波形分析在发动机故障诊断中的应用研究Word文档下载推荐.docx
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1.1电控发动机的发展现状
汽车从1886年诞生到今天，己有100多年的历史，作为一个国家工业化水平的重要标志，汽车已逐渐成为高技术的集成物。
上世纪70年代初，随着世界电子技术的飞速发展，电脑技术的日益完善，电子技术逐渐进入了汽车制造领域，并且以惊人的速度向汽车结构内部扩展，使汽车的性能和质量都得到了迅速提高。
德国奔驰公司首先采用KE型机械电子控制燃油喷射系统，揭开了汽车燃油控制电子化的序幕，随后，升级到了L型、LH型的全面电子控制系统。
从上世纪80年代起，汽车技术形成了智能化的初级阶段，到了90年代，就进入到了智能化的高级阶段。
例如，1994年美国、德国、日本等国家生产的排量在2L以上的发动机几乎100%采用了电控汽油喷射装置，轿车的电子化程度已成为其档次高低和现代化程度的重要标志之一。
电子技术、电脑控制技术与汽车的完美结合，产生了发动机电子控制系统、防抱死制动系统、自动变速系统、防碰撞系统、导航系统和全球定位系统等。
这些新技术的应用，使汽车结构发生了巨大变化，现代化电子部件数量与日俱增，到现在，已有人把汽车戏称为“架在四个轮子上的大规模集成电路”。
在我国，自1956年诞生第一辆CAlOB解放牌汽车到现在不过50多年时间，在这50多年时间内，我国的汽车工业得到了飞速的发展。
2000年我国汽车年产量达到200万辆（其中轿车60.5万辆），2005年我国汽车年产量就超过了600万辆（其中轿车350万辆）。
在汽车技术方面，我国自80年代开始进口装有电子控制汽油喷射系统的小轿车。
进入90年代后，特别是1992年以后，我国进口的各种新型小轿车基本上都采用电子控制汽油喷射系统。
我国政府已把开发汽车发动机电子汽油控制系统列为“八五”期间的重点研发项目。
经过十几年的发展，我国汽车发动机的电子化程度越来越高。
到目前为止，我国生产的桑塔纳、奥迪、捷达、切诺基、红旗等轿车都实现了电子控制燃油喷射化，逐步向世界先进技术靠拢。
1.2电控发动机的组成
电控汽油发动机主要由传感器、执行器、电控单元（ECU）三部分组成。
1.3电控发动机故障检测现状
1.3.1国外电控发动机故障诊断现状
随着科学技术的不断进步，国外汽车维修企业正日益摆脱以往传统的手工作坊式的作业方式，越来越多地采用机械化、自动化、电子化检修仪器设备。
到目前为止，国外对电控发动机的故障诊断大致经历了4个阶段。
1）利用数字式万用表诊断故障
电控发动机故障如果持续发生，称之为持续性故障;
如果故障时有时无，称之为间歇性故障。
检测持续性故障，可用万用表来进行诊断。
应用万用表诊断的优点是，可根据操作者所知道的经验数据，快速而又准确地诊断出故障，特别是在技术资料缺乏的情况卜，用万用表检测诊断故障是最有效的方法。
使用万用表诊断故障对维修人员的技术要求较高。
操作者不仅要对所测系统的各元件作用比较熟悉，而且还要具备丰富的判断经验，因此存在很大的局限性。
2）利用故障码诊断故障
电控发动机的电控单元（ECU）一般都具有故障自诊断功能。
当电控发动机工作时，如果某个传感器或执行器出现了故障，电控单元就将该故障信息以故障码的形式存储起来，以方便维修人员检修。
汽车维修人员检修时，可将专用的汽车解码器与发动机的电控单元连接，按照仪器的操作程序，读出故障码，并根据汽车制造厂提供的维修手册来确定故障码的含义，从而进行针对性的修理。
需要说明的是，故障码只能表明系统工作不正常的范围，并不能表明故障点，还需要利用其它方法进一步诊断。
3）利用数据流分析诊断故障
所谓数据流，就是将电控发动机工作时的传感器和执行器状态参数按照不同的要求进行组合，形成多种数据组，即数据流。
这些数据流能监测发动机在各种状态下的工作情况，可通过故障检测仪来分析判断发动机产生故障的原因。
用数据流分析诊断故障，可准确地发现故障部位，提高故障的诊断效率，特别是因传感器特性发生变化而引起的故障。
4）利用波形分析法诊断故障
电控发动机上间歇性故障的特点是时有时无，用数据流分析有时很难判断，但用示波器显示的波形却能捕捉到故障发生时的细小轻微变化，这也是利用波形分析法诊断故障的优点。
用波形分析法诊断故障可以解决汽车上出现的疑难杂症，但它需要强大的理论知识作后盾。
当前，由于电子技术、智能传感器技术、集成电路技术和计算机技术的进一步发展，特别是人工智能技术和专家系统技术的日益成熟，汽车检测诊断设备与诊断方式进入了新的发展阶段。
目前，各种新型设备不断出现，并向多功能、小型化、数字化、智能化和综合化方向发展。
1.3.2国内电控发动机故障诊断现状
在我国，自80年代初开始进口电喷汽车以来，我国汽车维修企业才逐渐接触到了电控发动机的故障诊断问题。
到目前为止，我国汽车维修企业对电控发动机的故障诊断水平虽然有了较大提高，但仍存在不少问题，主要表现在以下几方面。
1）汽车维修人员综合素质普遍偏低
据调查，从事汽车维修一线工作的，绝大部分是农村打工者。
由于他们的文化素质较低，对汽车新技术、新知识的接受能力较差。
在从业人员中，高校正规机械类专业毕业的技术人员，仅占3%左右，而这类人群目前也多数留于管理层，没有真正从事一线维修工作。
现代汽车维修诊断迫切需要一批懂原理、会仪器、会电脑、英文、有实践经验的机电一体化人才加入进来，充实汽车维修人员队伍。
2）缺少必要的现代化汽车维修诊断设备
现代汽车实现了机电一体化，对维修设备的要求与传统汽车已有很大区别。
现代汽车维修设备包括修理设备、诊断设备和检测仪器。
这些设备从原理到结构都具有高科技含量，实现了智能化和机电一体化，是保证“工艺规范化修车”的重要手段。
目前，仅有少数的一、二类汽车维修企业拥有这些设备，大部分维修企业仍然采用传统的“手艺修车”模式。
即使那些拥有现代维修设备的一、二类维修企业，由于缺乏高素质的维修技术人员操作这些仪器、设备，也没能充分发挥这些高科技产品所应起的作用。
3）缺乏相应的汽车维修资料
现代汽车由于种类繁多、车型复杂，在进行具体维修时，必须了解该车型的零部件拆装工艺、技术数据以及全车电路分布图等。
汽车维修资料的获取一般有4个途径。
一是书店出售的中文汽车维修书籍。
这类图书讲原理、结构多，讲维修少，原因之一是编者并非从事一线汽车维修的技术人员。
二是美国米切尔公司（Mitchell）和奥帝达公司（Alldata）出品的汽车维修资料，号称包括世界各国生产的2500种车型。
这两种资料都有成套的图书形式，也有光盘形式，但都是英文版本，价格昂贵。
在我国，绝大多数维修企业没有这些资料。
三是汽车生产厂家提供的“维修手册”。
这类资料能具体指导修车，但往往只有某一车型的特约维修站才有，小型企业或维修个体户一般没有这些资料。
四是Internet网上提供的维修资料。
目前有一些专门的汽车维修资料网站，专业从事收集、整理汽车维修数据、电路图等，汽车维修企业需要时可以登录这些网站，查阅相关信息，但需要交纳一定的费用。
一些小型企业或维修个体户往往不具备上网获取资料的条件。
4）缺乏先进的故障诊断方法
随着汽车结构的不断变化，电控发动机的故障诊断也在不断推陈出新，特别是电子技术在现代汽车上的广泛应用，原来简单、直观的传统检查方法己不能适应电控发动机的故障诊断，取而代之的应是数据流分析、波形分析等现代维修方式。
发动机点火示波器在汽车维修行业已经应用了30多年，它的出现开创了运用波形分析法诊断发动机故障的先河，也为使用电子测量技术分析汽车故障打下了良好的基础。
90年代数字存储示波器在汽车诊断领域应用，使得汽车示波器脱颖而出，它集点火示波器、数字存储示波器、数字式万用表、汽车电子系统测试仪于一体，为电控发动机的故障诊断提供了优良的分析仪器。
应用汽车示波器诊断电控发动机故障的关键是对故障元件的测试波形进行准确地分析，从而做出正确地判断。
由于我国汽车维修行业20世纪90年代以前基本上属于机械维修的领域，因此对电子测量技术比较陌生，尽管国外维修企业早在20世纪60年代就己经开始使用点火示波器，且国内少数汽车维修企业也在20世纪70年代初就装备了点火示波器，但在实际维修工作中真正应用的却很少，国内许多汽车维修企业的技术人员直到现在还从未使用过点火示波器及汽车示波器。
2波形分析法诊断电控发动机故障的原理
1）汽车电子信号的类型
当今汽车系统中存在5种基本类型的电子信号，我们把这5种基本的汽车电子信号称为“5要素”。
“5要素”可以看成是控制系统中各个传感器、控制电脑和其它设备之间相互通信的基本语言，它们有各自不同的特点，构成用于不同通信的目的。
（1）直流（DC）信号直流电压信号主要有蓄电池电压或控制电脑输出的传感器参考电压。
传感器参考电压信号主要有发动机冷却水温度传感器、燃油温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、废气再循环控制阀位置传感器、翼板式或热线式空气流量计、真空和节气门开关，以及通用汽车、克莱斯勒汽车和亚洲汽车上的进气压力传感器。
（2）交流（AC）信号在汽车中产生交流信号的传感器和装置有:
车速传感器（VSS）,ABS轮速传感器、爆震传感器（KS）、磁电式曲轴转角（CKP）和凸轮轴转角（CMP）传感器。
（3）频率调制信号在汽车中产生可变频率信号的传感器和装置有:
数字式空气流量计、福特数字式进气压力传感器、光电式车速传感器（VSS）,霍尔式车速传感器、光电式凸轮轴和曲轴转角（CKP）传感器、霍尔式凸轮轴和曲轴转角（CKP）传感器。
（4）脉宽调制信号在汽车中产生脉宽调制信号的电路或装置有:
初级点火线圈、电子点火正时电路、废气再循环控制电磁阀（EGR）、涡轮增压控制电磁阀以及其它控制电磁阀等，此外还有电磁喷油器、怠速控制电机等执行器。
（5）串行数据信号串行数据信号是汽车中具备自诊断能力和其它串行数据传送能力的控制模块所发出的信号。
串行数据一般由发动机控制模块、车身控制模块和制动防抱死控制模块（ABS）产生。
2）汽车电子信号的判定依据
了解5种基本的汽车电子信号—直流、交流、频率调制、脉宽调制和串行数据信号后，再根据汽车电子信号的5种基本特征—幅度、频率、脉冲宽度、形状和陈列，即5个判定依据，来识别各个传感器提供的各种信息，即可诊断出汽车的故障。
（1）幅度电子信号在一定点上的瞬时电压。
（2）频率信号的循环时间，即电子信号在两个事件或循环之间的时间，一般指每秒的循环次数（Hz）。
（3）脉冲宽度电子信号所占的时间或占空比。
（4）形状电子信号的外形特征，如它的曲线、轮廓、上升沿、下降沿等。
（5）陈列组成专门信息信号的重复方式，如同步脉冲或串行数据等。
3）波形分析法诊断故障原理
汽车中的每个电子信号都可以用5种判定依据中的一个或多个特征组成。
电子信号类型与判定依据之间的关系如表2-1所示。
每个电子信号必然与一个或多个判定依据相对应，以帮助计算机系统确认是什么类型的电子信号。
表2-1电子信号类型与判定依据的关系
信号类型
判断依据
幅度
频率
形状
脉冲宽度
阵列
直流
√
交流
频率调制
脉宽调制
串行数据
为了使汽车的计算机系统功能正常，必须去测量用于通信的电子信号，换言之就是，必须能“读”与“写”计算机电子通信的通用语言。
用汽车示波器可以“截听”到汽车计算机中的电子对话，这就可以用来诊断汽车故障，也可以用来验证修理工作完成后，系统或元件是否恢复正常。
如果某一个传感器、执行器或控制电脑产生了错误判定依据的电子信号，该电路就可能产生“通信中断”，它会表现为行驶能力及排放等方面的故障，在一些情况下还会产生故障码。
在汽车发动机控制电脑和其它电子智能设备中用来通信的串行数字信号是最复杂的信号，它是汽车电子信号中的最复杂的“电子语句”，在实际中，要用专门的诊断仪器去读取信息，即汽车示波器。
3电控发动机的波形测试与波形分析
3.1电控发动机的传感器波形测试与波形分析
传感器是电控发动机的重要组成部分之一，电控发动机的控制精度高低很大程度上取决于传感器向电控单元输入的电子信号是否准确，因此传感器波形测试是电控发动机波形分析故障诊断的重要内容。
在传感器波形测试模块中，根据本课题的测试要求和现有的测试条件，一共测试了8种正常传感器及其相应的故障传感器，分别是空气流量计（包括叶片式和热线式空气流量计）、进气歧管压力传感器、温度传感器（包括进气温度传感器、冷却液温度传感器和燃油温度传感器）、曲轴/凸轮轴位置传感器（包括电磁感应式、霍尔效应式和光电效应式曲轴/凸轮轴位置传感器）、节气门位置传感器（包括开关式和线性可变电阻式节气门位置传感器）、爆震传感器、速度传感器（包括ABS轮速传感器和车速传感器）和氧传感器。
下面以氧传感器为例说明传感器波形测试与波形分析的具体方法，其它传感器的波形测试与波形分析见与此配套的电控发动机波形分析光盘。
3.1.1氧传感器波形测试与波形分析
1）氧传感器波形测试方法
氧传感器按其工作原理不同分为氧化锆型氧传感器和氧化钛型氧传感器两种类型。
在进行波形测试时，虽然其零件类型不同，但其波形测试方法基本相同，常用的有丙烷加注法和急加速法两种，下面以氧化锆型氧传感器为例来说明氧传感器信号波形的测试步骤。
（1）丙烷加注法
①连接并安装加注丙烷的工具，把丙烷连接到发动机的真空管入口处，并做好向真空管内充注丙烷的准备。
②按照Pico汽车示波器操作规程连接仪器，然后将示波器的测试探针连接到氧传感器的输出信号线，另一探针搭铁或连接于蓄电池负极接线柱，如图3-1所示。
③起动发动机使其怠速运转2-3min，然后加速至2500r/min运转2-3min，最后让发动机处于怠速运转状态。
④打开Pico汽车示波器，依次点击“Automotive”、“Sensors”、“Lambda”、和“Zirconia”，进入测试状态。
⑤打开丙烷加注开关，慢慢向发动机的真空管内充注丙烷，直到氧传感器的输出电压升高，说明加注的丙烷使发动机的混合气变浓了。
这时一个运行正常的发动机控制系统将试图把氧传感器信号电压降低，继续缓慢地加注丙烷直到系统失去反馈过浓混合气的能力。
然后继续加注丙烷直至发动机转速下降100-200r/min，这是由于混合气过浓导致的。
上述过程如果操作正确应该在20-25秒内完成。
⑥迅速关闭丙烷加注开关，切断丙烷向真空管内充注，以造成极大的真空泄露，使混合气变稀。
观察示波器屏幕上的显示波形并锁定波形，波形测试完成。
接着就可以通过分析波形来判断氧传感器是否正常了。
图3-1氧传感器波形测试方法
（2）急加速法
①按照Pico汽车示波器操作规程连接仪器，然后将示波器的测试探针连接到氧传感器的输出信号线，另一探针搭铁或连接于蓄电池负极接线柱，如图3-1所示。
②起动发动机使其怠速运转2-3min，然后加速至2500r/min运转2-3min，最后让发动机处于怠速运转状态。
③在两秒内将发动机的油门踏板从怠速急加速到节气门完全打开，进行5-6次。
在加速时注意发动机的转速不要超过4000r/min，以免损坏发动机。
④观察示波器屏幕上的显示波形并锁定波形，波形测试完成，如图3-2所示。
接下来通过分析氧传感器波形的最大、最小电压以及响应时间来判断氧传感器是否正常。
图3-2氧传感器的具体测试波形
2）氧传感器的波形分析
（1）氧传感器的正常波形分析
对电控发动机的氧传感器信号电压波形进行分析时，需要检查其3个特征参数，一是信号的最高电压，要求其大于850mv:
二是信号的最低电压，要求其小于175mv或更小:
三是信号从浓到稀的最大允许响应时间（波形的中间部分），要求其小于100ms，且波形在300mv-600mv之间的下降段应该是上下垂直的。
典型的氧传感器正常波形如图3-3所示。
图3-3氧传感器的正常波形注释
一般电控发动机上的氧传感器信号波形的输出电压范围，氧化锆型为0-1v,氧化钛型为0-1V或0-5V。
例如，吉普公司4.0L轿车上的氧化钛型氧传感器的输出信号电压范围就是0-5V，并且它还有一个与众不同的特点，其传感器的输出信号电压变化与其它车型的氧传感器相比刚好相反，其混合气浓时输出电压低，混合气稀时输出电压高。
氧化锆型与氧化钛型氧传感器的信号电压变化频率一般是一样的，通常为0.2Hz（怠速时）一5Hz（2500r/min时）。
（2）氧传感器的故障波形分析
①氧传感器的故障波形类型
a.增幅杂波:
在氧传感器信号波形中，经常出现在300mv到600mv之间的一些不重要杂波，称为增幅杂波，如图3-4所示。
增幅杂波大多是因氧传感器自身的化学特性变化所导致的，而不是发动机或其它系统的问题。
这种类型的杂波通常对特定的诊断是不重要的，所以增幅杂波又称为无关型杂波。
由此可见，高于600mv和低于300mv的杂波才是明显的杂波。
图3-4氧传感器的增幅杂波
b.中等杂波:
指氧传感器信号电压波形的高电压段部分向下冲的尖峰，如图3-5所示。
中等杂波尖峰振幅不大于150mv，当氧传感器的波形穿过450mv时，中等杂波会达到200mv。
中等杂波对特定的诊断也许有用，也许没用，在诊断时还必须权衡一些其它因素。
首先，产生杂波的燃油反馈控制系统的类型是重点考虑因素;
其次，与杂波发生时发动机的运行方式也有关系，例如，多数汽车在怠速时氧传感器波形上的杂波比较多;
此外，在考虑氧传感器波形上的中等杂波信号时，发动机的型号和氧传感器的类型也是重要的考虑因素。
图3-5氧传感器的中等杂波
c.严重杂波:
指振幅大于200mv的杂波，如图3-6所示。
严重杂波会在持续的运行时段内覆盖传感器的整个电压范围，其表现为从传感器运行范围的顶部向下冲的尖峰，冲过200mv或达到传感器运行范围的底部。
如果发动机处在稳定的运行工况下，如转速稳定在2500r/min时，严重杂波能够持续几秒钟，这对任何汽车发动机的故障诊断都是非常有意义的。
这种特性的严重杂波决不是系统的正常设计造成的，而是由汽缸点火不良或混合气不平衡等因素引起的，因此必须予以排除。
图3-6氧传感器的严重杂波
②氧传感器的故障波形原因分析
引起氧传感器出现故障波形的原因有很多，归纳起来主要有以下几点:
a.由于汽缸的点火不良所导致的，主要有点火系统造成的点火不良、混合气过稀造成的点火不良、混合气过浓造成的点火不良、汽缸压力造成的点火不良、真空泄漏或喷油器喷油不平衡造成的点火不良等。
发动机的点火不良是如何引起杂波的呢?
在点火不良状态下，波形上的毛刺或杂波是由那些燃烧不完全或根本不燃烧的区域混合气所引起的，这部分混合气在燃烧后，剩下的多余氧就进入排气管中，并经过氧传感器。
当氧传感器发现排气中氧成分变化时，它就非常快地产生一个低压或毛刺，一系列这些高频毛刺就组成了“杂波”的现象。
点火系统造成的点火不良，原因可能为损坏的火花塞、高压线、分电器盖、分火头、点火线圈或影响同时点火或单独点火的电子点火控制器等。
通常点火示波器可以用来确定这些问题或排除这些故障。
送至汽缸内的混合气过浓造成的点火不良（原因有多方面），并且其混合气的过浓空燃比值超过了燃烧极限（约为l3:
1）。
送至汽缸内的混合气过稀造成的点火不良（原因有多方面），并且其混合气的过稀空燃比值超过了燃烧极限（约为l7:
由汽缸压力造成的点火不良，通常是由机械问题造成的（例如，气门烧损，活塞环断裂或磨损，凸轮磨损，气门卡住等），它使得在点火前汽缸内的混合气压力降低，不能产生足够的热量，从而妨碍了燃烧，增加了排气中的氧含量。
一个汽缸或几个汽缸有真空泄漏造成的点火不良，可以通过对所怀疑的真空泄漏区域（如进气歧管垫、真空管等）加入丙烷来进行确定，观察氧传感器的波形什么时候因加入丙烷使信号变多，尖峰消失。
当一个汽缸或几个汽缸有真空泄漏造成进入汽缸内的混合气空燃比值超过17:
1时，真空泄漏造成的点火不良就发生了。
喷油器喷油不平衡造成的点火不良仅发生在多点喷射发动机中，一个汽缸由于混合气过浓或过稀造成的点火不良，通常是因为喷油时喷油器的实际喷射油量太多或太少所造成的。
当汽缸中的混合气空燃比值超过了危险的17:
1时，就产生了稀点火不良;
低于危险的13:
1时，也会产生浓点火不良，这就造成了因喷油器喷油不平衡产生的点火不良。
b.由于系统的设计不良所引起的，如不同的进气管通道长度等。
c.由于发动机的性能下降或零部件的老化所造成的，如发动机长时间使用后，系统密封性能下降，造成汽缸压力不平衡等。
d.由于系统的各种故障所导致的，如进气管堵塞、气门卡住等。
3.1.2节气门位置传感器的波形测试与波形分析
1）波形测试
连接好波形测试设备，探针接传感器信号输出端子，鳄鱼夹搭铁。
打开点火开关，发动机不运转，慢慢地让节气门从关闭位置到全开位置，并重新返回至节气门关闭位置。
慢慢地反复这个过程几次。
这时波形应如图3-7所示铺开在显示屏上。
图3-7
2）波形分析
线性输出型节气门位置传感器信号波形分析如图3-8所示。
图3-8
查阅车型规范手册，以得到精确的电压范围，通常传感器的电压应从怠速时的低于1V到节气门全开时的低于5V。
波形上不应有任何断裂、对地尖峰或大跌落。
应特别注意在前1/4节气门开度中的波形，这是在驾驶中最常用到传感器碳膜的部分。
传感器的前1/8至1/3的碳膜通常首先磨损。
有些车辆有两个节气门位置传感器。
一个用于发动机控制，另一个用于变速器控制。
发动机节气门位置传感器传来的信号与变速器节气门位置传感器操作相对应。
变速器节气门位置传感器在怠速运转时产生低于5V电压，在节气门全开时变到低于1V。
特别应注意达到2.8V处的波形，这是传感器的碳膜容易损坏或断裂的部分。
在传感器中磨损或断裂的碳膜不能向发动机ECU提供正确的节气门位置信息，所以发动机ECU不能为发动机计算正确的混合气命令，从而引起汽车驾驶性能问题。
如果波形异常，则更换线性输出型节气门位置传感器。
3.1.3冷却液温度传感器波形测试与波形分析
冷却液温度传感器和进气温度传感器的检测方法和波形基本相同,下面以发动机冷却液温度传感器为例介绍波形检测方法和波形分析。
连接好波形测试设备,起动发动机,然后在发动机暖机过程中观察温度传感器信号电压的下降情况。
如果汽车故障与温度无直接关系，可以从全冷态的发动开始试验步骤；
如果汽车的故障与温度有直接的关系，则可以从怀疑的温度范围开始试验步骤。
2）波形分析
发动机冷却液温度传感器信号波形的起动暖机过程检测结果如图3-9所示
图3-9
检查车型的规范手册以得到精确的电压范围，通常冷车时传感器的电压应在3V～5V（全冷态）之间，然后随着发动机运转减少至运行正常温度时的1V左右。
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