发动机凸轮轴、曲轴信号不同步故障问题研究

薛鹏 杨燕楠 张利君 孙建伟 颜士霞

摘要：发动机凸轮轴、曲轴转速传感器信号发生错误，会导致发动机动力性和经济性变差，严重时甚至会导致发动机不能起车。本文针对信号问题开展研究，全面分析造成信号不同步问题的原因，总结查核信号问题的方法，对于指导发动机的设计及故障的排查具有重大意义。

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.

關键词：柴油机;凸轮轴;转速传感器;信号;故障

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

中图分类号：TP212                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0166-04

0  引言

随着科技的发展和人类生活水平的提高，高可靠性、节能环保型的发动机逐步受到了市场的欢迎。发动机的启动性能是汽车正常运行必备的重要性能之一[1]。

机器在进行满负荷工况的情况下工作时，通过可变进排气正时，将高低速充气效率调高，从而将改善进气量，同时配合上适量燃油，就使得发动机输出扭矩得到相应的增加，从而提高了发动机动力性;当发动机部分负荷工作时，利用可变进排气相位，加大可变进排气重叠角，增加内部EGR，降低泵气损失，降低燃油耗，提高了发动机燃油经济性。但当凸轮轴信号发生错误是可变气门不能正常工作，导致发动机动力下降和燃油耗上升[2]。本文针对发动机启动时凸轮轴、曲轴信号问题开展研究，全面分析造成信号不同步问题的原因，总结查核信号问题的方法，对于指导发动机的设计及故障的排查具有重大意义。

1  磁电转速传感器及其取信号方式

曲轴转速传感器和凸轮轴转速传感器是电控燃油喷射系统重要的传感器，是控制喷油提前角和确定发动机转速不可或缺的信号源。曲轴转速的信号用于确定发动机转速和提前角的精确控制;凸轮轴转速的信号用于判缸，确定发火次序。曲轴和凸轮轴位置传感器包括磁电转速传感器和霍尔转速传感器。

由于霍尔转速传感器成本较高，所以一般情况下，采用磁电转速传感器。磁电转速传感器的安装要求如图1，必须保证一定的尺寸，因为它们都影响到了磁通量的变化。

磁电转速传感器主要由永久磁铁、感应线圈和信号齿盘组成[3]。信号盘由曲轴或凸轮轴带动，利用轮齿靠近或离开感应线圈时，通过感应线圈的磁通量变化，从而在线圈中产生感应电压，如图2所示。计算公式如下：

其中，E是感应电动势，n为线圈匝数，？驻？覫为磁通量的变化，？驻t为时间的变化。

信号盘齿不停旋转，在感应线圈中就产生交变电压信号，发动机电控单元可以从电压交变的变化频率来计算出发动机的转速。另外，在信号盘齿上缺2个齿用于识别曲轴位置（第一缸上止点位置），作为点火正时信号的参考基准。传感器取信号的方式有两种，分为轴向取信号和径向取信号，轴向取信号和径向取信号都是基于传感器的安装要求来定的（如图3）。

2  排查方法总结

在发动机工作工程中，造成曲轴、凸轮轴相位不同步故障可能出现的原因主要有图4中的几项。

3  故障案例排查

3.1 故障描述

某A发动机（6缸发动机），在进行台架实验时报出凸轮轴、曲轴信号不同步故障，该机器凸轮轴取信号采用轴向取信号方式，传感器采用磁电转速传感器。用示波器测得的波形如图5所示。用示波器监测ECU处理信号得到的波形如图6，可以看出ECU识别了凸轮轴信号中的干扰信号，导致相位偏差。

3.2 故障排查

3.2.1 设计问题排查

①通过对比理论设计角度与示波器实测波形，可确认，相位设计正确。

②曲轴转速传感器的安装：计算空气间隙为0.9-1.2mm;附近无回转件，探出距离22mm，如图7。因此，传感器安装符合设计要求。

③凸轮轴转速传感器的安装：计算空气间隙为0.6-1.4mm;附近无回转件，探出距离11mm，如图8。因此，传感器安装符合设计要求。

3.2.2 质量问题排查

①根据测试波形，曲轴、凸轮轴测试信号波形平稳，传感器质量无问题。

②线束图纸针脚与实际线束针脚保持一致，无问题。

3.2.3 性能标定问题排查

ECU所采用的凸轮轴转速信号阀值为0.35V。

3.2.4 信号干扰排查

3.2.4.1 机械干扰

该机器采用轴向取信号，其信号盘的轴向窜动量（信号盘固定在凸轮轴上，因此凸轮轴的窜动量即为信号盘的窜动量）范围为0.1-0.3mm。对比B发动机（6缸发动机，其取信号的方式与A发动机一致，但是未报出信号故障）。计算其窜动量范围为0.02-0.143mm。相关尺寸见表1。

对比发现，A发动機凸轮轴窜动量要比B发动机大很多，这可能是造成凸轮轴转速信号质量差的原因。测试信号盘的窜动情况，采用涡流传感器，分别在50rpm、100rpm、350rpm。用示波器测得信号（电压），然后转化为位移，具体如下：

①转速为50rpm时，用涡流传感器测试波形如图9，经换算位移窜动为0.208mm。

②转速为100rpm时，用涡流传感器测试波形如图10，经换算位移窜动为0.216mm。

③转速为350rpm时，用涡流传感器测试波形如图11，经换算位移窜动为0.192mm。

综上，该台故障机器信号盘的实际窜动量约为0.2mm。后续进行试验，在0.2mm时，模拟信号盘的窜动，干扰电压见表2。

可以看出，在信号盘窜动量为0.2mm的情况下，产生较大幅值的干扰电压。

另外，凸轮轴转速传感器安装在机体上，探头安装密封，无杂物。由于在台架实验，曲轴转速传感器取信号杂物干扰的可能性排除。曲轴转速分支凸轮轴转速分支、无固定，但其分支不受应力，且分支较短、插拔良好。因此，可能性排除。

3.2.4.2 电磁干扰

发电机与起动机离曲轴转速传感器和凸轮轴转速传感器的距离较远，可排除此项。

4  分析及验证

通过以上分析，发现不符合设计项如下：

①A发动机凸轮轴与止推片配合间隙过大，造成信号盘的窜动量太大。

②不可排除的原因：凸轮轴信号阀值低。

后续进行台架实验，将凸轮轴与止推片间隙的理论值控制在0.15mm以内，用示波器测试曲轴、凸轮轴信号的波形如图12。可以看出曲轴信号干扰信号明显降低，最大值在160mv。台架实验多次起车也未报故障。

5  总结

信号盘窜动量太大会使测得的信号出现干扰，造成信号不同步故障。因此，发动机必须采用轴向取信号结构时，在保证传感器安装气隙的情况下，还要保证信号盘的窜动量尽可能小。曲轴、凸轮轴信号故障是发动机故障中常见的一种故障，影响着发动机的可靠性和经济性。本文根据实际经验总结了查核曲轴、凸轮轴信号相位不同步故障的方法，并将该方法应用到了实际案例中，对于后期查核信号故障具有指导意义。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社，2004.

[2]荣兵，等.凸轮轴信号错误分析[J].使用与维修，2014（8）.

[3]张俊红，等.汽车发动机构造[M].天津大学出版社，2008.