多功能汽油機(jī)點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)及其應(yīng)用

1、多功能汽油機(jī)點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)及其應(yīng)用馬法成、張寶來(lái)、吳順毅（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 300191）摘 要 可靠定量地測(cè)試汽油內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火技術(shù)特性，對(duì)于改善車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，降低環(huán)境污染是至關(guān)重要的。本文介紹了一種具有較高性能價(jià)格比的多功能汽油內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)。它可以根據(jù)國(guó)際、國(guó)內(nèi)和企業(yè)相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完成汽車、摩托車等發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系及其相關(guān)產(chǎn)品眾多點(diǎn)火參數(shù)的捕捉、測(cè)量、顯示及分析處理。關(guān)鍵詞 點(diǎn)火特性；火花能量；測(cè)試軟件；探極The mulitfunction Test System of Ignition for Gasoline Engine and ApplicationMa Fa-cheng

2、 Zhang Bao-lai Wu Shun-yi (Chinese-German Vocational Technology Institute 300191 Tianjin)Abstract The Test of igniting characteristic for gasoline engine with accurate and reliable is significant to improve power, economy of vehicle and to reduce environmental pollution. The multi-function and large

3、 performance-price radio test system of igniting properties for gasoline engine is introduced. The system can be effectively applied to capture, measure, display and analysis of many parameter for igniting device of automobile, motorcycle etc.Keyword Igniting properties; Spark energy; Test software;

4、 Probe 一 概 述以汽油作為燃料的汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)不論是傳統(tǒng)的點(diǎn)火系還是先進(jìn)的電子點(diǎn)火系和最近幾年發(fā)展起來(lái)的微機(jī)控制點(diǎn)火系，都是通過(guò)在火花塞上施加十幾到幾十仟伏的脈沖高壓，擊穿絕緣間隙形成火花放電，從而點(diǎn)燃汽缸中的混合氣體，推動(dòng)活塞而使之工作的。所以，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法定量的研究汽油發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系的技術(shù)特性，特別是考察火花能量的時(shí)域過(guò)程，對(duì)改善汽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，保證點(diǎn)火系器件質(zhì)量，降低油耗和減少環(huán)境污染都是非常重要的。汽油內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火特性包括一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的汽油機(jī)點(diǎn)火過(guò)程技術(shù)參數(shù)。它們主要有：初級(jí)感應(yīng)電壓、初級(jí)電壓、初級(jí)斷電電流、初級(jí)導(dǎo)通電流、初級(jí)能量；次極

5、有效電壓及其上升時(shí)間、點(diǎn)火負(fù)載、火花（齊納）電壓、火花（齊納）電流及其持續(xù)時(shí)間、火花（齊納）點(diǎn)火能量和能量傳遞及轉(zhuǎn)換效率等數(shù)十項(xiàng)。涉及的相關(guān)器件包括蓄電池點(diǎn)火系、磁電機(jī)點(diǎn)火系、電子點(diǎn)火系及微機(jī)控制點(diǎn)火系中的點(diǎn)火線圈、磁電機(jī)、分電器、電子點(diǎn)火器、電子控制裝置、高壓線、火花塞等十幾類，數(shù)百種產(chǎn)品。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和分析上述技術(shù)參數(shù)及其時(shí)域波形，對(duì)客觀評(píng)價(jià)汽油機(jī)點(diǎn)火性能的優(yōu)劣和點(diǎn)火器件的質(zhì)量好壞都是十分必要的。特別是燃油噴射和電控點(diǎn)火技術(shù)的普遍采用，對(duì)點(diǎn)火技術(shù)特性的測(cè)試尤為重要。在這里特別要強(qiáng)調(diào)的是點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時(shí)刻的定量測(cè)試，對(duì)汽油機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性和環(huán)保特性是特別重要的。以點(diǎn)火線圈的測(cè)試為例，過(guò)去的

6、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并不要求測(cè)試點(diǎn)火能量，可是新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)卻用穩(wěn)壓（齊納）二極管取代三針?lè)烹娖魍瓿牲c(diǎn)火能量測(cè)試。汽油內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火過(guò)程是一種典型的高電壓小能量動(dòng)態(tài)時(shí)域過(guò)程。其次級(jí)電壓峰-峰值高達(dá)40千伏80千伏 ，陡變沿僅為亞微秒量級(jí)，火花能量只有幾個(gè)到上百個(gè)毫焦耳。其特性參數(shù)有很強(qiáng)的隨機(jī)性和瞬變性。當(dāng)火花放電時(shí)還伴隨產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。鑒于上述特點(diǎn)，使用一般的模擬和數(shù)字儀器儀表很難勝任。必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用專門的電壓、電流傳感器，抗強(qiáng)干擾的可程控儀器和相應(yīng)的測(cè)試軟件才行。為此，我們研制成功并推廣應(yīng)用了ATS型點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)。它使用高可靠性、可程控的示波器為電壓時(shí)域信息采集設(shè)備，聯(lián)合具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的點(diǎn)

7、火特性測(cè)試專用電壓探極、電流探極、負(fù)載器和測(cè)試軟件，再配以計(jì)算機(jī)、打印機(jī)（繪圖儀）共同構(gòu)成了多功能點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)。可獨(dú)立的完成對(duì)汽車、摩托車、汽艇、割草機(jī)等多類多種汽油機(jī)點(diǎn)火系及其產(chǎn)品技術(shù)特性的信號(hào)采集、波形顯示測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸分析和處理。經(jīng)過(guò)多年的測(cè)試應(yīng)用，證明其操作方便運(yùn)行穩(wěn)定。具有性價(jià)比高、功能較強(qiáng)、智能化程度較高等特點(diǎn)。二. 系統(tǒng)構(gòu)成及主要特性ATS型點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)試裝置、可程控示波器、高壓探極、差分電壓探極、電流探極、負(fù)載盒組、計(jì)算機(jī)、測(cè)試軟件及打印機(jī)（繪圖儀）等構(gòu)成。圖以點(diǎn)火線圈為測(cè)試對(duì)象，繪出了測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成圖?，F(xiàn)將各部的主要功能與特性簡(jiǎn)述如下：圖 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成圖 1：試驗(yàn)裝置試

8、驗(yàn)裝置是為檢測(cè)點(diǎn)火系產(chǎn)品技術(shù)特性提供的專用設(shè)備。如點(diǎn)火線圈測(cè)試儀、磁電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、分電器試驗(yàn)臺(tái)、點(diǎn)火器測(cè)試儀等。它們主要包括電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)速表、三針?lè)烹娖骷跋嚓P(guān)的控制調(diào)節(jié)器件與儀表。2：PV型高壓（差分電壓）探極PVKVp-p 、40 KVp-p，60 KVp-p，80 KVp-p。 電壓衰減比分別為1001，10001，20001，50001和100001。帶寬為10MHz。輸入阻抗為100M（5pf）。3：PI 型電流探極PI 型電流探極主要完成火花（齊納）電流、斷電電流（電感放電）、導(dǎo)通電流（電容放電）等電流參數(shù)的測(cè)試。與電壓探極配合完成能量測(cè)量。它有三種型號(hào)，分別完成上述

9、三種電流的測(cè)量。其測(cè)量范圍分別為5Ap-p , 14 Ap-p ,100 Ap-p。電流電壓轉(zhuǎn)換比為 11，11，101。響應(yīng)時(shí)間小于1s,電流上升速率大于100A/s。4：LT型點(diǎn)火負(fù)載LT型點(diǎn)火負(fù)載主要提供測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的各種負(fù)載。如電容負(fù)載50pf、35pf（60 KVp-p），電阻負(fù)載5M，2M，1MMMM（10W, 60 KVp-p），穩(wěn)壓（齊納）二極管負(fù)載1KV, 0.8 KV, 0.5 KV, 0.45 KV。5：示波器示波器主要完成電壓-時(shí)間信號(hào)的捕捉、變換、存儲(chǔ)、測(cè)量與傳輸。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求和測(cè)試實(shí)踐，應(yīng)該使用高可靠性、高采樣速率的可程控示波器。符合點(diǎn)火測(cè)試基本要求的示波器有很

10、多種。，但也有很多示波器，包括一些價(jià)位很高，智能功能很強(qiáng)的示波器，在點(diǎn)火測(cè)試中常常不能正常工作，出現(xiàn)死機(jī)、亂機(jī)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，我們目前采用了美國(guó)Tektronix公司的TDS1000/TDS2000/TDS3000B三種系列示波器。它們價(jià)位不等，性能各異。但在點(diǎn)火測(cè)試中都能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，有良好的抗電磁干擾能力。6：DET動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件DET動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)表及電壓、電流、功率、能量、波形生成與計(jì)算，光標(biāo)測(cè)量及點(diǎn)火特性數(shù)據(jù)庫(kù)管理諸功能。后面另辟一節(jié)專門介紹。7：計(jì)算機(jī)和打印機(jī)（繪圖儀）計(jì)算機(jī)在點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)中承擔(dān)數(shù)據(jù)處理任務(wù)。我們采用通用的RS-232口傳輸數(shù)據(jù)。在Wi

11、ndows操作平臺(tái)下運(yùn)行測(cè)試軟件，完成點(diǎn)火技術(shù)特性的數(shù)據(jù)處理工作。打印機(jī)（繪圖儀）則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表的硬拷貝。三動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件DET動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件的主要功能是將示波器捕獲的電壓-時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中之后進(jìn)行處理。生成電壓、電流、能量、功率波形圖和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表。并對(duì)波形圖實(shí)現(xiàn)光標(biāo)測(cè)量。還提供對(duì)應(yīng)于點(diǎn)火技術(shù)特性測(cè)試的專用數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)表打印輸出功能?？蛇m用于點(diǎn)火技術(shù)特性及電機(jī)過(guò)渡過(guò)程，電容電池充放電暫態(tài)過(guò)程等方面的測(cè)試。1測(cè)試軟件的基本構(gòu)成與人機(jī)界面 圖 給出了DET測(cè)試軟件的基本構(gòu)成。簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： DET首先將示波器上的電壓和電流數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232-C串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻ET的數(shù)據(jù)表中，然后自動(dòng)

12、計(jì)算出相應(yīng)的能量、功率。此時(shí)用戶可以將數(shù)據(jù)表保存到計(jì)算機(jī)磁盤文件中。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成以后，用戶可以在電壓、電流、能量、功率四個(gè)選項(xiàng)卡上切換查看相應(yīng)的電壓、電流、能量、功率波形，同時(shí)用戶可以在每個(gè)波形圖上使用光標(biāo)工具測(cè)量波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行直觀的比較。數(shù)據(jù)測(cè)量完之后，可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。以后用戶可以隨時(shí)使用DET打開(kāi)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽并可進(jìn)行報(bào)表打印輸出。DET數(shù)據(jù)表示波器數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)用戶瀏覽報(bào)表打印電壓波形電流波形能量波形功率波形磁盤文件 圖DET測(cè)試軟件的基本構(gòu)成圖給出了測(cè)試軟件的幾個(gè)主要界面主界面數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)表功率波形主界面 數(shù)據(jù)庫(kù)能量波形 圖 DET測(cè)試軟件的主要界面2測(cè)試軟件

13、的主要特點(diǎn)為方便用戶使用，DET動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟件進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。具有如下主要特點(diǎn)： 支持多種型號(hào)的示波器（型號(hào)主要有：Tektronix ( TDS 200 Series、TDS 1000 Series TDS 2000 Series TDS 3000B Series)；使用最常用的計(jì)算機(jī)串口傳輸數(shù)據(jù)；提供完善的可瀏覽的波形數(shù)據(jù)表（用戶可以在數(shù)據(jù)表中查看到每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間、電壓、電流、能量、功率值。）；波形圖個(gè)性設(shè)置；光標(biāo)測(cè)量（用戶可以用光標(biāo)對(duì)所得到的波形進(jìn)行測(cè)量，并直接在波形圖上方的光標(biāo)測(cè)量數(shù)值框內(nèi)讀得。）；提供測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)；打印測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)表，并具有完善的版權(quán)保護(hù)和幫助功能。除此之外DET的

14、最主要的功能之一是自動(dòng)生成能量和功率波形（DET動(dòng)態(tài)能量測(cè)試軟利用得到的電壓、電流數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng)的算法生成對(duì)應(yīng)的能量、功率波形。）四測(cè)試?yán)C及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以DQ170點(diǎn)火線圈和DK-6A電子點(diǎn)火控制器的點(diǎn)火系為被測(cè)對(duì)象，使用ATS型點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了初級(jí)電壓、斷電電流及初級(jí)能量；以三針?lè)烹娖鳛辄c(diǎn)火負(fù)載的火花電壓、火花電流及火花能量和以齊納二極管為負(fù)載的齊納放電電壓，齊納放電電流及齊納放電點(diǎn)火能量的三組數(shù)據(jù)測(cè)試。下面對(duì)測(cè)試波形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和討論。1 點(diǎn)火線圈初級(jí)能量測(cè)試圖給出了點(diǎn)火線圈初級(jí)電壓波形，斷電電流波形和能量波形的測(cè)試圖。注意圖中給出的不是初級(jí)波形的整個(gè)周期，而是它與火花（齊納）

15、放電點(diǎn)火能量相關(guān)的時(shí)間區(qū)間。圖a 初級(jí)電壓圖c 初級(jí)能量圖b 初級(jí)斷電電流 圖 點(diǎn)火線圈的初級(jí)參數(shù)波形圖VAms）的初級(jí)能量為168mJ.我們認(rèn)為這樣測(cè)得的初級(jí)能量應(yīng)該比根據(jù)能量公式E=1/2LI2=1/2*6.1*10-3*(7.74)2=182(mJ)計(jì)算得到的初級(jí)能量有更好的實(shí)時(shí)性和更高的可信度。2 以三針?lè)烹娖鳛樨?fù)載的火花能量測(cè)試圖 給出以三針?lè)烹娖鳎ㄩg隙7mm）為負(fù)載時(shí)測(cè)得的火花電壓、火花電流和火花能量波形。 圖c 火花能量圖b 火花電流圖a 火花電壓圖 以三針?lè)烹娖鳛樨?fù)載的點(diǎn)火波形KV,火花電流最大值100mAmJ。在上述實(shí)驗(yàn)條件下能量轉(zhuǎn)換效率為37%。我們認(rèn)為上述定量測(cè)試的方法相

16、對(duì)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式估算而言，火花能量的準(zhǔn)確程度可信度大為提高。同時(shí)注意到由于三針?lè)烹娖髟诟邏簱舸┧查g十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)阻抗特性（空氣濕度、溫度、間隙、針形等）的影響，其火花電壓波形在擊穿瞬間有一個(gè)十分陡峭且很不穩(wěn)定，高達(dá)近 2萬(wàn)伏的電壓脈沖。它對(duì)火花能量沒(méi)有貢獻(xiàn)，但卻具有極高的高頻分量和很寬的頻帶。這就對(duì)測(cè)量技術(shù)和設(shè)備提出了較高的要求，同時(shí)會(huì)對(duì)周邊電子設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。3 以齊納二極管為負(fù)載的點(diǎn)火能量測(cè)試圖 所示為以齊納二極管（1kV）為負(fù)載時(shí)測(cè)得的齊納放電電壓、齊納放電電流和齊納放電能量波形。圖c齊納放電能量圖b齊納放電電流圖a齊納放電電壓 圖 以齊納二極管為負(fù)載的點(diǎn)火波形V. 齊納放電電

17、流最大值為120mmJmJmJ，能量轉(zhuǎn)換效率由37%提高到53%；二是齊納放電電壓波形是一個(gè)相對(duì)規(guī)范穩(wěn)定的矩形波，沒(méi)有了火花電壓波形對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)高壓尖峰。從一定意義上講對(duì)測(cè)試技術(shù)和測(cè)試設(shè)備的要求會(huì)有所降低；三是基本消除了環(huán)境因素的影響。我們認(rèn)為隨著燃油噴射和電控點(diǎn)火的不斷發(fā)展與普遍應(yīng)用，新的汽車用點(diǎn)火線圈電氣特性國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)之所以把點(diǎn)火負(fù)載由三針?lè)烹娖鞲膿Q為齊納二極管正是考慮了上述因素而決定的。 五結(jié)語(yǔ)綜上所述，關(guān)于汽油機(jī)點(diǎn)火技術(shù)特性測(cè)試我們有如下看法：1 汽油機(jī)點(diǎn)火技術(shù)特性測(cè)試，特別是點(diǎn)火能量的定量測(cè)量與分析，對(duì)改善汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性，提高經(jīng)濟(jì)性、降低廢氣排放和電磁干擾有相當(dāng)重要的實(shí)際意義。

18、2 根據(jù)點(diǎn)火系產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們必須迅速淘汰點(diǎn)火技術(shù)特性測(cè)試中傳統(tǒng)落后的手模目測(cè)的定性觀察方法，而代之以符合國(guó)際、國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的定量檢測(cè)技術(shù)。特別是點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時(shí)刻的高精度、高可靠性測(cè)試更是提高點(diǎn)火器件質(zhì)量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能的重要依據(jù)。3 經(jīng)過(guò)多年實(shí)際應(yīng)用，證明具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ATS型點(diǎn)火測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能較強(qiáng)、使用簡(jiǎn)便、重復(fù)性好、測(cè)試數(shù)據(jù)可靠并有一定的智能功能和優(yōu)異的性能價(jià)格比。在汽車、摩托車等以汽油機(jī)為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火特性檢測(cè)和點(diǎn)火系器件質(zhì)量評(píng)估等方面有廣泛的應(yīng)用前景。4 ATS型測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)核心是瞬變電能的測(cè)試與分析。除了完成汽油機(jī)點(diǎn)火技術(shù)特性測(cè)試以外還可以應(yīng)用