浅谈气缸压力传感器在汽车维修中的应用

中鑫之宝汽车服务有限公司 任贺新

使用气缸压力表（图1）测量气缸的压缩压力，是检查发动机机械故障的传统方法，其优点是操作便捷，但存在以下2个缺点。

（1）气缸压力表内置了单向阀，测量结果是多个压缩冲程的累计压力。

（2）对于4冲程（进气冲程、压缩冲程、做功冲程及排气冲程）发动机，气缸压力表测量的只是压缩冲程终了时的气缸压力，并不能反映每个冲程的工作状况。

在维修实践中，维修人员经常会陷入这样一种困境：怀疑发动机存在机械故障，但用气缸压力表测得的气缸压力又在标准范围，那么到底要不要拆检发动机呢？随着汽车诊断技术的发展，目前利用气缸压力传感器来测量气缸压力，可有效突破这种困境。

1 气缸压力传感器的功能

图1 气缸压力表

气缸压力传感器是一款精度高、响应快、量程大的“电子气缸压力表”，与示波器配合使用，能够以波形的形式实时展现发动机各个冲程的气缸压力变化。笔者推荐pico公司的压力传感器WPS500X（图2），它的分辨率为5 mbar（1 mbar=0.1 kPa），采样速度为100 μs（1 s=1×106μs），量程为-1 bar～34.5 bar（1 bar=100 kPa），不仅可以用来测量气缸压力，还能够用来测量燃油压力、曲轴箱脉动、进气脉动、排气脉动等。

图2 压力传感器WPS500X及其附件

气缸压力传感器拥有卓越的性能，为诊断发动机机械故障带来了新的思路，比如通过分析采集的气缸压力波形，可以知道气门开闭时刻是否正确、燃烧室是否漏气、三元催化转化器是否堵塞等。若维修人员能够熟练运用气缸压力传感器，并能正确分析气缸压力波形，则可以免拆诊断发动机的大多数机械故障，即在不分解发动机的前提下，精准预判故障点。

2 气缸压力传感器的安装方法

如图3所示，气缸压力传感器和气缸压力表的安装方法类似，具体方法如下。

（1）拆掉相应气缸的火花塞。

（2）根据火花塞螺纹型号选择适配接头，并将适配接头拧到压缩管上。

（3）将压缩管带适配接头的一端拧入火花塞安装孔，另一端连接至气缸压力传感器。

（4）用信号线把气缸压力传感器连接至示波器主机，此时气缸压力传感器将气压信号转换成电信号传输给示波器主机，然后通过显示器即可显示气缸压力波形。

图3 气缸压力传感器的安装

3 气缸压力传感器的测试方法及气缸压力波形分析

气缸压力传感器有3种测试方法，可分别测量不同工况下的气缸压力。

（1）起动气缸压力测试。拆掉所有气缸的火花塞，将气缸压力传感器安装至需要测量的气缸；将加速踏板踩到底，使节气门全开；用起动机带动发动机旋转，在起动过程中测量气缸压力。

（2）怠速气缸压力测试。每次测试只能拆掉一个火花塞，将气缸压力传感器安装至拆除火花塞的气缸，确保其余气缸都能正常工作；起动发动机，在怠速工况下测量气缸压力。

（3）WOT气缸压力测试。WOT是Wide Open Throttle（节气门全开）的简称，即原地迅速将加速踏板踩到底，测量节气门全开时的气缸压力，气缸压力传感器的安装方法和怠速气缸压力测试一致。

气缸压力测试时的气缸压力大小主要取决于3个变量，分别是进气门、排气门及活塞的工作状态，三者在发动机4个冲程时的状态变化如下。

（1）进气冲程（图4a）时，进气门打开，排气门关闭，活塞从上止点向下止点移动，此时气缸和进气歧管相通。

（2）压缩冲程（图4b）时，进、排气门都关闭，活塞从下止点向上止点移动，气缸压力逐渐增大，是一条上升的曲线。

（3）做功冲程（图4c）时，进、排气门都关闭，活塞从上止点向下止点移动，气缸压力逐渐减小，是一条下降的曲线。

（4）排气冲程（图4d）时，进气门关闭，排气门打开，活塞从下止点向上止点移动，此时气缸和排气支管相连。

3.1 起动气缸压力波形分析

图4 发动机4冲程的工作状态示意

起动气缸压力测试要测量4个～5个压缩冲程，然后选取2个连续压缩冲程的波形进行放大分析。如图5所示，波峰是气缸压缩造成的，压力最高点对应着压缩上止点，2个波峰对应发动机的1个工作循环。每进行1个冲程，曲轴旋转180°，活塞从一个止点移动到另一个止点，四冲程发动机完成1个工作循环时，曲轴旋转720°。将2根角度标尺分别放在压缩上止点，即0°和720°位置，再将角度标尺之间的区域等分为4份，依次对应着做功冲程（注意：此时气缸并未做功，也可称为释放冲程）、排气冲程、进气冲程及压缩冲程，5根虚线对应活塞上、下止点位置。

分析起动气缸压力波形，要注意观察以下几点。

图5 起动时的气缸压力波形（截屏）

（1）最高压力波峰一般在12 bar左右，这与发动机的结构有关，建议和正常气缸对比，如果最高压力偏低或偏高，说明发动机存在机械故障。

（2）压缩冲程的上升曲线和做功冲程的下降曲线，应该以标尺为中心呈镜像对称。

（3）做功冲程末段呈轻微的负压状态（图5中红色斜杠位置），参考值为-300 mbar，这与发动机的结构有关，建议和正常气缸对比。

（4）排气冲程和进气冲程的气缸压力基本等于大气压力，由于各款发动机气门的开闭时刻不同，建议和正常气缸对比。

如何理解上述的第2点和第3点呢？如图6所示，气缸在压缩冲程和做功冲程时，理论上进、排气门都关闭，燃烧室是一个封闭空间，只是活塞从下止点移动到上止点，随后又回到下止点，因此压力上升曲线和压力下降曲线应该是对称的。压缩冲程开始时和做功冲程结束时，活塞都在下止点位置，理论上这两者的气缸压力应该是相同的，即Pa等于Pb。由于活塞环无法完全密封燃烧室，活塞上行压缩时，会有少量气体从活塞组和气缸壁之间泄漏，因而活塞返回下止点时的气缸压力更低（Pb＜Pa），且做功冲程末段呈负压状态，鉴于允许泄漏的气体很少，这个负压值不应过大，否则可能存在其他泄漏点。

图6 压缩冲程和做功冲程

3.2 怠速气缸压力波形分析

采集一段时间的怠速气缸压力波形，选取2个连续的、波峰高度基本一致的压缩冲程放大分析。与起动气缸压力波形（图5）相比，怠速气缸压力波形（图7）有以下2处明显的区别。

（1）在A区和B区形成了2个较深的负压带，并且两者的负压值一致。

图7 怠速气缸压力波形（截屏）

（2）最高压缩压力仅为5.2 bar，远低于起动气缸压力。

先解释B区负压的来历，当进气门打开时，气缸和进气歧管连通，两者压力会变成一致，由于进气歧管的体积远大于燃烧室体积，所以最终压力取决于进气歧管，怠速工况时的进气歧管处于负压状态，一旦进气门开启，燃烧室也会变成负压状态。前文解释过压缩冲程开始时和做功冲程结束时的气缸压力是一致的，因此A区也处于负压状态。

气缸吸入新鲜空气和排出废气的过程称为换气，发动机通过进气门和排气门控制换气，气门开启和关闭时刻又称为配气相位，一般用活塞到达上止点或下止点前后的曲轴转角表示。由图8可知，4冲程汽油发动机的进、排气门的开启时间都超过了180°曲轴转角，为了使进气和排气更充分，进气门和排气门是提前开启且延迟关闭的，这样就会出现进气门和排气门同时打开的状态，这个状态叫气门重叠。

气门早开晚闭的时刻各不相同，4冲程汽油发动机的配气正时参考值见表1所列，其中排气门打开时刻和进气门关闭时刻在怠速气缸压力波形中很容易识别。如图9所示，利用pico示波器自带的标尺功能，可以自动计算出气门开闭时刻，其中红色箭头所指位置代表排气门打开时刻，为上止点前35°（180°－145°=35°）曲轴转角，绿色箭头所指位置代表进气门关闭时刻，为下止点后60°（600°－540°=60°）曲轴转角。

图8 4冲程汽油发动机的配气相位示意

表1 4冲程汽油发动机的配气正时参考值

图9 计算排气门打开时刻和进气门关闭时刻（截屏）

做功冲程快要结束时，活塞仍在向下运行，但排气门已经提前开启，连通燃烧室和排气支管，燃烧室处于负压状态，排气支管处于大气压力状态，排气支管内的空气被抽入燃烧室，燃烧室的压力迅速回升至大气压力，所以做功冲程的压力转折点就是排气门开启的时刻。

刚进入压缩冲程时，活塞已经向上运行，但进气门尚未关闭，仍连通着燃烧室和进气歧管，活塞无法有效地压缩气体，进气门完全关闭以后，气缸内的压力才能迅速升高，因此压缩冲程的压力转折点就是进气门完全关闭的时刻。

由于存在气门重叠现象，排气门关闭时刻和进气门打开时刻都在上止点附近，很难在怠速气缸压力波形中判断这两者的位置，要想准确找出这2个时刻，只能借助于维修手册。如图10所示，根据维修手册提供的气门开闭时刻，用pico示波器的标尺完整地标注出了进、排气门的开启和关闭时刻，其中2条红色线之间的区域表示排气门打开的持续时间，2条绿线之间的区域表示进气门打开的持续时间。

凸轮“桃尖”的轮廓决定了气门开启的升程和持续时间，而对于一款发动机来说，其凸轮“桃尖”的轮廓是固定不变的，因此，在实际故障诊断时只要知道气门开启或关闭时刻中的一个，就能判断配气正时是否正常。

为什么不用起动气缸压力波形分析发动机正时？因为起动时进气歧管不是负压状态，波形中无法体现正压和负压的转折点，无从判断气门开闭时刻。

3.3 WOT气缸压力波形分析

如图11所示，发动机转速为3 600 r/min时，气缸压力为23 bar。原地迅速将加速踏板踩到底，大多数发动机的转速只能达到4 000 r/min，气缸压力一般能达到20 bar以上。这个测试可以分析排气是否顺畅，比如三元催化转化器堵塞会造成发动机高转速时的排气背压过高，排气门打开后，气缸内的气体无法及时排出，致使排气冲程时的气缸压力偏高。

图10 完整标注进、排气门的开启和关闭时刻（截屏）

4 典型发动机故障的气缸压力波形分析

4.1 气缸密封不良

气缸密封不良，活塞上行压缩时漏气，致使最高压缩压力偏低。活塞下行做功时，由于气缸内的气体减少，气缸压力下降得更快，并且在做功冲程末段形成较大的负压。

图12为气缸密封不良时的起动气缸压力波形，明显存在以下3处异常。

（1）压缩冲程的最高压力为7.8 bar，正常气缸能达到12 bar。

（2）压缩冲程的上升曲线和做功冲程的下降曲线不对称，下降“斜坡”更陡，说明做功冲程的气缸压力下降得更快。

（3）做功冲程最大负压为600 mbar，正常气缸仅为300 mbar。

图11 WOT气缸压力波形（截屏）

图12 气缸密封不良时的起动气缸压力波形（截屏）

4.2 进气门打不开

在进气冲程时进气门打不开，活塞下行吸气，气缸内将形成很大的负压，无法有效进气，随后的压缩冲程也不能建立气缸压力。

图13所示为进气门打不开时的气缸压力波形（该发动机已无法起动着机），明显存在以下2处异常。

（1）最高压缩压力仅为520 mbar，过低，正常应为12 bar左右。

（2）做功冲程和进气冲程两处均形成了很深的负压带，最大负压值达到950 mbar。

4.3 排气门打不开

如果排气门打不开，排气冲程就相当于压缩冲程了，气缸压力呈上升曲线，直到进气门打开，气缸压力迅速降低。排气冲程的压力波峰为进气门开启时刻。

图14所示为排气门打不开时的气缸压力波形（该发动机已无法起动着机），排气冲程出现一个很高的压力波峰，波峰最高点为上止点前14°（360°－346°=14°）曲轴转角。

4.4 进、排气提前

图15所示为进、排气提前时的怠速气缸压力波形，分析该波形可以获取以下信息。

（1）气缸压力高达11.5 bar，正常应在6 bar左右。

（2）进气冲程的负压仅为-560 mbar，正常应在-700 mbar左右。

（3）红色箭头所指位置代表排气门打开时刻，为上止点前65°（180°－115°=65°）曲轴转角。

（4）绿色箭头所指位置代表进气门关闭时刻，为下止点后15°（555°－540°=15°）曲轴转角。

（5）红色箭头所指位置应该和绿色箭头所指位置的压力基本相同，实际红色箭头所指位置压力更高。

（6）排气冲程末段有个凸起，显示此时压力异常升高。

首先能看出排气提前，由于排气门提前打开，使得红色箭头所指位置的压力高于绿色箭头所指位置的压力。排气门提前打开就会提前关闭，在排气冲程尚未结束时排气门已经提前关闭，而活塞仍在向上运行，致使排气冲程末段压力异常升高。该发动机采用单根凸轮轴的设计，即进、排气门共用1根凸轮轴，因此进气也提前了。

5 总结

（1）怀疑燃烧室密封不严，建议进行起动气缸压力测试，它比怠速气缸压力测试表现得更明显，原因有2个方面：第一，起动气缸压力更高，压力越高，泄漏越明显；第二，起动时发动机转速慢，允许气体泄漏时间更长。

（2）怀疑发动机配气正时有故障，建议进行怠速气缸压力测试，便于分析气门开闭时刻。

（3）WOT气缸压力测试一般用于判断三元催化转化器是否堵塞。

（4）起动气缸压力测试正常，不代表怠速气缸压力测试和WOT气缸压力测试正常。这3种测试方式的发动机转速不同，部分故障在起动时没有现象，怠速或急加速时才表现出故障现象，笔者遇到的1例气门弹簧断裂故障便是如此。

（5）气缸压力波形和其他波形组合使用能发挥出更大的威力，比如气缸压力+异响、气缸压力+点火+喷油等组合波形，具体如何组合使用，取决于具体的故障情况和维修人员对示波器的掌握程度。

古人云“工欲善其事，必先利其器”，气缸压力传感器作为免拆诊断发动机机械故障的利器，希望能早点在广大汽车维修人员中普及开来。