趙光亮 史家濤 楊英振 仉佃偉

摘要： 本文結(jié)合某型柴油發(fā)動機共軌壓力傳感器失效的故障案例，對柴油發(fā)動機共軌壓力傳感器的失效樣品進行了檢測與分析，由淺及深的剖析并最終確定了問題的根本原因，提出了改進優(yōu)化方案，為其他零部件的設(shè)計與故障分析提供了參考。

Abstract： Based on the analysis of fault case on diesel engine high pressure rail pressure sensor， failure sample analysis of high pressure rail pressure sensor is done in this paper; the root cause is analyzed from shallow to deep and determined finally， also optimization and improvement scheme are given in the paper， which are helpful for spare parts design and failure analysis.

關(guān)鍵詞： 柴油發(fā)動機;共軌壓力傳感器;失效分析;電氣過載

Key words： diesel engine;rail pressure sensor;failure analysis;electrical overstress

中圖分類號：TK423 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0041-03

0 ?引言

在柴油發(fā)動機的高壓共軌系統(tǒng)中，高壓共軌管的壓力不僅決定了發(fā)動機噴油器噴油壓力的高低，而且是發(fā)動機噴油量計量中及其重要的參數(shù)之一，高壓共軌傳感器的壓力信號輸出特性是共軌系統(tǒng)中最核心的部分之一[1-5]，高壓共軌傳感器的故障故障類型主要表現(xiàn)為壓力傳感器輸出電壓信號不連續(xù)、壓力傳感器輸出信號缺失、壓力傳感器靈敏度下降和壓力傳感器信號不能準(zhǔn)確反映實際參數(shù)值等[6-9]，這些故障都將直接導(dǎo)致柴油發(fā)動機無法啟動、限扭甚至停機等故障的發(fā)生。

前期在柴油發(fā)動機的出廠試驗測試的過程中，多臺某型柴油發(fā)動機的高壓共軌共軌管壓力傳感器短時間內(nèi)高頻的出現(xiàn)損壞的故障，導(dǎo)致柴油發(fā)動機出現(xiàn)輸出功率不足等典型問題持續(xù)發(fā)生。

本論文結(jié)合柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器的故障案例，由淺及深的進行了檢測與剖析，對該問題做了相關(guān)的研究與分析，確定了問題發(fā)生的根本原因，并有針對性的提出了優(yōu)化措施與解決方案。

1 ?故障描述

該型柴油發(fā)動機在出廠試驗測試過程中多次出現(xiàn)發(fā)動機輸出功率不足等問題，發(fā)動機電控單元ECU（Electrical Control Unit，ECU）故障報錯顯示為 “傳感器供電3錯誤”。

針對該故障問題，通過一系列的排查最終確定為柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器發(fā)生失效而導(dǎo)致，在更換高壓共軌管后故障得以排除與消失，同一個發(fā)動機試驗臺架在短時間內(nèi)收集到15例該類型故障報告，然而造成高壓共軌壓力傳感器故障及壓力傳感器損壞的具體原因尚不明確，對于生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)存在著較大潛在質(zhì)量隱患與經(jīng)濟損失。

2 ?原因分析

2.1 柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器特性參數(shù)檢測

根據(jù)柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器手冊的特性參數(shù)，在實驗室中，使用柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器性能測試臺對故障壓力傳感器進行了傳感器技術(shù)參數(shù)的典型特性檢測與分析。

柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器測試原理示意圖如圖1所示。

測試與分析結(jié)果顯示，送檢的共計13例故障失效的柴油發(fā)動機高壓共軌管，2例共軌管測試結(jié)果符合特性參數(shù)的要求。

其中，測試功能正常的高壓共軌壓力傳感器電壓特性輸出曲線圖如圖2所示，而某一失效高壓共軌壓力傳感器的電壓特性輸出曲線如圖3所示。

柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器功能測試的結(jié)果顯示，高壓共軌壓力傳感器的電壓輸出信號異常，不能正常反應(yīng)測試設(shè)備壓力的變化，傳感器的電壓輸出值超出了傳感器電壓特性參數(shù)允許的誤差范圍[10，11]，針對該失效的高壓共軌管壓力傳感器，需要進一步的具體分析高壓共軌壓力傳感器的失效部位。

2.2 高壓共軌壓力傳感器的拆檢與X光檢測

對其中某一失效的柴油發(fā)動機高壓共軌壓力傳感器進行拆封并檢查，在高壓共軌壓力傳感器的內(nèi)部信號處理電路板上可以看到明顯的電氣燒毀的痕跡，如圖4所示。

對該失效的高壓共軌壓力傳感器的內(nèi)部電路板進行了X光檢測，內(nèi)部電路板的X光檢測結(jié)果如圖5所示。

為找到高壓共軌壓力傳感器的根本失效原因，對該傳感器電路板上失效的電子元器件進行了X光檢測，檢測結(jié)果顯示，該電子元器件的GND和GND_ST端子之間因發(fā)生EOS（Electrical Overstress，EOS）電氣過載而造成引腳熔斷。如圖6所示。

進一步分析還發(fā)現(xiàn)，該電子元器件的輸出端和地端之間的半導(dǎo)體二極管以及電路板上半導(dǎo)體二極管因EOS電氣過載而導(dǎo)致?lián)舸┒搪?，進而導(dǎo)致了芯片的失效，致使高壓共軌壓力傳感器無法正常工作，至此，導(dǎo)致柴油發(fā)動機出現(xiàn)輸出功率不足故障的高壓共軌壓力傳感器的故障點已查明。

2.3 高壓共軌壓力傳感器可能失效原因分析

根據(jù)高壓共軌壓力傳感器的失效部位及EOS電氣過載的失效模式，并參考高壓共軌壓力傳感器的特性技術(shù)手冊，推測導(dǎo)致該壓力傳感器故障的可能原因如下[12-14]：

①帶電熱插拔高壓共軌壓力傳感器的接插件;

②在無限流（大于260mA）措施的情況下，長時間的插錯高壓共軌壓力傳感器的供電的正負電極;

③高壓共軌壓力傳感器的供電電壓超過16V;

④無接地保護。

3 ?故障原因排查及改進方案

通過對試驗測試臺架技師的走訪與調(diào)查，以及該高壓共軌壓力傳感器的連接器具有防錯插結(jié)構(gòu)，排除上述導(dǎo)致高壓共軌壓力傳感器故障可能原因中的①和②，需進一步確認需重點對③和④進行相關(guān)的實際測試與取證。

對高壓共軌壓力傳感器的供電電源的電壓進行測試，并用示波器記錄其電壓波形，測試結(jié)果顯示柴油發(fā)動機在正常啟動過程、加速過程以及惡劣工況運行等條件下，均未捕捉到高壓共軌壓力傳感器的供電電壓超過16V的情況，ECU輸出的高壓共軌壓力傳感器的供電電壓的范圍滿足設(shè)計指標(biāo)與要求。

進而針對該測試臺架的高壓共軌傳感器的地端與發(fā)動機機體共軌管之間的電壓進行測試，測試結(jié)果顯示，柴油發(fā)動機在正常啟動過程、加速過程以及惡劣工況運行等條件下，高壓共軌壓力傳感器的地端與機體共軌管之間存在高達18V的反向電壓，遠遠的超出了其他測試臺架0.3V的正常電壓值，如圖7所示為軌壓傳感器的地端與機體共軌管之間的反向電壓圖。

據(jù)對該電氣測試環(huán)境此進一步排查發(fā)現(xiàn)，該測試臺架使用了兩套獨立的供電電源系統(tǒng)，分別給發(fā)動機的起動機和發(fā)動機控制器進行供電，然而，該兩套獨立的電源系統(tǒng)未與發(fā)動機機體連接共地，這樣就導(dǎo)致供電電源與發(fā)動機機體之間存在電勢差，該電勢差致使軌壓傳感器出現(xiàn)EOS電氣過載而失效。

將臺架上使用的兩套獨立供電電源系統(tǒng)分別與發(fā)動機機體共地，以此消除供電電源與機體之間存在的電勢差，再次進行了測試與驗證，兩者之間的電勢差恢復(fù)至正常電壓范圍，該故障現(xiàn)象消失，上述問題得到徹底解決。

4 ?結(jié)論

本論文針對某型電控柴油發(fā)動機在臺架出廠測試過程中的高壓共軌壓力傳感器故障進行了深入分析，通過對電子元器件的失效分析，確定了故障發(fā)生的根本原因，由于兩套供電電源與柴油發(fā)動機機體未共地，進而導(dǎo)致供電電源電源與機體之間存在電勢差，致使軌壓傳感器出現(xiàn)EOS電氣過載而失效，最終引起柴油發(fā)動機輸出功率不足。鑒于發(fā)動機及整車上溫度以及壓力傳感器使用數(shù)量較多，高壓共軌壓力傳感器的故障模式與其他傳感器存在一定的共性問題，該故障分析過程、分析方法及解決措施等可為快速排除此類故障提供一些參考。

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