淺談氣缸壓力傳感器在汽車維修中的應用

中鑫之寶汽車服務有限公司 任賀新

使用氣缸壓力表（圖1）測量氣缸的壓縮壓力，是檢查發(fā)動機機械故障的傳統(tǒng)方法，其優(yōu)點是操作便捷，但存在以下2個缺點。

（1）氣缸壓力表內(nèi)置了單向閥，測量結果是多個壓縮沖程的累計壓力。

（2）對于4沖程（進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程及排氣沖程）發(fā)動機，氣缸壓力表測量的只是壓縮沖程終了時的氣缸壓力，并不能反映每個沖程的工作狀況。

在維修實踐中，維修人員經(jīng)常會陷入這樣一種困境：懷疑發(fā)動機存在機械故障，但用氣缸壓力表測得的氣缸壓力又在標準范圍，那么到底要不要拆檢發(fā)動機呢？隨著汽車診斷技術的發(fā)展，目前利用氣缸壓力傳感器來測量氣缸壓力，可有效突破這種困境。

1 氣缸壓力傳感器的功能

圖1 氣缸壓力表

氣缸壓力傳感器是一款精度高、響應快、量程大的“電子氣缸壓力表”，與示波器配合使用，能夠以波形的形式實時展現(xiàn)發(fā)動機各個沖程的氣缸壓力變化。筆者推薦pico公司的壓力傳感器WPS500X（圖2），它的分辨率為5 mbar（1 mbar=0.1 kPa），采樣速度為100 μs（1 s=1×106μs），量程為-1 bar～34.5 bar（1 bar=100 kPa），不僅可以用來測量氣缸壓力，還能夠用來測量燃油壓力、曲軸箱脈動、進氣脈動、排氣脈動等。

圖2 壓力傳感器WPS500X及其附件

氣缸壓力傳感器擁有卓越的性能，為診斷發(fā)動機機械故障帶來了新的思路，比如通過分析采集的氣缸壓力波形，可以知道氣門開閉時刻是否正確、燃燒室是否漏氣、三元催化轉化器是否堵塞等。若維修人員能夠熟練運用氣缸壓力傳感器，并能正確分析氣缸壓力波形，則可以免拆診斷發(fā)動機的大多數(shù)機械故障，即在不分解發(fā)動機的前提下，精準預判故障點。

2 氣缸壓力傳感器的安裝方法

如圖3所示，氣缸壓力傳感器和氣缸壓力表的安裝方法類似，具體方法如下。

（1）拆掉相應氣缸的火花塞。

（2）根據(jù)火花塞螺紋型號選擇適配接頭，并將適配接頭擰到壓縮管上。

（3）將壓縮管帶適配接頭的一端擰入火花塞安裝孔，另一端連接至氣缸壓力傳感器。

（4）用信號線把氣缸壓力傳感器連接至示波器主機，此時氣缸壓力傳感器將氣壓信號轉換成電信號傳輸給示波器主機，然后通過顯示器即可顯示氣缸壓力波形。

圖3 氣缸壓力傳感器的安裝

3 氣缸壓力傳感器的測試方法及氣缸壓力波形分析

氣缸壓力傳感器有3種測試方法，可分別測量不同工況下的氣缸壓力。

（1）起動氣缸壓力測試。拆掉所有氣缸的火花塞，將氣缸壓力傳感器安裝至需要測量的氣缸；將加速踏板踩到底，使節(jié)氣門全開；用起動機帶動發(fā)動機旋轉，在起動過程中測量氣缸壓力。

（2）怠速氣缸壓力測試。每次測試只能拆掉一個火花塞，將氣缸壓力傳感器安裝至拆除火花塞的氣缸，確保其余氣缸都能正常工作；起動發(fā)動機，在怠速工況下測量氣缸壓力。

（3）WOT氣缸壓力測試。WOT是Wide Open Throttle（節(jié)氣門全開）的簡稱，即原地迅速將加速踏板踩到底，測量節(jié)氣門全開時的氣缸壓力，氣缸壓力傳感器的安裝方法和怠速氣缸壓力測試一致。

氣缸壓力測試時的氣缸壓力大小主要取決于3個變量，分別是進氣門、排氣門及活塞的工作狀態(tài)，三者在發(fā)動機4個沖程時的狀態(tài)變化如下。

（1）進氣沖程（圖4a）時，進氣門打開，排氣門關閉，活塞從上止點向下止點移動，此時氣缸和進氣歧管相通。

（2）壓縮沖程（圖4b）時，進、排氣門都關閉，活塞從下止點向上止點移動，氣缸壓力逐漸增大，是一條上升的曲線。

（3）做功沖程（圖4c）時，進、排氣門都關閉，活塞從上止點向下止點移動，氣缸壓力逐漸減小，是一條下降的曲線。

（4）排氣沖程（圖4d）時，進氣門關閉，排氣門打開，活塞從下止點向上止點移動，此時氣缸和排氣支管相連。

3.1 起動氣缸壓力波形分析

圖4 發(fā)動機4沖程的工作狀態(tài)示意

起動氣缸壓力測試要測量4個～5個壓縮沖程，然后選取2個連續(xù)壓縮沖程的波形進行放大分析。如圖5所示，波峰是氣缸壓縮造成的，壓力最高點對應著壓縮上止點，2個波峰對應發(fā)動機的1個工作循環(huán)。每進行1個沖程，曲軸旋轉180°，活塞從一個止點移動到另一個止點，四沖程發(fā)動機完成1個工作循環(huán)時，曲軸旋轉720°。將2根角度標尺分別放在壓縮上止點，即0°和720°位置，再將角度標尺之間的區(qū)域等分為4份，依次對應著做功沖程（注意：此時氣缸并未做功，也可稱為釋放沖程）、排氣沖程、進氣沖程及壓縮沖程，5根虛線對應活塞上、下止點位置。

分析起動氣缸壓力波形，要注意觀察以下幾點。

圖5 起動時的氣缸壓力波形（截屏）

（1）最高壓力波峰一般在12 bar左右，這與發(fā)動機的結構有關，建議和正常氣缸對比，如果最高壓力偏低或偏高，說明發(fā)動機存在機械故障。

（2）壓縮沖程的上升曲線和做功沖程的下降曲線，應該以標尺為中心呈鏡像對稱。

（3）做功沖程末段呈輕微的負壓狀態(tài)（圖5中紅色斜杠位置），參考值為-300 mbar，這與發(fā)動機的結構有關，建議和正常氣缸對比。

（4）排氣沖程和進氣沖程的氣缸壓力基本等于大氣壓力，由于各款發(fā)動機氣門的開閉時刻不同，建議和正常氣缸對比。

如何理解上述的第2點和第3點呢？如圖6所示，氣缸在壓縮沖程和做功沖程時，理論上進、排氣門都關閉，燃燒室是一個封閉空間，只是活塞從下止點移動到上止點，隨后又回到下止點，因此壓力上升曲線和壓力下降曲線應該是對稱的。壓縮沖程開始時和做功沖程結束時，活塞都在下止點位置，理論上這兩者的氣缸壓力應該是相同的，即Pa等于Pb。由于活塞環(huán)無法完全密封燃燒室，活塞上行壓縮時，會有少量氣體從活塞組和氣缸壁之間泄漏，因而活塞返回下止點時的氣缸壓力更低（Pb＜Pa），且做功沖程末段呈負壓狀態(tài)，鑒于允許泄漏的氣體很少，這個負壓值不應過大，否則可能存在其他泄漏點。

圖6 壓縮沖程和做功沖程

3.2 怠速氣缸壓力波形分析

采集一段時間的怠速氣缸壓力波形，選取2個連續(xù)的、波峰高度基本一致的壓縮沖程放大分析。與起動氣缸壓力波形（圖5）相比，怠速氣缸壓力波形（圖7）有以下2處明顯的區(qū)別。

（1）在A區(qū)和B區(qū)形成了2個較深的負壓帶，并且兩者的負壓值一致。

圖7 怠速氣缸壓力波形（截屏）

（2）最高壓縮壓力僅為5.2 bar，遠低于起動氣缸壓力。

先解釋B區(qū)負壓的來歷，當進氣門打開時，氣缸和進氣歧管連通，兩者壓力會變成一致，由于進氣歧管的體積遠大于燃燒室體積，所以最終壓力取決于進氣歧管，怠速工況時的進氣歧管處于負壓狀態(tài)，一旦進氣門開啟，燃燒室也會變成負壓狀態(tài)。前文解釋過壓縮沖程開始時和做功沖程結束時的氣缸壓力是一致的，因此A區(qū)也處于負壓狀態(tài)。

氣缸吸入新鮮空氣和排出廢氣的過程稱為換氣，發(fā)動機通過進氣門和排氣門控制換氣，氣門開啟和關閉時刻又稱為配氣相位，一般用活塞到達上止點或下止點前后的曲軸轉角表示。由圖8可知，4沖程汽油發(fā)動機的進、排氣門的開啟時間都超過了180°曲軸轉角，為了使進氣和排氣更充分，進氣門和排氣門是提前開啟且延遲關閉的，這樣就會出現(xiàn)進氣門和排氣門同時打開的狀態(tài)，這個狀態(tài)叫氣門重疊。

氣門早開晚閉的時刻各不相同，4沖程汽油發(fā)動機的配氣正時參考值見表1所列，其中排氣門打開時刻和進氣門關閉時刻在怠速氣缸壓力波形中很容易識別。如圖9所示，利用pico示波器自帶的標尺功能，可以自動計算出氣門開閉時刻，其中紅色箭頭所指位置代表排氣門打開時刻，為上止點前35°（180°－145°=35°）曲軸轉角，綠色箭頭所指位置代表進氣門關閉時刻，為下止點后60°（600°－540°=60°）曲軸轉角。

圖8 4沖程汽油發(fā)動機的配氣相位示意

表1 4沖程汽油發(fā)動機的配氣正時參考值

圖9 計算排氣門打開時刻和進氣門關閉時刻（截屏）

做功沖程快要結束時，活塞仍在向下運行，但排氣門已經(jīng)提前開啟，連通燃燒室和排氣支管，燃燒室處于負壓狀態(tài)，排氣支管處于大氣壓力狀態(tài)，排氣支管內(nèi)的空氣被抽入燃燒室，燃燒室的壓力迅速回升至大氣壓力，所以做功沖程的壓力轉折點就是排氣門開啟的時刻。

剛進入壓縮沖程時，活塞已經(jīng)向上運行，但進氣門尚未關閉，仍連通著燃燒室和進氣歧管，活塞無法有效地壓縮氣體，進氣門完全關閉以后，氣缸內(nèi)的壓力才能迅速升高，因此壓縮沖程的壓力轉折點就是進氣門完全關閉的時刻。

由于存在氣門重疊現(xiàn)象，排氣門關閉時刻和進氣門打開時刻都在上止點附近，很難在怠速氣缸壓力波形中判斷這兩者的位置，要想準確找出這2個時刻，只能借助于維修手冊。如圖10所示，根據(jù)維修手冊提供的氣門開閉時刻，用pico示波器的標尺完整地標注出了進、排氣門的開啟和關閉時刻，其中2條紅色線之間的區(qū)域表示排氣門打開的持續(xù)時間，2條綠線之間的區(qū)域表示進氣門打開的持續(xù)時間。

凸輪“桃尖”的輪廓決定了氣門開啟的升程和持續(xù)時間，而對于一款發(fā)動機來說，其凸輪“桃尖”的輪廓是固定不變的，因此，在實際故障診斷時只要知道氣門開啟或關閉時刻中的一個，就能判斷配氣正時是否正常。

為什么不用起動氣缸壓力波形分析發(fā)動機正時？因為起動時進氣歧管不是負壓狀態(tài)，波形中無法體現(xiàn)正壓和負壓的轉折點，無從判斷氣門開閉時刻。

3.3 WOT氣缸壓力波形分析

如圖11所示，發(fā)動機轉速為3 600 r/min時，氣缸壓力為23 bar。原地迅速將加速踏板踩到底，大多數(shù)發(fā)動機的轉速只能達到4 000 r/min，氣缸壓力一般能達到20 bar以上。這個測試可以分析排氣是否順暢，比如三元催化轉化器堵塞會造成發(fā)動機高轉速時的排氣背壓過高，排氣門打開后，氣缸內(nèi)的氣體無法及時排出，致使排氣沖程時的氣缸壓力偏高。

圖10 完整標注進、排氣門的開啟和關閉時刻（截屏）

4 典型發(fā)動機故障的氣缸壓力波形分析

4.1 氣缸密封不良

氣缸密封不良，活塞上行壓縮時漏氣，致使最高壓縮壓力偏低?；钊滦凶龉r，由于氣缸內(nèi)的氣體減少，氣缸壓力下降得更快，并且在做功沖程末段形成較大的負壓。

圖12為氣缸密封不良時的起動氣缸壓力波形，明顯存在以下3處異常。

（1）壓縮沖程的最高壓力為7.8 bar，正常氣缸能達到12 bar。

（2）壓縮沖程的上升曲線和做功沖程的下降曲線不對稱，下降“斜坡”更陡，說明做功沖程的氣缸壓力下降得更快。

（3）做功沖程最大負壓為600 mbar，正常氣缸僅為300 mbar。

圖11 WOT氣缸壓力波形（截屏）

圖12 氣缸密封不良時的起動氣缸壓力波形（截屏）

4.2 進氣門打不開

在進氣沖程時進氣門打不開，活塞下行吸氣，氣缸內(nèi)將形成很大的負壓，無法有效進氣，隨后的壓縮沖程也不能建立氣缸壓力。

圖13所示為進氣門打不開時的氣缸壓力波形（該發(fā)動機已無法起動著機），明顯存在以下2處異常。

（1）最高壓縮壓力僅為520 mbar，過低，正常應為12 bar左右。

（2）做功沖程和進氣沖程兩處均形成了很深的負壓帶，最大負壓值達到950 mbar。

4.3 排氣門打不開

如果排氣門打不開，排氣沖程就相當于壓縮沖程了，氣缸壓力呈上升曲線，直到進氣門打開，氣缸壓力迅速降低。排氣沖程的壓力波峰為進氣門開啟時刻。

圖14所示為排氣門打不開時的氣缸壓力波形（該發(fā)動機已無法起動著機），排氣沖程出現(xiàn)一個很高的壓力波峰，波峰最高點為上止點前14°（360°－346°=14°）曲軸轉角。

4.4 進、排氣提前

圖15所示為進、排氣提前時的怠速氣缸壓力波形，分析該波形可以獲取以下信息。

（1）氣缸壓力高達11.5 bar，正常應在6 bar左右。

（2）進氣沖程的負壓僅為-560 mbar，正常應在-700 mbar左右。

（3）紅色箭頭所指位置代表排氣門打開時刻，為上止點前65°（180°－115°=65°）曲軸轉角。

（4）綠色箭頭所指位置代表進氣門關閉時刻，為下止點后15°（555°－540°=15°）曲軸轉角。

（5）紅色箭頭所指位置應該和綠色箭頭所指位置的壓力基本相同，實際紅色箭頭所指位置壓力更高。

（6）排氣沖程末段有個凸起，顯示此時壓力異常升高。

首先能看出排氣提前，由于排氣門提前打開，使得紅色箭頭所指位置的壓力高于綠色箭頭所指位置的壓力。排氣門提前打開就會提前關閉，在排氣沖程尚未結束時排氣門已經(jīng)提前關閉，而活塞仍在向上運行，致使排氣沖程末段壓力異常升高。該發(fā)動機采用單根凸輪軸的設計，即進、排氣門共用1根凸輪軸，因此進氣也提前了。

5 總結

（1）懷疑燃燒室密封不嚴，建議進行起動氣缸壓力測試，它比怠速氣缸壓力測試表現(xiàn)得更明顯，原因有2個方面：第一，起動氣缸壓力更高，壓力越高，泄漏越明顯；第二，起動時發(fā)動機轉速慢，允許氣體泄漏時間更長。

（2）懷疑發(fā)動機配氣正時有故障，建議進行怠速氣缸壓力測試，便于分析氣門開閉時刻。

（3）WOT氣缸壓力測試一般用于判斷三元催化轉化器是否堵塞。

（4）起動氣缸壓力測試正常，不代表怠速氣缸壓力測試和WOT氣缸壓力測試正常。這3種測試方式的發(fā)動機轉速不同，部分故障在起動時沒有現(xiàn)象，怠速或急加速時才表現(xiàn)出故障現(xiàn)象，筆者遇到的1例氣門彈簧斷裂故障便是如此。

（5）氣缸壓力波形和其他波形組合使用能發(fā)揮出更大的威力，比如氣缸壓力+異響、氣缸壓力+點火+噴油等組合波形，具體如何組合使用，取決于具體的故障情況和維修人員對示波器的掌握程度。

古人云“工欲善其事，必先利其器”，氣缸壓力傳感器作為免拆診斷發(fā)動機機械故障的利器，希望能早點在廣大汽車維修人員中普及開來。