柴油发动机共轨压力传感器失效分析与研究

发布时间：2022-01-13

　　摘要： 本文结合某型柴油发动机共轨压力传感器失效的故障案例，对柴油发动机共轨压力传感器的失效样品进行了检测与分析，由浅及深的剖析并最终确定了问题的根本原因，提出了改进优化方案，为其他零部件的设计与故障分析提供了参考。

　　关键词： 柴油发动机;共轨压力传感器;失效分析;电气过载

　　0 引言

　　在柴油发动机的高压共轨系统中，高压共轨管的压力不仅决定了发动机喷油器喷油压力的高低，而且是发动机喷油量计量中及其重要的参数之一，高压共轨传感器的压力信号输出特性是共轨系统中最核心的部分之一[1-5]，高压共轨传感器的故障故障类型主要表现为压力传感器输出电压信号不连续、压力传感器输出信号缺失、压力传感器灵敏度下降和压力传感器信号不能准确反映实际参数值等[6-9]，这些故障都将直接导致柴油发动机无法启动、限扭甚至停机等故障的发生。

　　前期在柴油发动机的出厂试验测试的过程中，多台某型柴油发动机的高压共轨共轨管压力传感器短时间内高频的出现损坏的故障，导致柴油发动机出现输出功率不足等典型问题持续发生。

　　本论文结合柴油发动机高压共轨压力传感器的故障案例，由浅及深的进行了检测与剖析，对该问题做了相关的研究与分析，确定了问题发生的根本原因，并有针对性的提出了优化措施与解决方案。

　　1 故障描述

　　该型柴油发动机在出厂试验测试过程中多次出现发动 机 输 出 功 率 不 足 等 问 题 ，发 动 机 电 控 单 元 ECU (Electrical Control Unit，ECU)故障报错显示为“传感器供电 3 错误”。

　　针对该故障问题，通过一系列的排查最终确定为柴油发动机高压共轨压力传感器发生失效而导致，在更换高压共轨管后故障得以排除与消失，同一个发动机试验台架在短时间内收集到 15 例该类型故障报告，然而造成高压共轨压力传感器故障及压力传感器损坏的具体原因尚不明确，对于生产的正常运转存在着较大潜在质量隐患与经济损失。

　　2 原因分析

　　2.1 柴油发动机高压共轨压力传感器特性参数检测根据柴油发动机高压共轨压力传感器手册的特性参数，在实验室中，使用柴油发动机高压共轨压力传感器性能测试台对故障压力传感器进行了传感器技术参数的典型特性检测与分析。

　　柴油发动机高压共轨压力传感器测试原理示意图如图 1 所示。

　　测试与分析结果显示，送检的共计 13 例故障失效的柴油发动机高压共轨管，2 例共轨管测试结果符合特性参数的要求。

　　其中，测试功能正常的高压共轨压力传感器电压特性输出曲线图如图 2 所示，而某一失效高压共轨压力传感器的电压特性输出曲线如图 3 所示。

　　柴油发动机高压共轨压力传感器功能测试的结果显示，高压共轨压力传感器的电压输出信号异常，不能正常反应测试设备压力的变化，传感器的电压输出值超出了传感器电压特性参数允许的误差范围[10,11]，针对该失效的高压共轨管压力传感器，需要进一步的具体分析高压共轨压力传感器的失效部位。

　　2.2 高压共轨压力传感器的拆检与 X 光检测

　　对其中某一失效的柴油发动机高压共轨压力传感器进行拆封并检查，在高压共轨压力传感器的内部信号处理电路板上可以看到明显的电气烧毁的痕迹，如图 4 所示。

　　对该失效的高压共轨压力传感器的内部电路板进行了 X 光检测，内部电路板的 X 光检测结果如图 5 所示。

　　为找到高压共轨压力传感器的根本失效原因，对该传感器电路板上失效的电子元器件进行了 X 光检测，检测结果显示，该电子元器件的 GND 和 GND_ST 端子之间因发生 EOS(Electrical Overstress，EOS)电气过载而造成引脚熔断。如图 6 所示。

　　进一步分析还发现，该电子元器件的输出端和地端之间的半导体二极管以及电路板上半导体二极管因 EOS 电气过载而导致击穿短路，进而导致了芯片的失效，致使高压共轨压力传感器无法正常工作，至此，导致柴油发动机出现输出功率不足故障的高压共轨压力传感器的故障点已查明。

　　2.3 高压共轨压力传感器可能失效原因分析

　　根据高压共轨压力传感器的失效部位及 EOS 电气过载的失效模式，并参考高压共轨压力传感器的特性技术手册，推测导致该压力传感器故障的可能原因如下[12-14]：

　　①带电热插拔高压共轨压力传感器的接插件;

　　②在无限流(大于 260mA)措施的情况下，长时间的插错高压共轨压力传感器的供电的正负电极;

　　③高压共轨压力传感器的供电电压超过 16V; ④无接地保护。

　　3 故障原因排查及改进方案

　　通过对试验测试台架技师的走访与调查，以及该高压共轨压力传感器的连接器具有防错插结构，排除上述导致高压共轨压力传感器故障可能原因中的①和②，需进一步确认需重点对③和④进行相关的实际测试与取证。

　　对高压共轨压力传感器的供电电源的电压进行测试，并用示波器记录其电压波形，测试结果显示柴油发动机在正常启动过程、加速过程以及恶劣工况运行等条件下，均未捕捉到高压共轨压力传感器的供电电压超过 16V 的情况，ECU 输出的高压共轨压力传感器的供电电压的范围满足设计指标与要求。

　　进而针对该测试台架的高压共轨传感器的地端与发动机机体共轨管之间的电压进行测试，测试结果显示，柴油发动机在正常启动过程、加速过程以及恶劣工况运行等条件下，高压共轨压力传感器的地端与机体共轨管之间存在高达 18V 的反向电压，远远的超出了其他测试台架 0.3V 的正常电压值，如图 7 所示为轨压传感器的地端与机体共轨管之间的反向电压图。

　　据对该电气测试环境此进一步排查发现，该测试台架使用了两套独立的供电电源系统，分别给发动机的起动机和发动机控制器进行供电，然而，该两套独立的电源系统未与发动机机体连接共地，这样就导致供电电源与发动机机体之间存在电势差，该电势差致使轨压传感器出现 EOS 电气过载而失效。

　　将台架上使用的两套独立供电电源系统分别与发动机机体共地，以此消除供电电源与机体之间存在的电势差，再次进行了测试与验证，两者之间的电势差恢复至正常电压范围，该故障现象消失，上述问题得到彻底解决。

　　4 结论

　　本论文针对某型电控柴油发动机在台架出厂测试过程中的高压共轨压力传感器故障进行了深入分析，通过对电子元器件的失效分析，确定了故障发生的根本原因，由于两套供电电源与柴油发动机机体未共地，进而导致供电电源电源与机体之间存在电势差，致使轨压传感器出现 EOS 电气过载而失效，最终引起柴油发动机输出功率不足。鉴于发动机及整车上温度以及压力传感器使用数量较多，高压共轨压力传感器的故障模式与其他传感器存在一定的共性问题，该故障分析过程、分析方法及解决措施等可为快速排除此类故障提供一些参考。——论文作者：赵光亮①② ZHAO Guang-liang;史家涛①② SHI Jia-tao;杨英振①② YANG Ying-zhen;仉佃伟①② ZHANG Dian-wei

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