1.曲轴位置传感器G28。 G28作为检测曲轴位置和转速的主要输入变量之一,可确定点火正时和喷油正时的测量基准值。它一般安装在单独的G28信号盘上(参见图3-1),或压装在曲轴密封法兰上(参见图3-2)。
(1)G28的类型。
常见的G28有三种:磁感应式/被动型,代号DG-6;霍尔式/主动型,代号DG-23;能识别正反向型,代号DG-23i。具体参见表3-1。
1)磁感应式/被动型,代号DG6。
DG-6的电路图和诊断示意见图3-3。
G28正对信号盘。当信号盘随曲轴转动时,G28与信号盘中的齿的气隙发生变化,导致磁通量发生变化,从而在G28中的线圈产生感生电动势。感生电动势的频率和幅值与转速成正比,参见图3-4。
但磁感应式G28有以下缺点:
①信号(幅值)大小与曲轴转速有关。由于ECM只能接受5V以上的电压,因此不能有效检测低于20r/min的曲轴转速,不利于快速起动。
②对安装间隙要求较高。
③容易受到振动、噪声等导致气隙波动的干扰。
④不能识别正反转。
因此,现在的车型多采用霍尔式传感器。
2)霍尔式/主动型,代号DG-23。
较多车型采用一个带有集成式发动机转速传感器轮的曲轴密封法兰,见图3-2。曲轴密封法兰在飞轮侧将气缸体密封住。曲轴位置传感器(发动机转速传感器)是一个霍尔传感器,发动机转速传感器轮由一个涂有橡胶混合物的钢环组成。在橡胶混合物中含有大量的金属屑,这些金属屑以交替方式磁化为N极和S极区域。作为发动机转速传感器的基准标记,传感器信号盘上有个较大的N极区域(60-2)。传感器轮压装在曲轴法兰上且定位精确。
另一种形式是将霍尔元件和磁铁集成在DG-23中,检测60-2齿的信号盘,参见图3-5。
DG-23的工作原理是利用霍尔效应进行检测,参见图3-6。它的优点是对间隙和温度不敏感、输出信号大、不易受磁场干扰。
3)能识别发动机转向的霍尔式/主动型,代号DG-23i。
EA211及以后所有TSI发动机,均配备有能识别发动机转向的G28传感器DG-23i。
在装备有起停系统的车辆中,当发动机自动停机后为了迅速再次起动,发动机控制单元必须识别曲轴的准确位置。发动机进入停机工况,发动机会再转几圈才完全停转。如果某缸活塞在压缩上止点前,那么该活塞会被压缩压力向回推,发动机逆向转动。新款G28是由三块霍尔元件组成,能识别顺转和逆转,并将处理后的信号输送给发动机控制单元,参见图3-7。DG-23i的工作原理参见图3-8。
(2)曲轴上止点缺齿信号。
G28传感器采用60-2齿的测速方法,60-2感应齿圈安装在飞轮上。
当G28信号盘随曲轴旋转时,信号转子每转过一个凸齿,传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势(即电动势出现一次最大值和一次最小值),线圈相应地输出一个交变电压信号。因为信号盘上设有一个产生基准信号的大齿缺,所以当大齿缺转过G28时,信号电压所占的时间较长,即输出信号为一宽脉冲信号,该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。
当ECM检测到某两个下降沿间的距离大于两个齿的距离,就会确认上止点齿缺信号。曲轴每转一圈,系统就会接收到一个曲轴上止点齿缺信号,并根据这个信号与曲轴位置保持“同步”,进而确保系统能正确地控制喷油和点火正时,参见图3-9。
(3)转速信号。
ECM通过G28检测曲轴转速,作为发动机管理的基本参数之一。
2.相位(凸轮轴位置)传感器G40。
G40的作用是向ECM提供发动机凸轮轴相位信息,结合G28信号,可区分曲轴是处于第1缸压缩上止点还是排气上止点。
目前大多数系统所用的相位(凸轮轴位置)传感器是霍尔式的,其信号盘安装在凸轮轴上。
当信号轮上的凸台经过相位传感器时,磁场发生变化,从而使相位传感器输出的信号电压产生变化。
(1)G40的类型。
1)PG-1挡板式霍尔传感器。
用于早期的车上。当发动机凸轮轴带动触发钢制转子旋转时,叶片周期性通过空气隙,引起磁路状态变化,由此产生相应的霍尔电压以及输出电平脉冲信号,参见图3-10。
对于采用快速起动功能的车型,装备了带两个宽板和两个窄板(两个大窗、两个小窗)的快速起动信号盘,参见图3-11。如果霍尔传感器中出现一个隔板,那么传感器信号输出电平就为高(High),参见图3-12。
2)PG-3.3差分式霍尔传感器。
PG-3.3的信号盘设计成相邻的双轨道式,互为反相布置。双轨道的设计,确保生成的信号更精确。当霍尔元件1处于轨道金属位置时,霍尔元件2就处于空隙,参见图3-13。
霍尔元件1和2的差值,用于评估并产生输出信号,参见图3-14。
3)PG-3.5单霍尔元件的传感器。
PG-3.5主要是利用霍尔原理产生交变信号,参见图3-15。
4)PG-3.8单霍尔元件的传感器。
PG-3.8安装在发动机上,通过测量连接在凸轮轴信号盘的齿或磁环的位置变化,来确定凸轮轴的位置和转速。由于信号盘在PG-3.8的磁场里旋转,由磁感应原理,信号盘旋转时会改变磁通量的大小,带动传感器线圈里电流的变化,从而改变输出信号的大小。通过ASIC对信号进行处理从而得到测量数据,参见图3-16。
(2)G40和G28共同判断第1缸上止点。
1)G40信号盘为普通型。
在发动机起动过程,装备普通凸轮轴信号盘的发动机中,ECM检测到第一次G28缺齿信号后,曲轴再转一圈才能准确判断1缸上止点,参见图3-17。
2)G40信号盘为快速起动型。
如果装备了快速起动凸轮轴信号盘,ECM可借此快速识别出下一个气缸的上止点,于是发动机就可快速起动,不必一定要与第1缸同步了,参见图3-18。
(3)G40失效后判断第1缸压缩上止点的方法。
当G40失效、G28正常时,发动机仍能判断第1缸压缩上止点,发动机仍能起动,但进入跛行回家模式。以下通过四缸发动机说明其原理。
当FCM在起动时检测到G28有效信号,但没有G40信号时,判断G40故障,BCM采用主动诊断的方法进行判缸。此时,发动机停止某缸(例如第1缸)喷油,通过G28能判断出第1缸或第4缸压缩上止点。在第1缸或第4缸上止点,ECM对第1缸和第4缸同时点火,就会出现以下情况(参见图3-19)：
①如果此时为第1缸上止点,由于此缸没有燃油,发动机转速减慢。
②如果此时为第4缸上止点,由于此缸有正常的燃油,发动机转速加快。
实现此功能的前提条件是G40失效前,发动机工作正常。
此判缸方法的准确性达50%,也就是说,如果判断错误,发动机转速下降甚至熄火,可能要重新起动。如果判缸正确,只要不熄火,就不需要再次判缸,可实现顺序喷油。
3.点火控制。
(1)点火正时/点火提前角。
发动机控制单元根据发动机转速和负荷信号计算点火正时,并实现单缸点火提前角控制。
进行点火提前角修正时应考虑进气温度、冷却液温度和过量空气系数这些因素,参见图3-20。
确定准确的点火正时后,该值在下列情况下会发生变化:
-爆燃控制。
-快速加热三元催化器。
爆燃控制可以选择性地调节各气缸延迟点火。只有在同时接收到爆燃传感器、发动机转速传感器和霍尔传感器G40的信号时,才能控制爆燃气缸的延迟点火。
在三元催化器的加热阶段,混合气会变浓,同时对点火正时,发动机控制单元会推后点火提前角,以便提高废气温度并辅助加热三元催化器。
点火提前角可在不同的工况下用于快速降低转矩,这样适用于自动变速器进行换档等工况。
(2)爆燃控制。
爆燃现象是由于在火焰前锋达到之前,混合气自燃。它限制了发动机的功率输出和有效热效率。长时间的爆燃引起的压力波,以及在气缸垫上、活塞顶和气门附近的区域产生的热应力,都会导致机械损坏。爆燃所产生的振动信号可以由爆燃传感器测得,并把它们转换为电信号,然后传递给 Motronic系统的ECM,参见图3-21。
缸内直喷型的点火提前角远高于进气歧管喷射型,原因是高压燃油喷射入燃烧室后,吸收了部分缸内热量,减少了爆燃倾向,这样可使用压缩比达到11.5:1而不发生爆燃。
多数车型在冷却液温度高于40℃、进气温度高于-10℃时开始爆燃检测和控制。
如果发生爆燃,则将该缸的下次点火正时推迟一个固定的量,奥迪/大众定为3°曲轴转角。
对于被判断为爆燃的每一缸的每一个燃烧过程都要重复这一检测程序。如果不发生爆燃了,便以很小的步幅慢慢地增大点火提前角,直到恢复至脉谱图的数值。提前的步幅根据发动机匹配的不同,可能是0.33°、0.35°或0.75°,参见图3-22。
对奥迪/大众车来说,分缸爆燃控制最大的延迟角是12°。当某缸的延迟角超过12°仍发生爆燃,其余所有缸即使没有发生爆燃也都会将点火角延迟11°,并记忆故障码,参见图3-23。
4.空气充量数据采集。
(1)空气充量。
在汽油发动机管理系统中,空气充量是计算喷油量和点火正时的主要参数。在基于转矩的发动机管理系统中,气缸充量也作为计算发动机瞬时转矩的基础,参见图3-24。
发动机管理系统采用以下传感器监控空气充量:
→热膜式空气质量流量计G70,简称HFM。
→进气歧管压力传感器G71,简称DS-S。
→大气压力传感器F6,简称DS-U。它一般安装在发动机控制单元中。
→增压压力传感器G31,简称DSL,适用于涡轮增压发动机。
→节气门位置传感器G187G188,简称DKG。
以下仅对空气流量计的原理进行说明。
(2)热膜式空气质量流量计G70。
现在使用的空气流量计有以下几款,它们的区别见表3-2。
1) HFM5。
HFM5有一个加热到特定温度的热区。在这个区域的各边温度都会下降。如果没有空气流动,则热区各边的温度下降梯度都相等。吸入空气对传感器元件产生冷却效应,于是空气流在进气端立生更急剧的温度变化。加热过程模型结果见图3-25,根据温差就可计算出进气量,并可以检测逆向气流。
2) HFM6。
2007年开始,奥迪/大众开始采用HFM6型空气流量计,其检测原理与HFM5类似。
HFM6相对HFM5进行了以下改进:修改测量通道的形状,更有利于抗污能力,延长寿命并提高精度;输出频率的数字信号,提高了抗干扰能力,参见图3-26。
3)HFM7和HFM8。
HFM7的主要变化是增加了进气湿度传感器,检测更精确,参见图3-27。
HFM8比HFM7精度更高、稳定性更好。
5.发动机负荷。
发动机管理的基本测量参数是发动机转速和发动机吸入的空气量,由这些参数确定的每循环吸入气缸的空气量就是发动机工况负荷的直接度量,参见图3-28。
数据流分析中,发动机负荷是一个非常重要的数据。影响发动机负荷和驱动转矩的参数见图3-29。
怠速时的发动机负荷,就是克服发动机本身机械运转阻力和部分必须运转的辅件(例如水泵、发电机)的阻力,保证发动机稳定工作即可。通过怠速负荷值,能初步判断发动机是否存在机械故障。
表3-3中举例说明了导致发动机怠速负荷数据异常的情况。
6.曲轴箱通风(PCV)/油气分离器。
PCV的作用是降低机油中水的混入,避免了机油蒸气和窜缸混合气直接排放到大气中。按PCV控制方式,可分为不带涡轮增压型和带涡轮增压型。
(1)不带涡轮增压型的PCV。
不带涡轮增压型的PCV,曲轴箱通风直接接到进气歧管,参见图3-30。PCV的组成包括：
1)曲轴箱进气口。
空气通过空气滤清器的软管进入曲轴箱。被进气歧管中真空吸入的新鲜空气通过机油回流通道进入曲轴箱中。此时,在其中的水汽于气缸体冷壁上冷凝成水之前,它们先与窜缸气体混合在了一起。
2)曲轴箱通风出口。
进气歧管中的真空将气体从曲轴箱中吸出。机油和气体在迷宫式机油分离器和旋风式机油分离器中进行分离,机油滴回到油底壳中。剩余气体通过膜片阀流入进气歧管中。此时,气体与吸人的空气混合并流向燃烧室。
3)泄压阀。
如果曲轴箱存在超压的情况,泄压阀会打开。这时气体经限压阀排入大气,曲轴箱内压力随之减小。如果气缸壁和活塞环磨损,就会形成超压,因为这时就会有更多窜缸气体从气缸流入曲轴箱。
4)膜片阀。
它用来确保曲轴箱内压力稳定和通风良好。它通过膜片分成两个室体,一个室体与外界空气相连,另一个和进气歧管相连,参见图3-31。
①进气管真空度较高时(例如怠速时,膜片将按着开口截面的方向被弹簧的力量推回。因此较少量的空气被抽离曲轴箱。
②进气管真空度较低时(例如节气门全开时),弹簧将膜片推回。因此横截面拓宽,更多空气被抽离曲轴箱。
(2)带涡轮增压型的PCV。
以EA888Gen3为例,其曲轴箱通风的特点是:粗油气分离器集成在缸壁内部;细油气分离器不是在进气歧管端的通风管上,而是直接集成在缸盖上;AKF电磁阀(炭罐电磁阀N80)直接连接在细油气分离器上。它的原理参见图3-32,真空管路连接参见图3-33。
EA888Gen3细油气分离器(曲轴箱通风系统PCV)的工作原理见图3-34。
7.机油消耗的说明。
部分车主反映大众车机油消耗较大,对此大众公司进行了相关说明。
(1)受影响车型。
装备涡轮增压的EA888发动机的一汽大众车型。包括:速腾冠军版、迈腾1.8TSI、迈腾2.0TSⅠ、高尔夫GTI2.0TSI等。
(2)机油消耗的国家标准。
国家标准GB/19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》规定:在全速满负荷试验过程中,机油/燃油消耗百分比应小于0.3%(参见图3-34)符合这一标准的发动机和车辆,其机油消耗量就属于正常和合理的水平。
(3)EA888发动机机油消耗标准。
根据GB/T19055-2003中规定的方法计算,EA888发动机的机油消耗量在0.5L/1000km以内参见图3-35。
(4)机油消耗的原因。
任何一款发动机都会有机油消耗的(参见图3-36),只要机油消耗量不超过相关国家标准,都属正常。
以下从几方面说明机油消耗的可能原因。
1)外部泄漏。
发动机密封不严导致泄漏机油。
2)气门导管(图3-37a)。
气门与气门导管间存在间隙,部分机油会漏入燃烧室,参见图3-37。
3)机油与进气一起吸人燃烧室(图3-37b)。
①曲轴箱通风,窜缸混合气会带走部分机油进人燃烧室,参见图3-38。
②进气系统。气缸的真空会产生泵机油的现象,参见图3-39。
③使用问题。车辆经常髙速行驶,机油温度过高导致消耗偏高;发动机处于磨合期轻微机油消耗过大属于正常现象。
4)气缸壁进入燃烧室(图3-37c)。
活塞与气缸壁存在间隙,有部分机油会通过间隙进入燃烧室。
5)涡轮增压(图3-37d)。
由于采用涡轮增压技术,会有极少部分机油渗出。
6)机件磨损。
如果遇到这种情况,必须进行检测,以查明原因。
(5)机油消耗的特别说明。
①现代电控发动机为满足环保需要,增加曲轴箱强制通风,因此机油消耗比化油器发动机要高。
②机油正常消耗与“烧机油”的现象是不同的。一般有“烧机油”现象的车辆都会有不同程度的尾气冒“蓝烟”、动力下降等症状。
③曲轴箱通风阀(油气分离器)会导致异响、机油消耗偏大,必须仔细检查。参见图3-40~图3-42。
(6)奥迪/大众对机油消耗的技术改进。
①控制曲轴箱通风的负压,参见表3-4。
②提供降低机油消耗的活塞和活塞环套包。例如,奥迪针对EA888 Gen3提供L06L 107 065AR套包,油环从两片式改为三片式。
