唐立超 高尚志 王 偉 劉 巖 楊萬(wàn)里 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)必不可少的組成部分，其作用是檢測(cè)信號(hào)輪的齒頂、齒底、缺齒等信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）根據(jù)讀取的曲軸信號(hào)和凸輪軸信號(hào)確認(rèn)各缸壓縮上止點(diǎn)，并將曲軸位置傳感器的信號(hào)處理得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序依次控制各個(gè)氣缸的最佳點(diǎn)火角及噴油起止角度等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒的準(zhǔn)確控制。

曲軸位置傳感器主要分為磁電式、霍爾式、光電式，其中前2種比較常見(jiàn)[1]。磁電式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)裝配要求低，但信號(hào)容易受到干擾，ECU需要有專(zhuān)門(mén)的處理電路，控制精度低；霍爾式傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，精度高，傳感器內(nèi)部集成霍爾IC芯片，對(duì)裝配要求高，同時(shí)有一定的抗干擾能力[2]。本文是對(duì)使用霍爾式曲軸位置傳感器與信號(hào)輪因間隙問(wèn)題產(chǎn)生一些故障進(jìn)行分析研究。

1 試驗(yàn)研究背景

1.1 試驗(yàn)問(wèn)題來(lái)源

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分工況有異常的爆震退角和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)排查發(fā)現(xiàn)，故障與曲軸位置傳感器和信號(hào)輪間隙有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)故障現(xiàn)象簡(jiǎn)述

故障類(lèi)型1：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到2 500 r/min、負(fù)荷工況時(shí)，從ECU信號(hào)讀取顯示第3氣缸存在9°CA的由于爆震引起的退點(diǎn)火角，其它2氣缸工作正常，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而在其他耐久工況點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)異常。

故障類(lèi)型2：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到6 400 r/min、全負(fù)荷工況時(shí)，運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突然變小，有較大的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，其他工況點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)異常。

以上2種故障類(lèi)型是在不同的曲軸位置傳感器與信號(hào)輪間隙h下產(chǎn)生的，其裝配間隙h如圖1所示。

圖1 曲軸位置傳感器與信號(hào)輪間隙示意圖

2 故障現(xiàn)象的研究

2.1 ECU系統(tǒng)定義研究

任何軟件的定義要與硬件保持一致，才能使系統(tǒng)控制準(zhǔn)確。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于曲軸位置傳感器和凸輪軸傳感器相對(duì)位置定義與硬件的裝配也是完全一致的。

以某款1.3 L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其硬件上使用58齒（有2個(gè)缺齒）的信號(hào)輪，缺齒后的第20齒下降沿為1缸的壓縮上止點(diǎn)。軟件參考點(diǎn)（系統(tǒng)定義的曲軸轉(zhuǎn)角0°CA點(diǎn)）是在缺齒后第2齒的下降沿，參考點(diǎn)后還有18個(gè)信號(hào)齒，每個(gè)信號(hào)齒對(duì)應(yīng)6°CA的曲軸轉(zhuǎn)角，故108°CA之后就是1缸的上止點(diǎn)，系統(tǒng)文件中有一個(gè)參數(shù)量SY_GRUNDWERT定義為108，來(lái)對(duì)應(yīng)1缸的上止點(diǎn)，參考點(diǎn)及正時(shí)位置如圖2所示。

圖2 參考點(diǎn)及正時(shí)位置

同樣使用缺齒后第2齒下降沿（軟件參考點(diǎn)）作為基準(zhǔn)，系統(tǒng)通過(guò)凸輪軸傳感器的高低電位來(lái)區(qū)分1缸的壓縮和排氣的上止點(diǎn)，第2齒是低電位則為壓縮沖程，高電位則為排氣沖程[3-4]。識(shí)別壓縮與排氣上止點(diǎn)如圖3所示。在確定1缸的壓縮上止點(diǎn)后，再根據(jù)點(diǎn)火次序及點(diǎn)火間隔，分別定義不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)對(duì)應(yīng)其他幾個(gè)缸的壓縮上止點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)工況

故障現(xiàn)象都是在耐久試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的，耐久試驗(yàn)主要考核發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)矩、最大功率、低速轉(zhuǎn)矩及超速轉(zhuǎn)速點(diǎn)等，各工況運(yùn)行時(shí)間占比及過(guò)渡時(shí)間控制等都有要求，在此不對(duì)試驗(yàn)工況做詳盡描述，耐久試驗(yàn)工況及故障類(lèi)型1和2出現(xiàn)的工況位置如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)問(wèn)題分析

故障類(lèi)型1：耐久運(yùn)行到2 500 r/min、全負(fù)荷工況時(shí)，ECU檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速波動(dòng)在±150 r/min，第3氣缸有9°CA的爆震退角，故障現(xiàn)象如圖5所示。

圖3 識(shí)別壓縮與排氣上止點(diǎn)

圖4 故障現(xiàn)象所在的耐久工況位置

圖5 3缸異常的爆震退角及轉(zhuǎn)速波動(dòng)

問(wèn)題排查：首先確認(rèn)爆震的真實(shí)性，通過(guò)外接爆震音箱檢查爆震的真實(shí)性，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到此工況，能聽(tīng)到明顯的爆震，證明爆震是真實(shí)出現(xiàn)的；通過(guò)標(biāo)定手段控制單缸點(diǎn)火角，當(dāng)把3缸點(diǎn)火提前角減去9°CA后，聽(tīng)不到爆震聲音。硬件檢查，先后檢查爆震傳感器、點(diǎn)火線圈及火花塞等都未發(fā)現(xiàn)異常。當(dāng)檢查轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速傳感器頂部有磨損，說(shuō)明傳感器與信號(hào)輪之間的安裝間隙h過(guò)小，信號(hào)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)將傳感器頂端磨損，磨損的深度約0.2 mm，磨損的傳感器如圖6所示。

圖6 曲軸位置傳感器頂部磨損

原因分析：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到2 500 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了最大轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)大，從信號(hào)輪讀取的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)波動(dòng)大，通過(guò)ECU上讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有±150 r/min的波動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)為3缸機(jī)，點(diǎn)火順序?yàn)?-2-3，1缸和2缸上止點(diǎn)位置在曲軸旋轉(zhuǎn)的同一圈內(nèi)，1缸壓縮上止點(diǎn)在缺齒后的15齒，2缸為缺齒后第55齒，而3缸上止點(diǎn)位置在曲軸旋轉(zhuǎn)下一圈的缺齒后33齒，若第2個(gè)旋轉(zhuǎn)循環(huán)因間隙問(wèn)題在缺齒處多檢測(cè)2個(gè)信號(hào)齒，則第3缸的上止點(diǎn)位置就定義到了31齒，較正常狀態(tài)提前了12°CA，爆震標(biāo)定有2～3°CA的點(diǎn)火角余量，在進(jìn)行3缸點(diǎn)火時(shí)，系統(tǒng)中的點(diǎn)火角控制就會(huì)在原基本點(diǎn)火角的基礎(chǔ)上提前12°CA，這樣就會(huì)出現(xiàn)9°CA左右的爆震后退點(diǎn)火角。

將曲軸位置傳感器和信號(hào)輪間隙調(diào)整到1 mm時(shí)，ECU檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)在±15 r/min以內(nèi)，3缸爆震后退點(diǎn)火角也與1、2缸一致，只有偶爾的爆震后退點(diǎn)火角且后退角不超過(guò)3°CA，如圖7所示。

故障類(lèi)型2：耐久運(yùn)行到6 400 r/min、全負(fù)荷工況時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突然變小，伴有較大轉(zhuǎn)速波動(dòng)，之后轉(zhuǎn)矩慢慢恢復(fù)。故障現(xiàn)象如圖8所示。

圖7 3個(gè)缸爆震后退角及轉(zhuǎn)速正常

圖8 轉(zhuǎn)矩突降后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

問(wèn)題排查：檢查發(fā)動(dòng)機(jī)在該運(yùn)行工況的系統(tǒng)電壓、執(zhí)行器控制反饋、傳感器信號(hào)等都未發(fā)現(xiàn)異常，檢查曲軸位置傳感器與信號(hào)輪間隙h約為2 mm。

原因分析：發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率點(diǎn)是6 000 r/min，考核6 400 r/min是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在超速的檢查。轉(zhuǎn)速越高，曲軸位置傳感器對(duì)58齒信號(hào)輪每個(gè)齒的檢測(cè)時(shí)間越來(lái)越短，當(dāng)曲軸位置傳感器與信號(hào)輪間隙超過(guò)1.5 mm時(shí)，會(huì)出現(xiàn)曲軸傳感器信號(hào)丟失，ECU讀不到轉(zhuǎn)速，而發(fā)動(dòng)機(jī)的執(zhí)行器如節(jié)氣門(mén)、增壓器等突然間不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩急速下降，當(dāng)曲軸位置傳感器讀到信號(hào)輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)又按模型設(shè)定的工況快速控制并恢復(fù)工作。

將間隙減小到1 mm后，該故障現(xiàn)象消除。正常試驗(yàn)時(shí)ECU控制的6 400 r/min，波動(dòng)在±15 r/min以內(nèi)，模型轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也在±2 N·m以內(nèi)。該工況正常運(yùn)行如圖9所示。

圖9 6 400 r/min穩(wěn)定運(yùn)行圖

3 問(wèn)題總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必然需要轉(zhuǎn)速信號(hào)的，當(dāng)出現(xiàn)排氣溫度高，轉(zhuǎn)矩不足及波動(dòng)等問(wèn)題時(shí)，我們主要的排查方向集中在試驗(yàn)環(huán)境條件以及點(diǎn)火、噴油控制、空燃比控制等系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的零部件及參數(shù)上。曲軸位置傳感器經(jīng)常是我們疏于檢查的一個(gè)重要零件。一方面?zhèn)鞲衅鞅旧砉收系母怕屎苄?，另一方面曲軸位置傳感器和信號(hào)輪的間隙控制不好檢查。

4 結(jié)論

1）當(dāng)曲軸位置傳感器與信號(hào)輪間隙h小于0.5 mm時(shí)，會(huì)引發(fā)曲軸信號(hào)位置讀取錯(cuò)誤，導(dǎo)致某些氣缸點(diǎn)火及噴油等控制異常；

2）當(dāng)曲軸位置傳感器與信號(hào)輪間隙h大于1.5 mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速信號(hào)會(huì)丟失，引發(fā)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題。

本次研究只針對(duì)霍爾式曲軸位置傳感器進(jìn)行分析研究，發(fā)動(dòng)機(jī)故障誘因復(fù)雜，故障現(xiàn)象多樣，同一個(gè)故障現(xiàn)象也可能是不同原因?qū)е拢疚闹饕獮楣收吓挪樘峁┮粋€(gè)檢查方向。