波形分析在汽車電子控制系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

魏秋蘭

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018）

波形分析在汽車電子控制系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

魏秋蘭

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018）

介紹了基于波形分析的故障診斷思路與方法，以大眾帕薩特B5車型為例，利用大眾專用診斷儀VAS5051B（含示波儀功能）測(cè)試了大眾汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、噴油器及氧傳感器并進(jìn)行分析，對(duì)快速排除汽車電控系統(tǒng)故障，提高維修質(zhì)量和效率具有一定的意義。

波形分析；汽車；電子控制系統(tǒng)；故障診斷

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-136-04

前言

汽車電控系統(tǒng)應(yīng)用逐漸廣泛，其可靠性一般很高，但在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中會(huì)磨損、腐蝕、變形和老化，性能則隨之變差，此時(shí)維修人員利用專用診斷儀及各種解碼器不能對(duì)電子控制系統(tǒng)的無(wú)故障碼的故障部位或原因完全做出判斷，采用讀數(shù)據(jù)流的方法又很難判斷快速變化的數(shù)據(jù)。汽車示波儀可以捕捉快速變化的電路信號(hào)，與正常波形信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可以快速準(zhǔn)確地查找出故障點(diǎn)，同時(shí)還能直接判斷產(chǎn)生故障的原因[1]。因此采用波形分析為電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維修提供了科學(xué)依據(jù)，為檢測(cè)和排除故障提供指導(dǎo)。

1、電子控制系統(tǒng)故障診斷思路

波形分析在汽車電子控制系統(tǒng)故障診斷與維修中的應(yīng)用方式主要有兩種：即整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分析或某個(gè)電器元件或電路的故障分析。汽車電子控制系統(tǒng)故障一般有執(zhí)行器故障、傳感器故障、控制單元故障及線路故障；可先使用專用的診斷儀或解碼器對(duì)所有電子控制系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，在診斷中無(wú)法獲取故障碼，或者通過(guò)故障碼找不出具體故障原因時(shí)，可利用示波儀讀取系統(tǒng)中相關(guān)的傳感器、執(zhí)行器或控制單元通信線路等電子元件的波形信號(hào)；信號(hào)的類型基本分為五種類型：直流信號(hào)、交流信號(hào)、頻率調(diào)制信號(hào)、脈寬調(diào)制信號(hào)和串行數(shù)據(jù)信號(hào)；分析波形將電子信號(hào)的特征如幅度、頻率、脈沖寬度、形狀和陣列等變化做為判定依據(jù)，電子信號(hào)與判定依據(jù)關(guān)系見(jiàn)表1[2]。通過(guò)示波儀可采集的波形很多，下面對(duì)大眾汽車的轉(zhuǎn)速傳感器波形、噴油器波形及氧傳感器波形進(jìn)行分析。

2、波形檢測(cè)方法

大眾汽車可以利用VAS5051B的數(shù)字存儲(chǔ)示波儀功能對(duì)控制單元的各種傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和分析，拔下傳感器或執(zhí)行器的插頭與插座，分別用轉(zhuǎn)接工具VAG1594連接好，然后把示波儀表筆插入連接兩個(gè)端子測(cè)量導(dǎo)線中的插孔中進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中不得中斷傳感器和控制單元之間的線路連接，否則發(fā)動(dòng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。測(cè)量CAN總線波形時(shí)，用專用轉(zhuǎn)接盒VAS1598及連接線將控制單元的數(shù)據(jù)總線端子引出，再將示波儀的表筆放入相應(yīng)的測(cè)量插孔中，打開(kāi)示波儀通道即可顯示波形。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器波形分析

大眾汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器G28產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角位置信號(hào)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和噴油的判缸信號(hào)之一。帕薩特B5多采用磁感應(yīng)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的波形如圖1所示[3]，在信號(hào)轉(zhuǎn)子上有58個(gè)凸齒，信號(hào)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)一圈，傳感線圈就會(huì)輸出58個(gè)交變的電壓信號(hào)。因此，控制單元內(nèi)部計(jì)數(shù)電路每接收到58個(gè)信號(hào)，即可判定發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)了一圈?？刂茊卧鶕?jù)接收轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號(hào)的數(shù)量，便能計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。另外，大齒缺信號(hào)(即寬脈沖)是1缸或4缸活塞即將到達(dá)上止點(diǎn)位置，再結(jié)合凸輪軸位置傳感器輸入的氣缸識(shí)別信號(hào)確定是1缸活塞還是4 缸活塞。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)的失真將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，如圖2所示，電壓在0V左右，故障原因可能為轉(zhuǎn)速傳感器損壞或信號(hào)輪損壞。如果發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸或動(dòng)力明顯下降，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器波形則不規(guī)則如圖3所示，故障原因?yàn)樾盘?hào)輪缺齒。

4、噴油波形分析

噴油量是由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過(guò)噴油器打開(kāi)時(shí)間控制的，在燃油分配管壓力和噴嘴開(kāi)口橫截面一定的情況下，噴油量和噴油時(shí)間成正比。通過(guò)噴油器波形分析可以確定混合氣過(guò)濃過(guò)稀是否由于噴油器的電器元件造成的。帕薩特B5采用電壓驅(qū)動(dòng)型噴油器，其波形如圖4 所示[3]。圖4中A段為提供給噴油器的系統(tǒng)電壓，通常稱開(kāi)路電壓，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，該電壓一般大于13.5 V。B段為噴油器開(kāi)啟段，當(dāng)控制單元送來(lái)噴油信號(hào)時(shí)，信號(hào)的下降沿使功率三級(jí)管飽和導(dǎo)通，加在噴油器上的電壓迅速降低，電流流過(guò)噴油器，噴油器閥心提升、噴油器閥開(kāi)啟、噴油開(kāi)始；當(dāng)噴油器閥開(kāi)啟一段時(shí)間后收到控制單元送來(lái)斷油信號(hào)，信號(hào)的上升沿使功率三級(jí)管截止，隨之關(guān)閉噴油器，噴油停止。由于噴油器是電感元件，當(dāng)電流突然關(guān)斷時(shí)在線圈兩端感應(yīng)出非常高的電壓，即峰值電壓隨著時(shí)間的消逝，峰值電壓回到電源電壓，一個(gè)噴油過(guò)程結(jié)束。在峰值電壓過(guò)后，電壓從峰值回落到開(kāi)路電壓的過(guò)程中出現(xiàn)的一個(gè)“駝峰”波形，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)于噴油器關(guān)閉閥心落座的瞬時(shí)[4]。

當(dāng)混合氣過(guò)濃時(shí)，噴油波形如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)噴油脈寬為5～6ms故障，噴油時(shí)間太長(zhǎng)，從而再檢查氧傳感器等相關(guān)傳感器。如果測(cè)得波形如圖6所示，感生電動(dòng)勢(shì)在10V，說(shuō)明噴油嘴線圈短路，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缺缸和缺火往往可能是噴油嘴不噴油造成，如噴油嘴線圈短路。如果測(cè)得波形如圖7所示，靜止在0V上則說(shuō)明噴油器與電源線連接有故障或噴油線路開(kāi)路。

5、氧傳感器波形分析

氧傳感器是進(jìn)行閉環(huán)控制的主要元件之一。正常工作時(shí)，氧傳感器檢測(cè)排氣中的氧濃度，并隨時(shí)向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元反饋信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元?jiǎng)t根據(jù)反饋的信號(hào)及時(shí)調(diào)整噴油脈寬即噴油量，如信號(hào)反映混合氣較濃，則減少噴油時(shí)間；反之，如信號(hào)反映混合氣較稀，則延長(zhǎng)噴油時(shí)間。這樣使混合氣的空燃比始終保持在理論空燃比附近。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)燃燒故障時(shí)，必然引起氧傳感器電壓信號(hào)的變化，就可通過(guò)氧傳感器的波形分析來(lái)診斷真空漏氣、點(diǎn)火不良、噴油不平衡、氣缸壓力低等一些發(fā)動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題，很多資料顯示其效果很好[5]。

帕薩特B5采用氧化鋯式氧傳感器，正常情況下當(dāng)閉環(huán)控制時(shí)波形如圖8所示，氧傳感器的電壓信號(hào)大約在0至1V之間波動(dòng)，平均值約450mV[3]。當(dāng)混合氣濃度稍濃于理論空燃比時(shí)，氧傳感器產(chǎn)生約800mV 的高電壓信號(hào)；當(dāng)混合氣濃度稍稀于理論空燃比時(shí)，氧傳感器產(chǎn)生接近100mV 的低電壓信號(hào)。當(dāng)然，不同類型的氧傳感器波形不完全相同。氧化鈦型氧傳感器的電壓一般是1V 范圍內(nèi)變化，也有少數(shù)的是5V 范圍內(nèi)變化的。

當(dāng)混合氣太濃，檢測(cè)到氧傳感器波形電壓在0.8伏左右如圖8所示，故障原因可能是氧傳感器損壞或油路故障。當(dāng)混合氣太稀，檢測(cè)到氧傳感器波形電壓在0伏左右如圖9所示，故障原因可能是氧傳感器損壞、排氣管漏氣或噴油嘴未噴油等。

6、故障案例分析

故障現(xiàn)象：一輛2002 年款上海帕薩特B5 1.8T 轎車，該車裝備了帶渦輪增壓的四缸電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，行駛了近6萬(wàn)公里時(shí)出現(xiàn)起動(dòng)困難現(xiàn)象。

故障分析：用故障診斷儀讀取故障碼16706發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)不可信，故障原因可能是：傳感器盤松動(dòng)或彎曲，轉(zhuǎn)速傳感器G28損壞，或傳感器與控制單元之間接頭松動(dòng)，還有可能是屏蔽線斷路。

測(cè)量了G28傳感器的線圈阻值約1000在正常范圍內(nèi)，于是采用示波儀讀取了該傳感器波形，發(fā)現(xiàn)為一條接近0V的直線，因此判定為傳感器線路有搭鐵故障，最后發(fā)現(xiàn)G28與控制單元之間接線因磨損搭鐵，修復(fù)連接導(dǎo)線，故障排除。

7、總結(jié)

本文采用波形分析研究了大眾帕薩特B5車型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、噴油器及氧傳感器波形。結(jié)果表明，波形分析法能夠形象、直觀地反映故障癥狀與故障原因間的因果關(guān)系，為在設(shè)計(jì)、維護(hù)和維修汽車電控系統(tǒng)提供了良好的依據(jù)，有利于進(jìn)一步提高汽車電控系統(tǒng)工作的可靠性與安全性水平。需要注意的是測(cè)量端子的選擇，示波儀表筆的放置都有可能影響波形形狀，所以波形分析要聯(lián)系實(shí)際并與故障診斷儀結(jié)合起來(lái)進(jìn)行更有效的故障診斷。

[1] 吳心平，程新龍, 李照美，波形分析法在汽車故障診斷中的應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006，33.

[2] 賀建波，賀展開(kāi).汽車傳感器的檢測(cè)[M] .北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 陸耀迪，上海大眾帕薩特轎車實(shí)用維修手冊(cè)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4] 司景萍，吉平.噴油波形分析及其在汽車故障診斷中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2003，1.

[5] 郝孟軍，利用氧傳感器波形分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)故障[J].北京汽車，2011，1.

4、結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)管路采用橡膠阻尼管夾固定、減少管路折彎和急彎、增加管路折角度圓弧過(guò)渡折彎、增加管路管徑、采用調(diào)諧壓力油管和合理分配軟管與邦迪管連接長(zhǎng)度等措施能有效降低動(dòng)轉(zhuǎn)管路SBN和FBN，降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的ABN，提高車輛的駕駛性和舒適性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社.2010.

[2] 何渝生.汽車噪音控制.機(jī)械工業(yè)出版社.1999.

[3] 潘仲麟.噪音控制技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

[4] 李偉剛等. 潛艇液壓系統(tǒng)管路振動(dòng)與噪聲的分析控制.機(jī)床與液壓.2010.

[5] 江淮汽車集團(tuán)研發(fā)中心.江淮輕型卡車設(shè)計(jì)規(guī)范.第一版,合肥: 江淮汽車股份有限公司, 2006年6月.

Research of Volkswagen network system fault diagnosis based on waveform analysis

Wei Qiulan
(Shaanxi College of Communication Technology, Shaanxi Xi' an 710018)

This paper introduces the fault diagnosis ideas and method based on waveform analysis, to Volkswagen Passat B5 automobile as an example, using the mass of special diagnostic instrument VAS5051B(including the oscilloscope function) and test the engine speed sensor waveform,the fuel injectors waveform and the oxygen sensor waveform and analysis, for exclusion of automobile electronic control system fault quickly, has a certain significance to improve the repair quality and efficiency.

waveform analysis; automobile; electronic control system; fault diagnosis

U463.6

A

1671-7988(2015)01-136-04

魏秋蘭，就職于陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事汽車電子技術(shù)與汽車維修課程的教學(xué)。