點(diǎn)火波形分析(圖)
互聯(lián)網(wǎng) wl04qc1b 汽車構(gòu)造維修 2006-12-19
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最初的內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)很簡單，但為了增加動(dòng)力和提高效率，人們已對(duì)其進(jìn)行了許多次的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)也就越來越復(fù)雜了。當(dāng)今的內(nèi)燃機(jī)主要有兩種，一種是壓燃式（柴油機(jī)），另一種是點(diǎn)燃式（汽油機(jī)）。在此，我們要探究的是汽油機(jī)。
要懂得在汽油機(jī)中能量是怎樣釋放出來的，這一點(diǎn)很重要。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)來說，空氣和燃油的混合氣被吸入汽缸并在缸內(nèi)被壓縮。當(dāng)混合氣被壓縮時(shí)，其分子被迫進(jìn)入一個(gè)很小的空間。這就使得分子之間相互碰撞，從而產(chǎn)生了摩擦力和熱。燃油分子的分子鏈?zhǔn)怯刹煌脑咏M成的，將這些不同的原子結(jié)合在一起就需要能量。為了釋放燃油的能量，燃油分子就必須分裂并重新組成一種不同結(jié)構(gòu)的低能量分子。燃油分子一旦分裂，將不同原子結(jié)合在一起的能量就不再需要了。這種被釋放的能量就為內(nèi)燃機(jī)提供了動(dòng)力。
對(duì)于汽油機(jī)來說，單憑壓縮還不能提供足夠的能量使燃油分子分裂。傳入燃油分子的熱能使其變得不穩(wěn)定，但為了分開鏈接燃油分子的原子還需施加更大的力。要將兩個(gè)扭打在一起的人分開是件很不容易的事。要把他們拉開，你所用的力要大于他們扭在一起的力。采用電擊槍可以使兩個(gè)扭打在一起的人分開，因?yàn)殡姄魳尫烹姇r(shí)電壓可達(dá)100kV。電擊槍的勢(shì)能大于兩個(gè)扭打在一起的人所用的能量，因此，那兩人就會(huì)松手而分開。盡管汽缸壓縮產(chǎn)生了熱能，但要將燃油的分子分裂并釋放能量還需要更大的力。點(diǎn)火系統(tǒng)所產(chǎn)生的高能電火花可以提供這個(gè)力。
點(diǎn)燃混合氣需要高能量的電火花，為此人們采用了多種不同的點(diǎn)火系統(tǒng)。升壓變壓器是當(dāng)今較常用的一種點(diǎn)火系統(tǒng)。這種變壓器采用低電壓、大電流的電極來產(chǎn)生高電壓、小電流的電極。它是由兩個(gè)不同的線圈組成的。第一個(gè)線圈叫初級(jí)線圈，第二個(gè)線圈叫次級(jí)線圈（見圖1）。為了增加磁場(chǎng)，初級(jí)線圈繞在一個(gè)鐵芯上。在新式的變壓器上這個(gè)鐵芯是由許多片疊加在一起的黑色金屬（通常為軟鐵）片組成的。相對(duì)于整塊的鐵芯，它的磁增強(qiáng)能力更好。
 初級(jí)繞組的線較粗、匝數(shù)少，這就使得它的電阻值很低。次級(jí)繞組的線較細(xì)、匝數(shù)多，從而電阻值較高。車用點(diǎn)火線圈的匝數(shù)比通常約為1:100，也就是說，初級(jí)線圈繞1匝，次級(jí)線圈就繞100匝。初級(jí)線圈的電阻值通常在1～4Ω之間，次級(jí)線圈的電阻值通常在8000～16000Ω之間。
初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間相互絕緣，絕緣的介質(zhì)為變壓器油或環(huán)氧樹脂。變壓器油的耐壓值是20～25kV，所以在新式的點(diǎn)火線圈中采用了真空封閉的環(huán)氧樹脂，其耐壓值可達(dá)50kV。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈是電磁耦合的，所以，一個(gè)線圈受到影響，另一個(gè)也會(huì)受影響。
點(diǎn)火線圈采用電磁感應(yīng)的方式來提供所需的點(diǎn)火能量。要了解點(diǎn)火線圈是如何工作的，我們就來看一下它所產(chǎn)生的波形。先從圖2中A部分看起，這一部分是開路電壓，因?yàn)榇丝屉娐愤�沒有閉合，初級(jí)線圈中沒有電流流動(dòng)。隨后，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路閉合，電壓便突然下降，初級(jí)線圈就對(duì)地構(gòu)成了回路（圖2中的B部分）。這個(gè)電壓降會(huì)非常接近于零電位。
 固有的電壓降取決于驅(qū)動(dòng)電路中控制電流用的是三極管還是場(chǎng)效應(yīng)管。如果是三極管，它的電壓降就是0.7～1V，其原因是三極管的基極存在電阻。場(chǎng)效應(yīng)管的基極電阻很小，所造成的電壓降約為0.1～0.3V。固有的壓降是電路中的保持電壓，這個(gè)保持電壓用來克服驅(qū)動(dòng)電路或基極的電阻，從而使電流流動(dòng)（圖2中的C部分）。一旦驅(qū)動(dòng)電路閉合，電流就流過初級(jí)線圈的繞阻。當(dāng)電流流經(jīng)繞組時(shí)，所有的電流都用來在繞組周圍建立一個(gè)磁場(chǎng)（見圖3）。這個(gè)磁場(chǎng)的建立叫做電感，它的強(qiáng)度是和電感系數(shù)以及電流成正比的。換句話說，就是電流越大，磁感應(yīng)就越強(qiáng)。
 當(dāng)磁場(chǎng)建立時(shí)，磁力線切割初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，使兩個(gè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，然而這個(gè)電壓對(duì)兩個(gè)線圈的影響是不同的。隨著磁場(chǎng)的建立，磁力線切割次級(jí)線圈，次級(jí)線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（emf）并釋放電子。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路閉合時(shí)，可以從次級(jí)電壓波形中看到這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。線路閉合的初始會(huì)產(chǎn)生電壓振蕩（見圖4）。這是由于磁力線切割次級(jí)線圈并在次線圈不同的繞阻中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
 線圈繞組中存在著電容。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體被空間分割并且電流通過兩個(gè)導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電容。而且，這兩個(gè)導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生電位差。導(dǎo)體的尺寸和導(dǎo)體之間的距離決定了電容量。
電能和磁能互相轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩波。線圈充電飽和后，這個(gè)振蕩波將減弱成一條穩(wěn)定的弧線，隨后再成一直線。線圈充電的飽和點(diǎn)各不相同，主要取決于流過初級(jí)線圈的電流、電阻值和線圈的匝數(shù)。
磁場(chǎng)建立時(shí)，磁力線切割初級(jí)線圈，初級(jí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就會(huì)釋放電子�？墒�，由于初級(jí)線圈中有電流，這些被釋放的電子會(huì)阻礙電流的流動(dòng)。我在以前的文章中，曾以學(xué)校的過道擠滿了學(xué)生為例說明了這個(gè)問題。這個(gè)例子同樣也適用于點(diǎn)火線圈。想象一下，孩子們沿著教室樓的過道飛快地奔跑。然后，更多的孩子們從沿過道的教室里出來，進(jìn)入過道。離開教室進(jìn)入過道的孩子們?nèi)绻挥昧ν茢D在過道里奔跑的孩子們，過道里的孩子們就不會(huì)跑得更快。就像進(jìn)入過道的孩子們一樣，這個(gè)在初級(jí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓阻礙了初級(jí)線圈中電流的流動(dòng)。這種阻礙，我們稱之為反向電動(dòng)勢(shì)或反向電壓。
每當(dāng)線路中有電感現(xiàn)象時(shí)，電流的變化就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流的流動(dòng)。每當(dāng)線路中有電阻時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降，電壓降的大小與電阻值成正比。從初級(jí)波形略為上升的底線（圖4中的D部分）就可以看出這個(gè)電壓降。如果將示波器的電壓量程降低，放大初級(jí)點(diǎn)火波形的底部，就可以清楚地看見這個(gè)壓降（圖5中上半部的D部分）。
電流流過線圈，遇有電阻便會(huì)產(chǎn)生電壓降，用電流鉗測(cè)量初級(jí)線圈的電流波形時(shí)也能反映出這一現(xiàn)象（見圖5下半部）。點(diǎn)火線圈的初級(jí)電流一旦飽和（磁場(chǎng)不再運(yùn)動(dòng)），次級(jí)線圈的周圍就充滿磁場(chǎng)。點(diǎn)火線圈的電流飽和點(diǎn)取決于流經(jīng)它的電流，電流越大磁力線的強(qiáng)度就越大，反之，電流越小磁力線的強(qiáng)度也就越小。
 線圈充電飽和后，流經(jīng)初級(jí)線圈的電流將受到限制（圖2中E部分），但是磁場(chǎng)強(qiáng)度仍處在最大狀態(tài)。注意，此時(shí)電流受到限制，但電壓仍然低于開路電壓（圖2中F部分）。為了限制電流，線路中加了一個(gè)電阻，其作用是限制流經(jīng)初級(jí)線圈的電流。如果初級(jí)電路中存在額外的電阻，電流限制的時(shí)間就會(huì)提前。如果線圈短路或阻值低于規(guī)定值，電流限制的時(shí)間就會(huì)滯后。所以，你如果知道電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從電流限制時(shí)間的變化就可以判斷出故障。
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，各汽缸間的點(diǎn)火間隔時(shí)間變短，線圈飽和充電的時(shí)間也就隨之變短，因此電流限制就會(huì)停止（并不是所有的點(diǎn)火系統(tǒng)都有電流限制器）。充電飽和后，動(dòng)力控制模塊（PCM）切斷點(diǎn)火系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，初級(jí)線圈的電流不再流過初級(jí)繞組，這樣一來，磁場(chǎng)便穿越次級(jí)線圈并消失。當(dāng)磁場(chǎng)穿越導(dǎo)線或繞組時(shí)，導(dǎo)線或繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這種感應(yīng)電壓會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)推動(dòng)電子沿線路運(yùn)動(dòng)，直到它們返回次級(jí)繞組。
電容器的作用是加快磁場(chǎng)消失的速度。直流電不可能通過這種元件接地，但交流電可以，交流電是可以通過電容器的。所以，初級(jí)線圈中的電流就可以通過電容器接地。
電容器是連在初級(jí)電路中的（見圖6）。電流停止時(shí)，磁場(chǎng)在初級(jí)線圈中收縮使線圈中的電流穩(wěn)定。初級(jí)線圈的電流通過電容器消失得越快，磁場(chǎng)也就消失得越快�？焖龠\(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)能提高次級(jí)線圈中的感應(yīng)電壓，因而，受到高達(dá)50kV電壓推動(dòng)的電流就要尋找通道或出路。次級(jí)線圈和火花塞相連，電子運(yùn)動(dòng)到火花塞電極的開口處，然而次級(jí)線路是一個(gè)開路電路。當(dāng)高壓電試圖推動(dòng)電子穿越開路電路時(shí)，會(huì)首先在火花塞的兩個(gè)電極之間建立電暈或者說低能量場(chǎng)（圖7A）。
  這種電暈一旦建立，電離就會(huì)開始。電離開始時(shí)，所需的電壓很高。為了釋放電子，電位差必須對(duì)原子施加足夠的壓力（圖7B）。失去電子的原子就成了正離子（離子就是帶正電或負(fù)電的原子，是原子失去或得到一個(gè)或多個(gè)電子的結(jié)果）。這就是擊穿電壓或者是推動(dòng)電子克服電阻所需的電壓。
在次級(jí)線圈中，電阻就是火花塞電極間的間隙（見圖2的G部分）�；鸹ㄈ碾姌O間隙越大，電阻就越大，因而所需的擊穿電壓就越高。擊穿電壓的讀數(shù)單位為千伏（kV），它是克服次級(jí)線路中全部的電阻所需的能量。電子開始穿越火花塞的兩電極時(shí)，電離就完成了。
請(qǐng)注意：隨著電子流動(dòng)的開始所出現(xiàn)的振蕩波，這個(gè)振蕩是在擊穿電壓出現(xiàn)后開始的（圖2中的H部分）。這個(gè)振蕩或脈動(dòng)是由線圈或繞組間的電容現(xiàn)象引起的。電能與磁能間的轉(zhuǎn)換在變壓器中很容易出現(xiàn)。擊穿電壓所產(chǎn)生的電弧速度非�？�，大約為2 ns。這個(gè)高速的能量脈沖使得能量在電與磁之間互相轉(zhuǎn)換。電弧的能量脈沖越強(qiáng)，振蕩波出現(xiàn)得就越多。
這些振蕩波類似于小孩蕩秋千。開始時(shí)小孩在秋千上處于靜止?fàn)顟B(tài)。用力一推，秋千就蕩了起來。用的力越大，秋千就蕩得越高。隨后秋千就會(huì)蕩來蕩去，直到能量消失后才能停下。點(diǎn)火線圈里的電、磁能量轉(zhuǎn)換和磁、電能量轉(zhuǎn)換與蕩秋千十分相似。作為一種機(jī)械裝置，秋千需要推力，以便使其運(yùn)動(dòng)，就像點(diǎn)火線圈的放電或“推動(dòng)力”產(chǎn)生了能量脈沖一樣。電子流動(dòng)開始后，電壓就穩(wěn)定下來，振蕩就會(huì)減弱成平穩(wěn)的電壓（圖2中的I部分）。
電離現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，自由電子和正離子就會(huì)在火花塞的電極間構(gòu)成一個(gè)通道。這種情況是在電子流動(dòng)的數(shù)量等于正離子流動(dòng)的數(shù)量，并且在火花塞電極間“出現(xiàn)等離子體”時(shí)出現(xiàn)的（圖7C）。等離子體的電阻大小與氣體成份和氣體壓力有關(guān)。等離子體能降低電子流過火花塞電極間所需的電壓。
 電離轉(zhuǎn)變成等離子體時(shí)的電壓值是一項(xiàng)用來分析問題的重要參數(shù)。由于擊穿電壓不穩(wěn)定，每個(gè)點(diǎn)火循環(huán)時(shí)上下都有波動(dòng)，所以觀察出現(xiàn)等離子體時(shí)的電壓值尤為重要。出現(xiàn)等離子體時(shí)的電壓值比擊穿電壓穩(wěn)定，因而能看出從擊穿電壓中看不出的電阻值。電離轉(zhuǎn)變成等離子體時(shí)所受的唯一影響就是線路中的電阻值。
圖9中的黃色波形線表明次級(jí)電路中有20kΩ的額外電阻。紅色波形線代表相鄰的一個(gè)汽缸，其等離子體出現(xiàn)時(shí)電壓正常。黃色波形線的等離子體出現(xiàn)時(shí)的電壓比正常值高出了2.3kV，這就表明線路中有額外的電阻。
 在圖10中黃色波形線顯示的是高壓導(dǎo)線和火花塞之間有0.2in.（約5mm）的間隙。紅色波形線代表相鄰的一個(gè)汽缸，其等離子體出現(xiàn)時(shí)，電壓值正常。在黃線中，等離子體出現(xiàn)時(shí)的電壓值比正常值高出1.2kV，表明線路中有電阻。
 在圖11中，一個(gè)缸的噴油嘴插頭被斷開，燃油不進(jìn)缸。注意，黃色和紅色的波形線，它們?cè)陔婋x轉(zhuǎn)變成等離子體時(shí)，其電壓值沒什么差別，這表明線路中的電阻正常。然而，在黃色波形線中，代表等離子體出現(xiàn)的一段波形表明電阻較高，這是因?yàn)榈入x子體中缺少碳?xì)浠衔铩＿@就使得電壓在燃燒時(shí)陡然高出10kV。
 電子一旦在火花塞的電極之間開始流動(dòng)就會(huì)持續(xù)下去，直到次級(jí)線圈的能量耗盡。當(dāng)燃燒時(shí)間接近終了、點(diǎn)火線圈的能量將盡時(shí)，電壓在電火花熄滅前會(huì)略有上升（圖2中J部分）。這種現(xiàn)象是等離子體的消失所造成的。點(diǎn)火線圈所產(chǎn)生的電子數(shù)量減少，使得正離子和電子的數(shù)量不等，因而等離子體便消失。由于等離子體所構(gòu)成的電流通道電阻較小，所以等離子體的消失會(huì)使電阻升高，這就使得在燃燒時(shí)間接近終了時(shí)電壓有所升高。
使點(diǎn)火線圈次級(jí)繞組產(chǎn)生電能的電感作用是有限的。飽和充電的點(diǎn)火線圈就像盛滿水的水桶一樣，如果用水泵通過壓力將桶里的水抽出并規(guī)定水管的直徑，那么壓力越大，水被抽光的時(shí)間就越短。水被抽光后，壓力也隨之消失。對(duì)于次級(jí)線圈來說，推動(dòng)電子穿越線路中電阻所需的電壓或壓力越高，電子耗盡的速度就越快。
電子流過火花塞電極間這一階段叫做燃燒時(shí)間（圖2中G、J部分）。推動(dòng)電子在線路中流動(dòng)所需的電壓不同，燃燒時(shí)間也不同。電壓越低，燃燒時(shí)間就越長。反之，電壓越高，燃燒時(shí)間就越短。
我們用一根繩子來演示一下這一規(guī)律。假定繩子的長度是一定的，并將它用來表示擊穿電壓和燃燒時(shí)間的波形部分（見圖12）。繩子用在垂直線的部分越長，用在水平線的部分就越短。反之，如果水平的部分變長，垂直的部分就會(huì)變短。假如繩子整體短，就像點(diǎn)火線圈的磁場(chǎng)不飽和一樣，垂直和水平的部分也會(huì)受到影響，這是由于可提供的能量減少所造成的。
 擊穿電壓和燃燒時(shí)間受汽缸內(nèi)的壓力以及氣體成份的影響。通常進(jìn)入汽缸里的空氣（大約21%的氧氣和79%的氮?dú)猓┮约癈4H8碳?xì)浠衔铮ㄆ停��？諝夂吞細(xì)浠衔锏幕旌媳壤秊?4.7:1。汽缸里的混合氣由原子組成，這些原子能夠電離或者說使火花塞的電極間產(chǎn)生電火花。我們知道這些原子會(huì)電離，但如果條件變化，電離的性能也會(huì)變化。汽缸壓力的大小將會(huì)改變混合氣的密度，而混合氣的密度會(huì)影響電離的性能。汽缸里的紊流也會(huì)改變點(diǎn)火波形的特性曲線。壓力、紊流、氣體成份、燃油或水蒸汽等都是變量。如果這些變量中的任何一項(xiàng)發(fā)生變化，則由電離所形成的等離子體也會(huì)發(fā)生變化。其結(jié)果是點(diǎn)火波形將受到影響。
如果電能不足以維持電子流過火花塞的電極之間，那么電火花就會(huì)熄滅（圖2中的J部分），點(diǎn)火線圈里剩余的任何能量都將會(huì)被繞組吸收。被吸收的能量通過電能和磁能的轉(zhuǎn)換而耗散。這就是點(diǎn)火終了時(shí)波形中為什么會(huì)出現(xiàn)振蕩波的原因（圖2中的K部分）。通過這個(gè)振蕩波可以看出點(diǎn)火線圈放電時(shí)有多少能量被利用了或者有多少能量沒有被利用。電壓變化大、振蕩的次數(shù)多表明了點(diǎn)火線圈中的剩余能量多，如果沒有振蕩波，就說明點(diǎn)火線圈的能量完全用盡了。
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