发动机的点火测试原理及冷试点火测试波形分析

作者：张文斌;王震;陆晓俊 来源：汽车制造业

发动机的点火测试是发动机出厂检测的重要环节，为达到保证发动机质量的目的，针对发动机装配过程中在线检测的需要提出了一种快速检测的冷测试技术。

图1 发动机点火原理

发动机的点火测试是发动机出厂检测的重要环节，传统的发动机测试都是基于发动机热试试验，因此无法进行装配线的在线快速检测，而且会产生大量废气和噪音，对环境造成污染。

本测试方法由于是伺服电机拖动发动机稳速运转，在测试过程中发动机本身不作功，发动机仍然是按照四个冲程运行，在这四个过程中，由于没有燃油的注入因而不存在燃烧，但其点火过程是始终存在的。通过测试台架上靠近4个点火线圈的磁场传感器来感应点火过程中磁场的变化并记录感应的波形，因而可以实现发动机点火快速在线检测的功能。相对热试而言发动机冷测试技术具有明显的优势，目前已广泛应用于通用、大众等各大汽车制造厂家。

点火测试原理

目前大多数汽车制造厂家都已采用笔式点火线圈，其原理如图1所示。图1是一台采用笔式点火线圈八缸发动机的点火原理图，其点火正时信号是通过曲轴发信轮和凸轮轴发信轮来给定，PCM通过这些信号来给出确定的点火时序，通过点火线圈增压依次分配到各缸的火花塞中使其击穿，从而达到使油气混合物点燃的目的。由于冷测试过程没有燃油的注入，不存在燃烧，但是其火花塞已被击穿。在整个点火过程中火花塞的点火线圈起到了至关重要的作用，其结构如图2 所示，它是一个类似于变压器的结构，有初级和次级两个绕组，通过给初级绕组通断电来实现次级绕组感应出瞬间高压从而击穿火花塞。

在点火测试中正是利用了点火线圈初级绕组和次级绕组相互感应这一特性进行测试。对直列四缸形式的发动机而言在测试台架中存在4个独立的磁感应线圈，通过他们来感应点火过程中线圈中初级线圈的电压变化情况，通过观察感应到的波形来判断发动机点火系统的好坏，可以快速精确简单地判定出潜在的问题。

图3 发动机点火正时信号（EST）

发动机点火冷测试的整个过程非常简单，发动机的ECU根据曲轴位置传感器所提供的信号来产生EST（electron spark timing）信号，这是一个类似于脉冲序列的信号，如图3所示，信号的上升沿和下降沿的时间差就是其供给点火线圈初级绕组的充电时间（dwell time），在整车中充电时间通常都是固定，但在发动机冷试点火测试时这个时间是可调节的，EST信号一般是幅值固定的电压信号。在冷测试台架中会有一路电压可调节的电源专门用来给点火线圈的初级绕组充电，其充电时间可由EST信号来控制，在整车中由EST信号所确定的充电时间和供给点火线圈初级线圈的充电电压通常都是固定的，而在发动机冷测试台架中这两个参数则是可调节的，在实际的测试过程中通过对这两个参数的调整而实现点火线圈测试的目的。

冷试点火测试波形分析

在实际的生产过程中，为了及早发现发动机点火系统更多的缺陷，往往采用高压点火和低压点火两种策略，其本质就是调节EST信号的充电时间和初级线圈供电电压，在高压点火时往往采用相对较高的EST电压幅值和较长的充电时间，而低压点火时往往采用较低的电压幅值和较短的充电时间，通过这两种点火方式可以更好地检测出发动机点火系统中潜在的问题。

图4 低压点火测试波形

1.低压点火测试波形分析

低压点火测试是利用一个低于常规充电电压值来进行的检测，当电压值过低时火花塞不能击穿，低压测试的方法即是寻找一个合适的初级线圈充电电压使得火花塞处于一种临界击穿的状态，此时的火花塞并没有击穿，但当充电电压再略高一点时就会导致击穿。图4是一个典型的低压点火测试波形，在这个测试过程中，EST电压信号的幅值较低，如图5中低压部分波形所示，由于未击穿火花塞其波形在第一次峰值后就进入衰减振荡的环节，直到点火线圈中能量耗尽。低压点火可以用来检测火花塞间隙，当火花塞间隙较小时，相比正常的间隙其更容易被击穿，低压点火所积蓄的能量就可以击穿这个间隙相对较小的火花塞，因此其点火波形也将明显不同于正常的火花塞间隙。

2.高压点火测试波形分析

当初级线圈充电电压信号电压的幅值相对较高时，如图5中高压部分所示，其击穿电压的幅值、持续时间都会相应的变高。当充电电压调整一个较高值时其点火波形如图6所示。图6是一个典型的高压点火测试波形，在这个测试过程中，初级线圈充电电压较高，由于在整车中5V的电压幅值已可以保证火花塞击穿，因此在只要大于5V电压情况下点火线路中的火花塞已被完全击穿，由于其电压幅值较高，从其波形上来看其第一次的峰值也相对较高，此后还有一段较长的持续时间并在结束时会产生一个较小的峰值脉冲直到线圈中的能量耗尽。

图5 低压点火和高压点火初级线圈充电电压波形

当充电时间都相同的情况下，电压幅值的高低将直接决定点火线圈所积蓄能量的多少，因此高压点火积蓄的能量过高，其点火所感应到的波形如图6所示，而低压点火线圈所积蓄的能量相对较低，不能击穿正常的火花塞，因此其点火波形如图4所示

在实际测试过程中将会记录测试所显示波形的初始峰值、次级峰值、持续时间等比较明显的特征值，并将其与正常发动机的测试记录进行比较，如果存在明显的差异则可以确定这是一台点火系统存在问题的发动机。通常情况下高压点火可以检测出许多发动机热试所不能发现的问题，这种测试方法可以检测点火系统中线路的连接、较宽的火花塞间隙、点火线圈中潜在的问题等一种或几种故障。

图6 高压点火测试波形

结语

发动机冷试中的点火测试可以尽早的帮助生产线发现点火线路存在的问题，如过宽或过窄的火花塞间隙、点火线圈中初级线圈和次级线圈的匝数问题和点火线圈断路等，比发动机热试具有更高的灵敏度。

目前发动机的点火测试是冷试台架的一部分，其低压非击穿点火经常设置在高转速时测试，高压击穿点火则设置在低转速时测试，两者都是冷试过程的某个阶段，现在许多厂家将点火测试独立冷试工位之外单独设置一个工位，这样在发动机不需要拖动的情况下就可以进行点火测试，其测试的精度和可靠性进一步得到提高。除了在文章开头所提到的利用磁场传感器感应点火波形的方法之外，很多厂家也采用直接测量点火线圈初级线路的感应电压来得到点火波形，这中方法具有更高的灵敏度，但基本原理都是相通的，目前也得到广泛的应用。

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