波形分析在發動機傳感器故障檢測中的應用

米偉，姚銀花

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

波形分析在發動機傳感器故障檢測中的應用

米偉，姚銀花

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

隨著傳感器故障檢測技術不斷的發展，如何利用診斷儀器快速的診斷出傳感器故障是現代化發動機電控系統診斷技術發展的關鍵。波形分析是診斷汽車電子控制系統各種傳感器故障的重要方法之一，利用傳感器儀器檢測出發動機出現故障后傳感器的波形，然后和發動機正常工作時傳感器波形進行對比，分析傳感器是否正常工作，為傳感器故障診斷提供依據。

柴油發動機；傳感器；故障診斷儀；波形分析

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-154-03

引言

當前由于電子技術、智能傳感器技術、集成電路技術和計算機技術的進一步發展，特別是人工智能技術和專家系統技術的日益成熟，汽車檢測診斷設備與診斷方式進入了新的發展階段[1]。目前，各種新型設備不斷出現，并向多功能、小型化、數字化、智能化和綜合化方向發展。

汽車示波器為汽車修理技術人員快速判斷汽車電子設備故障提供了有力的工具[2]，用普通示波器去測試電子設備時，最大的困難是設定示波器（即調整示波器的各個按鈕，使示波器的波形更為清楚）和分析波形形狀，而汽車示波器則將汽車電子設備的測試設定，變得非常簡單，只要像點菜單一樣選擇要測試的內容，無需任何設定和調整就可以直接觀察波形，這是因為汽車示波器設定調整是全自動的。

對于某一個傳感器或執行器以及電路電子信號都應具有以下可度量的五個參數指標，即幅值、頻率、形狀、脈寬、陣列[3]。汽車示波器可以顯示出所有電子信號的這五種判定尺度，如何去分析電子信號的這5種參數，判定這個電子信號的波形是否正常，通過波形分析你可進一步檢查出電路中傳感器，執行器以及電路和控制計算機等各部分的故障，也可以進行修理后的結果分析。

1 發動機機電控系統中常見的的傳感器

傳感器是柴油發動機的重要組成部分也是發動機實現電控的關鍵構成之一，傳感器的的作用是進行信號變換，把被檢測出的發動機運行狀況信息轉換成電信號，然后再將此信號輸入到發動機 ECU，此信號用來控制發動機噴油器根據ECU輸出的信息控制燃油噴射量、噴射時間以達到最佳的供油量，以減少柴油機廢氣排放并最大效率的提高發動機輸出功率和柴油機的燃油經濟性[4]。

伴隨著汽車智能化控制技術的不斷發展，在柴油發動機電子控制系統中已經運用了多個不同種類，功能各異的傳感器，如曲軸位置（轉速）傳感器、相位傳感器、加速踏板位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、燃油溫度傳感器、大氣壓力傳感器、軌壓傳感器等。

2 發動機傳感器數據流波形分析

2.1 曲軸轉速傳感器信號波形分析

柴油發動機曲軸轉速傳感器采用電磁材料制成，信號盤齒數為（60-2）齒，曲軸轉速傳感器與轉子之間的空氣間隙交替發生變化[5]。當轉子轉至齒頂時，間隙最小，產生的磁阻最小，磁通量最大，產生的感應電壓也最大；當轉子轉至齒凹時，磁間隙最大，產生的磁阻最大，磁通量最小，產生的電壓也越小。電控柴油發動機曲軸轉速傳感器的信號波形如圖所示1所示：

圖1 曲軸轉速傳感器波形分析

（1）觸發輪上相同的齒形應產生相同型式的連續脈沖，脈沖有一致的形狀、幅值(峰對峰電壓)并與曲軸（或凸輪）的轉速成正比，輸出信號的頻率（基于觸發的轉動速度）及傳感器磁極與觸發輪間氣隙對傳感器信號的幅值影響極大。

（2）靠除去傳感器觸發輪上一個齒或兩個相互靠近的的齒所產生的同步脈沖，可以確定上止點的信號。這會引起輸出信號頻率的變化，而在齒數減少的情況下，幅值也會變化。

（3）各個最大（最小）峰值電壓應相差不多，若某一個峰值電壓低于其他的峰值電壓，則應檢查觸發輪是否有缺角或彎曲。

2.2 凸軸位置傳感器信號波形分析

凸輪軸位置傳感器利用霍爾效應原理，感應凸輪軸正時齒輪上感應鐵（導磁性材料制成）的位置，以此判定一缸壓縮上止點[6]。該傳感器由永久磁鐵和霍爾元件組成，當發動機運轉時，感應鐵與傳感器的位置發生相對運動，這種變化會引起磁場變化，由于磁場變化，傳感器的輸出電壓也會發生變化，輸出方波電壓信號，ECU根據此信號的變化來判定凸輪軸的實際運行位置。如圖2所示。

圖2 凸輪軸位置傳感器輸出的波形

（1）波形頻率應與發動機轉速相對應，當同步脈沖出現時占空比才改變，能使占空比改變的唯一理由是不同寬度的轉子葉片經過傳感器。除此之外脈沖之間的任何其他變化都意味著故障。

（2）查看波形形狀的一致性、檢查波形上下沿部分的拐角。由于傳感器供電電壓不變，因此所有波峰的高度（幅值）均應相等。實際應用中有些波形有缺痕或上下各部分有不規則形狀，這也許是正常的，在這里關鍵的是一致性。

2.3 冷卻液溫度傳感器信號波形分析

冷卻液溫度傳感器波形圖如圖 3，當發動機冷卻液穩定在正常工作溫度（90度左右時）溫度傳感器輸出的電壓基本穩定在4V左右，隨著發動機不斷地運行發動機溫度不斷升高當超過正常值100度左右時[7]，冷卻液溫度傳感器會發出信號（此時的冷卻液溫度傳感器電壓會迅速升高達到6.5V左右）傳送到電控中心ECU，然后ECU會發出指令，冷卻液開始循環，當冷卻液溫度達到正常之后，冷卻液溫度傳感器輸出的電壓又會迅速降低到4V左右，這樣可以保證發動機溫度隨時保持在90度左右，發動機能夠穩定的工作。

圖3 冷卻液溫度傳感器波形圖

通常冷車時傳感器的電壓應在3V～5V(全冷態)之間，然后隨著發動機運轉減少至運行正常溫度時的1V左右。在任何給定溫度下，好的傳感器必須產生穩定的反饋信號[8]。發動機冷卻液溫度傳感器電路的開路將使電壓波形出現向上的尖峰(到參考電壓值)，發動機冷卻液溫度傳感器電路的短路將產生向下尖峰（到接地值)

2.4 加速踏板位置傳感器信號波形分析

電子油門位臵傳感器的工作原理 電位計型加速踏板位臵傳感器以分壓電路原理工作，ECU供給傳感 器電路5V電壓[9]。電子油門踏板通過 轉軸與傳感器內部的滑動變阻器的電刷連接，加速踏板位臵傳感器的 位臵改變時，電刷與接地端的電壓 發生改變，ECU將該電壓轉變成加 速踏板的位臵信號。加速踏板位臵 傳感器同時輸出兩組信號給ECU， 保證輸出信號的可靠性。

圖4 加速踏板位置傳感器輸出波形

發動機怠速時加速踏板位置傳感器輸出電壓基本維持在0.35V左右，當拆下加速踏板后隨著踏板位置的不斷變化傳感器輸出電壓也會對應發生變化，隨著發動機轉速的增加（加速踏板動作的變化），輸出電壓也在增加，當發動機達到全速運行時，輸出電壓約為2V左右（由于在實驗室做實驗全速時噪聲比加大，只是稍踩了一下加速踏板，獲得的只是電壓的變化趨勢）。

3 典型傳感器故障波形案例分析

（1）曲軸轉速傳感器波形衰減

有時發動機傳感器無波形信號或者測得波形相對標準波形明顯不一致如圖5發動機電控單元沒有接收到轉速信號或者接收到的信號不穩定，可能的原因有：①傳感器到靶輪的距離過大；②傳感器導線短路或斷路；③傳感器損壞。

圖5 曲軸轉速傳感器故障波形

當曲軸轉速傳感器信號丟失波形是一個斷開不連續的異常波形，如圖 5，和曲軸轉速傳感器正常工作時的波形相比明顯出現異常，在原來的波形基礎上有很大的衰減，轉速傳感器信號丟失必將導致發動機工作性能下降，信號丟失率越大，發動機的工作性能下降越大，并出現發動機運轉不平穩等故障特征現象，當曲軸轉速傳感器信號丟失率等于或大于16.5%時，發動機工作性能嚴重惡化。發動機運轉不平穩，機體抖動加劇發動機自動熄火，而且發動機啟動困難。

通過對此傳感器檢查發現是傳感器到靶輪的距離過大，調整距離后傳感器輸出波形恢復到正常的波形。

（2）曲軸位置傳感器異常

在做曲軸位置傳感器故障檢測時，在波形檢測設備 0V電壓處顯示一條直線，則應：確認波形檢測設備和傳感器連接良好；確認相關的零件(分電器、曲軸和凸輪軸等)都在轉動；用示波器檢查傳感器的電源電路和發動機ECU的電源及接地電路；檢查電源電壓和傳感器參考電壓。

圖6 凸輪軸位置傳感器故障波形

在波形檢測設備上顯示傳感器電源電壓處顯示一條直線如圖6，和曲軸位置傳感器正常工作時的波形很明顯不一樣。則應：檢查傳感器接地電路的完整性;確認相關的零件(分電器、曲軸和凸輪軸等)都在轉動;如果傳感器的電源和接地良好，波形檢測設備顯示在傳感器供給電源電壓處一條直線，則很可能是傳感器損壞。

凸輪軸控制進、排氣門，它以曲軸轉速的一半轉動，其位置確定了向上止點運動的活塞是處于壓縮行程上止點還是排氣行程上止點。在凸輪軸傳感器信號出現異常后發動機電控系統無法識別一缸，這將影響發動機的輸出功率，嚴重時將會造成柴油發動機無法啟動。

4 結論

論文通過對常見的電控發動機傳感器進行波形分析，并利用傳感器儀器檢測出發動機出現故障后傳感器的波形，然后和發動機正常工作時傳感器波形進行對比，分析傳感器是否正常工作，為傳感器故障診斷提供依據。

[1] 王尚勇,楊青.柴油機電子控制技術[M].北京：機械工業出版社,2005.5.

[2] 陳家瑞.汽車構造[M].北京：人民交通出版社,2011.11.

[3] 王尚青.柴油機電子控制技術[M].北京：機械工業出版社,2005.3.

[4] 趙亞杰等．柴油機高壓共軌燃油噴射技術[J].機械工程師,2006. 1：54-56.

[5] 趙福堂.汽車電器與電子設備[M].北京：北京理工大學出版社,2012.7：30-31.

[6] Akihiko Watanabe,Satoshi Tanaka.A Single-ship RISC Microcont-roller Boarding on MYl998[J].SAE70863,2007.6：15-18.

[7] 楊志平.運用波形診斷電控發動機傳感器故障的探討[J].農機使用與維修,2008.5.10.

[8] Tesur Kato,Takesha Koyana etc．Common Rail Fuel Injection System for Improvement of Engine Performance on Heawy Duty Diesel Engine [J].SAE 980806,2012.5：20-21.

[9] Tesur Kato,Takesha Koyana etc．Common Rail Fuel Injection System for Improvement of Engine Performance on Heawy Duty Diesel Engine[J].SAE 980806,2007.4：10-12.

Application of Waveform Analysis in Engine Sensor Fault Detection

Mi Wei, Yao Yinhua
( Chang'an University, School of Automobile, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the continuous development of sensor fault detection technology, how to use diagnostic equipment to quickly diagnose the sensor failure is the modern engine electronic control system diagnostic technology development key.Waveform analysis is one of the important methods to diagnose various sensor faults in the automotive electronic control system. The sensor is used to detect the waveform of the sensor after the engine failure. Then, the sensor waveform is compared with the normal operation of the engine to analyze whether the sensor is working properly. Which is based on fault diagnosis.

diesel engine; sensor; fault diagnosis instrument; waveform analysis

U464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-154-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.053

米偉，就讀于長安大學。