電控發動機傳感器信號波形深度分析

龔永康

摘要：傳統的數字示波器波形的回放不夠方便、儲存的數據量不夠大、波形對比也不夠直觀、多信號波形相互關系分析功能不強。PICO示波器具有高帶寬、高采樣率和深度儲存器等高性能規格參數，功能強大，很好的解決傳統數字示波器在發動機信號測試中的不足。利用PICO示波器對轉速傳感器信號、點火控制信號、噴油控制信號等進行深入的波形分析，可推算出發動機轉速、點火延時、噴油時刻等深層重要參數，以便精確了解發動機運行工況，有利于深入理解發動機工作原理。

關鍵詞：發動機;示波器;傳感器信號;波形分析

0 ?引言

現代汽車發動機結構復雜，發動機電控系統各部件相互配合緊密性高，數據處理量大，利用PICO示波器對發動機信號進行提取和分析，在分辨率（清晰度）和存儲深度上都占據著極大的優勢，使用更加方便，只需要接入PC電腦的USB接口，結合PicoScope專用操作分析軟件，有強大的數字示波分析功能;PICO示波器擁有高達12～16位的分辨率，并且采樣率可達400MHz，數據存儲方便，能更清晰的觀測發動機工作過程中各信號的波形變化，方便將采集的數據進行直接讀取，更清楚地展示發動機工作過程中各信號波形的相互關系，有利于進一步了解發動機內在工作機理。

1 ?信號波形測試系統組成

汽車電子器件在運行過程會產生如下的五種基本信號：直流、交流、頻率調制、脈寬和串行數據，這五種基本電子信號是汽車控制系統中各傳感器、行車電腦和其他設備之間相互通信的基本語言[1]，每種電子信號都有特定的基本特征，比如幅度、頻率、形狀等。本文在卡羅拉發動機臺架上，通過PICO示波器進行了信號波形的采集與分析，分析系統框架如圖1所示，設備包括發動機臺架、PICO示波器模塊、PicoScope專用軟件、筆記本電腦、相關連接導線等，利用這套系統將檢測信號的電壓波形顯示出來，直觀的呈現出電控發動機傳感器動態信號變化的全過程[2]。

2 ?發動機轉速信號波形測量與分析

曲軸轉速傳感器是電控發動機控制系統中主要傳感器之一，它向發動機控制系統（ECU）提供發動機曲軸轉速和位置變化信息，確定發動機轉速和燃油噴射、點火等基準信號[3]，是ECU對發動機噴油量等參數優化的一個重要依據。

利用PICO示波器，測量計算發動機轉速信號波形，連接示波器與計算機之間的USB線，A通道一端連接蓄電池搭鐵，另一端連接發動機臺架的NE+接口，打開計算機示波器軟件，啟動發動機并調整相關的參數，示波器界面顯示的波形如圖2所示。由波形圖測量出發動機一個工作周期內轉過轉角720°所用時間為T=60.57ms，可計算出發動機轉速n=（1÷0.06057×2）×60=1981.2rpm，對比發動機電腦診斷儀測量的結果n’=1982rpm，兩者幾乎相等。

3 ?點火控制信號波形測量與分析

電腦控制點火系統主要由傳感器、電子控制器和點火控制裝置三大部分組成[4]，這三大部分互相配合工作，點燃氣缸混合氣體來驅動曲軸轉動。利用PICO示波器對點火波形信號和跳火波形信號進行測量，測量原理同轉速測量，PICO示波器測量點火正時信號（IGT）和實際跳火波形如圖3所示，其上升沿和下降沿大致保持一致。

理想狀況下點火正時（IGT）信號與次級繞組跳火電壓同步，但由于電信號的傳遞和電子控制模塊的響應，造成次級線圈產生的高壓時刻會有微小延遲，IGT信號下降沿與次級點火高壓不同步。這種極短時間的延遲和延遲的時長，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，如圖4所示，發動機工況約為2000rpm情況下，汽車在點火正時（IGT）信號發出后，次級線圈跳火實際上存在一個8.788us時滯。

4 ?噴油波形測量與分析

ECU通過計算相關傳感器數據后發出噴油指令，噴油器噴油動作產生噴油波形，驅動飽和開關型（PFI/SFI）噴油器工作[5]，利用PICO示波器進行測量，實現對噴油器信號的測量分析，形象、直觀、實時性好。

將發動機轉速穩在2000rpm工況下，點火提前角為33°，利用PICO測量曲軸位置波形與火花塞點火波形，如圖5所示。

由示波器測量工具測出曲軸轉兩周時間周期T=60.57ms，則曲軸轉1°所對應的時間t=T/720=0.084ms，曲軸從缺齒末端到火花塞點火波形所用時間Δt=17.37ms，則曲軸末端齒缺到上止點轉過的角度α1=Δt/t=206.78°，θ2=360°-206.78°=153.22°。

同理，采用雙通道PICO示波器進行波形采集，A通道測量曲軸位置傳感器波形，B通道測量噴油波形信號，利用導線噴油控制器的信號引出，噴油控制信號端子外接BNC導線正極，負極搭鐵，將噴油嘴的波形傳輸到示波器顯示。讀取2000rpm工況下示波器顯示出噴油波形和曲軸轉速波形，如圖6所示。

根據PICO示波器測量工具，可以讀出，在發動機空載2000rpm工況下，發動機缺齒末端到噴油結束所花時間Δt3=6.73ms，其噴油脈寬Δt4=2.99ms，θ3=Δt3/t=80.12°，其實際噴油時刻為曲軸壓縮行程后經過上止點后轉過α2=θ2+θ3=233.34°，同理，也可以根據PICO示波器測量其他工況下的噴油脈寬、噴油時刻等參數。

5 ?總結

利用PICO示波器強大測試與分析功能，可對發動機傳感器信號波形作深入分析，尤其用于多通道信號波形的時差測量分析等方面，具有很高的分析精度和便捷性。在信號波形深度分析的基礎上，可深入理解發動機電控系統的工作原理和掌握發動機運行工況信息。

參考文獻：

[1]盧國東.基于PICO發動機綜合分析儀的發動機故障診斷方法研究[D].浙江：浙江工業大學，2010.

[2]孟祥磊.波形分析在發動機故障診斷中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017（01）：258.

[3]王平福.電噴發動機轉速傳感器信號波形試驗[J].長安大學學報，2005（6）：73-77.

[4]趙若松.示波器在發動機點火系統波形分析中的應用[J].專用汽車，2019（04）：77-81.

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