多功能汽油机点火测试系统及其应用

1、多功能汽油机点火测试系统及其应用马法成、张宝来、吴顺毅（天津中德职业技术学院 300191）摘 要 可靠定量地测试汽油内燃机点火技术特性，对于改善车辆的动力性、经济性，降低环境污染是至关重要的。本文介绍了一种具有较高性能价格比的多功能汽油内燃机点火测试系统。它可以根据国际、国内和企业相应技术标准，完成汽车、摩托车等发动机点火系及其相关产品众多点火参数的捕捉、测量、显示及分析处理。关键词 点火特性；火花能量；测试软件；探极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 述以汽油作为燃料的汽车、摩托车发动机不论是传统的点火系还是先进的电子点火系和最近几年发展起来的微机控制点火系，都是通过在火花塞上施加十几到几十仟伏的脉冲高压，击穿绝缘间隙形成火花放电，从而点燃汽缸中的混合气体，推动活塞而使之工作的。所以，通过实验测试的方法定量的研究汽油发动机点火系的技术特性，特别是考察火花能量的时域过程，对改善汽油机的动力学特性，保证点火系器件质量，降低油耗和减少环境污染都是非常重要的。汽油内燃机点火特性包括一系列国际标准、国家行业标准和企业标准所规定的汽油机点火过程技术参数。它们主要有：初级感应电压、初级电压、初级断电电流、初级导通电流、初级能量；次极

5、有效电压及其上升时间、点火负载、火花（齐纳）电压、火花（齐纳）电流及其持续时间、火花（齐纳）点火能量和能量传递及转换效率等数十项。涉及的相关器件包括蓄电池点火系、磁电机点火系、电子点火系及微机控制点火系中的点火线圈、磁电机、分电器、电子点火器、电子控制装置、高压线、火花塞等十几类，数百种产品。实时、准确的测量和分析上述技术参数及其时域波形，对客观评价汽油机点火性能的优劣和点火器件的质量好坏都是十分必要的。特别是燃油喷射和电控点火技术的普遍采用，对点火技术特性的测试尤为重要。在这里特别要强调的是点火能量和点火时刻的定量测试，对汽油机的动力学特性和环保特性是特别重要的。以点火线圈的测试为例，过去的

6、国际标准并不要求测试点火能量，可是新的国际标准却用稳压（齐纳）二极管取代三针放电器完成点火能量测试。汽油内燃机的点火过程是一种典型的高电压小能量动态时域过程。其次级电压峰-峰值高达40千伏80千伏 ，陡变沿仅为亚微秒量级，火花能量只有几个到上百个毫焦耳。其特性参数有很强的随机性和瞬变性。当火花放电时还伴随产生很强的电磁干扰。鉴于上述特点，使用一般的模拟和数字仪器仪表很难胜任。必须根据标准要求，采用专门的电压、电流传感器，抗强干扰的可程控仪器和相应的测试软件才行。为此，我们研制成功并推广应用了ATS型点火测试系统。它使用高可靠性、可程控的示波器为电压时域信息采集设备，联合具有完全自主知识产权的点

7、火特性测试专用电压探极、电流探极、负载器和测试软件，再配以计算机、打印机（绘图仪）共同构成了多功能点火测试系统。可独立的完成对汽车、摩托车、汽艇、割草机等多类多种汽油机点火系及其产品技术特性的信号采集、波形显示测量及数据传输分析和处理。经过多年的测试应用，证明其操作方便运行稳定。具有性价比高、功能较强、智能化程度较高等特点。二. 系统构成及主要特性ATS型点火测试系统主要由测试装置、可程控示波器、高压探极、差分电压探极、电流探极、负载盒组、计算机、测试软件及打印机（绘图仪）等构成。图以点火线圈为测试对象，绘出了测试系统构成图。现将各部的主要功能与特性简述如下：图 测试系统构成图 1：试验装置试

8、验装置是为检测点火系产品技术特性提供的专用设备。如点火线圈测试仪、磁电机试验台、分电器试验台、点火器测试仪等。它们主要包括电源、电机驱动、信号发生器、转速表、三针放电器及相关的控制调节器件与仪表。2：PV型高压（差分电压）探极PV型电压探极主要完成初级感应电压、初级电压、次极有效电压、火花（齐纳）电压等电压参数的测试，与电流探极配合可测能量。有四种型号：分别为差分电压探极（初级电压测试）和三种高压探极。电压测试范围分别为1.5KVp-p 、40 KVp-p，60 KVp-p，80 KVp-p。 电压衰减比分别为1001，10001，20001，50001和100001。带宽为10MHz。输入阻

9、抗为100M（<5pf）。3：PI 型电流探极PI 型电流探极主要完成火花（齐纳）电流、断电电流（电感放电）、导通电流（电容放电）等电流参数的测试。与电压探极配合完成能量测量。它有三种型号，分别完成上述三种电流的测量。其测量范围分别为5Ap-p , 14 Ap-p ,100 Ap-p。电流电压转换比为 11，11，101。响应时间小于1s,电流上升速率大于100A/s。4：LT型点火负载LT型点火负载主要提供测试标准所要求的各种负载。如电容负载50pf、35pf（60 KVp-p），电阻负载5M，2M，1M，0.5M，0.2M，0.1M（10W, 60 KVp-p），稳压（齐纳）二极管负

10、载1KV, 0.8 KV, 0.5 KV, 0.45 KV。5：示波器示波器主要完成电压-时间信号的捕捉、变换、存储、测量与传输。根据标准的要求和测试实践，应该使用高可靠性、高采样速率的可程控示波器。符合点火测试基本要求的示波器有很多种。，但也有很多示波器，包括一些价位很高，智能功能很强的示波器，在点火测试中常常不能正常工作，出现死机、乱机现象。经过多年实践，我们目前采用了美国Tektronix公司的TDS1000/TDS2000/TDS3000B三种系列示波器。它们价位不等，性能各异。但在点火测试中都能稳定可靠运行，有良好的抗电磁干扰能力。6：DET动态能量测试软件DET动态能量测试软件主要

11、实现数据传输，数据表及电压、电流、功率、能量、波形生成与计算，光标测量及点火特性数据库管理诸功能。后面另辟一节专门介绍。7：计算机和打印机（绘图仪）计算机在点火测试系统中承担数据处理任务。我们采用通用的RS-232口传输数据。在Windows操作平台下运行测试软件，完成点火技术特性的数据处理工作。打印机（绘图仪）则实现数据图表的硬拷贝。三动态能量测试软件DET动态能量测试软件的主要功能是将示波器捕获的电压-时间数据传输到计算机中之后进行处理。生成电压、电流、能量、功率波形图和对应的数据表。并对波形图实现光标测量。还提供对应于点火技术特性测试的专用数据库和报表打印输出功能。可适用于点火技术特性及

12、电机过渡过程，电容电池充放电暫态过程等方面的测试。1测试软件的基本构成与人机界面 图 给出了DET测试软件的基本构成。简要说明如下： DET首先将示波器上的电压和电流数据，通过RS232-C串口将数据传输到DET的数据表中，然后自动计算出相应的能量、功率。此时用户可以将数据表保存到计算机磁盘文件中。当数据传输完成以后，用户可以在电压、电流、能量、功率四个选项卡上切换查看相应的电压、电流、能量、功率波形，同时用户可以在每个波形图上使用光标工具测量波形数据，进行直观的比较。数据测量完之后，可以通过数据库将测量数据进行保存。以后用户可以随时使用DET打开测量数据库进行数据浏览并可进行报表打印输出。D

13、ET数据表示波器数据测量数据库用户浏览报表打印电压波形电流波形能量波形功率波形磁盘文件 图DET测试软件的基本构成图给出了测试软件的几个主要界面主界面数据表数据表功率波形主界面 数据库能量波形 图 DET测试软件的主要界面2测试软件的主要特点为方便用户使用，DET动态能量测试软件进行了精心设计。具有如下主要特点： 支持多种型号的示波器（型号主要有：Tektronix ( TDS 200 Series、TDS 1000 Series TDS 2000 Series TDS 3000B Series)；使用最常用的计算机串口传输数据；提供完善的可浏览的波形数据表（用户可以在数据表中查看到每一点所对

14、应的时间、电压、电流、能量、功率值。）；波形图个性设置；光标测量（用户可以用光标对所得到的波形进行测量，并直接在波形图上方的光标测量数值框内读得。）；提供测量数据库；打印测量数据报表，并具有完善的版权保护和帮助功能。除此之外DET的最主要的功能之一是自动生成能量和功率波形（DET动态能量测试软利用得到的电压、电流数据通过相应的算法生成对应的能量、功率波形。）四测试例证及实验结果分析以DQ170点火线圈和DK-6A电子点火控制器的点火系为被测对象，使用ATS型点火测试系统进行了初级电压、断电电流及初级能量；以三针放电器为点火负载的火花电压、火花电流及火花能量和以齐纳二极管为负载的齐纳放电电压，齐

15、纳放电电流及齐纳放电点火能量的三组数据测试。下面对测试波形和实验结果进行简要分析和讨论。1 点火线圈初级能量测试图给出了点火线圈初级电压波形，断电电流波形和能量波形的测试图。注意图中给出的不是初级波形的整个周期，而是它与火花（齐纳）放电点火能量相关的时间区间。图a 初级电压图c 初级能量图b 初级断电电流 图 点火线圈的初级参数波形图借助光标测量可以读出初级电压中间值为27.8V。断电电流最大值为7.74A。相应于火花（齐纳）放电持续时间（约1.6ms）的初级能量为168mJ.我们认为这样测得的初级能量应该比根据能量公式E=1/2LI2=1/2*6.1*10-3*(7.74)2=182(mJ)

16、计算得到的初级能量有更好的实时性和更高的可信度。2 以三针放电器为负载的火花能量测试图 给出以三针放电器（间隙7mm）为负载时测得的火花电压、火花电流和火花能量波形。 图c 火花能量图b 火花电流图a 火花电压图 以三针放电器为负载的点火波形通过光标测量得到火花电压中间值为0.84KV,火花电流最大值100mA，火花能量最大值为62.6mJ。在上述实验条件下能量转换效率为37%。我们认为上述定量测试的方法相对于传统的经验公式估算而言，火花能量的准确程度可信度大为提高。同时注意到由于三针放电器在高压击穿瞬间十分复杂的动态阻抗特性（空气湿度、温度、间隙、针形等）的影响，其火花电压波形在击穿瞬间有一

17、个十分陡峭且很不稳定，高达近 2万伏的电压脉冲。它对火花能量没有贡献，但却具有极高的高频分量和很宽的频带。这就对测量技术和设备提出了较高的要求，同时会对周边电子设备产生较强的电磁干扰。3 以齐纳二极管为负载的点火能量测试图 所示为以齐纳二极管（1kV）为负载时测得的齐纳放电电压、齐纳放电电流和齐纳放电能量波形。图c齐纳放电能量图b齐纳放电电流图a齐纳放电电压 图 以齐纳二极管为负载的点火波形使用光标测量方法得到齐纳放电电压为0.94KV. 齐纳放电电流最大值为120mA。齐纳放电能量为89.3mJ。相对三针放电器负载而言有三个问题要特别说明。一是在同样条件下点火能量由62.6mJ提高到89.3

18、mJ，能量转换效率由37%提高到53%；二是齐纳放电电压波形是一个相对规范稳定的矩形波，没有了火花电压波形对应的瞬时高压尖峰。从一定意义上讲对测试技术和测试设备的要求会有所降低；三是基本消除了环境因素的影响。我们认为随着燃油喷射和电控点火的不断发展与普遍应用，新的汽车用点火线圈电气特性国际测试标准之所以把点火负载由三针放电器改换为齐纳二极管正是考虑了上述因素而决定的。 五结语综上所述，关于汽油机点火技术特性测试我们有如下看法：1 汽油机点火技术特性测试，特别是点火能量的定量测量与分析，对改善汽油发动机动力学特性，提高经济性、降低废气排放和电磁干扰有相当重要的实际意义。2 根据点火系产品生产的需求，随着科学技术的发展，我们必须迅速淘汰点火技术特性测试中传统落后的手模目测的定性观察方法，而代之以符合国际、国内先进技术标准的定量检测技术。特别是点火能量和点火时刻的高精度、高可靠性测试更是提高点火器件质量，改善发动机点火性能的重要依据。3 经过多年实际应用，证明具有自主知识产权的ATS型点火测试系统运行稳定、功能较强、使用简便、重复性好、测试数据可靠并有一定的智能功能和优异的性能价格比。在汽车、摩托车等以汽油机为动力的发动机点火特性检测和点火系器件质量评估等方面有广泛的应用前景。4 ATS型测试系统的技术核心是瞬变电能的测试与分析。除了完成汽油机点