解读曲轴位置信号中蕴藏的秘密

戈华飞

目前，大多数发动机采用60-2齿（60个信号齿的位置只有58个齿，还有1个大齿缺）的曲轴信号盘（图1）。一般定义在曲轴信号盘大缺齿后的第1个齿为信号起始点。

图1 曲轴信号盘

发动机的运转靠活塞的上下运动转化为曲轴的旋转运动。发动机1个循环有4个行程，曲轴旋转2圈，经过120个齿，每个行程要经历30个齿。其中做功行程是发动机的动力来源，发动机在每次做功行程时对曲轴进行加速，使发动机持续运转，就像陀螺，抽1次加速1次，但在车上，人却感觉不到这种突兀的加速，这是由于飞轮的存在。飞轮一般具有较大的旋转惯量，将每次加速平稳地转化成曲轴的旋转。对于乘用车，为了有较好的舒适性，飞轮的质量较大，但对于跑车，飞轮的质量相对较小，怠速时发动机转速会上下游动，这是为了更好的响应。

假设气缸的点火信号为做功信号，如图2所示，对于4缸发动机（点火顺序为1-3-4-2），曲轴旋转2圈有4个做功行程，每个做功行程经历30个齿，曲轴在2个点上各得到2次加速。如图3所示，对于6缸发动机（点火顺序为1-5-3-6-2-4），曲轴旋转2圈有6个做功行程，每个做功行程经历20个齿，曲轴在3个点上各得到2次加速；每个做功行程为180°，这个是不会改变的，如1缸的做功行程，在还未结束的时候，5缸又开始做功了，使2次做功间隔120°。如图4所示，对于8缸发动机（点火顺序为1-3-7-2-6-5-4-8），曲轴旋转2圈有8个做功行程，每个做功行程经历15个齿，曲轴在4个点上各得到2次加速。

图2 4缸发动机曲轴加速点的分布

图3 6缸发动机曲轴加速点的分布

图4 8缸发动机加速点的分布

一般6缸和8缸发动机出现单缸失火故障时，发动机控制单元会报多缸失火故障，因为在一个气缸加速还没完全结束时，另一个气缸就开始介入了，因此比较难判断是哪个气缸所对应的加速度没有到位。

大多数发动机控制单元通过曲轴的加速度来判断气缸是否做功良好，如果某个气缸的功率下降，意味着某加速点没有提供加速度，曲轴的转速会下降。图5为断开4缸发动机某气缸喷油器导线连接器时采集的曲轴位置传感器信号波形，假设点火信号触发的那一刻即为做功行程的开始，做功行程需要经过30个齿，从波形中可以看出该做功行程持续的时间为44.09 ms。如图6所示，正常情况下，该做功行程持续的时间为42.32 ms。这个测试只是断了这个气缸的喷油，气缸本身并不存在泄漏，压缩的空气还可以有空气弹簧的作用，所以只差了1.77 ms，如果气缸是因为泄漏导致的功率下降，则这个时间将会更长。

曲轴旋转1圈经过60个齿，已知经过30个齿的时间为44.09 ms，那么曲轴旋转1圈的时间为88.18 ms，1 min曲轴旋转约680圈，此时的发动机转速即为680 r/min。同理可知，若曲轴经过30个齿的时间为42.32 ms，则对应的发动机转速约为709 r/min。由此可以看出气缸失火对发动机转速的影响。

图7为VVT（可变气门正时系统）调节前后的相关波形对比，其中红色线为曲轴位置传感器波形，绿色线为进气凸轮轴位置传感器波形，蓝色线为排气凸轮轴位置传感器波形。曲轴旋转1圈经过60个齿，每个凸齿加凹齿对应6°，单独1个凸齿对应3°。由图7可知，进气凸轮轴位置传感器信号向左移动了3.5个齿，也就是进气凸轮轴位置滞后了21°的曲轴转角；排气凸轮轴位置传感器信号向左移动了2个齿，也就是排气凸轮轴提前了12°的曲轴转角。

图5 断开某气缸喷油器导线连接器时采集的曲轴位置传感器信号波形（截屏）

图6 正常车的曲轴位置传感器信号波形（截屏）

图7 VVT调节前后的相关波形对比（截屏）