波形分析在发动机传感器故障检测中的应用

米伟，姚银花

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

波形分析在发动机传感器故障检测中的应用

米伟，姚银花

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

随着传感器故障检测技术不断的发展，如何利用诊断仪器快速的诊断出传感器故障是现代化发动机电控系统诊断技术发展的关键。波形分析是诊断汽车电子控制系统各种传感器故障的重要方法之一，利用传感器仪器检测出发动机出现故障后传感器的波形，然后和发动机正常工作时传感器波形进行对比，分析传感器是否正常工作，为传感器故障诊断提供依据。

柴油发动机；传感器；故障诊断仪；波形分析

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

引言

当前由于电子技术、智能传感器技术、集成电路技术和计算机技术的进一步发展，特别是人工智能技术和专家系统技术的日益成熟，汽车检测诊断设备与诊断方式进入了新的发展阶段[1]。目前，各种新型设备不断出现，并向多功能、小型化、数字化、智能化和综合化方向发展。

汽车示波器为汽车修理技术人员快速判断汽车电子设备故障提供了有力的工具[2]，用普通示波器去测试电子设备时，最大的困难是设定示波器（即调整示波器的各个按钮，使示波器的波形更为清楚）和分析波形形状，而汽车示波器则将汽车电子设备的测试设定，变得非常简单，只要像点菜单一样选择要测试的内容，无需任何设定和调整就可以直接观察波形，这是因为汽车示波器设定调整是全自动的。

对于某一个传感器或执行器以及电路电子信号都应具有以下可度量的五个参数指标，即幅值、频率、形状、脉宽、阵列[3]。汽车示波器可以显示出所有电子信号的这五种判定尺度，如何去分析电子信号的这5种参数，判定这个电子信号的波形是否正常，通过波形分析你可进一步检查出电路中传感器，执行器以及电路和控制计算机等各部分的故障，也可以进行修理后的结果分析。

1 发动机机电控系统中常见的的传感器

传感器是柴油发动机的重要组成部分也是发动机实现电控的关键构成之一，传感器的的作用是进行信号变换，把被检测出的发动机运行状况信息转换成电信号，然后再将此信号输入到发动机 ECU，此信号用来控制发动机喷油器根据ECU输出的信息控制燃油喷射量、喷射时间以达到最佳的供油量，以减少柴油机废气排放并最大效率的提高发动机输出功率和柴油机的燃油经济性[4]。

伴随着汽车智能化控制技术的不断发展，在柴油发动机电子控制系统中已经运用了多个不同种类，功能各异的传感器，如曲轴位置（转速）传感器、相位传感器、加速踏板位置传感器、冷却液温度传感器、燃油温度传感器、大气压力传感器、轨压传感器等。

2 发动机传感器数据流波形分析

2.1 曲轴转速传感器信号波形分析

柴油发动机曲轴转速传感器采用电磁材料制成，信号盘齿数为（60-2）齿，曲轴转速传感器与转子之间的空气间隙交替发生变化[5]。当转子转至齿顶时，间隙最小，产生的磁阻最小，磁通量最大，产生的感应电压也最大；当转子转至齿凹时，磁间隙最大，产生的磁阻最大，磁通量最小，产生的电压也越小。电控柴油发动机曲轴转速传感器的信号波形如图所示1所示：

图1 曲轴转速传感器波形分析

（1）触发轮上相同的齿形应产生相同型式的连续脉冲，脉冲有一致的形状、幅值(峰对峰电压)并与曲轴（或凸轮）的转速成正比，输出信号的频率（基于触发的转动速度）及传感器磁极与触发轮间气隙对传感器信号的幅值影响极大。

（2）靠除去传感器触发轮上一个齿或两个相互靠近的的齿所产生的同步脉冲，可以确定上止点的信号。这会引起输出信号频率的变化，而在齿数减少的情况下，幅值也会变化。

（3）各个最大（最小）峰值电压应相差不多，若某一个峰值电压低于其他的峰值电压，则应检查触发轮是否有缺角或弯曲。

2.2 凸轴位置传感器信号波形分析

凸轮轴位置传感器利用霍尔效应原理，感应凸轮轴正时齿轮上感应铁（导磁性材料制成）的位置，以此判定一缸压缩上止点[6]。该传感器由永久磁铁和霍尔元件组成，当发动机运转时，感应铁与传感器的位置发生相对运动，这种变化会引起磁场变化，由于磁场变化，传感器的输出电压也会发生变化，输出方波电压信号，ECU根据此信号的变化来判定凸轮轴的实际运行位置。如图2所示。

图2 凸轮轴位置传感器输出的波形

（1）波形频率应与发动机转速相对应，当同步脉冲出现时占空比才改变，能使占空比改变的唯一理由是不同宽度的转子叶片经过传感器。除此之外脉冲之间的任何其他变化都意味着故障。

（2）查看波形形状的一致性、检查波形上下沿部分的拐角。由于传感器供电电压不变，因此所有波峰的高度（幅值）均应相等。实际应用中有些波形有缺痕或上下各部分有不规则形状，这也许是正常的，在这里关键的是一致性。

2.3 冷却液温度传感器信号波形分析

冷却液温度传感器波形图如图 3，当发动机冷却液稳定在正常工作温度（90度左右时）温度传感器输出的电压基本稳定在4V左右，随着发动机不断地运行发动机温度不断升高当超过正常值100度左右时[7]，冷却液温度传感器会发出信号（此时的冷却液温度传感器电压会迅速升高达到6.5V左右）传送到电控中心ECU，然后ECU会发出指令，冷却液开始循环，当冷却液温度达到正常之后，冷却液温度传感器输出的电压又会迅速降低到4V左右，这样可以保证发动机温度随时保持在90度左右，发动机能够稳定的工作。

图3 冷却液温度传感器波形图

通常冷车时传感器的电压应在3V～5V(全冷态)之间，然后随着发动机运转减少至运行正常温度时的1V左右。在任何给定温度下，好的传感器必须产生稳定的反馈信号[8]。发动机冷却液温度传感器电路的开路将使电压波形出现向上的尖峰(到参考电压值)，发动机冷却液温度传感器电路的短路将产生向下尖峰（到接地值)

2.4 加速踏板位置传感器信号波形分析

电子油门位臵传感器的工作原理 电位计型加速踏板位臵传感器以分压电路原理工作，ECU供给传感 器电路5V电压[9]。电子油门踏板通过 转轴与传感器内部的滑动变阻器的电刷连接，加速踏板位臵传感器的 位臵改变时，电刷与接地端的电压 发生改变，ECU将该电压转变成加 速踏板的位臵信号。加速踏板位臵 传感器同时输出两组信号给ECU， 保证输出信号的可靠性。

图4 加速踏板位置传感器输出波形

发动机怠速时加速踏板位置传感器输出电压基本维持在0.35V左右，当拆下加速踏板后随着踏板位置的不断变化传感器输出电压也会对应发生变化，随着发动机转速的增加（加速踏板动作的变化），输出电压也在增加，当发动机达到全速运行时，输出电压约为2V左右（由于在实验室做实验全速时噪声比加大，只是稍踩了一下加速踏板，获得的只是电压的变化趋势）。

3 典型传感器故障波形案例分析

（1）曲轴转速传感器波形衰减

有时发动机传感器无波形信号或者测得波形相对标准波形明显不一致如图5发动机电控单元没有接收到转速信号或者接收到的信号不稳定，可能的原因有：①传感器到靶轮的距离过大；②传感器导线短路或断路；③传感器损坏。

图5 曲轴转速传感器故障波形

当曲轴转速传感器信号丢失波形是一个断开不连续的异常波形，如图 5，和曲轴转速传感器正常工作时的波形相比明显出现异常，在原来的波形基础上有很大的衰减，转速传感器信号丢失必将导致发动机工作性能下降，信号丢失率越大，发动机的工作性能下降越大，并出现发动机运转不平稳等故障特征现象，当曲轴转速传感器信号丢失率等于或大于16.5%时，发动机工作性能严重恶化。发动机运转不平稳，机体抖动加剧发动机自动熄火，而且发动机启动困难。

通过对此传感器检查发现是传感器到靶轮的距离过大，调整距离后传感器输出波形恢复到正常的波形。

（2）曲轴位置传感器异常

在做曲轴位置传感器故障检测时，在波形检测设备 0V电压处显示一条直线，则应：确认波形检测设备和传感器连接良好；确认相关的零件(分电器、曲轴和凸轮轴等)都在转动；用示波器检查传感器的电源电路和发动机ECU的电源及接地电路；检查电源电压和传感器参考电压。

图6 凸轮轴位置传感器故障波形

在波形检测设备上显示传感器电源电压处显示一条直线如图6，和曲轴位置传感器正常工作时的波形很明显不一样。则应：检查传感器接地电路的完整性;确认相关的零件(分电器、曲轴和凸轮轴等)都在转动;如果传感器的电源和接地良好，波形检测设备显示在传感器供给电源电压处一条直线，则很可能是传感器损坏。

凸轮轴控制进、排气门，它以曲轴转速的一半转动，其位置确定了向上止点运动的活塞是处于压缩行程上止点还是排气行程上止点。在凸轮轴传感器信号出现异常后发动机电控系统无法识别一缸，这将影响发动机的输出功率，严重时将会造成柴油发动机无法启动。

4 结论

论文通过对常见的电控发动机传感器进行波形分析，并利用传感器仪器检测出发动机出现故障后传感器的波形，然后和发动机正常工作时传感器波形进行对比，分析传感器是否正常工作，为传感器故障诊断提供依据。

[1] 王尚勇,杨青.柴油机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社,2005.5.

[2] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社,2011.11.

[3] 王尚青.柴油机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社,2005.3.

[4] 赵亚杰等．柴油机高压共轨燃油喷射技术[J].机械工程师,2006. 1：54-56.

[5] 赵福堂.汽车电器与电子设备[M].北京：北京理工大学出版社,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] 杨志平.运用波形诊断电控发动机传感器故障的探讨[J].农机使用与维修,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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-154-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.053

米伟，就读于长安大学。