電控發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器信號(hào)波形深度分析

龔永康

摘要：傳統(tǒng)的數(shù)字示波器波形的回放不夠方便、儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)量不夠大、波形對(duì)比也不夠直觀、多信號(hào)波形相互關(guān)系分析功能不強(qiáng)。PICO示波器具有高帶寬、高采樣率和深度儲(chǔ)存器等高性能規(guī)格參數(shù)，功能強(qiáng)大，很好的解決傳統(tǒng)數(shù)字示波器在發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)測(cè)試中的不足。利用PICO示波器對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)、點(diǎn)火控制信號(hào)、噴油控制信號(hào)等進(jìn)行深入的波形分析，可推算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火延時(shí)、噴油時(shí)刻等深層重要參數(shù)，以便精確了解發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，有利于深入理解發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);示波器;傳感器信號(hào);波形分析

0 ?引言

現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)各部件相互配合緊密性高，數(shù)據(jù)處理量大，利用PICO示波器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)進(jìn)行提取和分析，在分辨率（清晰度）和存儲(chǔ)深度上都占據(jù)著極大的優(yōu)勢(shì)，使用更加方便，只需要接入PC電腦的USB接口，結(jié)合PicoScope專(zhuān)用操作分析軟件，有強(qiáng)大的數(shù)字示波分析功能;PICO示波器擁有高達(dá)12～16位的分辨率，并且采樣率可達(dá)400MHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，能更清晰的觀測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中各信號(hào)的波形變化，方便將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接讀取，更清楚地展示發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中各信號(hào)波形的相互關(guān)系，有利于進(jìn)一步了解發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)在工作機(jī)理。

1 ?信號(hào)波形測(cè)試系統(tǒng)組成

汽車(chē)電子器件在運(yùn)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生如下的五種基本信號(hào)：直流、交流、頻率調(diào)制、脈寬和串行數(shù)據(jù)，這五種基本電子信號(hào)是汽車(chē)控制系統(tǒng)中各傳感器、行車(chē)電腦和其他設(shè)備之間相互通信的基本語(yǔ)言[1]，每種電子信號(hào)都有特定的基本特征，比如幅度、頻率、形狀等。本文在卡羅拉發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，通過(guò)PICO示波器進(jìn)行了信號(hào)波形的采集與分析，分析系統(tǒng)框架如圖1所示，設(shè)備包括發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、PICO示波器模塊、PicoScope專(zhuān)用軟件、筆記本電腦、相關(guān)連接導(dǎo)線(xiàn)等，利用這套系統(tǒng)將檢測(cè)信號(hào)的電壓波形顯示出來(lái)，直觀的呈現(xiàn)出電控發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器動(dòng)態(tài)信號(hào)變化的全過(guò)程[2]。

2 ?發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形測(cè)量與分析

曲軸轉(zhuǎn)速傳感器是電控發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中主要傳感器之一，它向發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（ECU）提供發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速和位置變化信息，確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和燃油噴射、點(diǎn)火等基準(zhǔn)信號(hào)[3]，是ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量等參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)重要依據(jù)。

利用PICO示波器，測(cè)量計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)波形，連接示波器與計(jì)算機(jī)之間的USB線(xiàn)，A通道一端連接蓄電池搭鐵，另一端連接發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的NE+接口，打開(kāi)計(jì)算機(jī)示波器軟件，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，示波器界面顯示的波形如圖2所示。由波形圖測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作周期內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)角720°所用時(shí)間為T(mén)=60.57ms，可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=（1÷0.06057×2）×60=1981.2rpm，對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)電腦診斷儀測(cè)量的結(jié)果n’=1982rpm，兩者幾乎相等。

3 ?點(diǎn)火控制信號(hào)波形測(cè)量與分析

電腦控制點(diǎn)火系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制器和點(diǎn)火控制裝置三大部分組成[4]，這三大部分互相配合工作，點(diǎn)燃?xì)飧谆旌蠚怏w來(lái)驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。利用PICO示波器對(duì)點(diǎn)火波形信號(hào)和跳火波形信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量原理同轉(zhuǎn)速測(cè)量，PICO示波器測(cè)量點(diǎn)火正時(shí)信號(hào)（IGT）和實(shí)際跳火波形如圖3所示，其上升沿和下降沿大致保持一致。

理想狀況下點(diǎn)火正時(shí)（IGT）信號(hào)與次級(jí)繞組跳火電壓同步，但由于電信號(hào)的傳遞和電子控制模塊的響應(yīng)，造成次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生的高壓時(shí)刻會(huì)有微小延遲，IGT信號(hào)下降沿與次級(jí)點(diǎn)火高壓不同步。這種極短時(shí)間的延遲和延遲的時(shí)長(zhǎng)，用一般示波器很難分析處理，利用PICO示波器，能輕松分辨出來(lái)，如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工況約為2000rpm情況下，汽車(chē)在點(diǎn)火正時(shí)（IGT）信號(hào)發(fā)出后，次級(jí)線(xiàn)圈跳火實(shí)際上存在一個(gè)8.788us時(shí)滯。

4 ?噴油波形測(cè)量與分析

ECU通過(guò)計(jì)算相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)后發(fā)出噴油指令，噴油器噴油動(dòng)作產(chǎn)生噴油波形，驅(qū)動(dòng)飽和開(kāi)關(guān)型（PFI/SFI）噴油器工作[5]，利用PICO示波器進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器信號(hào)的測(cè)量分析，形象、直觀、實(shí)時(shí)性好。

將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)在2000rpm工況下，點(diǎn)火提前角為33°，利用PICO測(cè)量曲軸位置波形與火花塞點(diǎn)火波形，如圖5所示。

由示波器測(cè)量工具測(cè)出曲軸轉(zhuǎn)兩周時(shí)間周期T=60.57ms，則曲軸轉(zhuǎn)1°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t=T/720=0.084ms，曲軸從缺齒末端到火花塞點(diǎn)火波形所用時(shí)間Δt=17.37ms，則曲軸末端齒缺到上止點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度α1=Δt/t=206.78°，θ2=360°-206.78°=153.22°。

同理，采用雙通道PICO示波器進(jìn)行波形采集，A通道測(cè)量曲軸位置傳感器波形，B通道測(cè)量噴油波形信號(hào)，利用導(dǎo)線(xiàn)噴油控制器的信號(hào)引出，噴油控制信號(hào)端子外接BNC導(dǎo)線(xiàn)正極，負(fù)極搭鐵，將噴油嘴的波形傳輸?shù)绞静ㄆ黠@示。讀取2000rpm工況下示波器顯示出噴油波形和曲軸轉(zhuǎn)速波形，如圖6所示。

根據(jù)PICO示波器測(cè)量工具，可以讀出，在發(fā)動(dòng)機(jī)空載2000rpm工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)缺齒末端到噴油結(jié)束所花時(shí)間Δt3=6.73ms，其噴油脈寬Δt4=2.99ms，θ3=Δt3/t=80.12°，其實(shí)際噴油時(shí)刻為曲軸壓縮行程后經(jīng)過(guò)上止點(diǎn)后轉(zhuǎn)過(guò)α2=θ2+θ3=233.34°，同理，也可以根據(jù)PICO示波器測(cè)量其他工況下的噴油脈寬、噴油時(shí)刻等參數(shù)。

5 ?總結(jié)

利用PICO示波器強(qiáng)大測(cè)試與分析功能，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器信號(hào)波形作深入分析，尤其用于多通道信號(hào)波形的時(shí)差測(cè)量分析等方面，具有很高的分析精度和便捷性。在信號(hào)波形深度分析的基礎(chǔ)上，可深入理解發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理和掌握發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況信息。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧國(guó)東.基于PICO發(fā)動(dòng)機(jī)綜合分析儀的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]孟祥磊.波形分析在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（01）：258.

[3]王平福.電噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)波形試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）：73-77.

[4]趙若松.示波器在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)波形分析中的應(yīng)用[J].專(zhuān)用汽車(chē)，2019（04）：77-81.

[5]屋德畢李格.基于波形分析法的電噴汽油機(jī)故障診斷研究[D].陜西：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.