点火波形分析

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INSPECTION

最初的内燃机结构很简单，但为了增加动力和提高效率，人们已对其进行了许多次的改进，结构也就越来越复杂了。当今的内燃机主要有两种，一种是压燃式（柴油机），另一种是点燃式（汽油机）。在此，我们要探究的是汽油机。

要懂得在汽油机中能量是怎样释放出来的，这一点很重要。对于内燃机来说，空气和燃油的混合气被吸入汽缸并在缸内被压缩。当混合气被压缩时，其分子被迫进入一个很小的空间。这就使得分子之间相互碰撞，从而产生了摩擦力和热。燃油分子的分子链是由不同的原子组成的，将这些不同的原子结合在一起就需要能量。为了释放燃油的能量，燃油分子就必须分裂并重新组成一种不同结构的低能量分子。燃油分子一旦分裂，将不同原子结合在一起的能量就不再需要了。这种被释放的能量就为内燃机提供了动力。

●　文／Ｂｅｒｎｉｅ　Ｃ．　Ｔｈｏｍｐｓｏｎ

译／朱之亚　王鸣鸿

对于汽油机来说，单凭压缩还不能提供足够的能量使燃油分子分裂。传入燃油分子的热能使其变得不稳定，但为了分开链接燃油分子的原子还需施加更大的力。要将两个扭打在一起的人分开是件很不容易的事。要把他们拉开，你所用的力要大于他们扭在一起的力。采用电击枪可以使两个扭打在一起的人分开，因为电击枪放电时电压可达１００ｋＶ。电击枪的势能大于两个扭打在一起的人所

用的能量，因此，那两人就会松手而分开。尽管汽缸压缩产生了热能，但要将燃油的分子分裂并释放能量还需要更大的力。点火系统所产生的高能电火花可以提供这个力。

点燃混合气需要高能量的电火花，为此人们采用了

多种不同的点火系统。升压

变压器是当今较常用的一种点火系统。这种变压器采用低电压、大电流的电极来产生高电压、小电流的电极。它是由两个不同的线圈组成的。第一个线圈叫初级线圈，第二个线圈叫次级线圈（见图１）。为了增加磁场，初级线圈绕在一个铁芯上。在新式的变压器上这个铁芯是由许多片叠加在一起的黑色金属（通常为软铁）片组成的。相对于整块的铁芯，它的磁增强能力更好。

初级绕组的线较粗、匝数少，这就使得它的电阻值很低。次级绕组的线较细、匝数多，从而电阻值较高。车用点火线圈的匝数比通常约为１：１００，也就是说，初级线圈绕１匝，次级线圈就绕１００匝。初级线圈的电阻值通常在１～４Ω之间，次级线圈的电阻值通常在８０００～１６０００Ω之间。

初级线圈和次级线圈之间相互绝缘，绝缘的介质为变压器油或环氧树脂。变

图１

点火波　

图２

图３

图４

D I A G N O S I S

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磁场建立时，磁力线切割初级线圈，初级线圈中产生的感应电压就会释放电子。可是，由于初级线圈中有电流，这些被释放的电子会阻碍电流的流动。我在以前的文章中，曾以学校的过道挤满了学生为例说明了这个问题。这个例子同样也适用于点火线圈。想象一下，孩子们沿着教室楼的过道飞快地奔跑。然后，更多的孩子们从沿过道的教室里出来，进入过道。离开教室进入过道的孩子们如果不用力推挤在过道里奔跑的孩子们，过道里的孩子们就不会跑得更快。就像进入过道的孩子们一样，这个在初级线圈中产生的感应电压阻碍了初级线圈中电流的流动。这种阻碍，我们称之为反向电动势或反向电压。

每当线路中有电感现象时，电流的变化就会产生一个反向电动势，这个反向电动势会阻碍电流的流动。每当线路中有电阻时，就会产生电压降，电压降的大小与电阻值成正比。从初级波形略为上升的底线（图４中的Ｄ部分）就可以看

出这个电压降。如果将示波器的电压量程降低，放大

初级点火波形

的底部，就可以清楚地看见这个压降（图５中上半部的Ｄ部分）。

电流流过线圈，遇有电阻便会产生电压降，用电流钳测量初级线圈的电流波形时也能反映出这一现象（见图５下半部）。点火线圈的初级电流一旦饱和（磁场不再运动），次级线圈的周围就充满磁场。点火线圈的电流饱和点取决于流经它的电流，电流越大磁力线的强度就越大，反之，电流越小磁力线的强度也就越小。

线圈充电饱和后，流经初级线圈的电流将受到限制（图２中Ｅ部分），但是磁场强度仍处在最大状态。注意，此时电流受到限制，但电压仍然低于开路电压（图２中Ｆ部分）。为了限制电流，线路中加了一个电阻，其作用是限制流经初级线圈的电流。如果初级电路中存在额外的电阻，电流限制的时间就会提前。如果线圈短路或阻值低于规定值，电流限制

的时间就会滞后。所以，你如果知道电路设计的特点，从电流限制时间的变化就可以判断出故障。

随着发动机转速的提高，各汽缸间的点火间隔时间变短，线圈饱和充电的时间也就随之变短，因此电流限制就会停止（并不是所有的点火系统都有电流限制器）。充电饱和后，动力控制模块（ＰＣＭ）切断点火系统的驱动电路，初级线圈的电流不再流过初级绕组，这样一来，磁场便穿越次级线圈并消失。当磁场穿越导线或绕组时，导线或绕组中就会产生感应电压。这种感应电压会产生电动势。电动势推动电子沿线路运动，直到它们返回次级绕组。

电容器的作用是加快磁场消失的速度。直流电不可能通过这种元件接地，但交流电可以，交流电是可以通过电容器的。所以，初级线圈中的电流就可以通过电容器接地。

电容器是连在初级电路中的（见图６）。电流停止时，磁场在初级线圈中收缩

图５

图６

图７

（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）

图９

图８

需要推力，以便使其运动，就像点火线圈的放电或“推动力”产生了能量脉冲一样。电子流动开始后，电压就稳定下来，振荡就会减弱成平稳的电压（图２中的Ｉ部分）。

电离现象一旦出现，自由电子和正离子就会在火花塞的电极间构成一个通道。这种情况是在电子流动的数量等于正离子流动的数量，并且在火花塞电极间“出现等离子体”时出现的（图７Ｃ）。等离子体的电阻大小与气体成份和气体压力有关。等离子体能降低电子流过火

花塞电极间所需的电压。

电离转变成等离子体时的电压值是一项用来分析问题的重要参数。由于击穿电压不稳定，每个点火循环时上下都有波动，所以观察出现等离子体时的电压值尤为重要。出现等离子体时的电压值比击穿电压稳定，因而能看出从击穿电压中看不出的电阻值。电离转变成等离子体时所受的唯一影响就是线路中的电阻值。

图９中的黄色波形线表明次级电路中有２０ｋΩ的额外电阻。红色波形线代表