發動機凸輪軸、曲軸信號不同步故障問題研究

薛鵬 楊燕楠 張利君 孫建偉 顏士霞

摘要：發動機凸輪軸、曲軸轉速傳感器信號發生錯誤，會導致發動機動力性和經濟性變差，嚴重時甚至會導致發動機不能起車。本文針對信號問題開展研究，全面分析造成信號不同步問題的原因，總結查核信號問題的方法，對于指導發動機的設計及故障的排查具有重大意義。

Abstract： Engine camshaft and crankshaft speed sensor signal an error occurs， will cause the engine performance and fuel economy， serious when even lead to engine can't a car.Signal problems， the author of this paper research， comprehensive analysis of the cause of problem of signals are not synchronized， summarizes check signal problem， for guiding the design of the engine and the fault is of great significance.

關鍵詞：柴油機;凸輪軸;轉速傳感器;信號;故障

Key words： diesel engine;camshaft;speed sensor;signal;fault

中圖分類號：TP212???????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????? ??????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0166-04

0? 引言

隨著科技的發展和人類生活水平的提高，高可靠性、節能環保型的發動機逐步受到了市場的歡迎。發動機的啟動性能是汽車正常運行必備的重要性能之一[1]。

機器在進行滿負荷工況的情況下工作時，通過可變進排氣正時，將高低速充氣效率調高，從而將改善進氣量，同時配合上適量燃油，就使得發動機輸出扭矩得到相應的增加，從而提高了發動機動力性;當發動機部分負荷工作時，利用可變進排氣相位，加大可變進排氣重疊角，增加內部EGR，降低泵氣損失，降低燃油耗，提高了發動機燃油經濟性。但當凸輪軸信號發生錯誤是可變氣門不能正常工作，導致發動機動力下降和燃油耗上升[2]。本文針對發動機啟動時凸輪軸、曲軸信號問題開展研究，全面分析造成信號不同步問題的原因，總結查核信號問題的方法，對于指導發動機的設計及故障的排查具有重大意義。

1? 磁電轉速傳感器及其取信號方式

曲軸轉速傳感器和凸輪軸轉速傳感器是電控燃油噴射系統重要的傳感器，是控制噴油提前角和確定發動機轉速不可或缺的信號源。曲軸轉速的信號用于確定發動機轉速和提前角的精確控制;凸輪軸轉速的信號用于判缸，確定發火次序。曲軸和凸輪軸位置傳感器包括磁電轉速傳感器和霍爾轉速傳感器。

由于霍爾轉速傳感器成本較高，所以一般情況下，采用磁電轉速傳感器。磁電轉速傳感器的安裝要求如圖1，必須保證一定的尺寸，因為它們都影響到了磁通量的變化。

磁電轉速傳感器主要由永久磁鐵、感應線圈和信號齒盤組成[3]。信號盤由曲軸或凸輪軸帶動，利用輪齒靠近或離開感應線圈時，通過感應線圈的磁通量變化，從而在線圈中產生感應電壓，如圖2所示。計算公式如下：

其中，E是感應電動勢，n為線圈匝數，？駐？覫為磁通量的變化，？駐t為時間的變化。

信號盤齒不停旋轉，在感應線圈中就產生交變電壓信號，發動機電控單元可以從電壓交變的變化頻率來計算出發動機的轉速。另外，在信號盤齒上缺2個齒用于識別曲軸位置（第一缸上止點位置），作為點火正時信號的參考基準。傳感器取信號的方式有兩種，分為軸向取信號和徑向取信號，軸向取信號和徑向取信號都是基于傳感器的安裝要求來定的（如圖3）。

2? 排查方法總結

在發動機工作工程中，造成曲軸、凸輪軸相位不同步故障可能出現的原因主要有圖4中的幾項。

3? 故障案例排查

3.1 故障描述

某A發動機（6缸發動機），在進行臺架實驗時報出凸輪軸、曲軸信號不同步故障，該機器凸輪軸取信號采用軸向取信號方式，傳感器采用磁電轉速傳感器。用示波器測得的波形如圖5所示。用示波器監測ECU處理信號得到的波形如圖6，可以看出ECU識別了凸輪軸信號中的干擾信號，導致相位偏差。

3.2 故障排查

3.2.1 設計問題排查

①通過對比理論設計角度與示波器實測波形，可確認，相位設計正確。

②曲軸轉速傳感器的安裝：計算空氣間隙為0.9-1.2mm;附近無回轉件，探出距離22mm，如圖7。因此，傳感器安裝符合設計要求。

③凸輪軸轉速傳感器的安裝：計算空氣間隙為0.6-1.4mm;附近無回轉件，探出距離11mm，如圖8。因此，傳感器安裝符合設計要求。

3.2.2 質量問題排查

①根據測試波形，曲軸、凸輪軸測試信號波形平穩，傳感器質量無問題。

②線束圖紙針腳與實際線束針腳保持一致，無問題。

3.2.3 性能標定問題排查

ECU所采用的凸輪軸轉速信號閥值為0.35V。

3.2.4 信號干擾排查

3.2.4.1 機械干擾

該機器采用軸向取信號，其信號盤的軸向竄動量（信號盤固定在凸輪軸上，因此凸輪軸的竄動量即為信號盤的竄動量）范圍為0.1-0.3mm。對比B發動機（6缸發動機，其取信號的方式與A發動機一致，但是未報出信號故障）。計算其竄動量范圍為0.02-0.143mm。相關尺寸見表1。

對比發現，A發動機凸輪軸竄動量要比B發動機大很多，這可能是造成凸輪軸轉速信號質量差的原因。測試信號盤的竄動情況，采用渦流傳感器，分別在50rpm、100rpm、350rpm。用示波器測得信號（電壓），然后轉化為位移，具體如下：

①轉速為50rpm時，用渦流傳感器測試波形如圖9，經換算位移竄動為0.208mm。

②轉速為100rpm時，用渦流傳感器測試波形如圖10，經換算位移竄動為0.216mm。

③轉速為350rpm時，用渦流傳感器測試波形如圖11，經換算位移竄動為0.192mm。

綜上，該臺故障機器信號盤的實際竄動量約為0.2mm。后續進行試驗，在0.2mm時，模擬信號盤的竄動，干擾電壓見表2。

可以看出，在信號盤竄動量為0.2mm的情況下，產生較大幅值的干擾電壓。

另外，凸輪軸轉速傳感器安裝在機體上，探頭安裝密封，無雜物。由于在臺架實驗，曲軸轉速傳感器取信號雜物干擾的可能性排除。曲軸轉速分支凸輪軸轉速分支、無固定，但其分支不受應力，且分支較短、插拔良好。因此，可能性排除。

3.2.4.2 電磁干擾

發電機與起動機離曲軸轉速傳感器和凸輪軸轉速傳感器的距離較遠，可排除此項。

4? 分析及驗證

通過以上分析，發現不符合設計項如下：

①A發動機凸輪軸與止推片配合間隙過大，造成信號盤的竄動量太大。

②不可排除的原因：凸輪軸信號閥值低。

后續進行臺架實驗，將凸輪軸與止推片間隙的理論值控制在0.15mm以內，用示波器測試曲軸、凸輪軸信號的波形如圖12。可以看出曲軸信號干擾信號明顯降低，最大值在160mv。臺架實驗多次起車也未報故障。

5? 總結

信號盤竄動量太大會使測得的信號出現干擾，造成信號不同步故障。因此，發動機必須采用軸向取信號結構時，在保證傳感器安裝氣隙的情況下，還要保證信號盤的竄動量盡可能小。曲軸、凸輪軸信號故障是發動機故障中常見的一種故障，影響著發動機的可靠性和經濟性。本文根據實際經驗總結了查核曲軸、凸輪軸信號相位不同步故障的方法，并將該方法應用到了實際案例中，對于后期查核信號故障具有指導意義。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造[M].機械工業出版社，2004.

[2]榮兵，等.凸輪軸信號錯誤分析[J].使用與維修，2014（8）.

[3]張俊紅，等.汽車發動機構造[M].天津大學出版社，2008.