王斌

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214153）

波形分析法在汽車(chē)故障診斷中的應(yīng)用研究

王斌

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214153）

在汽車(chē)故障診斷維修過(guò)程中單靠解碼儀檢測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，波形分析法的運(yùn)用可以提高故障診斷的效率。文章介紹了波形分析法的概念與優(yōu)點(diǎn)以及波形分析法診斷故障的機(jī)理，并以氧傳感器和噴油器為例試述波形分析法在汽車(chē)故障診斷中的具體運(yùn)用方法。

波形分析；故障診斷；氧傳感器；噴油器

隨著汽車(chē)電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，汽車(chē)故障的診斷方法與診斷設(shè)備也隨之不斷更新發(fā)展，汽車(chē)自診斷系統(tǒng)和解碼儀的配合使用可以快速、精準(zhǔn)地查找汽車(chē)故障，此種檢測(cè)診斷方法的使用已非常普及，但也存在著不足。汽車(chē)自診斷系統(tǒng)的故障存儲(chǔ)是有一定要求的，只有當(dāng)信號(hào)持續(xù)丟失或偏離一段時(shí)間后才會(huì)被存儲(chǔ)，而且傳感器因磨損、老化導(dǎo)致的性能變差也無(wú)法通過(guò)解碼器的使用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)診斷。運(yùn)用汽車(chē)專(zhuān)用示波器測(cè)量電子元器件的波形，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)波形來(lái)比對(duì)所測(cè)波形可以快速準(zhǔn)確地判斷故障是否存在，運(yùn)用此法可以快速實(shí)現(xiàn)汽車(chē)故障的診斷[1]。

一、波形分析法的概念

波形分析故障診斷法是指借助于汽車(chē)專(zhuān)用示波儀讀取汽車(chē)電子系統(tǒng)中電子元器件的波形信號(hào)，再運(yùn)用正常電子元器件的標(biāo)準(zhǔn)波形來(lái)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)其波形差異再結(jié)合其他手段分析得出汽車(chē)故障點(diǎn)的一種診斷方法。

傳感器的故障一般分為硬故障和軟故障，硬故障是指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)損壞直接導(dǎo)致無(wú)信號(hào)輸出，或輸出信號(hào)偏差較大；軟故障一般表現(xiàn)為信號(hào)變化偶發(fā)或偏差較小。運(yùn)用解碼儀可以很好地解決硬故障問(wèn)題，但對(duì)軟故障束手無(wú)策，而波形分析法可以很好地診斷軟故障。

汽車(chē)電控系統(tǒng)的工作原理是傳感器將檢測(cè)的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)的控制單元ECU，ECU根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的既定程序和數(shù)據(jù)，發(fā)送相關(guān)指令給各個(gè)執(zhí)行器，在接受指令后執(zhí)行器會(huì)及時(shí)做出相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而確保汽車(chē)的正常運(yùn)行。所以讀懂這些電信號(hào)對(duì)于維修從業(yè)人員來(lái)說(shuō)顯得尤其重要，傳感器的電信號(hào)一般可以從幅度、頻率、脈沖寬度、形狀和陣列這五個(gè)特征進(jìn)行判斷。示波器讀取的電子元器件的波形信號(hào)可以分門(mén)別類(lèi)，其中交直流信號(hào)都屬于模擬信號(hào)，比如各種溫度傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器的輸出信號(hào)都屬于直流信號(hào)；車(chē)速傳感器、輪速傳感器輸出的信號(hào)屬于交流信號(hào)。能產(chǎn)生頻率調(diào)制信號(hào)波形的傳感器有曲軸位置、凸輪軸位置傳感器[2]。

任何一個(gè)電子信號(hào)都可運(yùn)用上述判斷依據(jù)中的一個(gè)或者是多個(gè)來(lái)進(jìn)行辨別，電子信號(hào)類(lèi)型與其判斷依據(jù)之間的關(guān)系如表1所示。每一個(gè)電子信號(hào)定會(huì)與其中一個(gè)或者多個(gè)的判斷依據(jù)對(duì)應(yīng)，這樣可以幫助控制單元來(lái)確認(rèn)到底是屬于哪一種類(lèi)型的電子信號(hào)[3]。

表1 電子信號(hào)類(lèi)型與判斷依據(jù)的關(guān)系

汽車(chē)發(fā)生故障的時(shí)候，用示波器逐一讀取可疑對(duì)象的波形，根據(jù)實(shí)時(shí)所測(cè)波形來(lái)對(duì)比正常標(biāo)準(zhǔn)波形，對(duì)比發(fā)現(xiàn)所測(cè)的實(shí)時(shí)波形會(huì)在上述的幾種判斷標(biāo)準(zhǔn)上存在較大出入，正是基于此才能利用示波儀快速診斷出汽車(chē)故障。

二、以氧傳感器為例試述波形分析法的運(yùn)用

（一）氧傳感器的工作原理

汽車(chē)氧傳感器用來(lái)實(shí)現(xiàn)噴油的閉環(huán)控制，氧傳感器向控制單元反饋尾氣中的氧氣含量，控制單元調(diào)整噴油器的噴油量以此來(lái)確保燃油的經(jīng)濟(jì)型和環(huán)保性，圖1為氧化鋯式氧傳感器的結(jié)構(gòu)組成，主要包括鉑電極、氧化鋯管、加熱器等。氧化鋯式氧傳感器實(shí)為一個(gè)化學(xué)電池，氧化鋯管的內(nèi)外兩個(gè)表面實(shí)為兩個(gè)電極，氧化鋯管內(nèi)表面和大氣相通，其氧含量是固定的，而外表面裸露在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中，廢氣中氧的含量隨著空燃比的變化而變化。當(dāng)空燃比較高時(shí)，廢氣中氧的含量高，氧化鋯管內(nèi)外表面的氧濃度差較小，此時(shí)氧傳感器的輸出電壓很低，接近零伏；反之，空燃比較低時(shí)，廢氣中氧的含量較少，內(nèi)外側(cè)氧的濃度相差較大，此時(shí)輸出電壓高，接近1V。

圖1 氧傳感器的結(jié)構(gòu)圖

圖2 電壓輸出特性

氧傳感器的電壓輸出特性如圖2所示，當(dāng)實(shí)際空燃比低于理論空燃比的時(shí)候，氧傳感器輸出高電壓，隨之減少?lài)娪土浚杖急仍龃?，接近于理論空燃比時(shí)其電壓信號(hào)會(huì)突變下降到0.1V，控制單元隨之不斷調(diào)整噴油器的噴油量來(lái)保證最佳的空燃比，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

（二）氧傳感器波形分析

氧傳感器的檢測(cè)方法有兩種，分別是丙烷加注法和急加速油門(mén)法。丙烷加注檢測(cè)法不能適用所有發(fā)動(dòng)機(jī)，用它來(lái)讀取氧傳感器的波形是相當(dāng)困難的，因?yàn)楝F(xiàn)在絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制系統(tǒng)都帶有真空泄露補(bǔ)償?shù)墓δ埽刂葡到y(tǒng)會(huì)快速地進(jìn)行真空泄露補(bǔ)償，故氧傳感器的輸出信號(hào)電壓不會(huì)降低。較為常用的為急加速油門(mén)法。采用急加速油門(mén)法讀取波形要嚴(yán)格按照操作步驟進(jìn)行：首先預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速保持在2500rpm左右，時(shí)間維持2～5min,然后怠速運(yùn)行25s；迅速踩下油門(mén)將節(jié)氣門(mén)從全閉狀態(tài)打開(kāi)到全開(kāi)狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程必須控制在2s內(nèi)，并反復(fù)此動(dòng)作5～6次。需要注意的是節(jié)氣門(mén)從全閉到全開(kāi)以及全開(kāi)到全閉的過(guò)程必須快速完成，不要讓發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于高速空轉(zhuǎn)運(yùn)行的狀態(tài)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，氧傳感器的標(biāo)準(zhǔn)波形如圖3所示，輸出電信號(hào)的數(shù)值范圍為0～1 V。當(dāng)空燃比稍低的時(shí)候，廢氣中氧含量很低甚至于為0，此時(shí)氧化鋯管內(nèi)外表面氧濃度相差較多，輸出一個(gè)高電壓信號(hào)，電壓值約為0.9V；當(dāng)空燃比稍高的時(shí)候，廢氣中存有較多的氧，氧化鋯管內(nèi)外表面氧濃度相差較小，輸出一個(gè)低電壓信號(hào)，電壓值約為0.1V，氧傳感器輸出電壓在兩者之間反復(fù)循環(huán)。

圖3 氧傳感器標(biāo)準(zhǔn)波形

圖4 氧傳感器異常波形

如果實(shí)測(cè)波形和標(biāo)準(zhǔn)波形存在較大偏差，或者相關(guān)參數(shù)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值存在明顯差異，而且波形測(cè)試的方法和條件均符合規(guī)定，那么發(fā)動(dòng)機(jī)定會(huì)存有故障，具體是什么故障，我們可以根據(jù)波形的形態(tài)再配合其他檢測(cè)數(shù)據(jù)分析查找。損壞的氧傳感器大部分是可以從信號(hào)電壓波形的形態(tài)上輕易分辨出來(lái)，部分看不出的可以讀出信號(hào)電壓的最小和最大值以及信號(hào)響應(yīng)時(shí)間，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值比對(duì)來(lái)判斷傳感器的好壞。

如圖4所示，這是一臺(tái)存有故障的發(fā)動(dòng)機(jī)的氧傳感器的實(shí)測(cè)波形，發(fā)動(dòng)機(jī)的故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為怠速的時(shí)候非常不平穩(wěn)，加速遲緩而且動(dòng)力下降較為明顯，但在剛啟動(dòng)片刻發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)還是相對(duì)平穩(wěn)的。實(shí)測(cè)波形雜波較為嚴(yán)重，表明了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氧氣含量不均衡或者存在缺火現(xiàn)象，分析出可疑故障點(diǎn)再結(jié)合其他判斷方法，判斷點(diǎn)火系統(tǒng)和進(jìn)氣管真空度都沒(méi)有問(wèn)題，最后斷定是某個(gè)噴油器不噴油。更換新的噴油器后，上述故障現(xiàn)象不再出現(xiàn)，實(shí)測(cè)波形恢復(fù)正常。

三、以噴油驅(qū)動(dòng)器為例試述波形分析法的運(yùn)用

（一）噴油驅(qū)動(dòng)器原理與波形分析

噴油器是電控發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系的核心組成部件，噴油器工作性能的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常運(yùn)行，噴油器自身是不能確定其波形特征的，只有開(kāi)關(guān)晶體管與噴油器驅(qū)動(dòng)才能確定大部分波形的特性。不同類(lèi)型的噴油器驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生不同的波形，現(xiàn)今主要有四種類(lèi)型的噴油器，包括飽和開(kāi)關(guān)型、峰值保持型、脈沖寬度調(diào)制型以及PNP型，了解噴油驅(qū)動(dòng)器的波形特點(diǎn)對(duì)汽車(chē)修理有著較好的參考意義。按照噴油器的驅(qū)動(dòng)方式可以分為電壓驅(qū)動(dòng)型和電流驅(qū)動(dòng)型，電流驅(qū)動(dòng)型的電路僅僅適用于電阻值為0.6～3Ω的低阻抗噴油器，電壓驅(qū)動(dòng)型的電路即可用于低阻抗噴油器，又可用于電阻值為12～17Ω的高阻抗噴油器。兩種驅(qū)動(dòng)方式的波形也不盡相同，以電壓驅(qū)動(dòng)型噴油器為例，標(biāo)準(zhǔn)波形如圖5所示[4]。

圖5 電壓驅(qū)動(dòng)型噴油器標(biāo)準(zhǔn)波形

圖5中ab段一般稱(chēng)之為開(kāi)路電壓，是用來(lái)提供給噴油器的系統(tǒng)電壓，該電壓一般應(yīng)大于13.5V。bc段是噴油器的開(kāi)啟段，控制單元送來(lái)噴油信號(hào)的時(shí)候，功率三極管飽和導(dǎo)通，此時(shí)噴油器的系統(tǒng)電壓迅速下降，電流流過(guò)噴油器，此時(shí)噴油器的閥芯上行，噴油器開(kāi)始噴油。cd段為噴油器持續(xù)噴油階段，噴油時(shí)間一般也就幾到十幾毫秒的時(shí)間，而后，控制單元送來(lái)斷油信號(hào)，噴油器停止噴油。de段實(shí)為噴油器線圈的感應(yīng)電壓，當(dāng)電流突然切斷的時(shí)候線圈會(huì)生成一個(gè)感應(yīng)高電壓，也就是峰值電壓，隨之下降至電源電壓，到此完成一個(gè)噴油過(guò)程。

如果實(shí)測(cè)波形和上述標(biāo)準(zhǔn)波形存有較大差異則表明發(fā)動(dòng)機(jī)是存有故障的，我們可以根據(jù)實(shí)測(cè)波形的特征來(lái)分析故障發(fā)生的原因。比如ab段電壓波動(dòng)較大，則有可能是噴油器的電源線路當(dāng)中存有接觸不良；如果de段的e點(diǎn)位置較低，也就是說(shuō)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不夠高，一般應(yīng)在35V左右。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的高低和噴油器線圈的電阻和通電電流有關(guān)，如果偏低可能由于噴油器線圈部分短路造成的。由此可見(jiàn)，完全可以根據(jù)噴油器實(shí)測(cè)波形來(lái)分析查找故障原因。

（二）噴油器起動(dòng)試驗(yàn)波形分析

發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的故障原因通常包括可燃混合氣沒(méi)有進(jìn)入氣缸、點(diǎn)火故障以及機(jī)械故障，在排查故障原因時(shí)示波器起著重要作用，它可以迅速可靠地檢測(cè)凸輪軸和曲軸位置傳感器、噴油驅(qū)動(dòng)電路以及點(diǎn)火線路。當(dāng)懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)不噴油時(shí)，可借助示波器進(jìn)行測(cè)試。一般而言啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，如果噴油驅(qū)動(dòng)電路存有故障是檢測(cè)不到脈沖信號(hào)的，通常會(huì)有兩種顯示：一是一條12V電壓的水平線，另一種是一條0V的水平線。下面以非PNP噴油驅(qū)動(dòng)器為例闡述故障分析過(guò)程。

（1）波形顯示為一條0V直線：在示波器接口完好以及必要部件運(yùn)轉(zhuǎn)良好的情況下，先檢查噴油器供電電路，控制模塊的電源電路，如果檢測(cè)不到噴油器的電源電壓則檢測(cè)其他電磁閥的電源電壓。如果噴油器的電源電壓正常，則有可能是噴油器自身線圈斷路。

（2）波形顯示為一條12V直線：如果噴油器的供電電壓值正常，則說(shuō)明噴油器的接地線路存有問(wèn)題，應(yīng)該進(jìn)一步檢查控制電腦?？赡茉蚴荅CU模塊自身的電路故障燒毀或接觸不良，也有可能是曲軸、凸輪軸位置傳感器的信號(hào)沒(méi)能反饋給ECU。

（3）波形顯示有脈沖信號(hào)出現(xiàn)：觀測(cè)脈沖信號(hào)的三個(gè)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值是否一致，尤其要確認(rèn)是否有足夠的噴油脈沖寬度，噴油脈沖寬度不足會(huì)導(dǎo)致噴油量過(guò)少，從而無(wú)法提供足夠的燃油來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)然噴油脈寬過(guò)大也不行，會(huì)導(dǎo)致噴油量過(guò)多而淹缸。一般來(lái)說(shuō)啟動(dòng)時(shí)的噴油脈寬為6ms～35ms[5]。

[1]朱永成.氧傳感器波形分析在電噴汽車(chē)維修檢測(cè)中的應(yīng)用[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）:48-49.

[2]陳明.汽車(chē)傳感器波形分析在故障診斷中的應(yīng)用[J].汽車(chē)電器，2009（4）:33-34.

[3]魏秋蘭.波形分析在汽車(chē)電子控制系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2015（1）:136-137.

[4]司景平.噴油波形分析及其在汽車(chē)故障診斷中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2003（1）:38-39.

[5]吳心平.波形分析法在汽車(chē)故障診斷中的應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2006（12）:92-94.

（編輯：林鋼）

The Application of Waveform Analysis in Automobile Fault Diagnosis

WANG Bin
（School of Automotive Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China）

In the process of the automobile fault diagnosis,it is not enough to apply decoding instrument only,so application of waveform analysis method can greatly increase the efficiency of fault diagnosis.This paper first introduces the concept of waveform analysis,its advantages and its mechanism of diagnosing fault,and then describes the application of waveform analysis in automobile fault diagnosis by taking oxygen sensor and fuel injector as examples.

wawaveform analysis;fault diagnosis;oxygen sensor;fuel injector

U 472.4

A

1671-4806（2017）03-0093-04

2016-11-30

無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教科研課題“基于波形分析法的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷研究”（SYKJ16B23）

王斌（1982—），男，江蘇寶應(yīng)人，實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)檢測(cè)與維修。