．除去傳感器觸發(fā)輪上的一個齒或兩個相互靠近的齒所產(chǎn)生的同步脈沖，就可以確定上止點的信號；

c．各個最大（最?。┑姆逯惦妷簯?yīng)相差不多，否則觸發(fā)輪有彎曲；

d．波形的上下波動，不可能在0電位處上下完美對稱，幅值隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；

e．波形的幅值、頻率和形狀在確定的條件下應(yīng)是一致的、可重復(fù)的、有規(guī)律的和可預(yù)測的；

f．波形的頻率應(yīng)同發(fā)動機的轉(zhuǎn)速同步變化，兩個脈沖間隔只在同步脈沖出現(xiàn)時才會改變。

圖11 噴油器控制信號波形圖

圖12 怠速控制閥信號波形圖

汽車點火系統(tǒng)組成圖

3．執(zhí)行器- 噴油器控制信號波形圖分析

對噴油器控制信號波形圖進行分析可知：

a.噴油器的電壓應(yīng)是蓄電池的電壓，通過驅(qū)動三極管使噴油器中的針閥開始噴油；

b.從圖中可知噴油器的打開時間以及驅(qū)動三極管切斷使噴油關(guān)閉。在怠速時，其噴油持續(xù)時間應(yīng)為1～6ms到冷起動或節(jié)氣門全開時約為6～35ms之間進行變化；

c.可讀出由于噴油器線圈的磁場衰減而產(chǎn)生的峰值電壓。

結(jié)語

a.汽車用示波器應(yīng)該是高頻示波器，具有不拆解就可以分析汽車故障的功能；

b.示波器最大的優(yōu)勢是能將檢測結(jié)果和數(shù)據(jù)保存在計算機內(nèi)存中以備用；

c.示波器可用于追蹤信號和干擾的工具，能夠獲取汽車和傳感器上的信息以便于查找故障；d.示波器能清晰的顯示信號是否有正確的電壓、頻率和故障現(xiàn)象；

e.示波器具有兩個波道，可同時顯示兩種信號，可對信號進行轉(zhuǎn)換；

f.通過對解放牌輕型發(fā)動機點火系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行器的分析，運用示波器對波形圖的分析，可以清楚地看到發(fā)動機各缸的點火狀態(tài)，檢測出點火閉合角，點火線圈的充電時間，以及火花塞的工作狀態(tài)。實現(xiàn)對微機控制的點火系統(tǒng)和汽車底盤電控系統(tǒng)的快速故障診斷，大大提高了維修的工作效率，因此，示波器是一個非常好的檢測汽車故障的測試儀。