多功能汽油機點火測試系統(tǒng)及其應用

1、多功能汽油機點火測試系統(tǒng)及其應用馬法成、張寶來、吳順毅（天津中德職業(yè)技術學院 300191）摘 要 可靠定量地測試汽油內(nèi)燃機點火技術特性，對于改善車輛的動力性、經(jīng)濟性，降低環(huán)境污染是至關重要的。本文介紹了一種具有較高性能價格比的多功能汽油內(nèi)燃機點火測試系統(tǒng)。它可以根據(jù)國際、國內(nèi)和企業(yè)相應技術標準，完成汽車、摩托車等發(fā)動機點火系及其相關產(chǎn)品眾多點火參數(shù)的捕捉、測量、顯示及分析處理。關鍵詞 點火特性；火花能量；測試軟件；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)動機不論是傳統(tǒng)的點火系還是先進的電子點火系和最近幾年發(fā)展起來的微機控制點火系，都是通過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，從而點燃汽缸中的混合氣體，推動活塞而使之工作的。所以，通過實驗測試的方法定量的研究汽油發(fā)動機點火系的技術特性，特別是考察火花能量的時域過程，對改善汽油機的動力學特性，保證點火系器件質量，降低油耗和減少環(huán)境污染都是非常重要的。汽油內(nèi)燃機點火特性包括一系列國際標準、國家行業(yè)標準和企業(yè)標準所規(guī)定的汽油機點火過程技術參數(shù)。它們主要有：初級感應電壓、初級電壓、初級斷電電流、初級導通電流、初級能量；次極

5、有效電壓及其上升時間、點火負載、火花（齊納）電壓、火花（齊納）電流及其持續(xù)時間、火花（齊納）點火能量和能量傳遞及轉換效率等數(shù)十項。涉及的相關器件包括蓄電池點火系、磁電機點火系、電子點火系及微機控制點火系中的點火線圈、磁電機、分電器、電子點火器、電子控制裝置、高壓線、火花塞等十幾類，數(shù)百種產(chǎn)品。實時、準確的測量和分析上述技術參數(shù)及其時域波形，對客觀評價汽油機點火性能的優(yōu)劣和點火器件的質量好壞都是十分必要的。特別是燃油噴射和電控點火技術的普遍采用，對點火技術特性的測試尤為重要。在這里特別要強調(diào)的是點火能量和點火時刻的定量測試，對汽油機的動力學特性和環(huán)保特性是特別重要的。以點火線圈的測試為例，過去的

6、國際標準并不要求測試點火能量，可是新的國際標準卻用穩(wěn)壓（齊納）二極管取代三針放電器完成點火能量測試。汽油內(nèi)燃機的點火過程是一種典型的高電壓小能量動態(tài)時域過程。其次級電壓峰-峰值高達40千伏80千伏 ，陡變沿僅為亞微秒量級，火花能量只有幾個到上百個毫焦耳。其特性參數(shù)有很強的隨機性和瞬變性。當火花放電時還伴隨產(chǎn)生很強的電磁干擾。鑒于上述特點，使用一般的模擬和數(shù)字儀器儀表很難勝任。必須根據(jù)標準要求，采用專門的電壓、電流傳感器，抗強干擾的可程控儀器和相應的測試軟件才行。為此，我們研制成功并推廣應用了ATS型點火測試系統(tǒng)。它使用高可靠性、可程控的示波器為電壓時域信息采集設備，聯(lián)合具有完全自主知識產(chǎn)權的點

7、火特性測試專用電壓探極、電流探極、負載器和測試軟件，再配以計算機、打印機（繪圖儀）共同構成了多功能點火測試系統(tǒng)。可獨立的完成對汽車、摩托車、汽艇、割草機等多類多種汽油機點火系及其產(chǎn)品技術特性的信號采集、波形顯示測量及數(shù)據(jù)傳輸分析和處理。經(jīng)過多年的測試應用，證明其操作方便運行穩(wěn)定。具有性價比高、功能較強、智能化程度較高等特點。二. 系統(tǒng)構成及主要特性ATS型點火測試系統(tǒng)主要由測試裝置、可程控示波器、高壓探極、差分電壓探極、電流探極、負載盒組、計算機、測試軟件及打印機（繪圖儀）等構成。圖以點火線圈為測試對象，繪出了測試系統(tǒng)構成圖?，F(xiàn)將各部的主要功能與特性簡述如下：圖 測試系統(tǒng)構成圖 1：試驗裝置試

8、驗裝置是為檢測點火系產(chǎn)品技術特性提供的專用設備。如點火線圈測試儀、磁電機試驗臺、分電器試驗臺、點火器測試儀等。它們主要包括電源、電機驅動、信號發(fā)生器、轉速表、三針放電器及相關的控制調(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）、導通電流（電容放電）等電流參數(shù)的測試。與電壓探極配合完成能量測量。它有三種型號，分別完成上述

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

10、多種。，但也有很多示波器，包括一些價位很高，智能功能很強的示波器，在點火測試中常常不能正常工作，出現(xiàn)死機、亂機現(xiàn)象。經(jīng)過多年實踐，我們目前采用了美國Tektronix公司的TDS1000/TDS2000/TDS3000B三種系列示波器。它們價位不等，性能各異。但在點火測試中都能穩(wěn)定可靠運行，有良好的抗電磁干擾能力。6：DET動態(tài)能量測試軟件DET動態(tài)能量測試軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)表及電壓、電流、功率、能量、波形生成與計算，光標測量及點火特性數(shù)據(jù)庫管理諸功能。后面另辟一節(jié)專門介紹。7：計算機和打印機（繪圖儀）計算機在點火測試系統(tǒng)中承擔數(shù)據(jù)處理任務。我們采用通用的RS-232口傳輸數(shù)據(jù)。在Wi

11、ndows操作平臺下運行測試軟件，完成點火技術特性的數(shù)據(jù)處理工作。打印機（繪圖儀）則實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表的硬拷貝。三動態(tài)能量測試軟件DET動態(tài)能量測試軟件的主要功能是將示波器捕獲的電壓-時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中之后進行處理。生成電壓、電流、能量、功率波形圖和對應的數(shù)據(jù)表。并對波形圖實現(xiàn)光標測量。還提供對應于點火技術特性測試的專用數(shù)據(jù)庫和報表打印輸出功能?？蛇m用于點火技術特性及電機過渡過程，電容電池充放電暫態(tài)過程等方面的測試。1測試軟件的基本構成與人機界面 圖 給出了DET測試軟件的基本構成。簡要說明如下： DET首先將示波器上的電壓和電流數(shù)據(jù)，通過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

12、計算出相應的能量、功率。此時用戶可以將數(shù)據(jù)表保存到計算機磁盤文件中。當數(shù)據(jù)傳輸完成以后，用戶可以在電壓、電流、能量、功率四個選項卡上切換查看相應的電壓、電流、能量、功率波形，同時用戶可以在每個波形圖上使用光標工具測量波形數(shù)據(jù)，進行直觀的比較。數(shù)據(jù)測量完之后，可以通過數(shù)據(jù)庫將測量數(shù)據(jù)進行保存。以后用戶可以隨時使用DET打開測量數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)瀏覽并可進行報表打印輸出。DET數(shù)據(jù)表示波器數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)庫用戶瀏覽報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測試軟件的基本構成圖給出了測試軟件的幾個主要界面主界面數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)表功率波形主界面 數(shù)據(jù)庫能量波形 圖 DET測試軟件的主要界面2測試軟件

13、的主要特點為方便用戶使用，DET動態(tài)能量測試軟件進行了精心設計。具有如下主要特點： 支持多種型號的示波器（型號主要有：Tektronix ( TDS 200 Series、TDS 1000 Series TDS 2000 Series TDS 3000B Series)；使用最常用的計算機串口傳輸數(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)表中查看到每一點所對應的時間、電壓、電流、能量、功率值。）；波形圖個性設置；光標測量（用戶可以用光標對所得到的波形進行測量，并直接在波形圖上方的光標測量數(shù)值框內(nèi)讀得。）；提供測量數(shù)據(jù)庫；打印測量數(shù)據(jù)報表，并具有完善的版權保護和幫助功能。除此之外DET的

14、最主要的功能之一是自動生成能量和功率波形（DET動態(tài)能量測試軟利用得到的電壓、電流數(shù)據(jù)通過相應的算法生成對應的能量、功率波形。）四測試例證及實驗結果分析以DQ170點火線圈和DK-6A電子點火控制器的點火系為被測對象，使用ATS型點火測試系統(tǒng)進行了初級電壓、斷電電流及初級能量；以三針放電器為點火負載的火花電壓、火花電流及火花能量和以齊納二極管為負載的齊納放電電壓，齊納放電電流及齊納放電點火能量的三組數(shù)據(jù)測試。下面對測試波形和實驗結果進行簡要分析和討論。1 點火線圈初級能量測試圖給出了點火線圈初級電壓波形，斷電電流波形和能量波形的測試圖。注意圖中給出的不是初級波形的整個周期，而是它與火花（齊納）

15、放電點火能量相關的時間區(qū)間。圖a 初級電壓圖c 初級能量圖b 初級斷電電流 圖 點火線圈的初級參數(shù)波形圖VAms）的初級能量為168mJ.我們認為這樣測得的初級能量應該比根據(jù)能量公式E=1/2LI2=1/2*6.1*10-3*(7.74)2=182(mJ)計算得到的初級能量有更好的實時性和更高的可信度。2 以三針放電器為負載的火花能量測試圖 給出以三針放電器（間隙7mm）為負載時測得的火花電壓、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 以三針放電器為負載的點火波形KV,火花電流最大值100mAmJ。在上述實驗條件下能量轉換效率為37%。我們認為上述定量測試的方法相

16、對于傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式估算而言，火花能量的準確程度可信度大為提高。同時注意到由于三針放電器在高壓擊穿瞬間十分復雜的動態(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十分陡峭且很不穩(wěn)定，高達近 2萬伏的電壓脈沖。它對火花能量沒有貢獻，但卻具有極高的高頻分量和很寬的頻帶。這就對測量技術和設備提出了較高的要求，同時會對周邊電子設備產(chǎn)生較強的電磁干擾。3 以齊納二極管為負載的點火能量測試圖 所示為以齊納二極管（1kV）為負載時測得的齊納放電電壓、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 以齊納二極管為負載的點火波形V. 齊納放電電

17、流最大值為120mmJmJmJ，能量轉換效率由37%提高到53%；二是齊納放電電壓波形是一個相對規(guī)范穩(wěn)定的矩形波，沒有了火花電壓波形對應的瞬時高壓尖峰。從一定意義上講對測試技術和測試設備的要求會有所降低；三是基本消除了環(huán)境因素的影響。我們認為隨著燃油噴射和電控點火的不斷發(fā)展與普遍應用，新的汽車用點火線圈電氣特性國際測試標準之所以把點火負載由三針放電器改換為齊納二極管正是考慮了上述因素而決定的。 五結語綜上所述，關于汽油機點火技術特性測試我們有如下看法：1 汽油機點火技術特性測試，特別是點火能量的定量測量與分析，對改善汽油發(fā)動機動力學特性，提高經(jīng)濟性、降低廢氣排放和電磁干擾有相當重要的實際意義。

18、2 根據(jù)點火系產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，隨著科學技術的發(fā)展，我們必須迅速淘汰點火技術特性測試中傳統(tǒng)落后的手模目測的定性觀察方法，而代之以符合國際、國內(nèi)先進技術標準的定量檢測技術。特別是點火能量和點火時刻的高精度、高可靠性測試更是提高點火器件質量，改善發(fā)動機點火性能的重要依據(jù)。3 經(jīng)過多年實際應用，證明具有自主知識產(chǎn)權的ATS型點火測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功能較強、使用簡便、重復性好、測試數(shù)據(jù)可靠并有一定的智能功能和優(yōu)異的性能價格比。在汽車、摩托車等以汽油機為動力的發(fā)動機點火特性檢測和點火系器件質量評估等方面有廣泛的應用前景。4 ATS型測試系統(tǒng)的技術核心是瞬變電能的測試與分析。除了完成汽油機點火技術特性測試以外還可以應用