压力传感器案例分析——道奇凯领凸轮轴正时错误

汽车诊断

    这是美国的一位叫Bernie Thompson的工程师写的案例，他关于压力检测与分析的见解非常深刻，下面一起来看看吧。   

    内燃机的诊断已经有超过一百多年的历史。在过去，随着诊断工具的发展和不断改进，内燃机的诊断技术日趋成熟。现代汽车的诞生也相应地催生了高等的诊断技术和诊断工具。今天我们来看看一款现代的高端诊断设备——压力传感器。

    压力传感器就是将力的物理量转换为电信号的设备，能检测的物理量有：油压，燃油压力，气缸压缩，排气压力，进气压力，曲轴箱压力及散热器压力等等。通过在示波器上观察这些信号，汽修技师们可以很方便地得到很多有用的信息。这些设备给现代的汽修技师带来一种全新的内燃机诊断方法。

    我们来看看一辆道奇凯领，3L，6缸发动机，顶置凸轮轴。这辆车进来时的情况是怠速不稳。确认了故障状况，并且PCM的故障码已经被清除了。没有故障码残留，所有的监视器都已经运行。将一个压力传感器接入排气尾管中（如图1）。这个压力传感器是一种特殊的压力传感器叫做差分压力传感器，可以从排气尾管中读取排气脉冲。汽修技师们常常用自己的手或者一张一美元钞票靠近排气尾管来感觉或者观看各缸排气脉冲是否一致。如果将压力传感器连接到一个示波器上，那么就能将脉冲的变化以波形的形式展现出来，给现代汽修技师提供更方便的诊断方式。

图1

    但是，采集到的波形需要一个同步信号，才能判断出各个缸对应的排气脉冲。如果使用点火信号作为同步信号，那么就能断定出每个脉冲属于哪个缸。前提是要知道点火顺利（如图2）。同时，在使用点火做排气脉冲的同步信号时也会存在一个正时的问题。对于四冲程的发动机，在压缩冲程和做功冲程期间，进气门和排气门都是关闭着的，次级点火发生在压缩冲程的末端，次级高压使火花塞电极电离击穿空气产生电火花，点燃混合气。混合气燃烧做功推动活塞向下止点运动，并在到达下止点前排气门打开。这个过程中，缸内压力由高变低，活塞到达下止点并开始往回运动推动废弃排出气缸，并最终排出尾气管。

图2

    如果使用点火信号来作为同步信号，那么在火花塞电极电离和排气冲程之间会有一个延迟。为了补偿这个延迟，需要将同步信号从#1缸移到#3缸。在移动点火同步信号时，除了#1缸点火之后还会经过另外两个缸的点火，然后#1缸的排气脉冲会对准点火同步信号。因此，对于四缸的发动机，点火同步信号要移动一个缸到#1缸之后。

    在六缸的发动机上，点火同步信号要移动两个缸到#1缸之后。在八缸的发动机上，点火同步信号要移动三个缸到#1缸之后。

    在图3中，黄色的波形显示的是差分压力传感器采集到的信号。红色的波形是用感应夹子夹住#3缸的高压线测得的信号。绿色的波形是初级点火波形。有了点火信号做同步信号，就能将各个缸的排气脉冲区分开来，这样就能根据排气脉冲分析出是哪个缸或者哪些缸存在问题。因此，要知道发动机的点火顺序，才能与排气脉冲相结合来分析问题。当在检查排气脉冲时，有两件事情需要知道的是：排气脉冲的幅值和正时位置。

图3

    在这两项中，最重要的是正时位置。当分析图3的排气脉冲时，发现#1-3-5缸的脉冲峰值要比#2-4-6缸的峰值要高。现在检查一下#1缸和#2缸的正时位置问题。

        #1缸的脉冲波峰非常接近的绿色的初级点火波形。#1缸排气脉冲和绿色的初级点火波形下降沿之间的时间为1.69ms。但是#2缸排气脉冲和绿色的初级点火波形下降沿之间的时间为6.76ms。现在再检查一下其他缸。进一步的分析发现，#1-3-5非常靠近初级点火的下降沿，与之相反的是#2-4-6缸与初级点火下降沿相隔得的距离要远很多。如图2，点火顺序是1-2-3-4-5-6。#1-3-5缸是第一列的，#2-4-6缸是第二列的。这些数据表明两列的气缸之间存在差异。其中一侧的所有缸存在问题。

    造成其中一侧所有的缸出现问题的因素有很多。为了尽快找到问题的根源，我们将一个差分压力传感器接入制动助力器软管（如图4）。这样就能检测到进气脉冲的波形（如图5），并加上点火信号作为同步信号，这样就能区分出各个缸的进气波形，并进行分析。但是，同样地，在次级高压电离火花塞电极和进气门开启之间也存在一个正时的问题。进气冲程是发生在在点火之前。为了将进气脉冲与对应的气缸相对于，检测#5缸的点火来作为同步信号。并将红色的点火同步信号对准#1缸进气脉冲信号（黄色波形）。

图4

    因此，在四缸的发动机上，点火同步信号要移动一个缸到#1缸之前。在六缸发动机上，点火同步信号要移动两个缸到#1缸之前。在八缸发动机上，点火同步信号要移动三个缸到#1缸之前。

    图5中，发动机处于怠速状态，进气脉冲根据点火信号分别与各缸相对应。我们来看看#1缸和#2缸的情况。在#1缸的进气脉冲中可以看到在#1缸和#2缸的绿色初级点火信号之间有三个独立的正向尖峰。在#2缸的进气脉冲中可以看到在#2缸和#3缸的绿色初级点火信号之间有两个独立的正向尖峰。并且#1缸的进气脉冲尖峰要大于#2缸的进气脉冲尖峰。检查图5中的其他缸的情况发现，#1-3-5缸各自都有三个幅值更高的正向尖峰，与之相反，#2-4-6缸只有1个或者两个幅值较低的正向尖峰，并且形状也相差很大。如图2所示，这辆发动机的点火顺序是1-2-3-4-5-6，这也证实了我们之前采集到的排挤脉冲数据：两列气缸的工况存在不一致的问题。通过分析这些数据，我们可以知道凸轮轴的正时不对。

图5

    拆下凸轮轴正时盖来确认这个结果可能花费好几个小时的时间。因为如果凸轮轴已经从凸轮轴齿轮上移位，那么就很难通过齿轮正时标记来确认凸轮轴的正时。这里有一个更简单、更快速、更精确的办法来确认凸轮轴和曲轴的正时。拆下#1缸的火花塞，并将压缩适配器装入火花塞孔。在安装压缩适配器之前先取下单向阀，这样空气压力就能正常的在适配器软管中传递。将一个300PSI的压力传感器接入压缩软管(Pico的WPS500X压力传感器量程可达500PSI)。示波器就能显示压力传感器采集到的气缸压缩的压力变化波形。

图6

    在起动发动机之前，在#1缸的点火线上装一个火花试验机。这将只允许发动机短暂地运行片刻来采集数据。一旦数据采集完毕之后，关闭发动机。然后将拆下的火花塞装入#1缸。然后在#2缸上重复和#1缸一模一样的步骤，并采集#2缸的气缸压缩数据。图7是1缸的压缩波形，图8是2缸的压缩波形。下面来进一步分析这些波形。

图7

    首先要做的是测量两个相邻尖峰之间的时间。图7的#1缸压缩波形中，两个尖峰之间的时间间隔是145.34ms，等同于曲轴转动2周即720°。将两个尖峰分成4个部分，就能得到四个冲程各自的时间，即36.33ms，等同于曲轴转过180°。现在将时间标尺从第一个压缩尖峰处向右移动36.33ms处，这里就是活塞在做功冲程达到下止点的时刻。排气门会在做功冲程末期活塞达到下止点之前打开，波形也会因为排气门的动作而产生变化。压力的改变会使得波形达到排气冲程的尖峰。这个尖峰值很小，与下止点时刻的值相差不大。在大多数的发动机中，凸轮轴正时正确的情况下，做功冲程下止点的位置处在排气门开启过后的斜坡上，并且非常接近尖峰。通过测量做功冲程后的下止点到排气波形的第一个尖峰的时间，就能计算出相应的曲轴转角。曲轴旋转720°所用的时间为145.34ms也就是曲轴1ms转过4.95°。在图7中，做功冲程后的下止点到排气波形的第一个尖峰的时间为2.42ms，相应地曲轴转过2.42ms X4.95°/ms≈12°。

    下面我们看看图8中的#2缸压缩波形。先测量两个尖峰之间的时间间隔，测得为150ms。将150ms分成4部分，就能得到四个冲程各自的时间，即37.5ms。现在将时间标尺从第一个尖峰向右移动37.5ms，发现做功冲程后的下止点处于排气斜坡中部偏下的地方。这里出现了延迟，使得产生压力尖峰需要的斜坡更长。同时还发现下止点之前的下凹的波形更加圆。这是由于排气门开启较晚造成的，表明凸轮轴运转滞后。曲轴转720°需要150ms，即4.8°/ms，测量做功冲程后的下止点到排气第一个尖峰的时间为6.99ms，即曲轴转过6.99msX4.8°/ms≈33.6°。