解讀曲軸位置信號中蘊(yùn)藏的秘密

戈華飛

目前，大多數(shù)發(fā)動機(jī)采用60-2齒（60個信號齒的位置只有58個齒，還有1個大齒缺）的曲軸信號盤（圖1）。一般定義在曲軸信號盤大缺齒后的第1個齒為信號起始點(diǎn)。

圖1 曲軸信號盤

發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)靠活塞的上下運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。發(fā)動機(jī)1個循環(huán)有4個行程，曲軸旋轉(zhuǎn)2圈，經(jīng)過120個齒，每個行程要經(jīng)歷30個齒。其中做功行程是發(fā)動機(jī)的動力來源，發(fā)動機(jī)在每次做功行程時對曲軸進(jìn)行加速，使發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，就像陀螺，抽1次加速1次，但在車上，人卻感覺不到這種突兀的加速，這是由于飛輪的存在。飛輪一般具有較大的旋轉(zhuǎn)慣量，將每次加速平穩(wěn)地轉(zhuǎn)化成曲軸的旋轉(zhuǎn)。對于乘用車，為了有較好的舒適性，飛輪的質(zhì)量較大，但對于跑車，飛輪的質(zhì)量相對較小，怠速時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速會上下游動，這是為了更好的響應(yīng)。

假設(shè)氣缸的點(diǎn)火信號為做功信號，如圖2所示，對于4缸發(fā)動機(jī)（點(diǎn)火順序?yàn)?-3-4-2），曲軸旋轉(zhuǎn)2圈有4個做功行程，每個做功行程經(jīng)歷30個齒，曲軸在2個點(diǎn)上各得到2次加速。如圖3所示，對于6缸發(fā)動機(jī)（點(diǎn)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4），曲軸旋轉(zhuǎn)2圈有6個做功行程，每個做功行程經(jīng)歷20個齒，曲軸在3個點(diǎn)上各得到2次加速；每個做功行程為180°，這個是不會改變的，如1缸的做功行程，在還未結(jié)束的時候，5缸又開始做功了，使2次做功間隔120°。如圖4所示，對于8缸發(fā)動機(jī)（點(diǎn)火順序?yàn)?-3-7-2-6-5-4-8），曲軸旋轉(zhuǎn)2圈有8個做功行程，每個做功行程經(jīng)歷15個齒，曲軸在4個點(diǎn)上各得到2次加速。

圖2 4缸發(fā)動機(jī)曲軸加速點(diǎn)的分布

圖3 6缸發(fā)動機(jī)曲軸加速點(diǎn)的分布

圖4 8缸發(fā)動機(jī)加速點(diǎn)的分布

一般6缸和8缸發(fā)動機(jī)出現(xiàn)單缸失火故障時，發(fā)動機(jī)控制單元會報多缸失火故障，因?yàn)樵谝粋€氣缸加速還沒完全結(jié)束時，另一個氣缸就開始介入了，因此比較難判斷是哪個氣缸所對應(yīng)的加速度沒有到位。

大多數(shù)發(fā)動機(jī)控制單元通過曲軸的加速度來判斷氣缸是否做功良好，如果某個氣缸的功率下降，意味著某加速點(diǎn)沒有提供加速度，曲軸的轉(zhuǎn)速會下降。圖5為斷開4缸發(fā)動機(jī)某氣缸噴油器導(dǎo)線連接器時采集的曲軸位置傳感器信號波形，假設(shè)點(diǎn)火信號觸發(fā)的那一刻即為做功行程的開始，做功行程需要經(jīng)過30個齒，從波形中可以看出該做功行程持續(xù)的時間為44.09 ms。如圖6所示，正常情況下，該做功行程持續(xù)的時間為42.32 ms。這個測試只是斷了這個氣缸的噴油，氣缸本身并不存在泄漏，壓縮的空氣還可以有空氣彈簧的作用，所以只差了1.77 ms，如果氣缸是因?yàn)樾孤?dǎo)致的功率下降，則這個時間將會更長。

曲軸旋轉(zhuǎn)1圈經(jīng)過60個齒，已知經(jīng)過30個齒的時間為44.09 ms，那么曲軸旋轉(zhuǎn)1圈的時間為88.18 ms，1 min曲軸旋轉(zhuǎn)約680圈，此時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速即為680 r/min。同理可知，若曲軸經(jīng)過30個齒的時間為42.32 ms，則對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約為709 r/min。由此可以看出氣缸失火對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。

圖7為VVT（可變氣門正時系統(tǒng)）調(diào)節(jié)前后的相關(guān)波形對比，其中紅色線為曲軸位置傳感器波形，綠色線為進(jìn)氣凸輪軸位置傳感器波形，藍(lán)色線為排氣凸輪軸位置傳感器波形。曲軸旋轉(zhuǎn)1圈經(jīng)過60個齒，每個凸齒加凹齒對應(yīng)6°，單獨(dú)1個凸齒對應(yīng)3°。由圖7可知，進(jìn)氣凸輪軸位置傳感器信號向左移動了3.5個齒，也就是進(jìn)氣凸輪軸位置滯后了21°的曲軸轉(zhuǎn)角；排氣凸輪軸位置傳感器信號向左移動了2個齒，也就是排氣凸輪軸提前了12°的曲軸轉(zhuǎn)角。

圖5 斷開某氣缸噴油器導(dǎo)線連接器時采集的曲軸位置傳感器信號波形（截屏）

圖6 正常車的曲軸位置傳感器信號波形（截屏）

圖7 VVT調(diào)節(jié)前后的相關(guān)波形對比（截屏）