汽車點火線圈測試條件及性能參數(shù)的物理意義分析

1、檢TESTTE測CH技N術(shù)OLOGIES汽車點火線圈測試條件及性能參數(shù)的物理意義分析目前，在汽車點火線圈的測試標(biāo)準(zhǔn)及測試方法中，對測試條件及需要測量的性能參數(shù)的實際物理意義尚沒有完整而詳細(xì)的論述。針對這種狀況，本文基于點火線圈實際工作過程，通過分析點火線圈的性能參數(shù)與測試條件的實際物理意義及其影響因素，為制定合適的測試方法提供了理論指導(dǎo)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動化測試與控制系 安 權(quán) 王啟松 趙永平 李木天隨著汽車電子點火系統(tǒng)的產(chǎn)生和普遍應(yīng)用，對作為重要部件的電感儲能式點火線圈的性能及其測試方法提出了更高的要求，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也制定了新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，同時基于新的標(biāo)準(zhǔn)也提出了各種新的測試方法。

2、但是，對于所需的測試條件及所測的性能參數(shù)的實際物理意義卻沒有詳細(xì)而完整的分析。實際上，點火線圈需要測量的性能參數(shù)及其測試條件都有著實際的物理意義，與發(fā)動機(jī)的實際工作狀況有著很密切的聯(lián)系。點火線圈基于電磁感應(yīng)原理工作，在單個點火周期內(nèi)其工作過程可分為3個階段：達(dá)林頓管導(dǎo)通，初級電流按照指數(shù)規(guī)律增長，磁路中產(chǎn)生一個很強(qiáng)的磁場；達(dá)林頓管截止，磁場迅速衰減，次級繞組產(chǎn)生高壓；次級電壓擊穿火花塞，點燃燃燒室內(nèi)油氣混合物。2 測試條件物理意義在對點火線圈的性能參數(shù)進(jìn)行測試時，必須對其提供一定的測試條件，包括點火電源電壓、點火信號和測試負(fù)載。這些測試條件都是用來模擬汽車實際工作過程中的具體情況，具有實際的物

3、理意義。2.1 點火電源電壓點火電源電壓用來模擬汽車用電源，包括蓄電池、交流發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器。兩者并聯(lián)工作，發(fā)電機(jī)是主電源，蓄電池是輔助電源。發(fā)電機(jī)配有調(diào)節(jié)器，其主要作用是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高時，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓使之保持穩(wěn)定。汽油機(jī)普遍采用12 V電系，在發(fā)動機(jī)起動時，蓄電池向起動機(jī)和點火系統(tǒng)供電；在發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時，發(fā)電機(jī)向除起動機(jī)以外的所有用電設(shè)備供電，并向蓄電池充電。在點火線圈性能參數(shù)的測試中，所提供的電源電壓分別為6 V、14 V、20 V，其物理意義1 點火線圈工作過程在汽車發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)中，點火線圈是點燃發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)空氣和燃油混合物從而提供點火能量的執(zhí)行部件。本文以RUV4點火線圈

4、為例介紹其工作過程，其結(jié)構(gòu)如圖1。圖1 電子點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如下。檢TESTTE測CH技N術(shù)OLOGIES（1）6 V是一種極限情況，適用于發(fā)動機(jī)冷起動狀況。發(fā)動機(jī)起動時，蓄電池向點火系統(tǒng)供電。在寒冷天，由于潤滑油粘度增高，曲軸轉(zhuǎn)動阻力增大，加上蓄電池在低溫時電解液粘度增加，引起內(nèi)電阻增大，造成蓄電池端電壓下降，使起動機(jī)的輸出功率減小，火花塞跳火能量變?nèi)?，再加上進(jìn)氣管和氣缸等溫度下降，所以燃油氣化不良，發(fā)動機(jī)起動困難。（2）14 V適用于發(fā)動機(jī)正常工作狀況。在發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時，交流發(fā)電機(jī)向點火系統(tǒng)供電。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載在很大范圍內(nèi)變化時，均可引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生較大變化，因而不能滿足用電

5、設(shè)備的工作要求?；谏鲜鲈?，為了保證用電設(shè)備正常工作，防止蓄電池過充電，交流發(fā)電機(jī)必須配用電壓調(diào)節(jié)器，使其輸出電壓保持穩(wěn)定。電壓調(diào)節(jié)器將交流發(fā)電機(jī)輸出電壓固定在某一值附近，對于12 V電系，該電壓值為13.514.8 V。（3）20 V是極限電壓。蓄電池相當(dāng)于一個容量很大的電容器，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和用電負(fù)載發(fā)生較大變化時，可保持汽車電網(wǎng)電壓的相對穩(wěn)定，同時，還可以吸收電網(wǎng)中隨時出現(xiàn)的瞬時過電壓，以保護(hù)用電設(shè)備尤其是電子元器件不被損壞。但當(dāng)調(diào)節(jié)器失調(diào)或因故障（如觸點粘結(jié)或電子調(diào)節(jié)器中功率三極管擊穿）而使發(fā)電機(jī)磁場電流失控時，即使接有蓄電池，端電壓也會升至17 V以上，又如蓄電池因某種原因而脫開時，

6、端電壓還將更高甚至達(dá)到80100 V以上。這將造成全車用電設(shè)備大量損壞，蓄電池也將因過充電而過早報廢。因此，必須設(shè)置保護(hù)裝置以避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。2.2 點火信號點火信號由點火信號發(fā)生器在發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生，其頻率和占空比可以確定達(dá)林頓管的導(dǎo)通和截止時間。達(dá)林頓管的導(dǎo)通時間決定初級線圈的電流，從而決定點火能量的大小。為保證火花塞在恰當(dāng)?shù)臅r刻點火，點火信號與活塞在氣缸中所處的位置、凸輪軸位置等信息密切相關(guān)。2.3 測試負(fù)載測試負(fù)載主要包括標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（1 M/50 pF并聯(lián)負(fù)載，100 k/50 pF并聯(lián)負(fù)載，50 pF電容負(fù)載等）和齊納二極管放電負(fù)載。高壓負(fù)載電阻是模擬使用中火花塞不同程度的積碳、積

7、鉛等污染情況而設(shè)置的。發(fā)動機(jī)工作時，若潤滑油過多，在火花塞絕緣體上會造成積碳，碳層是具有一定電阻的導(dǎo)體，因此相當(dāng)于在火花塞電極間并聯(lián)了一個分路電阻，使次級電路形成閉合回路。當(dāng)達(dá)林頓管截止、次級電壓增長時，在次級電路內(nèi)會產(chǎn)生泄漏電流，消耗了一部分電磁能，從而使次級電壓最大值降低。當(dāng)積碳嚴(yán)重時，由于泄漏嚴(yán)重，會使次級電壓最大值低于火花塞跳火電壓，迫使發(fā)動機(jī)停止工作。測試負(fù)載總電容是模擬點火系在汽車發(fā)動機(jī)上工作時(實際使用) 所用電纜和火花塞等電容(包括分布電容) 總和。在負(fù)載為模擬負(fù)載的情況下，如果點火能量一定，對點火線圈來說，次級電壓最大值越高，火花持續(xù)時間越短，因此將使用模擬負(fù)載時所測得的火花

8、持續(xù)時間作為檢驗參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)無實際意義。由于每個產(chǎn)品的次級電壓最大值不同，要建立產(chǎn)品在該參數(shù)上的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，使測得的火花持續(xù)時間具有可比性，就必須將次級電壓鉗位在一定的值。因此在測量點火線圈火花持續(xù)時間時，不能像次級電壓常規(guī)測量那樣使用同樣的標(biāo)準(zhǔn)模擬負(fù)載，而應(yīng)該使用專用的鉗位負(fù)載（齊納二極管放電負(fù)載）。3 性能參數(shù)物理意義點火系統(tǒng)在各種工況和使用條件下，能夠在氣缸內(nèi)適時、準(zhǔn)確、可靠地產(chǎn)生電火花，以點燃可燃混合氣，使汽油發(fā)動機(jī)實現(xiàn)做功。為了實現(xiàn)此點火特性，點火系統(tǒng)應(yīng)滿足如下基本要求：能產(chǎn)生足以擊穿火花塞兩電極間隙的電壓、電火花應(yīng)具有足夠的點火能量以及點火時刻應(yīng)與發(fā)動機(jī)的工作狀況相適應(yīng)。因此，需要測量的

9、性能參數(shù)主要有初級斷電電流、初級線圈電流上升時間、次級線圈電壓最大值、次級線圈電壓上升率、霍爾延遲時間、點火持續(xù)時檢TESTTE間、點火電流和點火能量。其物理意義分析如下。3.1 初級線圈電流測CH技N術(shù)OLOGIES圖2看出，如果閉合角保持不變，則低轉(zhuǎn)速時初級電路接通時間較長，高轉(zhuǎn)速時初級電路接通時間較短，導(dǎo)通時間tb與分電器轉(zhuǎn)速成反比。而在電源電壓一定時，由于初級電流從0上升到限流值的時間t1是個定值，它不隨轉(zhuǎn)速變化，因而必然形成低轉(zhuǎn)速時限流時間t2長，高轉(zhuǎn)速時t2短，甚至在高轉(zhuǎn)速時達(dá)不到限流值會出現(xiàn)斷火現(xiàn)象。為了保證點火系有足夠的點火能量和次級電壓，若滿足高轉(zhuǎn)速時初級電流能上升到限流值并

10、能穩(wěn)定一定時間，則會出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速時限流時間t2過長的現(xiàn)象，將使點火線圈迅速發(fā)熱，同時由于限流期間點火電子組件大功率達(dá)林頓管在未飽和區(qū)工作，承受著較高的管壓降，將產(chǎn)生較大的功率損耗，使限流期間大功率達(dá)林頓管發(fā)熱量很大，造成點火電子組件加速損壞并浪費電能，為此必須設(shè)置閉合角控制電路。閉合角控制實質(zhì)上是導(dǎo)通時間(初級電路接通時間)的控制，控制其導(dǎo)通時間在一定范圍內(nèi)基本保持不變，以確保高轉(zhuǎn)速時有足夠的能量和次級電壓，不致發(fā)生斷火，又能防止低轉(zhuǎn)速時點火線圈和點火電子組件達(dá)林頓管過熱而損壞。3.2 次級線圈電壓作用在火花塞間隙的電壓（即次級線圈電壓）只有達(dá)到一定值時，才能擊穿火花塞兩電極間隙而點火，從而使發(fā)

11、動機(jī)在各種工況下均能可靠地點火。一般而言，次級電壓的最大值與初級斷電電流成正比，且當(dāng)蓄電池電壓和點火線圈一定時，又與達(dá)林頓管的導(dǎo)通時間有關(guān)。次級電壓的最大值將隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低。這是因為初級電流是按指數(shù)規(guī)律增長的，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，由于達(dá)林頓管導(dǎo)通時間縮短，初級電流來不及上升到較大數(shù)值，而使初級斷電電流減小，次級電壓最大值降低。圖3為次級線圈最大電壓隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而改變的曲線圖。次級電壓隨轉(zhuǎn)速升高而降低的現(xiàn)象，初級斷電電流與次級電壓峰值成正比關(guān)系，它表征了線圈的儲能能力。而初級線圈電流的上升時間，則表征了線圈充電速度的快慢。為了增大初級電流值，保證發(fā)動機(jī)在任何工況下都能實現(xiàn)穩(wěn)定的高能點火，專用

12、點火線圈初級繞組電阻值較小，一般多為0.65 。初級繞組持續(xù)通過大電流，如不適當(dāng)加以控制，特別是在低轉(zhuǎn)速時長時間通過大電流，不但浪費電能，更重要的是會使點火線圈以及點火電子組件過熱而燒壞，為此在點火電子組件內(nèi)設(shè)置點火線圈限流控制保護(hù)電路，其目的是將初級電流限制在某一值并保持恒定不變。初級繞組的限流值也稱為峰值電流。在滿足發(fā)動機(jī)使用要求的前提下，保持峰值電流不變，即可保持次級電壓和點火能量恒定不變，這是一種比較理想的工作狀況。限流值大小的確定應(yīng)以滿足發(fā)動機(jī)的使用要求為前提，不能太大，也不能太小。過小達(dá)不到高能點火的目的，過大會增加點火線圈的功耗，浪費電能。通常取68 A，桑塔納轎車取7.5 A。

13、在電子點火系統(tǒng)中，閉合角是指點火電子組件末級大功率開關(guān)管導(dǎo)通期間分電器軸轉(zhuǎn)過的角度。圖2為裝與未裝閉合角控制電路時的初級電流波形圖。由圖2 裝與未裝閉合角控制電路時的初級電流波形圖是發(fā)動機(jī)高速時容易斷火的原因。如果在檢TESTTE測CH技N術(shù)OLOGIES圖3中做一條相當(dāng)于發(fā)動機(jī)最不利情況下所需擊穿電壓的水平虛線，則此水平虛線與特性曲線的交點即為發(fā)動機(jī)的極限轉(zhuǎn)速，超過此轉(zhuǎn)速將不能保證可靠點火。到點火時刻。電子點火模塊傳輸延遲時間一般為十幾微秒至幾十微秒之間。當(dāng)發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時，由于發(fā)動機(jī)頻率低，點火周期時間長，使得模塊的傳輸延遲時間對點火時間精度影響不大。但隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，點火周期縮短，又

14、使得模塊的傳輸延遲時間對點火時間精度影響較大，表現(xiàn)為點火滯后。例如，六缸發(fā)動機(jī)分火角為60°，當(dāng)點火頻率為20 Hz時，點火周期為50 ms對應(yīng)的角度為60°，每度對應(yīng)的時間為830 s，若模塊傳輸滯后假定為40 s，則由于模塊傳輸延遲而引起的附加點火滯后僅為0.048°，可忽略不計。但當(dāng)點火頻率為200 Hz時，點火周期為5 ms，每度對應(yīng)的時間為83 s，由模塊傳輸延遲而引起的附加圖3 次級線圈最大電壓隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速改變的曲線圖點火滯后為0.5°，其影響不可忽略。這就要求模塊本身的傳輸延遲時間盡量短，應(yīng)提高模塊的開關(guān)速度，同時還要求模塊傳輸延遲時間一致

15、性要好，否則會影響其與分電器配合后離心提前特性的精度。3.5 點火能量點火能量指發(fā)動機(jī)火花塞電極之間高壓放電的能量，是系統(tǒng)次級高壓放電時作用在火花塞電極之間隨時間變化的電壓與電流的乘積對時間的積分。點火能量是發(fā)動機(jī)對點火系統(tǒng)性能要求的一個重要指標(biāo)，點火系統(tǒng)必須保證提供給發(fā)動機(jī)足夠的能量以點燃不同工況下發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的可燃混合氣。點火能量過低，發(fā)動機(jī)的功率、扭矩下降，油耗上升，排放變壞；點火能量過高會產(chǎn)生不必要的能量浪費，同時降低點火系統(tǒng)的壽命?；鸹芰恐凳腔鸹妷褐蹬c火花電流值的乘積在火花持續(xù)時間內(nèi)的積分，由此可知火花電壓、火花電流以及火花持續(xù)時間是計算火花能量時必要的參數(shù)。在測試點火能量時，應(yīng)采用齊納二極管作為鉗位負(fù)載?；鸹ǔ掷m(xù)時間測試結(jié)果在一定的范圍內(nèi)表明了在臨界燃油條件下的火花點火能力，還可以表明火花塞電極將被電腐蝕的程度。另外，火花塞積碳會在次級電路內(nèi)產(chǎn)生泄漏電流，消耗了一部分電磁能，從而使次級電壓最大值降低；次級電壓的最大值會隨著初級電容和次級電容的增大而減??；使用中當(dāng)點火線圈過熱時，由于初級繞組的電阻增大，使初級斷電電流減小，也會使次級電壓降低。3.3 次級線圈電壓上升率次級電壓的上升時間對火花塞的能量泄漏有很大的影響。次級電壓上升時間越短，則火花塞積碳引起能量的泄漏越少，損失越小，用于點火的能量就越多，故對點火系點火性能的影響越小。次級電壓上升