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数据流探秘
数据流的奥秘
——发动机篇
在现代汽车的检测维修过程中，数据流所起的帮助作用越来越大，技术人员也逐渐认识到数据流的重要性。
发动机控制系统数据流是汽车所有数据中最全面、包含内容最多的部分，而在现代汽车的所有系统都与发动机系统有着千丝万缕的联系，同时，发动机控制系统也是最复杂、变化较频繁的系统，因此，搞清楚发动机控制系统的数据流的定义是解决发动机故障的关键所在。
由于发动机数据流反映了发动机各系统的工作状况，而发动机又是一个多系统的复杂组合，所以，首要的问题是理清发动机各系统、各组成部分的相互关系。
这其中就不可避免的涉及到发动机的本质核心问题。
什么是发动机的核心问题？
不知道各位读者的答案是什么？
不过，我相信不同的人会对其有不同的认识。
当然了，对此问题认识的深浅，取决于大家的理论水平、还取决于对实践的认知能力。
接下来，就让我们来一起来揭开这一谜底。
对于大多数人来讲，无论是通过书本、还是通过学校教育，对于发动机的认识，都局限在其基本结构组成部分上。
比如，我们大家都非常熟悉的发动机的两大机构、五大系统。
两大机构：
曲柄连杆机构、配气机构。
五大系统：
燃油系统、润滑系统、冷却系统、进排气系统、电器系统。
以上发动机组成机构和系统，都是为了保证发动机正常工作所必备的。
但是，以上提到的组成部分，并不是发动机的核心问题。
什么才是发动机的核心问题？
发动机机械本身、以及我们大家耳熟能详的电子控制系统，围绕着什么在工作？
为谁服务？
这才是我们要搞明白的问题！
追根诉源，发动机的核心问题：
其实就是针对进入汽缸的空气量所作出的决策。
这其中最核心的控制是燃油喷射量的计算、以及最佳点火时刻的确定。
换句话说，空气决定了一切。
我们大家都知道，理论空燃比是14.7：
1。
也就是说质量是14.7份的空气与质量是1份的燃油混合后，可以得到理论上的完全燃烧。
虽然我们大家理论上都知道，但又有几个人想到这一事实——发动机工作是围绕着进入汽缸的空气来工作的。
举个例子，我们请10个人来吃饭，假设每个人的饭量是一样的，我们准备的食物，当然要准备10份客饭，准备8份、9份，那肯定有人要饿肚子，准备11或12份，那就要产生浪费！
同样的道理，进入汽缸的空气如果是15，我们用1份的燃油去进行工作，混合气就偏稀，进入汽缸的空气如果是14，我们用1份燃油，那当然是混合气偏浓了。
对于一部排量一定的发动机来讲，其汽缸容积是一定的，也就是说，发动机在进气行程，每一次从上止点到下止点之间走过的冲程一定，进入汽缸的空气量一定。
以四缸发动机为例，也就是说，发动机每两转，都有四次进气发生。
而一个完整工作循环进入的空气总量（假设节气门全开，充气系数为1时），就是一个汽缸的工作容积×4。
图1发动机汽缸容积
也就是说，对于排量一定的发动机，当我们知道当地的大气压、空气的温度、空气的密度，我们就应该可以算出发动机每一循环的实际进气质量了！
也许，还有很多人对于电子燃油喷射的基本燃油喷射量的计算方法不是很明白。
实际燃油喷射量=基本燃油喷射量×修正系数+电压校正
基本燃油喷射量取决于发动机转速以及进气量信号。
上面的提法，任意一本书中，都是这样注名，可是为什么如此呢？
一般书中没有详细的答案。
所以一般的读者、技术人员很难明白。
教给学生的老师，也是依葫芦画瓢，照本宣科。
其实，问题的答案就在进入汽缸的空气量的计算方法上，虽然汽缸的容积不变，但由于发动机转速不同，节气门开度不同，导致每分钟进入汽缸的空气量是不同的。
所以，如果想精确地控制进入汽缸的燃油量，就必须知道发动机转速和每秒准确地进气量。
如果，我们大家知道了每一循环的实际的进气量，再乘以发动机转速，我们就得到每分钟进入汽缸的总的空气总量。
那么，当我们知道了发动机转速后，怎么计算总进气量呢？
由于发动机曲轴旋转两圈，所有汽缸完成一个工作循环。
当发动机转速为800rpm时，要产生400次的工作循环，所以，答案当然是用400去乘以每一循环的实际进气量了。
同样，发动机转速为2000rpm时，就要用1000去乘了。
发动机电脑通过空气流量传感器得知实际的进气量后，就相应地要喷射同等对应的燃油来保持完全燃烧。
现在，我们是不是知道了为什么要按照发动机转速和进气量信号来计算基本燃油喷射量了吧！
（对于博世Mono-Jetronic系统来说，是通过测量节气门转角α和发动机转速n，运用间接方式确定空气充量。
）
其实，对于普通发动机来说，只要排气量一定，发动机工况稳定时，每秒进入汽缸的空气质量几乎很少有差距，这也是我们大家看不同发动机数据流时，能看到的相同点之一。
以L型电控系统为例，发动机ECU根据空气流量传感器检测不同发动机转速下的每秒的进气质量，然后，通过一定的运算，就可以得到每个喷油器每秒的喷油时间。
接下来我们看一看，电脑是如何根据进气质量来计算实际燃油喷射量的。
图2丰田大霸王发动机数据流
上图2所示是丰田大霸王ACR30的发动机数据流：
我们可以按照下式来计算。
每分钟发动机转速1118÷2=559个工作循环/分钟
559转/秒÷60秒=9.316个工作循环/秒
9.316个工作循环/秒×4汽缸=37.26个进气冲程/秒
5.32克/秒的空气÷37.26个进气冲程/秒=0.143克/冲程的空气
0.143克/冲程的空气÷14.7的空燃比=0.0097克/冲程的燃油
0.0097克/冲程的燃油÷0.00345克/毫秒喷油量=2.81毫秒喷油时间
2.81毫秒喷油时间+0.2毫秒的针阀开启时间=3.01毫秒喷油时间
3.01毫秒=喷油器通电时间
表1
上表中，由于发动机曲轴旋转两圈，每个汽缸完成一个工作循环，这样，将发动机转速除以2，就可以得到一个汽缸在一分钟内完成的循环数量，由于任一循环中都包含一个进气冲程，这样，我们只要除以60秒，再乘以发动机的汽缸数量，就可以得到每秒种的进气冲程总数量。
然后，根据发动机空气流量传感器的进气质量，就可以算出每个冲程进入的空气量；将此值除以理论空燃比14.7，就可以得到每冲程需要的燃油质量。
将需要的燃油质量除以喷油器的单位时间喷油量，就可以得到需要的喷油脉宽。
喷油器的标准数值，我们可以通过下面的方法得到：
根据厂家提供的对2AZ-FE发动机喷油器的测试数据是：
喷油器15秒喷油量为70-73cm3,取其平均值为每秒4.76ml/s，以93号汽油密度0.725g/ml，得到单位喷油时间为0.00345g/ms（或3.45mg/ms）。
参考：
汽油容积：
v=m/p
因季节气候不同，汽油的密度会有略微变化，平均如下：
90号汽油的平均密度为0.72g/ml；
93号汽油的密度为0.725g/ml；
97号汽油的密度为0.737g/ml；
-20号柴油的密度为0.83g/ml
除了采用上述方法进行计算外，我们还可以采用另外一种方法来进行粗略计算，如下图3博世Mono-Jetronic系统发动机脉谱图所示，是通过测量节气门转角α和发动机转速n，利用发动机转速与节气门转角之间的相互函数关系，通过实验得到相对空气充量。
以上面的排气量为2.4L的2AZ-FE发动机为例，不考虑外界温度的变化影响，以标准空气状态下的空气密度1.293kg/m3，可以得到全负荷时，进气质量为m=v×p=2.4×1.293=3.1032g。
所需要的燃油总质量为0.211g，每缸需要的燃油质量是0.0527g。
以喷油器单位时间喷油量0.00345g/ms来计算，则喷油器喷油时间为15.27ms，加上0.2ms的针阀开启时间，则实际喷油器通电时间为15.47ms。
由于发动机的负荷与节气门开度值均在19%左右，我们可以近似地认为，此时每冲程的进气量就是理论值的19%，这样，我们我们可以用15.27ms乘以19%，得到每进气冲程的喷油量值为2.9ms。
如果再加上0.2ms的针阀开启时间，则此值为3.1ms。
图3发动机脉谱图
参考：
在标准状态下空气密度为1.293kg/m3。
氢气密度为0.0899kg/m3,二氧化碳的密度为1.98kg/m3。
摄氏40℃时的空气密度1.12g/L。
以上两种关于进气量与喷油量的计算，都是利用理想值进行的推算，这与发动机实际工作时的情况，还有所区别，但总的来说，已经非常接近实际值了，对于我们加深对空气与燃油之间关系的深入理解很有帮助。
在实际发动机控制系统中，ECU考虑的因素，还要包括海拔高度、进气温度、冷却液温度、节气门开度等等。
以上情况是在发动机转速比较稳定，节气门开度一定时得到的，但实际情况是，在很多时候，节气门的开度与发动机负荷信号有时会相差较大，比如发动机加速过程中以及减速过程中，都会有较大差异。
但是我们在这里要说明的一个重要的问题，也就是我们要重点关注的，就是发动机的核心问题，即进气量决定了喷油量，这一点是永远是不变的。
即使加速时，混合气瞬间过浓，但一旦发动机工况稳定了，电脑仍然是围绕理论空燃比来进行控制，在燃油反馈作用下，将λ值控制在0.97～1.02之间。
测试题：
根据以下数据计算出表格中喷油器数据。
序号
发动机转速（rpm）
进气量（g/s）
汽缸数量
喷油器喷油量（mg/ms）
喷油脉宽（ms）
1
1150
4.67
4
3.45
2
1300
5.71
4
3.45
3
825
4.48
6
3.08
表2
课后练习：
道具：
准备10顶帽子、白板、讲台
角色扮演：
A扮演空气流量传感器，B扮演发动机ECU，C扮演喷油器，D扮演氧传感器，10人扮演空气E
角色位置及任务：
A站在讲台左侧，负责计量经过的空气；扮演发动机ECU的B在讲台后，接受A的报数，并负责向C发出指令；C站在讲台前，手持10顶帽子，接受ECU的B指令，向扮演空气的人员发帽子；D站在讲台右侧，负责计算空气数量及帽子数量，并向B汇报。
演示过程如下：
1．帽子与经过的人相符的情况：
扮演空气的人员（10人）依次从讲台左侧向右侧通过，A记数10，B在白板上记录10，并向C发出指令，C根据B的指令发帽子10个，D记录帽子与人的实际情况，并向B汇报。
2．帽子多人少的情况
扮演空气的人员（9人）依次从讲台坐左侧向右侧通过，A记数为9+1，B在白板上记录10，并向C发出指令，C根据B的指令发10个帽子，D记录帽子与人的实际情况，并向B汇报。
3．帽子少人多的情况
扮演空气的人员（10人）依次从讲台左侧向右侧通过，A记数9，B在白板上记录9，并向C发出指令，C根据B的指令发9个帽子，D记录帽子与人的实际情况，并向B汇报。
4．氧传感器反馈情况：
根据上面2和3的情况，B根据D的汇报作出修正，分别改为9与10，这样，在下一循环时，做到人与帽子数量一致。
发动机工作过程分析
在理解了发动机的核心问题之后，接下来，我们要探讨的就是各个传感器的数据问题，也就是如何理解各个数据之间的因果关系的问题。
深入理解领会发动机各数据之间的关系的前提，是要对发动机的工作过程有一个全面的了解。
首先我们将发动机的整个工作过程分为三部分：
发动机前端、中端以及发动机后端，如图4所示。
图4发动机工作流程图
发动机前端：
由各种传感器（氧传感器除外）、执行器、进气系统、燃油系统这几部分组成。
发动机中端：
发动机机械本体、点火系统组成。
发动机后端：
由排气系统、催化转化器、以及检测排气中氧浓度的氧传感器（或空燃比传感器）组成。
前面，我们大家了解了发动机的核心问题是空气，围绕进入汽缸的空气，电脑通过曲轴位置传感器提供的发动机转速、空气流量传感器的进气量信号，来确定基本燃油喷射时间、以及基本点火提前角度。
然后，再根据其余各传感器的信号，如冷却液温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器（或加速踏板位置传感器）等等，来对基本燃油喷射时间作出修正，以达到准确控制的目的。
同时，在燃油系统良好的情况下，发动机ECU指令喷油器作出一定脉宽的打开动作，以将燃油喷入进气歧管，并和空气混合，进入汽缸。
在发动机中端，在机械部分良好，汽缸密封良好，配气机构工作正常的情况下，进入汽缸的空气和燃油的混合气，在合适的时刻，被工作良好的次级火花点燃，混合气燃烧做功，输出功率。
在发动机后端，汽缸内燃烧完毕的混合气，形成废气进入排气管。
这其中包含了各种各样的气体成分，但比较重要的是O2、HC、CO、CO2，NOX等废气。
这时候，装置在排气管上的氧传感器就开始大展用途了。
由于前面进入汽缸的混合气，是由发动机ECU根据各种传感器得到的数据，经计算后，得出的理论喷油量，而这个喷油量究竟与实际进气量相不相符，ECU本身并不知道，如果打个比方的话，我们可以将发动机ECU作出的喷油量指令认为是一个类似于天气预报的行为，是带有预测性、主观性的行为，是发动机ECU单方面的行为。
而排气系统中的氧传感器起的是监察、监控的作用。
预测
氧传感器根据排气中氧原子数量的多少，与大气中氧含量进行比较，从而得出混合气是稀还是浓的情况汇报。
正是有了氧传感器这个监察员，所以，发动机ECU就可以放心地工作。
比如，当空气流量传感器的热线由于空气中的灰尘脏污，导致检测的进气量小于正常值时，发动机ECU依据进气量信号作出的喷油信号，就会过少，导致系统混合气过稀，这样，排气中就有多余的氧出现，氧传感器电压就会小于0.45V，此时，发动机ECU根据氧传感器的信号，就知道混合气过稀的情况，从而做出增加喷油量的指令，直到氧传感器的电压变化恢复到0.1-0.9V之间，这种对燃油喷射量的修正，就称之为短期燃油修正，如果短期燃油修正值持续较长时间在超过3%的话，就会引起另外一个修正值——长期燃油修正值的变化。
具体定义，后面会讲到。
同样，如果是燃油系统出现故障，比如，汽油泵压力低或喷油器堵塞，也会出现排气中氧含量增加的情况，这样，发动机ECU只要相应增加燃油喷射量，就可以使混合气达到规定范围。
但是与上述一样的，还是会出现发动机急加速时，混合气偏稀导致加速不良的状况出现。
另外，虽然氧传感器忠实地坚守岗位，不断地向发动机ECU报告排气中氧原子的含量，以使发动机ECU对燃油喷射量作出最佳调节。
但是，请不要忘记，发动机是一个由机械、电子、燃油、进气、排气等多系统组成的产物。
排气中氧原子数量的变化，也并不是仅仅只受电控系统传感器、执行器、或者燃油压力、喷油器状况等少数几个因素影响的。
它还被很多其他因素所左右。
比如，点火系统的状况、汽缸压力、进气系统以及排气系统等等众多因素对其均有影响。
并且，在这些因素中，根据对发动机的影响不同，还分为个体性问题以及公共性问题。
比如，单个不良的火花塞、单独的损坏的喷油器，某缸汽缸密封不良等；相对于个体性问题，是公共性问题，比如，系统供电电压不良、偏离特性的传感器、排气管堵塞、油泵压力低等。
这些不同的问题，给发动机带来的故障现象有时相似、有时又有较大差异。
但是无一例外的，对于氧传感器来讲，或者说对于发动机ECU来说，都不具备鉴别上述故障的能力，所以发动机ECU会不顾实际情况如何，而只是单纯地在燃油喷射量上做文章。
氧传感器电压低于0.45V，应该是喷油量太少了吧！
准是哪个传感器又喝多了！
瞎汇报。
看样子，还是得用老办法，每个喷油器再增加0.5ms喷油量！
比如，某4缸发动机，由于火花塞故障，出现单缸失火现象时，排气中氧含量较多，氧传感器电压低于0.45V，发动机ECU会认为是整个系统混合气稀，解决的方法，是所有喷油器都增加喷油量。
这样，从氧传感器的反馈结果看，可能是使排气中的氧原子含量部分得到降低，但是实际情况呢？
是正常工作的汽缸会由于混合气过浓，而工作不良。
最终的后果，本来只有一个汽缸工作不良，但发动机反馈控制的结果是所有汽缸均工作不良。
有时候，常听人讲到某车发动机工作不稳定，断开电瓶线后，再连接，发动机就会工作正常一段时间，接着，又会出现工作不良的现象，大家仔细想想，上面的情况是不是和个体性故障造成系统失常的情况很想象！
造成排气中氧原子含量增加的原因：
1．燃油泵压力低
2．油压调节器故障
3．喷油器堵塞
4．空气流量传感器偏离特性
5．冷却液传感器偏离特性
6．节气门传感器异常
7．进气软管泄漏或进气歧管垫密封不良
8．火花塞不良
9．高压线不良
10．发动机工作温度
11．汽缸压力低
12．汽缸垫击穿损坏
13．涡轮增压系统损坏
14．排气管或接口垫密封不良
15．蒸发排放控制系统泄漏或失效
16．二次空气喷射系统泄漏
17．充电系统或蓄电池有故障
18．线路或连接器有故障
19．ECU故障
造成排气中氧原子含量减少的原因：
1．燃油泵压力高
2．油压调节器故障
3．喷油器泄漏
4．空气流量传感器偏离特性
5．冷却液传感器偏离特性
6．节气门传感器异常
7．EGR阀卡滞
8．排气管堵塞
9．空气滤清器堵塞
10．节气门积碳
11．线路或连接器有故障
12．ECU故障
氧传感器是整个发动机控制系统能否正常工作的一个关键因素，由于其起的比较特殊的作用，比如，反映发动机控制系统整体运行工况的短期燃油修正值与长期燃油修正值，即是基于氧传感器持续正确反馈的结果。
所以我们必须重点关注。
数据流分析的关键是认识数据流背后隐藏的东西，也就是说要认识数据流的本质问题。
一、国际标准OBDⅡ数据
美国汽车工程师学会（SAE）规定了统一的诊断连接器标准，以及国际标准OBDⅡ数据。
标准数据，包括了发动机数据（表3）、EGR数据、三元催化转换器数据、加热型氧传感器数据和缺火数据。
下面是采用OBDⅡ系统后，使用的发动机数据流列表。
数据流项目
显示的单位
典型的数值
EngineSpeed（发动机转速）
r/min
目标怠速±100r/min
Desiredidle（目标怠速）
r/min
ECU指令怠速（随温度变化）
ECT（发动机冷却液温度）
℃,℉
85℃～105℃/185℉～220℉
IAT（进气温度）
℃,℉
随周围环境温度变化
IACPosition（怠速空气控制位置）
计数
10～40
TPAngle（节气门位置角度）
0%（百分比）
0%
TPSensor（节气门位置传感器）
V（伏特）
0.20～0.74
Throttleatidle（节气门在怠速位置）
Yes/No（是/否）
是
Baro（大气压力）
kPa
65～110（取决于海拔高度和大气压力）
MAP（进气歧管绝对压力）
kPa/V
29～48kPa/1～2V（取决于发动机负荷和大气压力）
MAFinputFreq（质量空气流量输入频率）
Hz
1200～3000（取决于发动机负荷和大气压力）
MAF（空气流量）
gm/s
3～6（取决于发动机负荷和大气压力）
Inj.PulseRatio（喷油器喷油脉宽）
ms
随发动机负荷变化
Air-FuelRate（空燃比）
比值
14.2～14.7
FuelPump（燃油泵）
ON/OFF
ON
VTDFuelDisable（可变转矩分配燃油切断）
Active/Inactive（起作用/不起作用）
不起作用
EngineRunTime（发动机运转时间）
h:
min:
s
取决于发动机开始的时间
LoopStatus（闭环状态）
Open/Closed（开环/闭环）
闭环
FuelTrimLean（燃油修正学习）
Disabled/Enabled（
起动
HO2SBn1Sen.1（第1列1号加热型氧传感器）
NotReady（未准备好/准备好）
准备好
HO2SBn2Sen.1（第2列1号加热型氧传感器）
NotReady（未准备好/准备好）
准备好
HO2SBn1Sen.1（第1列1号加热型氧传感器）
mV（毫伏）
0～1000，反复变化
HO2SBn2Sen.1（第2列1号加热型氧传感器）
mV（毫伏）
0～1000，反复变化
Rich/LeanBn1（第1列浓/稀）
Rich/Lean（浓/稀）
反复变化
Rich/LeanBn2（第2列浓/稀）
Rich/Lean（浓/稀）
反复变化
HO2SBn1Sen.2（第1列2号加热型氧传感器）
mV（毫伏）
0～1000，反复变化
HO2SBn1Sen.3（第1列3号加热型氧传感器）
mV（毫伏）
0～1000，反复变化
Short-TrimFTBn1（第1列短期燃油修正）
0%（百分比）
-10～10%
Long-TrimFTBn1（第1列长期燃油修正）
0%（百分比）
-10～10%
Short-TrimFTBn2（第2列短期燃油修正）
0%（百分比）
-10～10%
Long-TrimFTBn2（第2列长期燃油修正）
0%（百分比）
-10～10%
FuelTrimCell（燃油修正单元）
Cell号（单元号）
0
EngineLoad（发动机负荷）
0%（百分比）
2%～5%（变化）
DesiredEGRPos.（目标EGR位置）
0%（百分比）
0%
ActualEGRPos.（实际EGR位置）
0%（百分比）
0%
VehincleSpeed（车速）
mile/h,km/h
0
EngineSpeed（发动机转速）
r/min
目标怠速±100r/min
ComnandedTCC（液力变矩器锁止离合器指令）
Engaged/Disengaged（结合/分离）
分离
CurrentGear（当前档位）
1/2/3/4
1
Ignition1（点火1）
V（伏特）
13（变化）
CommandedGEN（发电机指令）
ON/OFF（是/否）
ON
CruiseEngaged（巡航工作）
Yes/No（是/否）
否
CruiseInhibie（巡航限制）
Yes/No（是/否）
是
EngineLoad（发动机负荷）
0%（百分比）
2%～5%（变化）
TWCProtaction（三元催化转换器保护）
Active/Inactive（起作用/不起作用）
不起作用
HotOpenLoop（热开环）
Active/Inactive（起作用/不起作用）
不起作用
ECT（发动机冷却液温度）
℃,℉
85℃～105℃/185℉～220℉
DecelFuelMode（减速燃油模式）
Active/Inactive（起作用/不起作用）
不起作用
喷油器喷油脉宽
ms
随发动机负荷变化
动力加强
Active/Inactive（起作用/不起作用）
不起作用
节气门位置（TP）角度
0%（百分比）
0
表3标准OBDⅡ发动机数据
二、常见数据流分析
下面，是我总结的在发动机控制系统中的常用的数据。
数据流项目
内容
数据流项目
内容
空气流量传感器
g/s
Hz
长期燃油喷射修正值
-25～+25%
进气压力传感器
KPa
短期燃油喷射修正值
-25～+25%
节气门开度
%
氧传感器
0.1～0.9V
发动机转速
rpm
混合比传感器
0～5V
喷油脉宽
ms
车速
Km/h
冷却液温度
℃
离合器开关状态
On或off
进气温度
℃
EGR状态
%
表4常用数据列表
1．空气流量传感器的数据分析
首先我们先来看一组数据，这是大众桑塔纳2000G
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