基于PICO示波器應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法

秦太興 李鋒 杜燦誼 曾祥坤 吳勁 徐明輝 單錕

摘要：以帕薩特1.8T電控發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用PICO示波器和PicoScope6軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、執(zhí)行器信號(hào)波形進(jìn)行研究，并給出了相應(yīng)部件的測(cè)試方法和波形獲取方法。將水溫傳感器、點(diǎn)火系統(tǒng)以及排氣壓力的正常波形與故障波形進(jìn)行了對(duì)比分析，討論了三種故障波形的特點(diǎn)和判定方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯現(xiàn)出利用PICO示波器波形分析進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性和高效性。

Abstract： Taking Passat 1.8T gasoline engine as the experimental object， the signal waveform of engine sensor and actuator is studied by using PICO oscilloscope and PICOSCope6 software， and the test method and waveform acquisition method of corresponding components are given. The normal and fault waveforms of water temperature sensor， ignition system and exhaust pressure are compared and analyzed， and the characteristics and determination methods of the three fault waveforms are discussed. The experimental results show the accuracy and high efficiency of engine fault diagnosis using PICO oscilloscope waveform analysis.

關(guān)鍵詞：PICO示波器;波形分析;故障診斷

Key words： PICO oscilloscope;waveform analysis;fault diagnosis

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0133-03

0? 引言

隨著汽車技術(shù)的日新月異，汽車故障與診斷技術(shù)得到迅速發(fā)展，汽車的結(jié)構(gòu)走向復(fù)雜化、集成化，電子化，因此對(duì)汽車的一些故障的診斷以及排除越來(lái)越有難度，同時(shí)學(xué)者們對(duì)檢測(cè)技術(shù)不斷提出高的要求，刺激著汽車檢測(cè)診斷技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。[1]而波形分析法是汽車診斷技術(shù)中比較新型且尚未成熟的一種故障診斷方式，該方式比其它檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的方式更準(zhǔn)確，同時(shí)這種方式檢測(cè)效率高，固然成為當(dāng)今和未來(lái)汽車故障檢測(cè)與診斷方式的重要方向。[2，3]這其中利用PICO示波器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)進(jìn)行提取和分析在分辨率和存儲(chǔ)度上都具有極大優(yōu)勢(shì)，只需要接入PC電腦的USB接口，結(jié)合PicoScope專用操作分析軟件，有強(qiáng)大的數(shù)字示波功能，同時(shí)擁有多探頭高效連接，高采樣率（400MHz）、高分辨率（12-16位）以及多通道等，更有效拓寬了其適用面。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)控制信號(hào)及其工作原理，提出信號(hào)波形的測(cè)量、分析與研究工作。利用專業(yè)示波器PICO及其測(cè)量平臺(tái)，通過(guò)波形采樣，對(duì)比分析以佐證該方法的可行性，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷提供依據(jù)。

1? 總體實(shí)驗(yàn)方案

汽車電子器件在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生如下的五種基本信號(hào)：直流、交流、頻率調(diào)制、脈寬和串行數(shù)據(jù)。這五種基本電子信號(hào)是汽車控制系統(tǒng)中各傳感器、行車電腦和其他設(shè)備之間相互通信的基本語(yǔ)言，也是我們采樣的主要依據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)在帕薩特1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，采用PicoScope示波器進(jìn)行波形的采樣與分析，具體實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示，這其中包括示波器模塊、PicoScope軟件、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、金屬探頭、連接導(dǎo)線、電腦等，通過(guò)搭建該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定信號(hào)的采集再進(jìn)行深度比對(duì)分析，可高效實(shí)現(xiàn)對(duì)固定傳感器、信號(hào)執(zhí)行器的故障診斷。

2? 波形獲取方法

以水溫傳感器信號(hào)波形獲取方法為例。

水溫傳感器有兩個(gè)接線端子，一端是電源線，通常為5V，另一端接地。將USB電纜一端接入筆記本，另一端接PICO示波器，保證電腦與示波器之間穩(wěn)定的信號(hào)和電源連接。然后將BNC轉(zhuǎn)4mm的TA125測(cè)試線（藍(lán)色3m長(zhǎng)）測(cè)試頭一端接入PICO示波器A通道，黑色負(fù)極表筆接上黑色蓄電池夾子，并夾在汽車蓄電池接地端，將水溫傳感器拆下，用通用引出線連接傳感器接頭和線束接頭。紅色正極表筆接上通用引出線中接地端的一路。

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)暖車過(guò)程中觀察其電壓下降情況，定位屏幕上的波形，并保存，波形測(cè)試結(jié)束。

3? 根據(jù)波形分析進(jìn)行故障診斷

3.1 水溫傳感器故障診斷

水溫傳感器的內(nèi)部是一個(gè)半導(dǎo)體熱敏電阻，溫度愈低，電阻愈大;反之電阻愈小。電控單元根據(jù)這一變化測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的溫度，以此作為燃油噴射和點(diǎn)火正時(shí)的修正號(hào)，因此監(jiān)測(cè)水溫傳感器信號(hào)是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的重要一環(huán)。

①圖2（a）為采集到的水溫傳感器波形，由圖可知波形呈一個(gè)持續(xù)下降的趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，電壓從3V逐漸下降，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的升高，經(jīng)過(guò)8min20s后，電壓降到約1.4V，這是水溫傳感器的特性，表明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行良好。

②圖2（b）為水溫傳感器故障波形，波形呈一條直線，信號(hào)電壓值不隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短而改變，基本維持在0V。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：水溫傳感器內(nèi)的負(fù)溫度系數(shù)電阻損壞;或水溫傳感器內(nèi)部線路斷路。經(jīng)此驗(yàn)證，使用PICO示波器進(jìn)行信號(hào)采集與波形分析以此檢驗(yàn)水溫傳感器的故障方法高效準(zhǔn)確。

3.2 點(diǎn)火系統(tǒng)故障診斷

于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架中取出第2缸火花塞，在檢測(cè)其導(dǎo)通性與絕緣性良好的情況下，將火花塞間隙調(diào)小并將初級(jí)線圈極性接反，原火花塞標(biāo)準(zhǔn)間隙為1.2mm，經(jīng)調(diào)小后的間隙為0.8mm。

①圖3（a）為設(shè)置故障前采集的次級(jí)點(diǎn)火正常波形，由圖可知，點(diǎn)火閉合角、擊穿電壓、燃燒電壓、燃燒線和點(diǎn)火線圈振蕩線均在誤差值范圍內(nèi)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)2缸工作狀態(tài)良好。

②圖3（b）為設(shè)置故障后次級(jí)點(diǎn)火故障波形，在故障點(diǎn)1處擊穿電壓擊穿電壓太低，且燃燒線線變寬，可能是火花塞間隙太小或火花塞漏電所致，與預(yù)設(shè)火花塞間隙調(diào)小的故障點(diǎn)吻合;故障點(diǎn)2處波形向下傾斜，且震蕩頻率增高，說(shuō)明點(diǎn)火線圈初級(jí)兩端接反，導(dǎo)致次級(jí)電壓反向發(fā)生改變，與預(yù)設(shè)初級(jí)線圈極性反接故障點(diǎn)吻合。經(jīng)此驗(yàn)證，使用PICO示波器進(jìn)行次級(jí)電壓信號(hào)波形采集與分析的方法可準(zhǔn)確找出點(diǎn)火系統(tǒng)的故障。

3.3 排氣壓力波形故障診斷

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作下，排氣管向外排氣。當(dāng)某缸失火時(shí)，由于該缸在“做功”階段沒(méi)有產(chǎn)生壓力，當(dāng)活塞從TDC向BDC運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉的情況下，會(huì)產(chǎn)生一定量的真空。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為帕薩特1.8T四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，正常波形與故障波形如圖4。

①如圖4（a）所示，綠線為一缸點(diǎn)火信號(hào)，藍(lán)線為排氣壓力波形。一缸點(diǎn)火信號(hào)即為一缸壓縮上止點(diǎn)，在點(diǎn)火后的一個(gè)行程為一缸的做功。以此類推，可計(jì)算出一缸的排氣行程，借此對(duì)應(yīng)出一缸的排氣壓力波動(dòng)信號(hào)。

②壓力上升，表明排氣門逐漸打開(kāi)，壓力氣體向外排出;壓力下降，說(shuō)表明排氣門逐漸關(guān)閉，排氣結(jié)束。波峰和波谷應(yīng)該對(duì)稱，如果某個(gè)波峰或波谷不對(duì)稱，則說(shuō)明排氣機(jī)構(gòu)有問(wèn)題。

③若一缸失火，排氣壓力波形應(yīng)如圖4（b）。一缸排氣階段，排氣門打開(kāi)，排氣壓力不上升，繼續(xù)下降，究其原因，汽缸內(nèi)的真空，使排氣門打開(kāi)時(shí)，往氣缸內(nèi)吸氣，導(dǎo)致排氣壓力繼續(xù)下降。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，以PICO示波器為信息載體采集排氣壓力波形并分析的方法來(lái)判斷汽缸失火現(xiàn)象準(zhǔn)確、高效。

4? 結(jié)語(yǔ)

以帕薩特1.8T發(fā)動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，PICO示波器為信息載體，連接發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、電腦，搭建了一個(gè)供檢測(cè)診斷的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。對(duì)水溫傳感器、點(diǎn)火線圈、火花塞設(shè)置故障，讀取故障波形，通過(guò)與正常波形比對(duì)，能準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)，表明了PICO示波器采集波形的高精度、高頻率，及通過(guò)波形分析法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性和高效性，該方法對(duì)于汽車故障診斷具有實(shí)際意義。

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