CN104863735B - 电控内燃发动机正时信号故障诊断装置 - Google Patents
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Abstract
一种电控内燃发动机正时信号的故障诊断装置，由中央数据处理器(11)，正时信号处理器(10)，数据库存储器(12)，用户界面(13)，正时信号输入接口(14)，和正时信号输出接口(15)构成。该装置提供了三种工作模式，通过分析输入的二路正时信号得到的特征参数，与数据库(12)中预存的特征参数比对，实现正时信号的故障诊断；通过分析输入一台新内燃发动机的正时信号将其特征参数存入数据库(12)，留待今后诊断同型号内燃发动机故障；根据数据库中配套的内燃发动机正时信号的特征参数生成二路正时信号输出，激活ECU，以便于一台无法运转的内燃发动机的故障诊断。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子控制内燃发动机正时信号的故障诊断装置。
背景技术
现代内燃发动机广泛采用电子控制控技术(简称电控)。附图1所示为一台典型的电控内燃发动机。图1中的1为电控内燃发动机。2为控制计算机ECU。3为电控执行器，例如装备在电控喷油器、电控喷油泵等上的电磁执行器。5为检测内燃发动机压力、温度等物理量的传感器。4为内燃发动机同步转速传感器又称正时传感器。该传感器安装在以曲轴转速或者凸轮轴转速旋转的齿盘周边很近的位置，齿盘周边有若干个凸齿或者凹齿。齿盘旋转时，传感器输出与齿盘凸凹齿相位一致的正时信号。该传感器主要有磁电式和霍尔效应式。附图2为磁电正时传感器输出的浮动电压过零信号，其电压信号幅值随内燃发动机转速的增高而增加，内燃发动机转速100转/分时，信号电压幅值在100毫伏量纲，内燃发动机转速5000转/分时，信号电压幅值可以超过100伏。该信号输入ECU后需要将其整形为幅值为给定电压值的方波。原信号过零点经整形后成为每个方波脉冲的前沿。这样的方波脉冲信号可以进行数字处理。霍尔效应正时传感器的输出信号为幅值为+5V的方波信号，可以直接进行数字处理。正时传感器是电控内燃发动机最重要的传感器。正常工作的正时传感器是确保内燃发动机ECU可以产生信号驱动与内燃发动机运转同步的执行器的必要条件。绝大多数电控内燃发动机采用二个正时传感器的“冗余”设计，即当一个正时传感器出现故障时，另一个正时传感器仍然可以保持ECU与内燃发动机同步工作。但是内燃发动机的性能将不可避免的受到影响，通常会以限制功率输出的“跛行”方式运行。二路正时信号均出现故障将直接导致内燃发动机无法运转。通常一个正时传感器对内燃发动机曲轴转速齿盘发生正时信号，另一个正时传感器对安装在凸轮轴转速齿盘发生正时信号。有的内燃发动机上的二个正时传感器都利用同一个凸轮轴转速齿盘发生正时信号。电控内燃发动机的正时信号的格式很多，通常是由均布齿和特殊齿构成。特殊齿可以分为，没有特殊齿；减齿，附图3中的6为减一齿位置；加齿，附图4中的7为加一齿位置；位移齿，附图5中的8为位移一齿位置。
目前电控内燃发动机故障诊断的主要工具包括内燃发动机ECU故障解码器，通用万用电表，电流卡钳，和通用电子示波器。电控内燃发动机故障诊断可以分为两个阶段，第一阶段通过内燃发动机ECU解码器读取ECU记录的自诊断故障代码。由于ECU自诊断功能只能指出内燃发动机故障的大致方向，难以确定产生故障的根源的具体零部件。因此在读取ECU故障代码后，还需要进行第二阶段的故障诊断，找出真正的故障零部件。目前第二阶段的内燃发动机诊断，维修人员只能凭经验和通用万用电表逐个零件排查，很多时候还需要采用拆掉怀疑有问题的旧零件，安装新零件来确定故障零件。常见的内燃发动机正时信号故障诊断是维修从业人员最为棘手的任务之一。通过内燃发动机ECU解码器可以读取正时信号错误的故障代码。但是造成该故障代码的源头可能是正时信号传感器失效，可能是连接线束故障，可能是ECU相关电路故障，还可能是产生正时信号的齿盘安装错误或者是齿盘质量缺陷。少数电控内燃发动机维修厂，采用通用示波器显示正时信号的波形，通过对波形，脉冲数以及二个正时信号之间的角度相位差的仔细观察，才能确定正时信号的故障源。对于大多数维修从业人员，不具备使用通用示波器的技术技能，因此只能完全凭经验，拆卸有关零部件排查故障。
发明内容
本发明提供了一种电子控制内燃发动机正时信号故障诊断装置，具有如下功能：
检测来自正时传感器的信号，与内部数据库存储的相应内燃发动机正时信号相比对，判断正时信号的故障。
通过检测一台正常内燃发动机的正时信号，学习数据库中没有的内燃发动机正时信号，扩充数据库。
发出正时信号，激活内燃发动机ECU，对一台无法运转的内燃发动机的ECU及各种执行器进行故障诊断。
本发明的技术方案是：
附图5所示为本发明的电控内燃发动机正时信号故障诊断装置。9为本发明。10为正时信号处理器，用来识别输入的内燃发动机正时传感器信号以及产生模拟内燃发动机正时传感器的信号输出，驱动激活ECU。14为输入的内燃发动机二个正时传感器正时信号。15为正时信号处理器模拟正时传感器的二路输出正时信号。11为中央数据处理器。12为存储器。13为用户界面，包括显示屏幕和键盘。
正时信号处理器10有二个基本功能。基本功能一为识别输入的内燃发动机正时传感器的二路正时信号，见附图7。内燃发动机二路正时信号14输入到信号整形电路16，将磁电传感器的浮动过零信号整形为方波信号。整形后的方波信号输入正时信号识别模块17，进行信号处理。本发明的正时信号故障检测工作模式以及学习新内燃发动机正时信号的工作模式，都是在应用识别输入正时信号的功能。基本功能二为发生给定内燃发动机的二路正时信号输出，见附图8。输出的二路正时信号用来激活内燃发动机ECU，以便于对内燃发动机作进一步的故障诊断。
内燃发动机正时信号存放在存储器12的数据库中，以内燃发动机型号为存储单元，每单元存储一组二种正时信号。数据库预存了多种内燃发动机的正时信号组的特征参数。所有正时信号均以内燃发动机工作循环为周期，对于四冲程内燃发动机的工作循环周期是720曲轴度，对于二冲程内燃发动机是360曲轴度。下面的论述以最广泛应用四冲程内燃发动机为准。这些特征参数包括：
内燃发动机类型，1为二冲程，2为四冲程；
正时传感器类型，1为磁电式，2为霍尔效应式；
均布齿间隔曲轴角度；
特殊齿类型，0为没有特殊齿，1为减齿，2为加一齿，3为移位一齿；
特殊齿在内燃发动机工作循环周期内出现的频次；
特殊齿为减齿时，在每个位置上的减齿数目；
加齿或者移位齿时，特殊齿距下一个正常齿的曲轴角度；
每组二种正时信号之间的曲轴角度相位差。
当本发明设置为识别输入的内燃发动机正时信号时，见附图7，输入信号整形电路16和脉冲信号识别模块17是正时信号处理器10的一部分。内燃发动机应该保持在稳定的怠速，确保输入的正时信号稳定。来自内燃发动机二个正时传感器的二路正时信号14输入到输入信号整形电路16，将电磁传感器的浮动过零信号转换为以过零点为前沿的方波信号。经过整形的方波信号输入脉冲信号识别模块17。模块17内设一个硬件计时器。当用户指令正时信号识别任务开始时，计时器开始计算时间，在二路正时信号每一个经过整形的方波脉冲前沿出现的时刻，采集计时器的时间。用二个数组分别记录二路正时信号的时间采样值。这样，在规定的识别时间段，形成了二路正时信号的二个脉冲时间序列数组。
模块17中的硬件计时器的时间分辨率的选取：
正时信号波形识别的曲轴角度分辨率：不大于0.2曲轴度
内燃发动机怠速范围：600-1200转/分，选择1200转/分
硬件计时器的分辨率：不大于27.8微秒。
正时信号识别时间段长度的选取：
采集的正时信号长度：不少于三个内燃发动机周期，即内燃发动机转动6转的时间，确保至少采集到一个内燃发动机周期的二路完整的正时信号
内燃发动机怠速范围：600-1200转/分，选择600转/分
正时信号识别时间段长度：不少于0.6秒。
二路正时信号的脉冲时间序列来自同一个计时器，因此通过这二个时间序列数组，既可以判断每路正时信号的格式，也可以判断二路正时信号之间的曲轴角度相位差。内燃发动机的二路正时信号，其中至少一路是凸轮转速信号，即周期为720度曲轴角的信号。绝大多数内燃发动机凸轮正时信号具有多一齿或者移位一齿的特殊齿。因此，通过分析凸轮正时信号，可以确定二路时间序列中的连续有效的一个720度曲轴角的正时信号周期的时间，继而计算出与脉冲间隔时间相对应的曲轴角度，最终确定以曲轴角度定义的二路正时信号各自的波形及其二路正时信号之间的相位差。在时间序列数据处理中需要消除由于内燃发动机转速不稳或者曲轴扭转振动造成的正时信号采集误差。大于2度曲轴角的正时脉冲偏移，则应认为是正时信号故障造成的。在没有正时信号故障的请况下，对二路正时信号时间序列进行数据处理，将得到该内燃发动机所前面定义的以曲轴角为单位的正时信号特征参数。
当本发明设置为学习新内燃发动机正时信号模式时，通过用户接口13输入新内燃发动机型号，在数据库中建立相应的存储单元。在成功的完成对二路正时信号的识别后，将得到的正时信号特征参数存入数据库中该内燃发动机单元，以备今后诊断同型号的内燃发动机。
当本发明设置为正时信号故障诊断模式时，通过用户接口13输入所需要检测诊断的内燃发动机型号，通过中央数据处理器11从数据库12中读取相应正时信号特征参数。运转待测内燃发动机，识别二路正时信号。然后将实测的正时信号特征参数与数据库中该内燃发动机的正时信号特征参数加以比对。如果实测值与数据库值无差别，则被测内燃发动机的正时信号无故障。如果实测值与数据库值有差别，则内燃发动机的正时信号有故障。监测到的正时信号故障可以分类如下：
二路正时信号各自的格式均无误，但二路信号的相对角度相位有一个曲轴角度误差。表明其中一路正时齿盘的安装角度错位了该曲轴角度。
一路正时信号格式无误，另一路正时信号格式中在确定角度位置上重复出现的多余脉冲信号。表明该路信号齿盘有故障，例如在某一角度位置有裂纹或毛刺等缺陷。
一路正时信号格式无误，另一路正时信号格式中有随机出现的多余脉冲信号。表明该路信号传感器上粘有铁屑，或者线束绝缘屏蔽有问题。
二路正时信号格式均有错误，内燃发动机ECU无法识别任何正时信号，不会发出任何执行器驱动信号，内燃发动机无法启动运转。
通过检测得到的详细错误信息将在用户界面13上显示。
在电控内燃发动机出现故障，不能运转时，需要采用本发明的另一个功能，输出二路正时信号激活ECU，然后诊断ECU以及各个执行器的故障。附图8为正时信号输出模式框图，正时信号发生模块18，输出波形整形模块19，20以及开关21，22都是正时信号处理器10的一部分。操作者通过用户界面13输入被测内燃发动机型号和设定的内燃发动机转速。中央处理器11从数据库12中读取该内燃发动机的正时信号特征参数。正时信号发生模块18根据特征参数和内燃发动机转速构造出二路正时信号方波格式。根据正时信号模拟的正时传感器的种类，分别将正时信号方波整形为所需要的输出波形。通过二个模块19各将一路正时信号整形为模拟霍尔效应传感器的+5V幅值的方波输出。通过二个模块20各将一路正时信号整形为模拟磁电传感器的浮动过零信号输出。正时信号特征参数中的“正时传感器类型项”控制开关21和22的导向，实现了在同一输出接口15自动切换模拟霍尔效应和模拟磁电二种不同的正时传感器输出。
本发明中的模块20采用数字模拟变换器(DA)，将模块18产生的正时方波信号转换为过零信号。每一方波脉冲前沿形成一个过零点。每个过零点邻域的信号波形为固定单周期，固定幅值的正弦波或者三角波，见附图9。其固定幅值可以是1至5伏，固定单周期由内燃发动机最高转速，和可能的最小正时信号齿间距决定。内燃发动机最高转速5000转/分，最小正时信号齿间距10曲轴度。模拟过零信号波形的固定单周期应小于0.4毫秒。可以选择模拟过零信号周期0.2毫秒。
通过在用户界面13改变内燃发动机转速，正时信号发生模块18将改变输出的正时信号的频率，输出接口15的输出成为在指定转速下的正时信号。
一旦内燃发动机ECU被本发明输出的正时信号激活，就可以进一步诊断内燃发动机ECU和各个执行器的故障。
附图说明
附图1，电控内燃发动机
附图2，磁电式正时传感器的电压信号
附图3，正时传感器和正时信号齿盘，由均布齿和减一齿位置构成
附图4，正时传感器和正时信号齿盘，由均布齿和加一齿构成
附图5，正时传感器和正时信号齿盘，由均布齿和一个移位齿构成
附图6，本发明框图
附图7，识别输入正时信号框图
附图8，输出正时信号框图
附图9，输出的模拟磁电正时传感器信号的波形
具体实施方式
正时信号故障检测模式
一台电喷内燃发动机1仍然可以运转。ECU故障代码指示一路正时信号故障。
用二根三通电缆连接内燃发动机的二个正时传感器4，内燃发动机ECU2及本发明的二个正时信号输入端14。这样内燃发动机ECU2和本发明9可以同时检测2路正时传感器4的信号。
通过用户界面13选择待测内燃发动机型号。中央处理器11读入数据库12中的相应正时信号特征参数。
启动内燃发动机，稳定在怠速。通过用户界面13指令开始检测正时信号。
输入的正时信号14经过整形电路16成为方波信号，识别输入正时信号模块17对二路正时方波信号进行识别，产生二路基于同一时钟的时间序列。中央处理器11分析比对数据库的正时传感器特征参数与实测值，就可以判断正时信号的如下故障。
二路正时信号各自的波形均无误，但二路信号的相对角度相位有一个曲轴角度误差。表明其中一路正时齿盘的安装角度错位了该曲轴角度。
一路正时信号波形无误，另一路正时信号波形有确定角度位置上重复出现的多余脉冲信号。表明该路信号齿盘有故障，例如在某一角度位置有裂纹或毛刺等缺陷。
一路正时信号波形无误，另一路正时信号波形有随机出现的多余脉冲信号。表明该路正时传感器上粘有铁屑，或者线束绝缘屏蔽有问题。
正时信号学习模式
某型号电控内燃发动机不在数据库12中。需要一台该型号正常运行的内燃发动机。
用二根三通电缆连接内燃发动机的二个正时传感器4，内燃发动机ECU2及本发明的二个正时信号输入端14。这样内燃发动机ECU2和本发明9可以同时检测2路正时信号传感器信号4。
通过用户界面13添加待测内燃发动机型号，建立数据库12中的相应存储单元。
启动内燃发动机，稳定在怠速。通过用户界面13指令开始检测正时信号。
输入的正时信号14经过整形电路16成为方波信号，识别输入正时信号模块17对二路正时信号方波进行识别，产生二路基于同一时钟的时间序列。中央处理器11分析这二路时间序列就可以得到这二路正时信号的特征参数。
将测得的正时信号特征参数存入新内燃发动机的数据库存储单元，留待今后检测同型号内燃发动机故障时使用。
正时信号输出模式
一台故障电控内燃发动机已经无法运转。
用电缆连接本发明的二个正时信号输出端15和内燃发动机ECU2相应端口。
通过用户界面13选择待测内燃发动机型号，并设定内燃发动机转速。
中央处理器11读入数据库12中的相应正时信号特征参数。经正时信号发生模块18，产生正时信号的方波形式。根据特征参数中“传感器种类“项的定义，自动将开关21和22导通到相应的整形电路20，产生输出的磁电模拟输出信号，或者整形电路19，产生霍尔模拟输出信号。输出的正时信号将激活ECU。使ECU发出与内燃发动机同步的信号驱动电控执行器3，例如喷油器电磁阀或者喷油泵电磁阀。以便于对内燃发动机ECU和各种电控执行器作进一步的故障诊断。
Claims (4)
1.一种电控内燃发动机正时信号的故障诊断装置，包括中央数据处理器、正时信号处理器、数据库存储器、用户界面、正时信号输入接口，以及正时信号输出接口，其特征在于：
所述正时信号输入接口与内燃发动机的电子控制***相连接，由正时信号处理器通过该接口获取内燃发动机电子控制***的正时传感器检测传出的运转中内燃发动机正时传感器信号；所述数据库存储器中预先存储有各种电控内燃发动机的二路正时信号特征参数，并且不同种类、多种格式的二路正时信号在该数据库存储器中用统一的特征参数来表达；这些参数包括：
内燃发动机类型，1为二冲程，2为四冲程；
正时传感器类型，1为磁电式，2为霍尔效应式；
均布齿间隔曲轴角度；
特殊齿类型，0为没有特殊齿，1为减齿，2为加一齿，3为移位一齿；
特殊齿在内燃发动机工作循环周期内出现的频次；
特殊齿为减齿时，在每个位置上的减齿数目；
加齿或者移位齿时，特殊齿距下一个正常齿的曲轴角度；
每组二种正时信号之间的曲轴角度相位差；
所述正时信号处理器用于对获取的正时信号进行处理，将其转换为上述统一形式的特征参数，将该特征参数与内部数据库存储的相应内燃发动机正时信号相比对，判断内燃发动机正时信号的故障；所述正时信号输出接口与内燃发动机电子控制***的控制计算机ECU相连接，将所述正时信号处理器产生出的正确模拟正时信号传送至ECU，激活内燃发动机ECU，让一台无法运转的内燃发动机的ECU及各种执行器按正常工况运转，从而进行进一步的故障诊断。
2.如权利要求1所述的电控内燃发动机正时信号的故障诊断装置，其特征在于：所述正时信号处理器将数据库中的正时信号特征参数和设定的内燃发动机转速，生成二路持续的正时信号输出。
3.如权利要求1所述的电控内燃发动机正时信号的故障诊断装置，其特征在于：所述正时信号处理器根据特征参数的传感器类型项，自动导通正时信号处理器中相应的波形整形模块，实现在单一输出端口自动切换所要模拟的传感器信号波形。
4.如权利要求1所述的电控内燃发动机正时信号的故障诊断装置，其特征在于：所述正时信号处理器中采用数模转换电路产生的固定幅值、固定周期的单周期正弦波或者三角波对方波信号进行整形，输出模拟磁电传感器的过零信号。
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