示波器在汽车发动机点火系统波形分析中的应用

武汉理工大学汽车学院 赵若松

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司 何子燚

武汉理工大学汽车学院 胡 翼 庞新建

现代发动机采用了大量的电子控制系统，传统的检测方法已无法对现代发动机的故障进行诊断，特别是用常规的断缸法已无法精确地判断点火系统是否正常工作。由于示波器具有实时性、直观性和不间断性，因而得到越来越广泛的应用。论述了示波器在点火系统波形分析中的应用，以测试某品牌轻型发动机的波形图。

发动机点火控制系统的基本组成

现代汽车发动机的点火控制系统主要由微机控制系统组成，即由发电机、传感器、电控单元、点火控制器、点火线圈、高压线、火花塞等组成。微机控制点火系统的组成如图1所示。

1. 发电机

发电机的作用是为点火控制系统提供足够的能量。

2. 传感器

图1 微机控制点火系统的组成图

传感器主要用于检测发动机的各种运行状态的参数，为ECU精确提供点火提前角的控制参数。包括：a.转速和曲轴位置传感器，主要用于检测曲轴的转速和转角信号，找出基本点火提前角和曲轴的位置；b.进气流量传感器，用于发动机进气量的检测，以确定基本点火提前角；c.节气门位置传感器，主要用于检测节气门的开度大小，以判定发动机的负荷状态，确定修正的点火提前角；d.水温传感器，冷却液的温度检测，作为修正点火提前角的依据；e.进气温度传感器，用于检测进气温度，与水温传感器一起作为点火提前角修正的依据；f.爆震传感器，用于检测爆震信号，对点火提前角进行修正以实现闭环控制。

3.电控单元ECU

电控单元ECU的作用是根据收到的电源、传感器和开关信号，按照一定的控制程序进行判断、运算，并向执行器发出最佳控制信号。它包括：a.点火

时刻的控制信号IGT，其作用是根据传感器输入的信号给ECU，以确定曲轴的位置，适时向点火器发出点火控制信号IGT，使火花塞点火；b.气缸判别

信号IGDA、IGDB，其作用是根据曲轴位置传感器G、Ne两个信号传给ECU，以判断气缸的判别信号IGDA、IGDB，用来控制发动机的点火顺序。

4. 点火控制器

点火控制器的作用是将ECU输出的点火信号进行功率放大，以带动点火线圈工作。

5. 点火线圈

点火线圈的作用是将低压电变为高压电，为点火提供能量。

发动机对点火控制系统的要求

为了保证汽油发动机的点火性能指标达到最佳水平，点火系统必须满足以下要求，即：a.提供的高电压能足以击穿火花塞电极的间隙；b.必须提供足够的电火花能量和持续时间；c.点火时刻（点火提前角）应与汽油机的运行工况相匹配。由此可知，要满足以上3个条件必须采用先进的电子控制的点火系统，才能达到提高汽油机的动力性、经济性和排放性能的目的。

示波器

示波器是一种可用于显示电压波形随时间变化的电子检测设备，其具有多种用途，显示信号的速度比一般的电子设备快很多，是具有唯一能即时显示瞬态波形的仪器。示波器一般由传感器、中间处理环节和显示器等部件组成。示波器可分为普通示波器和专用示波器两种。普通和专用示波器分别如图2所示。

图2 普通和专用示波器图

图3 标准四缸次级电压的直列波

图4 标准四缸次级电压的平列波

将示波器连接在汽油发动机的点火电路中时，示波器会在屏幕上显示点火电压随时间变化的曲线，称为点火波形图。在图中垂直方向的图形表示电压，水平方向的图形表示时间，极限的上方表示正电压，下方为负电压。通过示波器可测出点火系统的3类波形，即直列波、重叠波和平列波，通过检测出的波形与标准波形作比较，就可检测出故障所发生的部位。

图5 标准四缸次级电压的重叠波

图6 点火次级单缸波形图

图7 测试系统的建立图

1. 直列波

当点火次序按各缸点火波形首尾连接排成一字开来时，就称为直列波。

其作用是用于分析次级电压的故障，显示各缸次级击穿电压是否均匀，火花电压是否均匀及有无差异。标准四缸次级电压的直列波如图3所示。

2. 平列波

当各缸的点火波形始点对齐，而由上至下按点火次序排列形成的波形，称为平列波。其作用是分析各缸的闭合角、开起角和火花塞的工作状态。标准四缸次级电压的平列波如图4所示A。

3. 重叠波

当各缸的点火波形起始点对齐，全部重叠在一个水平位置时，称为重叠波，其作用是检测重叠角。标准四缸次级电压的重叠波如图5所示。

4. 次级点火波形的特点

次级点火波形具有以下5个基本特点，即：

a.一看闭合部分的下降沿。对于单缸的点火波形，主要观察点火线圈在开始充电时的波形是否保持相对一致的下降沿。下降沿一致，则表明各缸闭合角一致，说明点火正时正确。

b.二看点火线。注意各缸点火电压的高度是否一致，点火线的中、后段是否有杂讯。在怠速时，次级点火电压通常为10～15kV。若点火电压太高，表明次级电路中存在高电阻；若点火电压太低，则表明点火次级电路电阻低于正常值；当点火线的中段或后段线条特别粗，则为有杂讯，表明喷油嘴或进气阀上可能出现严重的积碳。

c.三看火花线及燃烧电压。当波形图中的火花线接近水平，表明各缸的空燃比一致，火花塞工作正常；若火花出现过多的杂波，表明点火不良，应检查喷油器、火花塞；若混合气太稀，燃烧电压就会低，就不会出现水平；如果火花线显示倾斜或跳动，则表明火花塞有积碳或污蚀。

d.四看燃烧时间。燃烧时间的长短只是说明气缸内的混合气的浓和稀，若时间过长（超过2ms）表示混合气过浓，若时间过短(少于0.75ms)表示混合气过稀。

e.五看线圈震荡。点火线圈的震荡波最少应有2个，最好多于3个，说明点火线圈工作正常。正常的电子点火次级单缸波形图如图6所示。

总之，汽车在点火时，每个缸的点火能量必须保持一致，闭合角必须一致，燃烧电压必须一致，判缸必须准确，这样才能满足发动机对点火系统的要求，而示波器能够做到不拆检发动机就能检测出点火系统的故障。下面以某品牌轻型发动机为例，介绍如何采用示波器检测出汽车发动机的故障。

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图8 点火线圈次级波形图

图9 曲轴位置传感器信号波形图

图10 氧传感器信号波形图

汽车发动机点火测试系统

1. 测试系统的建立

本次测试由某品牌轻型发动机、某型精密数字示波器、打印机、万用表等组成。

2. 测试步骤

a.试验前根据某型数字式示波器使用说明书的要求校正；

b.起动轻型发动机至正常工作温度，并保持怠速运转；

c.将数字式示波器与发动机安说明书的要求连接好；

d.打开示波器的电源开关，调整旋钮，使示波器可以捕捉到点火系统、传感器、执行器的波形图；

e.将示波器中的波形图存档并通过打印机打印出来；

f.将测试的波形图与标准的对比，就可分析出故障点；

g. 测试出的轻型发动机点火系统的波形图如7～11所示。

点火波形图的分析

1．点火线圈波形图分析

a.点火部分由一条点火线和一条火花线组成。点火线是一条垂直的直线，表示击穿火花塞间隙所需要的电压；而火花线近似于一条水平线，表示维持电流通过的火花塞间隙所需的电压值。

b.中间部分表示点火线圈中剩余的能量，说明晶体管断路。

c.闭合部分表示点火线圈的通电状态，即晶体管的导通时间。

2．传感器-曲轴位置传感器信号波形图分析

通过对曲轴位置传感器信号波形的分析，可得出以下结论，即：

a．相同的齿形应产生相同型式的连续脉冲，脉冲具有一致的形状、幅值并与曲轴的转速成正比；

b．除去传感器触发轮上的一个齿或两个相互靠近的齿所产生的同步脉冲，就可以确定上止点的信号；

c．各个最大（最小）的峰值电压应相差不多，否则触发轮有弯曲；

d．波形的上下波动，不可能在0电位处上下完美对称，幅值随转速的增加而增加；

e．波形的幅值、频率和形状在确定的条件下应是一致的、可重复的、有规律的和可预测的；

f．波形的频率应同发动机的转速同步变化，两个脉冲间隔只在同步脉冲出现时才会改变。

图11 喷油器控制信号波形图

图12 怠速控制阀信号波形图

汽车点火系统组成图

3．执行器- 喷油器控制信号波形图分析

对喷油器控制信号波形图进行分析可知：

a.喷油器的电压应是蓄电池的电压，通过驱动三极管使喷油器中的针阀开始喷油；

b.从图中可知喷油器的打开时间以及驱动三极管切断使喷油关闭。在怠速时，其喷油持续时间应为1～6ms到冷起动或节气门全开时约为6～35ms之间进行变化；

c.可读出由于喷油器线圈的磁场衰减而产生的峰值电压。

结语

a.汽车用示波器应该是高频示波器，具有不拆解就可以分析汽车故障的功能；

b.示波器最大的优势是能将检测结果和数据保存在计算机内存中以备用；

c.示波器可用于追踪信号和干扰的工具，能够获取汽车和传感器上的信息以便于查找故障；d.示波器能清晰的显示信号是否有正确的电压、频率和故障现象；

e.示波器具有两个波道，可同时显示两种信号，可对信号进行转换；

f.通过对解放牌轻型发动机点火系统、传感器和执行器的分析，运用示波器对波形图的分析，可以清楚地看到发动机各缸的点火状态，检测出点火闭合角，点火线圈的充电时间，以及火花塞的工作状态。实现对微机控制的点火系统和汽车底盘电控系统的快速故障诊断，大大提高了维修的工作效率，因此，示波器是一个非常好的检测汽车故障的测试仪。