1、电喷汽油机传感器的故障检测与分析电喷汽油机传感器的故障检测与分析此论文为他（写手）人作品 摘要传感器品质的好坏，将直接影响汽车各监测部分的控制。本文详细介绍电喷汽油机的发展与现状，电喷汽油机的基本组成；电喷汽油机传感器故障检测的概念与基本原理并对其发展做了概括，介绍了电喷汽油机传感器故障检测理论与方法，对电喷汽油机传感器的故障检测进行了分析。关键词：电喷汽油机；传感器；检测；分析Abstract The quality of sensors directly affects the control of each monitoring elements on automobile. Devel
2、opment and Status of EFI Gasoline and The basic composition of EFI Gasoline are introduced in details. Concept with the basic principles and development of EFI gasoline engine fault detection are given an overview. The fault inspection theory and methods on sensors of EFI gasoline engine are introdu
3、ced , The fault inspection on sensors of EFI gasoline engine are analysised here.Key Words : EFI gasoline engine ; sensors;inspection; analysis目录摘要 IAbstract II第一章 绪论 11.1 电喷汽油机的发展与现状 11.2 电喷汽油机传感器故障诊断的意义 21.3 传感器故障检测的概念与基本原理 21.4 电喷汽油机传感器故障检测技术的发展概况 3第二章 电喷汽油机基本组成及传感器常见故障分析 4 2.1 电喷汽油机的基本组成及各部分的作用
4、42.2 电喷汽油机传感器的典型故障分析 5第三章 传感器故障检测理论与方法 73.1 基于物理冗余的方法 73.2 基于解析冗余的方法 73.3 基于主元分析的方法 10第四章 电喷汽油机传感器的故障检测研究 144.1 电喷汽油机各传感器组成 144.2 进气歧管绝对压力传感器故障检测研究 144.4 曲轴位置传感器结构原理与故障检测研究 174.5 温度传感器的分类与故障检测研究 194.6 氧传感器的故障检测研究 214.7 爆震传感器的故障检测研究 23第五章 总结 25参考文献 26致谢 27第一章 绪论1.1 电喷汽油机的发展与现状自1967 年德国波许公司研制成功D2Jet r
5、onic 电子控制汽油喷射系统以来,世界电控燃油喷射技术已走过了30 多年的发展历程。电控燃油喷射系统从机械式喷射、晶体管辅助喷射、集成电路控制发展到目前的微机控制喷射,从模拟计算机控制发展到数字计算机控制,已由单一项目控制发展成了多项内容的发动机集中控制系统。电控燃油喷射装置在结构上和价格性能比上有着化油器不可比拟的优越性,燃油喷射系统取代化油器已成必然趋势。世界电控燃油喷射技术已趋成熟,但在实际应用中还层次各异, 表现为多样化。如:在国内,电子喷射系统应用得还很少,主要集中在中外合资生产的汽车上;在外国也是机械式、机电式与电控式喷射系统并存。但目前世界总趋势是向电控喷射系统发展,如美国通用
6、福特、克莱斯勒三大汽车公司90 年代生产的轿车上几乎100 %采用了电控汽油喷射系统1。现在电子喷射系统已过渡到微处理机与微集成电路ECU 控制的集中综合控制系统 ,它不单是燃油喷射或电子点火系统,已发展成了集燃油喷射、电子点火、怠速控制( ISC) 、废气再循环( EGR) 、自动变速(AT) 、防抱制动(ABS) 于一体的电子集中控制系统(如1993年美国通用公司Cadillac 分部生产的North2star 电子控制系统即是集发动机管理与传动系控制于一体的集中控制系统。汽车产品的电子化是历史的必然趋势。但是随着电子控制项目的不断增多,电子装置的数量也不断增多,这些电子装置需要占用空间、
7、消耗电能,因而汽车电子产品的发展趋势将是小型化、轻型化、集成化与低功耗2 ,4 ,5 。汽车电子控制的发展趋势还将是微电脑化及智能化的整车集中控制,21 世纪的电控燃油喷射系统不再是一个独立的系统,它只是发动机管理系统或整车控制系统的一部分,必然与其它控制系统相互联系,并且通过车内局部网(CAN) 互通信息,还具有在线故障自诊断(OBD) 功能。电子燃油喷射系统也将朝微集成电路模块化智能型控制方向发展,同时,未来还将研制适应发动机机舱工作环境的具有强抗干扰能力的电子元件,这样既能充分利用机舱内空间,又能使发动机管理系统的结构简化。1.2 电喷汽油机传感器故障诊断的意义随着汽车工业的发展，在具有
8、电子控制装置的汽车上，传感器的数量及种类越来越多，它能把物理量、电量及化学量等信息转换成电子装置（微机）能够理解和接受的信号，可以说它是整个控制系统的眼睛，其品质的好坏、灵敏度高低，将直接影响到对各监控部分的监测和控制品质。在此， 对各种传感器故障的检测与诊断作一介绍， 供使用中参考。目前用于汽车发动机电子控制系统的传感器主要有：爆震传感器、转速传感器、氧传感器、温度传感器、进气歧管压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器等等。它们在使用中难免会出现故障，通常对这些传感器故障的检测与诊断主要采取两种方法：一是依靠汽车上电子控制系统中的自诊断装置（当这些传感器出现故障时，会显示故障码）；二是
9、借助于万用表来检查。1.3 传感器故障检测的概念与基本原理1.3.1 有关传感器故障检测的基本概念传感器的正常工作是自动化系统正常运行的必要条件。传感器的故障检测与诊断技术是适应工程实际需要而形成的各学科交叉的一门应用型综合学科，其研究涉及到多个领域，出现了多种故障诊断方法。故障检测的主要功能是及时发现系统中的故障并报警。在此基础上容错控制系统可以用重构控制律或解析余度或硬件余度等技术保证系统继续正常运作。传感器故障诊断的概念有两种涵义：一种是指手提式的诊断器，它主要是维修人员在进行设备维修时，用来检查系统中的故障；另一种是指由计算机利用系统的解析冗余，完成工况分析，对生产是否正常和引起故障的
10、原因、故障的程度等问题进行分析、判断，得出结论。1.3.2 传感器故障检测的基本原理氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用，其基本工作原理是：在一定条件下（高温和铂催化），利用氧化锆骨外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21%，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。传感器故障诊断冗余法的基本原理传感器故障诊断的基本方法是利用传感器的冗余信息进行传感器的故障诊断，针对不同类别的冗余信息，产生出了不同的诊断方法，如，硬件冗余法、信息冗余法、时序冗余法，它
11、们各有自己的特点和适用性。1.4 电喷汽油机传感器故障检测技术的发展概况1.4.1 国外电喷汽油机传感器故障检测技术发展情况20世纽80年代，汽油机电控汽油喷射系统(EFI)以低成本、高性能逐渐取代传统化油器。1995年以后，国外汽油机几乎百分之百采用了EFI系统，其中绝大多数是多点电喷汽油车。近年来，高档豪华轿车上有采用缸内直喷系统的趋势，以达到欧洲号排放标准。电控燃油直喷式汽油机将成为21世纪车用汽油机的发展方向。1.4.2 国内电喷汽油机传感器故障检测技术发展情况我国电控喷油系统的发展前景电喷发动机是21世纪我国车用发动机发展的方向。按照汽车电子装备产品“十五”规划，我国将在“十五”期间
12、加快发展汽车电唼系统、ABs和安全气囊三大电子装备。EFI系统是我国集中发展、扶植的汽车产品关键总成和系统零部件。目前国内EFI系统产品有单点喷射式和多点喷射式，控制五式既有单独控制，也有集中控制，具有很大发展潜力。但关键部件国产化进程缓慢部分关键工艺有待国产化，中央处理器正在同产化过程中。我国的目标是经过“十五”技改后，产品水平和工艺水平达到国外20世纪90年代水平。第二章 电喷汽油机基本组成及传感器常见故障分析2.1 电喷汽油机的基本组成及各部分的作用 进气系统 进气系统的作用是根据工作机的运行状况提供适当的进气量，一并向ECU传递信息，并根据ECU的驱动信号对空气量做出相应的调整。进气系
13、统主要由空气流量器或进气歧管绝对压力传感器、节气门位置传感器、进气温度传感器、空气阀及空气滤清器、进气歧管等传感器组成。 燃油供给系统 燃油供给系统的作用是：根据ECU的驱动信号，以不变的压力差将一定数量的燃油喷入进气歧管，向工作机准确提供不同工作状态下所需要的燃油数量。该系统的重要组成部分有燃油压力调节器、燃油虑清器、燃油泵喷油器等，其它还包括辅助设备冷启动喷油器、脉冲阻尼器、蓄压器等，如图2-1所示。图2-1 燃油供给系统 1油箱 2燃油泵 3汽油虑清器 4回油管 5燃油压力调节器 6输出管 7冷启动喷油器 8稳压箱 9喷油器 10各缸进气歧管 电子控制系统 电子控制系统有ECU、传感器、
14、执行器、继电器等组成。 2.2 电喷汽油机传感器的典型故障分析电喷发动机出现的故障多样，原因各异，故障现象也不尽相同，但最典型的故障当属氧传感器、温度传感器和位置传感器的故障。它们不但发生故障频率高，还会对发动机的正常工作造成很大的影响。 2.2.1.氧传感器故障氧传感器的非正常工作不仅会影响ECU对混合气的精确控制，还会造成发动机动力下降，经济性下降和排气净化比降低。结果便是发动机容易出现怠速不稳、喘抖、缺火和油耗增加等现象。氧传感器前期发生故障的原因有：使用了含铅汽油；发动机维修时使用了硅密封胶，加之发动起运行过程中产生的二氧化硅，从而致使氧传感器发生故障；发动机工作温度过高，也是致使氧传
15、感器出现损坏原因。2.2.2.冷却液温度传感器故障温度传感器为电脑提供重要数据，辅助ECU控制发动机喷油量。如果传感器状态失常，将会造成油气混合过浓或过稀，大多数发动机会因此出现缺火，怠速不稳和油耗增加等现象。温度传感器的故障检测方法是：拔下传感器线束插头，拆下传感器；将传感器置于水中并对水加热，同时测量在不同温度下传感器两接线端之间的电阻；将测得电阻值与标准值比较。如不符合标准，应予以更换。2.2.3.节气门位置传感器故障该传感器是将节气门位置信号传导给ECU，ECU利用该信号和其它信号一起决定发动机即时的工况。若该传感器工作失常，将会影响点火提前角以及混合气的空燃比。此时，发动机将表现为没
16、有怠速，加速时转速不易提高甚至熄火等现象。该传感器拆卸检修方法是：拔出节气门位置传感器线束插头；用万用表检查各接线柱间的导通情况。节气门在怠速位置时，中间和上部的接线柱应导通；节气门开启后，中间和上部的接线柱应断开。结果与上述不符应予以调整。第三章 传感器故障检测理论与方法3.1 基于物理冗余的方法3.1.1 统计方法多元统计方法是处理高维、相关数据的有效工具，其首先在化工过程的故障检测中得到成功应用，后也被应用于其他的工业过程。由于多元统计方法具有不依赖于过程数学模型的特点，故明显区别于基于数学模型或知识的其他故障诊断方法。多元统计方法将多变量高维数据空间投影到相对独立的低维空间，以降低分析
17、难度。这个方法不需要精确的数学模型，适合处理高维、相关数据的情况而在大规模工业系统中正具有数据量大、数据之间相关性强的的特点。这其中包括主元分析法、偏最小二乘法、因子分析法、及后来提出的规范变量分解法、常规多元统计方法多数情况下不适合解决非线性、时变动态、故障隔离等问题。3.1.2 数据融合方法基于信息融合的诊断方法传感器的故障诊断是一个多源信息融合过程，利用传感器自身的测量数据，以及某砦中间结果和系统的知识，提取有关系统故障的特征，就可进行故障诊断。该方法的一个显著特点是，由于具有相关性的传感器的噪声是相关的，经过融合处理可以明显地抑制噪声，降低不确定性。3.2 基于解析冗余的方法3.2.1
18、 基于滤波器和观测器的方法故障诊断滤波器技术考虑状态空间描述如下的系统： 3-1 3-2其中，是系统的状态向量，是系统的控制输入，是系统的测量输出，是系统中的未知输入扰动，是系统中待检测的故障向量。 故障诊断滤波器的结构如下： 3-3 3-4 - 3-5 R（t）即为残差信号。则故障诊断滤波器设计的主要任务为选取H，V使得(2-14)式渐进稳定同时对扰动信粤保持较强的鲁棒性、对故障信号具有较高的灵敏度。由(2-14)式可得,最理想情况的情况为实现对扰动的全解耦，即： if if 但是，通常情况下该条件往往太苛刻难以满足。同时由于系统中建模误差、扰动等未知输入扰动的存在，使得兄无法满足。需要通过
19、对故障诊断滤波器参数的设计使得残差对于故障具有较高的灵敏度，同时对于扰动具有较强的鲁棒性。3.2.2 等价关系法假设系统的测量方程为m=Hx+w+f(1)式中：。为l个传感器的输出信号；为传感器安装矩阵； 为n维被测量信号；分别为测量噪声和附加故障信号。若选取映射矩阵满足； 3-6 (2-15) 3-7即H的列向量构成一个n,维空间，v的行向量构成了该空间的(1-n)维正交空间。等价向量定义为P=Vm=V(w+f)(4)则等价向量p与被测信号无关，仅仅是噪声w和故障f的函数。若不考虑噪声的影响，等价向量p是故障向量f在v张成的(1-n)维子空间中的分量。因此，可以设置一定的阈值，根据等价向量p
20、的范数检测传感器系统的故障。3.2.3 人工神经网络方法随着专家系统、人工神经网络、模糊逻辑理论的发展，运用分析冗余的思想以及模式识别思想形成了几种流行的故障诊断方法，包括故障分类识别法、模型跟踪法、时间序列预测法。在传感器故障诊断领域，目前研究最多的是基于神经网络的智能故障诊断技术。其应用研究主要集中在以下几个方面：一是用神经元网络构造观测器；二是从模式识别角度，应用神经网络作为分类器进行故障诊断；三足从预测角度，应用神经网络作为动态预测模型进行故障预测；四是将神经网络模糊化后，建立模糊神经网络模型来进行诊断；五是从知识处理角度，建立基于神经网络的诊断专家系统。基于神经网络的传感器故障诊断方
21、法具有鲁棒性好，对干扰的适应强，数据处理速度快等优点，但它也存在一定的缺点：模型结构的物理意义不明确，网络结构实现困难，用于训练网络的数据需精心挑选，用硬件方式实现成本高等。随着对基于神经网络的传感器故障诊断方法的深入研究，一些高效的网络结构(如径向基函数网络)和新的算法(如遗传算法)被应用其中，给这类方法的进一步发展注人了活力。3.2.4 贝叶斯网络方法贝叶斯网络又称贝叶斯信念网络，是一种对概率关系的有向图解描述，它提供了一种将知识直觉地图解可视化的方法。贝叶斯网络是一个有向无环图(Directed Acyclic Graph，DAG)，它由代表变量的节点及连接这些节点的有向边构成。其中节点
22、代表论域中的变量，有向弧代表变量间的关系(即影响概率)，通过图形表达不确定性知识，通过条件概率分布(CPD)的注释，可以在模型中表达局部条件的依赖性6。按照贝叶斯公式给出的条件概率定义P(A|B)：P(B)为先验概率；P(A/B)为后验概率；P(B/A)为似然率。假设A是一个变量，存在n个状态a1，a2，aian，则由全概率公式可以得出P(B)=P(B|A=ai)P(A=ai)从而根据贝叶斯公式算出后验概率P(A|B)。贝叶斯网络不但可以实现正向推理，还可利用公式由后验概率推导出先验概率，即由结果导出原因。3.2.5 其它传感器故障检测方法对工业过程的监测可以追溯到很久以前， 而近十多年来，针
23、对工业过程规模大，变量多非线性，模型未知，闭环运行等特点，众多学者对工业过程的故障检测、诊断提出了基于解析模型、基于知识、基于信号处理和多元统计等方法，有许多在实际中产生了良好的效果。3.3 基于主元分析的方法3.3.1 PCA的基本算法主元分析的对象X是一个nm的数据矩阵，其中n代表样本点，m代表变量数。则矩阵X可表示成以下形式： 3-8在多变量统计学中，数据集合的变异信息是用全部变量方差之和来衡量的，其方差越大，数据中包含的信息就越多。假设系统中仅包含两个变量Xl，X2，将这两个变量的样本点表示在一个平面图上(图3-1)，可以看出所有的样本点集中在一个扁型的椭圆区域内，重心为g。很显然，在
24、沿椭圆横轴的方向上(Y1)的变动最大，因此所反映的数据信息也最多，这个方向就是数据变异最大的方向。PCA的过程实质上就是将原坐标系平移和旋转变换，使得新坐标系的原点与样本点集合的重心g重合。新坐标系的第一轴对应于数据变异最大的方向，第二轴与第一轴标准正交，并且与数据变异的第二大方向对应，以此类推。3.3.2 对传统PCA方法的改进动态主元分析理论：为了使静态多变量的PCA方法能适应到动态多变量过程，需要把数据矩阵增加前h时刻的观测数据，其扩张后的数据矩阵为 3-9式中，是t时刻在训练集中的m维观测向量。在DPCA中计算滞后h的步骤如下1)假设h=0的静态情况，对原始数据矩阵进行主元分析，数据矩
25、阵中静态系数等于变量数与主元个数之差；2)令h=1，对构造的新的数据矩阵进行主元分析，计算新的动态关系数；3)随着h的增加，新的关系数按以下公式递推计算： 3-10直至0，即没有新的静态和动态关系为止。3.3.3 基于主元分析的传感器故障检测方法主元分析方法是将高维信息投影到低维子空间，最大程度保留过程的原始信息。低维的新变量数据更加集中的反应了原变量数据所包含的变化信息。为了便于理解主元分析的基本思想，本文以二维的情况来做直观的说明。假设有n组测量，每次测量只包含两个参数x1和x2，根据两个参数的变化，将参数数据点绘制在二维平面上，大致分布在一个椭圆的区域内，如图3.2所示。 3-2 数据分
26、布图如图3-2所示，样本点间的差异显然是由于x1和x2的变化引起的，且x1和x2之间存在着相关性。现将坐标轴旋转一个角度a后，得到新的坐标系y1oy2，此时Y1。对应着椭圆的长轴方向，y2对应着椭圆的短轴方向，新的坐标系和原坐标系的关系可以表示为： 3-11 由图可见，新坐标系中Y1和Y2几乎不相关，样本点的差异也主要体现在了Yl轴上。此时将Y1称为第一主元，Y2称为第二主元，用第一主元提取了原二维系统的绝大部分相关性，实现了降维作用。对过程变量进行主元分析的前提是利用处于正常变化范围内的变量样本数据来建立反映正常生产工况特征的主元统计模型。假设采集正常工况下的观测数据集x，其中包含m个观测变
27、量，每个变量有n个观测值，可以用一个nm维的数据矩阵来表示这些数据： 3-12设X的协方差为： 3-13设的特征值为，且要求，以为相对于的单位特征向量，根据矩阵的分解定理可知： 3-14式中P为单位正交矩阵，则有下式成立： 3-15根据上式可知，每一个得分向量是矩阵x在于这个得分向量对应的负载向量方向上的投影，其长度越长，X在pi方向上的变化范围或覆盖程度就越大。第四章 电喷汽油机传感器的故障检测研究4.1 电喷汽油机各传感器组成电喷汽油机所用传感器很多,基本的传感器有:进气压力传感器、进气流量传感器、节气门位置传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器、氧传感器、爆震传感器、车
28、速传感器。4.2 进气歧管绝对压力传感器故障检测研究4.2.1 半导体压敏电阻式进气歧管绝对压力传感器故障检测方法 A、传感器电源电压的检测。点火开关置于“OFF”位置，拔下进气歧管绝对压力传感器的导线连接器，然后将点火开关置于“ON”位置（不起动发动机），用万用表电压档测量导线连接器中电源端VCC和接地端E2之间的电压，其电压值应为4.5-5.5V。如有异常，应检查进气歧管绝对压力传感器与ECU之间的线路是否导通。若断路，应更换或修理线束。 B、传感器输出电压的检测将点火开关置于“ON”位置（不起动发动机），拆下连接进气歧管绝对压力传感器与进气歧管的真空软管，在ECU导线连接器侧用万用表电压
29、档测量进气歧管绝对压力传感器PIM-E2端子间在大气压力状态下的输出电压，并记下这一电压值；然后用真空泵向进气歧管绝对压力传感器内施加真空，从13.3kPa（100mmHg）起，每次递增13.3kPa（100mmHg），一直增加到66.7kpa（500mmHg）为止，然后测量在不同真空度下进气歧管压力传感器（PIM-E2端子间）的输出电压。该电压应能随真空度的增大而不断下降。将不同真空度下的输出电压下降量与标准值相比较，如不符，应更换进气歧管压力传感器。4.2.2 真空膜盒式进气歧管绝对压力传感器故障检测方法 真空膜盒传动的可变电感式进气歧管绝对压力传感器主要由膜盒、铁心、感应线圈和电子电路等
30、组成。膜盒是由薄金属片焊接而成，其内部被抽成真空，外部与进气歧管相通。外部压力变化将使膜盒产生膨胀和收缩的变化。置于感应线圈内部的铁芯和膜盒联动。感应线圈由两个绕组构成，其中一个与振荡电路相连，产生交流电压，在线圈周围产生磁场，另一个为感应绕组，产生信号电压。当进气歧管压力变化时，膜盒带动铁心在磁场中移动，使感应线圈产生的信号电压随之变化。检测时，将万用表（电压档）的表笔分别插入导线连接器与两端子接触，测量其输出电压。 测量方法如下：在不动插座的情况下闭合点火开关（ON），将万用表表笔与Vs、E端子接触。在开放真空管道、加上大气压的情况下，电压值约为1.5V，而在用嘴巴对真空管道吸气的情况下，
31、电压值应从1.5V起向降低方向变化；发动机怠速运转时，电压值约为0.4V，而当发动机转速升高时，此电压值也升高。4.3 节气门位置传感器故障检测研究4.3.1 节气门位置传感器的结构节气门位置传感器主要由节气门轴、大负荷触点(又称功率触点)、怠速触点和接线插座组成，如图4-1。节气门轴随节气门开度(发动机负荷)大小的变化而变化。当节气门关闭时，怠速触点闭合、功率触点断开，ECU 接收到TPS输入的信号时，如果车速传感器输入ECU的信号表示车速为零，则ECU 判定发动机处于怠速状态，并控制喷油器增加喷油量，保证发动机怠速转速稳定而不致熄火。 当节气门开度增大时，如果功率触点 (PSW)保持断开状态，则IDL端子和PSW端子都将输出高电平“1”。ECU 接收到这两个高电平信号时，将判定发动机处于部分负荷状态，此时ECU将根据空气流量传感器信号和曲轴转速信号计算确定喷油量，保证发动机的经济性和排放性能，如图4-2。当节气门接近全部开启(80以上负荷)时，凸轮转动使PSW闭合，PSW端子输出低电平“0 ”，IDL端子保持断开而输出高电平“1”。ECU接收到这两个信号时，将判定发动机处于大负荷状态运行，并控制喷油器增加喷油量，保证
