使用【摩托车数据分析仪】进行点火系统的波形识别——有图有真相[长篇连载]

天之蛟龙

      本文的作者是我的一个客户，使用【天龙智点】配合 摩托车数据分析仪 测试而得到点火系统各部分的工作波形，并对波形进行分析，通过波形快速准确地查找故障原因。

摩托车数据分析仪中的波形识别（一）

    在第一期对摩托车数据分析仪的使用介绍中，因为篇幅关系没有对各种数据波形信号进行详细叙述。下面就基本的对摩托车点火电路中的触发信号，点火初级信号，点火次级（高压）信号，展开分析。使分析仪的使用者对这些波形信号有所了解。
图1

    图1为常见的正触发信号波形，图中的A,B,C,D四个点代表了飞轮凸台和触发线圈凸头之间不同的对应位置，理解这一点很重要，在飞轮凸台角度计算，飞轮切键移位，点火器进角度数这些问题中都需要明白这个波形上的信息。在电喷发动机中，触发电压信号也是计算发动机转速的唯一数据，所以理解触发电压是最基本的波形识别基础。
从电磁感应定律（楞次定律）中可以知道，当穿过闭合回路的磁通发生变化时，在回路内将产生感应电动势，通常所说的导体切割磁力线产生电压（电流）。飞轮磁电机内的各种线圈就是利用这个原理来对外输出电压。同样触发线圈也是这个工作原理来提供触发电压的。
图2

图3

    如图2所示，设定飞轮顺时针旋转，触发线圈是一个绕在磁体上的多层线圈，磁体内的磁场（磁力线）穿过线圈对外发散，因为磁场没有发生变化，所以也没有电压产生。在飞轮上设置有触发凸台，这个凸台和触发线圈的磁体凸头间隔很小，飞轮凸台运转到前沿接近触发凸头时，触发线圈内的磁场受到压缩开始改变。磁场的变化产生了电压，在图1中就是A点位置，电压开始上升。飞轮凸台继续接近触发凸头，感应电压继续升高。到达图3位置时，触发器凸头已经全部进入飞轮凸台范围中，磁场被完全压缩达到最大，输出的电压也达到最大值。飞轮凸台和触发器凸头保持着这个间隙，磁场不再改变，感生电压也不再继续产生而开始消失。图1中的B点正向电压的最大值就是飞轮凸台完全覆盖触发器凸头的位置。
图4

图5

    在图4中，飞轮旋转到触发凸台开始离开触发器凸头，此时原本被压缩的磁场开始向外扩散，此磁场的改变在触发器线圈中再次开始感生出电压，在前面的运转中，磁场是从扩散状态到压缩，感生出了一个正向电压。此时是从压缩到扩散，所以磁场变化不同，此感生电压方向也不同，此次是负电压。在图1中的C点位置，电压开始向负的方向产生。随着飞轮凸台的离开位置变化而变化。到达图5中的位置时，飞轮凸台完全离开了触发器凸头，线圈内的磁场扩散到最大，在图1中的D点位置，负电压达到最大值，随着磁场变化的消失，感生电压也消失。这就完成了一次触发感生电压的产生和消失过程。此处所使用的是常见的正触发线圈，上正下负，所以第一个电压是正电压。在具有两根输出线的触发线圈中，调换测试的线头就会输出方向不同的电压，可以是上负下正，负触发线圈。正负触发在触发线圈本身上并没有区别，区别只是厂家对点火器设计上的选择，实际维修中我们使用分析仪采集到的大部分车型使用正触发方式，少部分车型使用负触发方式。
在此触发电压波形中，可以发现图1中的B，D点位置距离是飞轮凸台完全进入触发器凸头和完全离开触发器凸头的位置距离，此距离为整个飞轮凸台的总长度。通过这个位置距离的计算，可以在不用拆卸磁电机边盖使用量尺测量的情况下大致的计算出飞轮凸台的长度。不同的点火器适应不同的飞轮触发凸台，此测量计算不但可以节省拆卸时间，也可以判断使用的点火器是否适应于所要安装的车辆。

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    在图6中，出现了前后相连的触发电压波形，说明飞轮是在连续运转。这是一台单凸台摩托车发动机，所以这两个触发波形代表了飞轮旋转一圈，也就为一个圆的角度，360度。现在开始测量两个触发波形间的时间距离。
图6

    两次飞轮触发凸台刚接近触发器凸头的位置，为图6中的A，B点。使用时间测量功能得到了这个时间数据35.7ms，此2点间的距离表示了飞轮旋转一圈所需要的时间。
图7

    图7中的C,D点时间距离为1.63ms，这两个点是表示飞轮凸台长度的波形。测量数据得到后进行计算（飞轮凸台长度C,D点时间距离/飞轮旋转一圈A,B点时间距离）x360度（一个圆的角度）=飞轮凸台角度。（1.63/35.7）x360=16.44度。这是一款普通弯梁发动机的触发波形，实际测量该车的凸台是16度凸台角度。
    计算原理为飞轮是个整圆，那么飞轮不论外径大小，一圈的角度都是圆角360度，触发凸台的长度占飞轮中的一部分，这部分在飞轮外圆中是一个百分之多少的比例关系。知道这个比例后，再乘以360度圆角度，所得数据即为飞轮上触发凸台的角度。这个计算方法我们在实际使用中发现误差很小，短凸台发动机的计算误差一般在2度内，长凸台发动机的计算误差还要小。

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图8

    图8中的触发电压波形并不是保持一致的电压值，而是高低交替，这是发动机运转阻力造成的。飞轮上的T点刻记是上止点标记，配合上凸轮轴以后，可以是压缩冲程上止点或者排气冲程上止点。四冲程发动机有进气，压缩，爆炸，排气四个工作冲程，在这四个冲程中只有爆炸冲程是做功的，对外输出动力，其余冲程依靠飞轮旋转惯性运转（在此仅指单缸机）。在爆炸冲程对外做功时，转速是四个冲程中相对最快的，接着开始排气冲程，再转入下一循环的进气，压缩冲程。从这里可看出压缩冲程在排气冲程后还隔着个进气冲程，得到的惯性力小于排气冲程，转速也相对慢于排气冲程。转速相对减慢，飞轮凸台转过触发器凸头的速度也变慢，感生电压因为转速下降同步下降。此时就出现了高低间隔起伏的触发电压信号。通过这个转速变化我们就可以在运转中触发电压高低的对比中知道某次触发电压时发动机是处在压缩冲程上止点或者是排气冲程上止点。运转时排气冲程上止点时刻触发电压高于压缩冲程上止点时刻触发电压。结合图中的进气道负压信号波形更能直观的看到触发电压对应的某个冲程。
    发动机在匀速运转时，触发电压信号波形正常情况下为电压幅度值接近的连续波形。如果波形电压高低变化幅度过大，说明触发线圈凸头和飞轮触发凸台的距离在变动，这种情况是机械方面的故障，可能是曲轴轴承间隙过大晃动，曲柄销松动，飞轮安装松动，触发线圈安装松动等等情况引起的。从正半波电压向负半波电压转变的过程中，波形线条失去原有的平滑，出现电压跳动，这是飞轮凸台不平整有高低起伏引起的。在某些点火器中会影响进角计算，此种故障在第一期中已经介绍过。
在发动机没有点火运转时，同样是排气冲程的触发电压高于压缩冲程的触发电压。因为在启动马达或者脚踏启动杆的外力带动下，压缩冲程时气缸压力逐渐变高，压力阻碍了活塞的上行，转回到爆炸冲程时，被压缩的气体又开始推动活塞下行，等于是在外力拖动的情况下发动机自身也通过压缩气体来提供了一定的能量运转。这样在接下来的排气冲程中，转速就会高于前面的压缩冲程。
    取掉火花塞后的情况就截然相反，因为发动机运转没有产生压缩压力，不能从气体上来阻碍或者加快活塞运动。在压缩冲程进行时，进排气门处于关闭状态，凸轮运转时不推动摇臂工作，转到排气冲程时凸轮要推动排气门摇臂克服排气门弹簧的压力开启排气门进行排气。这个状态下发动机的机械结构上产生了一定阻力，转速相对于没有弹簧阻力的压缩冲程慢。排气冲程的触发电压比压缩冲程的触发电压低。
    在实际使用分析仪测试诊断维修中我们发现，很多原来思维的事物是和实际测试结果完全相反的。一般我们维修认为，发动机不安装火花塞时转速肯定要比安装火花塞后转速要高，因为安装火花塞后会产生压缩阻力，这个阻力影响了发动机的运转。在电瓶状态良好的情况下，我们对踏板125，卧机70,90,110，跨骑式125这些常见车型的测试中发现，安装火花塞后转速反而比没有火花塞的情况下快。因为压缩阻力在下次爆炸冲程中会反过来推动活塞加快下行的速度，等于是在每次爆炸冲程时自身产生了运动能量。这种情况在打开化油器节气门让气缸吸入更多空气的时候更明显。空气吸入的足够多，可压缩的气体也增多，释放的压缩能量也更大。

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    触发电压信号是使用分析仪设备时所需要识别的第一个信号电压，这个电压在所有机型中都是一样的波形，区别的只是点火器内部电路的稳压削波电压值各不相同。
图9
    在图9这个波形中，触发电压的正负峰值电压部分被稳定在一个一致的电压值范围内，波形上面成了一段直线，这是点火器内部稳压削波电路造成的，在满足触发电压值的情况下，可控硅导通（或者是电感放电的晶体管导通），电压再提高对导通也没有帮助，过高的触发电压反而容易对电路中的零部件造成击穿损坏。为了保护后段电路零件，很多品牌点火器都对输入的触发电压进行了稳压削波，所以在触发信号波形上看到的就是一个稳定数值的电压，实际触发电压远远高于这个电压。
我们曾经接修过一台跨骑125车，车主反应冷车电启动不能着车，脚启动顺利，热车后可以电启动。在维修站清洗调节化油器，更换气门，点火器，火花塞，故障没有排除。使用分析仪在对触发电压分析时发现，电启动时触发电压很低，如图10
图10
    触发电压仅为1.15伏，明显比分析仪里面存储的同款车电启动时的触发电压低很多，正常情况下电启动时的触发电压在2.65伏左右，如图11。
图11
    在电启动时触发电压过低，输出的电流也降低，不能满足点火器内可控硅导通需要的工作电流，造成电启动时无法点火。使用脚启动时因为转速比电启动高，输出电压电流满足导通的需要，就能顺利着车。热车时因为电瓶被稳压器充电后，处于一个比较高的电压值，发动机热机时运转阻力也相比冷机小，所以这时电启动转速上升，又可以着车。造成触发电压过低，一般是触发线圈本身故障，或者是触发凸头和飞轮上的触发凸台距离过大，磁力线变化幅度小，感应电压变小。拆开磁电机边盖，将触发线圈安装位置朝飞轮方向靠近些，然后装回边盖再次电启动，触发电压提高了。车主使用几天后反应说电启动困难问题解决。
    触发电压也可以通过峰值电压转换器来测量，但峰值电压转换器是多次触发电压对转换器内部电容充电后的测量数据显示。这样的累积充电显示不能直观的看到每次触发电压的幅度值。分析仪通过对数据的比对，找到标准数据和故障数据的差异点，这样解决这类软性故障就能直观方便的看到故障点的部位。

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    普通点火器大多都使用三折线的点火进角方式，如图12
图12
    关于点火时间进角，先要理解为什么需要改变点火角度。混合气在发动机气缸内的燃烧不是瞬间过程，而是有一定的时间，所以要使发动机有最大功率，不能在压缩冲程上止点位置点火，而要适当的提前一些，这样活塞到达上止点时，混合气已经得到了充分的燃烧。发动机转速从怠速时的一千转左右到高速时的近万转甚至更高，转速变化幅度很大，发动机每圈运转的时间变化也很大。混合气燃烧需要的时间受各种工况影响也在变化，但远远没有转速变化大。为了能在每个转速段都能使发动机发出最大功率，所以开始点火的时间就不能保持不变，而需要跟随转速改变。这里只是最基本的转速变化对点火时间变化的要求。
    摩托车点火器为了能适应发动机的工作需要，在点火器内部电路中设置了跟随转速变化的点火提前角度。
    触发线圈的电压是来自于飞轮上的触发凸台，凸台是决定这个电压信号的根本。一般常见的普通CG，CB款125车，大部分弯梁车，GY6款踏板125,100,50车，这些车型几乎都是使用的三折线进角点火。
    图12就是一款发动机的点火曲线图，最简单的三折线点火角度变化图。可以看到最小点火角度从怠速时的15度开始，在飞轮上为F点位置。随着转速升高在2500转位置开始逐渐提前点火角度，到4500转时达到最大30度并在随后的转速增加中保持角度不变。每款车型使用的点火器不同，进角开始和进角完成对应的转速都会有些不同。

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    使用分析仪能够直观的看到发动机的点火进角变化，图13为三折线点火的怠速时点火提前角。分析仪上显示的紫色波形为电容点火初级信号电压波形。
图13
    根据前面对触发信号电压波形的介绍，在图13中我们知道了现在的点火角度是在飞轮凸台转过触发器线圈凸台离开的位置附近，在飞轮上就是F刻记点处附近，点火提前角的初始提前位置。需要指出一点，单凸台的点火器不能把点火时间角度精确的控制在飞轮的F点位置，而总是会向F点后偏移一些距离。这是因为进角点火器需要触发电压的正负半波来计算凸台角度，理论上是负半波开始的时候为最小点火提前角，实际上因为内部电路运行需要足够的电压值进行计算，所以最小点火提前角度不能稳定在F点位置。这就使单凸台控制的点火角度有一定的漂移量。继续逐渐加大油门看点火器的进角变化。
图14
图15
图16
    图14是转速在2500转左右，点火器开始进角时的波形，可以看到初级电压波形开始前移，说明点火开始提前。图15是转速在3500转左右进角完成后的波形，在这个转速段，点火器输出的初级信号电压出现在触发信号电压刚开始的时候，在飞轮上对应的位置为II刻记点处。图16是转速加大后的触发电压和点火初级电压的波形，点火提前角度保持不变。

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    对于使用负触发方式工作的点火器，除了触发电压波形和正触发波形相比是反相的外，三折线进角方式是相同的。图17为负触发怠速时的点火角度，图18为开始进角时的点火角度，图19为进角完成时的点火角度。
图17
图18
图19

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    这个点火提前角度的来源是飞轮上触发凸台的角度，一般的点火器是不能识别触发凸台角度大小的，只能根据触发信号电压波形的频率变化来做出相应的点火时间控制，只要输入一个良好的触发信号，就开始正常工作。当飞轮上触发凸台的角度发生变化时，点火器并没有判断角度的功能，还是按照内部进角电路在工作，这样就使得飞轮凸台和点火器两者相互间的配合发生错误，实际的点火时间被改变，影响到发动机的动力输出。某些装用长凸台的摩托车发动机点火器损坏后，维修人员因为对点火控制原理的不了解，误用了普通车适应短凸台的点火器，人为的造成了不少故障。
图20
    图20为长短凸台飞轮的对比，可以看到两个飞轮凸台长度差距很大。长凸台的凸台角度测量方式和短凸台使用一样的计算方法。

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    在第一期中我们进行气缸压力测试时，用缸压波形和触发电压波形的时间距离测量来判断飞轮是否存在切键问题，这种测量计算可以排除点火时间整体偏移的故障。触发电压负半波开始的位置为飞轮上的F点，缸压最大值的点为飞轮上T点上止点位置。点火进角是针对上止点前多少角度而言的，通过触发波形和点火波形能看出点火器的进角是否正确，通过缸压波形和触发电压波形可以看出点火进角是否在适合的上止点前开始的，这是两个不同的角度概念，分析仪能够看到实际值的变化是否符合标准值。
    现代发动机对点火时间的要求，不仅仅是转速变化时的要求。还涉及到很多方面的变化。发动机的发展改进历程，也是点火方面发展改进的历程。
    早期的机械触点点火（白金点火）因为触点磨损烧灼需要经常维护，高转速时触点开启关闭难以完成发动机对点火的需要，逐渐被随后出现的无触点电子控制点火所取代。
    电子点火目前国内摩托车大多数配置为电容放电点火（CDI点火），在电容放电点火中，还分为磁电机提供点火电源的交流点火（AC—CDI）和蓄电池提供电源的直流点火（DC—CDI）。电容放电点火省去了机械触点点火的触点维护，能适应更高的转速。但电容点火的工作特性决定了点火提供的能量持续时间短，不能适应发动机向稀混合气燃烧方向的发展需要。
    为了提供足够的点火能量支持发动机对点火的需求，又出现了晶体管放电点火，通常称为电感点火（PEI点火）。电感点火利用高压包初级线圈中电流被切断，自感出的一个高电压来互感次级线圈，在次级线圈中产生出高压电能。通过控制初级线圈电流的导通时间，来控制次级感生出的高压电能能量。满足发动机各个转速下对点火能量的需求。电感点火提供的高压电能远远高于电容点火，更能适应现代摩托车发动机稀混合气燃烧的高压点火需求。
    点火进角在三折线进角中，只能选择一个折中的角度来基本满足发动机的需要，不能根据发动机的各转速段具体要求发生变化，接着就出现了数字点火，根据发动机转速的不同，对应的控制适合每个转速段的点火角度。图21,22,23,24就是四款骑式125发动机的点火进角曲线图，可以看到每款车型都有不同的点火角度，这种点火提前角的设置方式让发动机的各方面性能得到提高。
图21
图22
图23
图24
    此种点火角度设置仅仅满足了发动机转速对点火角度的基本要求。但相比普通三折线的点火进角方式进步了很多。实际情况下除了转速以外，摩托车发动机的负荷，温度，压缩比，混合气浓度，进气温度，进气压力，使用的汽油辛烷值等等这些方面发生变化的情况下都要求点火角度发生一定变化来满足更好的动力输出。这就出现了更先进的尧曲点火，根据发动机各个信号传感器输出的信号来实时的修改点火角度。
    现在有些新款车型的化油器节气门位置设置了一个节气门开度传感器，这个传感器将节气门开度信号输入点火器，然后点火器内部电路根据节气门开度，发动机转速来判断发动机的负荷程度，给出适当的点火时间，满足动力的需要。在电喷摩托车发动机中，对点火提前角的控制项目远远比现在使用的化油器式摩托车发动机多。

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    目前市场上很多点火器都自称为数字点火，使用分析仪能够轻易的识别是否是数字点火器。数字点火器内部电路有个特性，必须要依靠前一圈飞轮旋转时产生的触发电压信号来识别计算，为下一圈的点火时间确定点火角度。所以在启动时第一圈触发信号到来时是不会点火的，普通的进角点火器只要触发信号到来就开始点火。图25为分析仪测试的数字点火器在启动开始时的点火状态，图26为普通点火器在启动开始时的点火状态。
图25
图26

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    触发信号电压直接影响到点火器的点火时间控制和点火电压输出。我们接修过一辆摩托车，只要经过颠簸路面行驶速度放慢后，几乎每次都会出现熄火，再次启动困难，偶尔平路上带人行驶的时候也会熄火。在维修站内检查线路先后更换了点火器，高压包，化油器，故障还是没有排除。接修后启动发动机原地加速，同时两个人用力来回压下坐垫，模拟颠簸路面，很快发动机熄火。我们分析熄火瞬间的波形，发现触发线圈输出的波形明显次数增多，和当时的转速完全不匹配。如图27
图27
    熄火状态下频率突然加大的触发电压波形，肯定是有别的电源信号进入了触发线路。拆解摩托车外壳后开始检查线路，并没有发现有摩擦破皮的电线，接头部位也连接良好。继续启动发动机后直接小幅度拉扯各段电缆线，在拉扯到磁电机线圈和整车线路连接的那个插头位置时，发动机再次熄火。剖开以前维修时包裹的胶带后，发现里面的电线连接头是简单的用电线内铜芯线直接绞在一起后再用胶带包扎的，并没有使用焊锡焊接牢固。一根照明线圈的电线因为电流过大将胶带烧穿，连同包扎触发线圈的胶带也烧穿。在一般情况下两个接头互相离开点距离，只要后减震剧烈上下摆动，带动电缆线动作时，两根线的接头部位就会碰在一起，照明电压信号进入了触发线路中，干扰了点火器的点火时间控制，无序点火引起发动机熄火。从新对线路接头部位连接使用锡焊后包扎上胶带，再次启动试车时这个故障排除。