压力传感器案例分析——气缸压缩波形深度分析

汽车诊断

   ——Bernie Thompson

    内燃机的压缩变化波形是判断气缸的机械状况是否正常的关键。

    压缩波形要分成多个区间才能方便地分析气缸的机械状况。在图1（使用300psi的压力传感器采集）和图2（使用30英寸汞柱的传感器以增加排气“平顶”的分辨率）显示的是从点火正常的发动机怠速下测得的的压缩波形，并且在波形关键的地方做了标记。在波形的波峰处标记了字母A，这个点就是活塞运行到上止点的时刻。波峰的压力值就是从K点的气体压缩到A点时的值。压力值的大小取决于活塞到气缸盖的容积，活塞到达上止点时气缸内的压力达到最大值。在A点出处活塞停止向上运动，并准备向下止点运动。这个最大压力值会随着发动机运行的工况的不同而改变。

图1

图2

    点燃式发动机在起动过程中的气缸压缩的压力为130psi（约9bar）。当这个起动压缩压力下降到90psi（约6.2bar）以下，就表明气缸内的压力不足以支持烃链的燃烧。发动机在怠速状态下的压缩压力应为70psi（约4.8bar），如果降到40psi（约2.8bar）以下就会造成气缸失火，即气缸内的压力不足以支持烃链的燃烧。

    在怠速状态下，猛踩油门测得的压缩压力应该会增加大约3倍。随着曲轴转过上止点，活塞开始远离气缸盖向下止点运动，活塞与气缸盖之间的容积就会逐渐增大。这时缸内的压力也会逐步降低。

    如果在压缩尖峰上的最高点A和最低点D之间从中间处（如图中的B点）分成两等分，那么上止点到B点之间曲轴转过30°，压力从最大值减小到一半。然后活塞会继续向下运动，并且下降速度会持续加大直到曲轴运动到90°的位置并达到最大速度。随后从90°向下止点运动过程中，活塞速度逐渐减慢，直到到达下止点并停止。现在活塞运行到了90°的中间位置。

    在活塞下降了的90°时，可以看到气缸压力已经完全的下降了，并且进入到了负压或者真空压力的工况。随着活塞继续下降，缸内压力继续降低。在达到D点处排气门打开，虽然这时活塞继续向下运动，但是压力却在增加。这是因为排气通道的压力要高于缸内的气压，所以缸内的气压会继续上升，直到与排气压力的气压相等，如图中的F点。排气压力的改变应该发生在活塞减速停止或到达下止点的时刻。从D点到F点的上升的这段压力区被称为“排气斜坡”。180°下止点应该处于“排气斜坡”的中点处，如图3，这就表示排气凸轮轴与曲轴相对的相位是正确的。如果180°下止点位于“排气斜坡”中点-10°到+15°范围内的位置，凸轮轴的正时属于正常的范围内。

图3

    在一些基于性能的发动机上，180°下止点会比“排气斜坡”中点提前20°，凸轮轴的正时也是正常的。活塞在到达下止点时是静止不动的。然后在曲轴的带动下，活塞向上运动，气缸开始进入排气冲程，废气通过排气门排出气缸。活塞到达排气冲程中点时，即曲轴转过270°的位置，达到了最大速度，然后开始减速，并最终在到达360°上止点时停止运动。活塞在到达360°上止点前30°到前15°之间进气门会开启，就是上图中的G点。在不同的发动机上可能这个点的压力变化看上去不明显。

    当活塞在向上止点运动，并且速度非常慢时，进气门打开，排气门此刻也依然开着，使得缸内压力与排气压力保持一致。当活塞到达360°的上止点并且开始向下运动时，缸内压力开始下降直到与进气歧管的压力相等。进气歧管的气压处于负压或者真空压力状态。进气压力的改变会产生一个“进气斜坡”，即图中的G点到I点。排气门大约会在曲轴I点处关闭。“进气斜坡”会在360°上止点处开始，并在360°上止点后60°处达到与进气歧管压力相等，图中I点。如果将G点到I点的“进气斜坡”等分为两等份，那么斜坡上的中点处于360°上止点后20°的位置（即380°位置），如图4。这表明凸轮轴相对于曲轴的相位是正确的。如果380°的点处在“进气斜坡”中点±10°范围内，凸轮轴的正时也是正确的。

图4

    在应用了可变正时气门技术的发动机上，“进气斜坡”的中点处于360°上止点+30°处（即390°）±10°范围内。图1中J点的进气压力应该与D点的排气压力大致相等。这是因为进气歧管的气压即J点经过压缩达到峰值然后随着活塞下降又恢复成原来的压力，即D点处。

    排气高原，从D点到I点，是由进气歧管内的压力差或者真空引起的。随着进气真空的改变，排气高原也会发生相应的变化。例如，如图5，当发动机在起动时，只能产生1英寸汞柱到3英寸汞柱的进气歧管真空压力。这个进气真空压力减少也会引起排气高原压力的减少，这个改变在波形上体现出来就是高度的降低。因此只有1英寸汞柱到3英寸汞柱的排气高原的斜坡就不会通过180°下止点或者360°上止点+20°。所以进气歧管真空需要更高的压力使得“排气高原”的斜坡中点足以分别经过180°下止点和360°上止点+20°。因为在发动机起动时“进气斜坡”和“排气斜坡”无法用来判断凸轮轴的正时，取而代之的是检查气门的开启。排气门应该是180°下止点前30°到50°之间开启，进气门刚好在活塞到达360°上止点后开启。进气门应该是下止点540°后的30°到60°之间关闭。如果以上情况都满足，那么凸轮轴的正时校准得足以起动发动机，但是，曲轴正时仍有可能有一个齿的正时错位。为了知道凸轮轴的正时，发动机需要处于平稳的怠速状态。活塞向下加速运动直到达到450°的位置，此刻活塞达到最大速度。然后活塞开始减速向下运动，直到达到540°下止点位置。曲轴继续旋转，然后活塞开始从零速慢慢上升。这时进气门依然是开着的，所以气缸的压力和进气歧管的压力是相等。进气门在K点关闭，此时气缸压力开始上升。进气门关闭的时刻大约在540°下止点后50°的位置。活塞继续加速上升，直到到达630°的位置并达到最大速度。这时就能看到压力非常明显的上升。活塞从630°位置继续上升，同时速度开始减慢，经过了60°到达690°位置，即该压缩波形的中间压力值点，如图中M点。压缩压力随着活塞继续上升而上升并最终到达720°位置。有一点很重要的是，压缩尖峰的一半压力是通过压缩冲程的最后30°转角形成的。

图5

深邃的那一抹绿

真心受教...