燃油表指示不满格问题的分析与设计改进

魏鹿义

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）

1 故障现象

在开发一款全新电子式步进电机组合仪表时，发现在仪表每次上电时，会出现油箱已加满油，但仪表燃油表却偶尔出现指示不到满格的故障现象，其故障如图1所示。

2 故障原因

2.1 故障失效模式

根据潜在设计失效模式及后果分析DFMEA管理学方法，从故障失效潜在模式上分析，把可能影响和产生此故障的原因一一查找出来。可能产生该故障的原因如下：①油箱气压异常；②燃油传感器电阻值变大或失效；③仪表燃油表功能失效或误差大；④油量信号受到其它信号干扰。

2.2 原因排除

根据以上故障失效模式，对其进行一一排查，找出该故障的根本原因。

1）该故障车油箱额定容量45L，而故障车实际加满到加油口为46L，所加油量正常，说明该油箱气压正常，该原因得以排除。

2）该车燃油传感器满油位电阻值设计定义为3±1Ω，经检测故障车燃油传感器满油位电阻值3Ω，说明燃油传感器没问题。

3）仪表设计当燃油传感器满油位电阻值小于4 Ω，燃油表显示到满油位。将故障车组合仪表进行台架测试，用变阻箱给仪表分别输入4 Ω和3 Ω，仪表燃油表都显示满格，指示正常，仪表本身故障也得以排除。

4）通过对该车型多车次、重复试验，发现燃油表上电显示不准的问题，主要出现在每次点火开关上电时，油箱加满油而燃油表指针指示不到满格，开一段时间后又指示到满格。对故障车进行检查，在油泵燃油传感器输出端用万用表检测，故障车燃油传感器满油位电阻值3Ω，其数据没问题。

但用万用表测量仪表输入端燃油传感器电阻值时，发现其在每次上电的后几秒内，其所测量到的数据不准，会出现比较大的跳跃性变化，之后燃油传感器电阻值稳定在3 Ω左右。为了更直观地监测点火开关上电前几秒燃油传感器电阻值数据的变化，通过数模AD转换设备转换，把燃油传感器电阻值信号转换为数字信号，这样所监测数据更直观、更能查看到其中的数据变化。在监测仪表输入端发现，在点火开关上电时，前3s时间检测的燃油传感器数值比3s后收到的数据偏低很多，其中的数据与采集到的油箱中的油量成正比，即数字越大，油量越多。数据如图2所示。

通过以上测试数据可以看出，点火开关上电3s内仪表采集到的燃油传感器电阻值比实际数据偏低很多，而此时仪表燃油表为快速响应阶段，需把所采集到的燃油传感器数据快速转化为油量，通过燃油表指针指示到最终位置。而仪表在此阶段所采集到的数据为非满油位数据，其油量比实际油量偏低，所以仪表燃油表指示与实际油量不相符，出现油箱满油时却指示不满格故障。这说明在上电的前几秒，仪表采集燃油信号时受到别的信号的干扰，造成仪表采样不准。

2.3 故障根源

2.3.1 干扰来源

干扰来自哪里、哪个零件呢？通过对整车线路原理和对故障车线路检查发现，故障车的燃油传感器输出搭铁线和油泵电机搭铁线为同一根。故障车油泵插件为3针PIN插件，其燃油传感器搭铁线和油泵电机搭铁线为共线输出搭铁，如图3所示。

2.3.2 原理分析

从仪表采样原理电路上来分析和查找出现该问题的具体原因，仪表燃油表理论采样电路如图4所示。

从图4可以看出，对油量传感器RX而言，如果线上的电阻RW足够小，那么它对油量信号的影响可以忽略，实际测试线上的电阻为0.3Ω，对于仪表实际采样可以忽略。

而故障车因燃油传感器安装在油泵上，油泵又有油泵电机，该电机工作时工作电流很大，最大工作电流为5 A。故障车仪表燃油信号采集电路和油泵工作电路如图5所示。

从图5故障车仪表燃油信号采集电路、油泵工作电路及测试数据可以看出，油泵电机B1在点火开关由熄火OFF档转到起动ON档时，会持续工作大概3 s，其标称电流最大值为5 A，如果电机不工作，那么主控芯片通过采集ADC端电压可以转化出实际油量的电阻值，即可以得到具体的油量。

当电机工作时，其工作电流较大，那么流经RW的电流在RW上叠加了一个比较大的电压，就会抬高数据采集ADC端的电压，从图5可知，抬高ADC端电压也就是相当于增加Rx的电阻值，这样就会导致采集的油量偏低。

2.3.3 根本原因

从点火开关上电后点火，油泵电机一直工作，因此其对于油量采样的影响是持续的。从图5可知，其会导致仪表采集到的燃油传感器电阻值比实际大，转换为仪表所采集到的油量数据比实际小。这样就会导致仪表所采集到的油量比实际油量偏低，进而出现加满油后燃油表显示不满格现象。

从燃油信号采样电路分析，该故障出现的主要原因是燃油传感器搭铁线与油泵电机搭铁线共用，通过油泵搭铁线的最大电流为5 A，而仪表采集燃油信号的电流只有几十毫安，油泵电机的工作电流对仪表采样造成干扰，致使仪表上电时所采集到的燃油数据不准，导致出现加满油后燃油表指示不满格故障。

3 改进方案

3.1 临时改进措施

通过对故障原因的分析和查找，寻找出解决该问题的改进措施，并通过临时改进措施来验证其改进效果。临时改进措施就是消除油泵电机上电时其大电流对仪表采集燃油信号的干扰，改进仪表燃油信号采集电路和油泵搭铁电路，把油泵电机直接搭铁，实时监测仪表所采集到的燃油信号数据，并通过加油试验实车验证其改进后的效果。

把燃油传感器搭铁线与油泵电机搭铁线分离，在燃油传感器搭铁线上连接一导线直接搭铁接油泵螺钉上，因该螺钉与油箱外壳相连，而油箱外壳又与车身相连，从而达到直接搭铁目的，如图6所示。临时改进后的仪表燃油信号采样电路及油泵电路图如图7所示。

3.2 临时改进措施验证

改进后，通过设备监测发现，在点火开关上电时，仪表数据采集端所采集到的燃油传感器阻值数据几乎没有变化，仪表燃油表指示到满油位，搭铁线更改后的燃油信号采集数据如图8所示。

上述临时改进措施是进行人为更改搭铁线：即通过一条较粗的导线Ra，用最短的方式将其搭铁。当电机工作时，虽然其工作电流较大，由于电机负极通过飞线搭铁，大部分电流直接流向车身，因此流经RW的电流很小，不会抬高ADC端的电压。燃油表采集到的油量稍微偏低，可以忽略不计。从图8可知，更改后效果良好，燃油表上电3s内所采集到的油量信号与实际油量一致，油箱加满油后燃油表指示到满格。

3.3 长期改进方案

通过把油泵电机搭铁线直接搭铁的临时更改措施的验证，其改进措施是有效的。彻底解决仪表燃油表加满油指示不满格问题的改进方案，就是把燃油传感器搭铁线和燃油泵搭铁线分别搭铁，让燃油传感器的搭铁线单独搭铁，从而解决仪表采样时燃油泵对仪表采集燃油信号的干扰。改进后，仪表能快速、准确地采集到油箱中的油量信号，进而燃油表能快速、准确地指示其油量。改进后的仪表燃油信号采集电路及油泵电路图如图9所示。

从图9看出，在点火开关由OFF档转换到ON档时，油泵电机B1会持续工作大概3s，其标称电流最大值为5A。当电机工作时，虽然其工作电流较大，由于油泵电机负极直接搭铁，其大部分电流直接流向车身，流经RW的电流很小，不会明显地抬高ADC端的电压，对仪表燃油信号采集影响很小，仪表所采集到的油量与实际油量偏差很小，可以忽略不计。

根据改进后的仪表燃油信号采集电路和燃油传感器电路图，油泵电机插件需做相应的更改，把原3PIN油泵插件改为4PIN插件，让油泵电机搭铁线和燃油传感器搭铁线分别搭铁。更改后的油泵插件如图10所示。

3.4 改进效果

彻底解决仪表燃油表加满油指示不满格问题的改进方案，是把燃油传感器和燃油泵电机分别搭铁，把油泵插件由3PIN插件改为4PIN插件，让燃油传感器单独搭铁，从而解决仪表采样时燃油泵对仪表采集燃油信号的干扰。长期改进方案实施后，仪表上电采集到的燃油信号数据如图11所示。

从图11可看出，从点火开关上电到油泵电机正常工作，仪表所采集到的燃油信号数据变化很小，可以忽略。说明该改进措施已经彻底解决了油泵电机上电时工作电流大对仪表采样的干扰问题。改进后，经过多车次、多路况、长时间的测试验证，其改进效果良好，该问题已得到解决。

4 故障再次出现

在改进措施实施一个月后，柳州地区的试验工程师反馈，发现该车型仪表在路试中，一些车在行驶几万公里后，又出现油箱加满油但仪表燃油表指示不满格故障。

4.1 故障原因查找

通过对故障件和故障车深入检查，对故障原因一一进行核查和排除，最后确定故障原因。

1）通过对故障车进行加油试验，油箱加满油正常，油箱气压异常故障原因得到排除。

2）对故障仪表进行台架测试和更换到其它新车上测试，仪表燃油表显示正常，未出现加油不满现象。

3）对故障车燃油传感器测试，发现故障车燃油传感器电阻值达到5～7 Ω （燃油传感器定义满油位电阻值为2～4 Ω）。用酒精对燃油传感器进行擦拭，擦掉燃油传感器上的杂质，其电阻值又变回正常值。

4.2 故障原因确认

经了解，中国不同地方的汽油油品成分不一，有纯汽油、有乙醇汽油、还有其它一些添加了其它成分的生物汽油。这些含有不同成分的汽油多少都会含有杂质，在油箱中长期浸泡后，燃油传感器表面会吸附汽油中的杂质，造成燃油传感器满油位电阻值增大。通过检测故障车和故障燃油传感器，发现燃油传感器满油位电阻值达到5～7 Ω，而仪表设计为燃油传感器电阻值小于4 Ω显示满油，其参数超出设计范围，导致显示不满格问题。

5 二次改进

因汽油的品质不可控，那燃油传感器电阻值变大也就无法得到彻底地解决，而燃油表满油位参数设置也不能提前很多，否则就会出现油箱没加满油而仪表却显示满格的问题。因此需找出在燃油传感器电阻值变大后，而其不会影响燃油表燃油信号采集和指示的改进措施。

5.1 改进方案分析

从原因分析可以得出，电阻值较小 （阻值范围3～110 Ω）的燃油传感器，因其满油位参数电阻值小，在其吸附杂质变大后，其参数的变化百分比就大，对燃油表采样的影响也就大。如果把燃油传感器的电阻值加大 （加大至40～250 Ω），在满油位时其电阻值增大变化量与电阻值较小的变化量一样情况下，其参数变化的百分比就小了，对仪表采样的影响也应该就小。

分别用小电阻值燃油传感器 （3～110 Ω）和大电阻值燃油传感器 （40～250Ω）进行加油试验，得出其油量与电阻值对应曲线参数如图12所示。

从图12可以看出：①18L油量以下，2种燃油传感器因杂质吸附导致其电阻值变大后对燃油表指示的影响基本一样。②18L油量以上，大电阻值油泵因传感器电阻杂质吸附导致电阻值变大后对仪表指示的影响相对较小。③大电阻值燃油传感器相对于小电阻值燃油传感器，因吸附杂质造成的电阻值变化对燃油表满油位指示的影响相对较小，对解决燃油表满油位指示不满格问题有所帮助。

通过分别在大电阻值燃油传感器和小电阻值燃油传感器上叠加2 Ω电阻，模拟燃油传感器因吸附杂质而导致的电阻值大情况。把该变化量模拟量转换为数字信号，得出AD分辨率对比曲线图，如图13所示。

从图13可以看出：①大电阻值的燃油传感器在加入干扰电阻后，对燃油表采集油量影响比较小。而小电阻值的燃油传感器在加入干扰电阻后，对燃油表采集油量影响比较大。②在加入2 Ω电阻干扰的情况下，大电阻值燃油传感器在18L油量以上分辨率相对较高，特别是在满油位附近较好，说明大电阻值燃油传感器受电阻值变大干扰的影响小。③大电阻值燃油传感器相比小电阻值燃油传感器，在绝对值变化量一样的情况下，其变化量的百分比却变小了。这就降低了其在满油位时电阻值变大对燃油表采样的影响，从而提高了燃油表数据采样精度，进而提升了燃油表显示精度。

通过以上模拟测试和验证，得出大电阻值燃油传感器在满油位时受电阻值变化的影响较小的结论，说明把燃油传感器改为大电阻值 （40～250Ω），能够解决因燃油传感器吸附杂质导致燃油表满油位指示不满格问题。

5.2 改进效果

更改后，经过在不同区域的多车次、多路况和长时间的路试验证及该车型上市后的市场反馈，其改进效果良好，已经彻底解决了该问题。改进后的燃油表满油位指示效果如图14所示。

6 总结

通过对仪表燃油表指示不满格问题原因的查找，找出多种改进方案。第1步通过把燃油传感器搭铁线与燃油泵搭铁线分开搭铁，解决上电时油泵电机搭铁对仪表采样干扰；第2步再通过把燃油传感器由原小电阻 （3～110Ω） 改为大电阻 （40～250Ω），解决因燃油传感器在油箱中长期浸泡吸附杂质后其满油位电阻值增大，而导致仪表燃油表指示不满格问题。通过以上2种改进措施，彻底解决了仪表燃油表指示不满格问题。该车型仪表经一年多的市场验证，其改进效果良好，市场上未出现此类故障问题。

［1］徐向阳.汽车电器与电子控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.