柴油發(fā)動(dòng)機(jī)共軌壓力傳感器失效分析與研究

趙光亮 史家濤 楊英振 仉佃偉

摘要： 本文結(jié)合某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)共軌壓力傳感器失效的故障案例，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)共軌壓力傳感器的失效樣品進(jìn)行了檢測(cè)與分析，由淺及深的剖析并最終確定了問(wèn)題的根本原因，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，為其他零部件的設(shè)計(jì)與故障分析提供了參考。

Abstract： Based on the analysis of fault case on diesel engine high pressure rail pressure sensor， failure sample analysis of high pressure rail pressure sensor is done in this paper; the root cause is analyzed from shallow to deep and determined finally， also optimization and improvement scheme are given in the paper， which are helpful for spare parts design and failure analysis.

關(guān)鍵詞： 柴油發(fā)動(dòng)機(jī);共軌壓力傳感器;失效分析;電氣過(guò)載

Key words： diesel engine;rail pressure sensor;failure analysis;electrical overstress

中圖分類(lèi)號(hào)：TK423 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0041-03

0 ?引言

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓共軌系統(tǒng)中，高壓共軌管的壓力不僅決定了發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器噴油壓力的高低，而且是發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量計(jì)量中及其重要的參數(shù)之一，高壓共軌傳感器的壓力信號(hào)輸出特性是共軌系統(tǒng)中最核心的部分之一[1-5]，高壓共軌傳感器的故障故障類(lèi)型主要表現(xiàn)為壓力傳感器輸出電壓信號(hào)不連續(xù)、壓力傳感器輸出信號(hào)缺失、壓力傳感器靈敏度下降和壓力傳感器信號(hào)不能準(zhǔn)確反映實(shí)際參數(shù)值等[6-9]，這些故障都將直接導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)、限扭甚至停機(jī)等故障的發(fā)生。

前期在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠試驗(yàn)測(cè)試的過(guò)程中，多臺(tái)某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓共軌共軌管壓力傳感器短時(shí)間內(nèi)高頻的出現(xiàn)損壞的故障，導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)輸出功率不足等典型問(wèn)題持續(xù)發(fā)生。

本論文結(jié)合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器的故障案例，由淺及深的進(jìn)行了檢測(cè)與剖析，對(duì)該問(wèn)題做了相關(guān)的研究與分析，確定了問(wèn)題發(fā)生的根本原因，并有針對(duì)性的提出了優(yōu)化措施與解決方案。

1 ?故障描述

該型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在出廠試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中多次出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不足等問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU（Electrical Control Unit，ECU）故障報(bào)錯(cuò)顯示為 “傳感器供電3錯(cuò)誤”。

針對(duì)該故障問(wèn)題，通過(guò)一系列的排查最終確定為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器發(fā)生失效而導(dǎo)致，在更換高壓共軌管后故障得以排除與消失，同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架在短時(shí)間內(nèi)收集到15例該類(lèi)型故障報(bào)告，然而造成高壓共軌壓力傳感器故障及壓力傳感器損壞的具體原因尚不明確，對(duì)于生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)存在著較大潛在質(zhì)量隱患與經(jīng)濟(jì)損失。

2 ?原因分析

2.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器特性參數(shù)檢測(cè)

根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器手冊(cè)的特性參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中，使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器性能測(cè)試臺(tái)對(duì)故障壓力傳感器進(jìn)行了傳感器技術(shù)參數(shù)的典型特性檢測(cè)與分析。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器測(cè)試原理示意圖如圖1所示。

測(cè)試與分析結(jié)果顯示，送檢的共計(jì)13例故障失效的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌管，2例共軌管測(cè)試結(jié)果符合特性參數(shù)的要求。

其中，測(cè)試功能正常的高壓共軌壓力傳感器電壓特性輸出曲線圖如圖2所示，而某一失效高壓共軌壓力傳感器的電壓特性輸出曲線如圖3所示。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器功能測(cè)試的結(jié)果顯示，高壓共軌壓力傳感器的電壓輸出信號(hào)異常，不能正常反應(yīng)測(cè)試設(shè)備壓力的變化，傳感器的電壓輸出值超出了傳感器電壓特性參數(shù)允許的誤差范圍[10，11]，針對(duì)該失效的高壓共軌管壓力傳感器，需要進(jìn)一步的具體分析高壓共軌壓力傳感器的失效部位。

2.2 高壓共軌壓力傳感器的拆檢與X光檢測(cè)

對(duì)其中某一失效的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高壓共軌壓力傳感器進(jìn)行拆封并檢查，在高壓共軌壓力傳感器的內(nèi)部信號(hào)處理電路板上可以看到明顯的電氣燒毀的痕跡，如圖4所示。

對(duì)該失效的高壓共軌壓力傳感器的內(nèi)部電路板進(jìn)行了X光檢測(cè)，內(nèi)部電路板的X光檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

為找到高壓共軌壓力傳感器的根本失效原因，對(duì)該傳感器電路板上失效的電子元器件進(jìn)行了X光檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，該電子元器件的GND和GND_ST端子之間因發(fā)生EOS（Electrical Overstress，EOS）電氣過(guò)載而造成引腳熔斷。如圖6所示。

進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，該電子元器件的輸出端和地端之間的半導(dǎo)體二極管以及電路板上半導(dǎo)體二極管因EOS電氣過(guò)載而導(dǎo)致?lián)舸┒搪?，進(jìn)而導(dǎo)致了芯片的失效，致使高壓共軌壓力傳感器無(wú)法正常工作，至此，導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)輸出功率不足故障的高壓共軌壓力傳感器的故障點(diǎn)已查明。

2.3 高壓共軌壓力傳感器可能失效原因分析

根據(jù)高壓共軌壓力傳感器的失效部位及EOS電氣過(guò)載的失效模式，并參考高壓共軌壓力傳感器的特性技術(shù)手冊(cè)，推測(cè)導(dǎo)致該壓力傳感器故障的可能原因如下[12-14]：

①帶電熱插拔高壓共軌壓力傳感器的接插件;

②在無(wú)限流（大于260mA）措施的情況下，長(zhǎng)時(shí)間的插錯(cuò)高壓共軌壓力傳感器的供電的正負(fù)電極;

③高壓共軌壓力傳感器的供電電壓超過(guò)16V;

④無(wú)接地保護(hù)。

3 ?故障原因排查及改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架技師的走訪與調(diào)查，以及該高壓共軌壓力傳感器的連接器具有防錯(cuò)插結(jié)構(gòu)，排除上述導(dǎo)致高壓共軌壓力傳感器故障可能原因中的①和②，需進(jìn)一步確認(rèn)需重點(diǎn)對(duì)③和④進(jìn)行相關(guān)的實(shí)際測(cè)試與取證。

對(duì)高壓共軌壓力傳感器的供電電源的電壓進(jìn)行測(cè)試，并用示波器記錄其電壓波形，測(cè)試結(jié)果顯示柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在正常啟動(dòng)過(guò)程、加速過(guò)程以及惡劣工況運(yùn)行等條件下，均未捕捉到高壓共軌壓力傳感器的供電電壓超過(guò)16V的情況，ECU輸出的高壓共軌壓力傳感器的供電電壓的范圍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)與要求。

進(jìn)而針對(duì)該測(cè)試臺(tái)架的高壓共軌傳感器的地端與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體共軌管之間的電壓進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在正常啟動(dòng)過(guò)程、加速過(guò)程以及惡劣工況運(yùn)行等條件下，高壓共軌壓力傳感器的地端與機(jī)體共軌管之間存在高達(dá)18V的反向電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了其他測(cè)試臺(tái)架0.3V的正常電壓值，如圖7所示為軌壓傳感器的地端與機(jī)體共軌管之間的反向電壓圖。

據(jù)對(duì)該電氣測(cè)試環(huán)境此進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試臺(tái)架使用了兩套獨(dú)立的供電電源系統(tǒng)，分別給發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行供電，然而，該兩套獨(dú)立的電源系統(tǒng)未與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體連接共地，這樣就導(dǎo)致供電電源與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間存在電勢(shì)差，該電勢(shì)差致使軌壓傳感器出現(xiàn)EOS電氣過(guò)載而失效。

將臺(tái)架上使用的兩套獨(dú)立供電電源系統(tǒng)分別與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體共地，以此消除供電電源與機(jī)體之間存在的電勢(shì)差，再次進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證，兩者之間的電勢(shì)差恢復(fù)至正常電壓范圍，該故障現(xiàn)象消失，上述問(wèn)題得到徹底解決。

4 ?結(jié)論

本論文針對(duì)某型電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架出廠測(cè)試過(guò)程中的高壓共軌壓力傳感器故障進(jìn)行了深入分析，通過(guò)對(duì)電子元器件的失效分析，確定了故障發(fā)生的根本原因，由于兩套供電電源與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體未共地，進(jìn)而導(dǎo)致供電電源電源與機(jī)體之間存在電勢(shì)差，致使軌壓傳感器出現(xiàn)EOS電氣過(guò)載而失效，最終引起柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不足。鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)上溫度以及壓力傳感器使用數(shù)量較多，高壓共軌壓力傳感器的故障模式與其他傳感器存在一定的共性問(wèn)題，該故障分析過(guò)程、分析方法及解決措施等可為快速排除此類(lèi)故障提供一些參考。

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