波形分析在汽车电子控制系统故障诊断中的应用

魏秋兰

（陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018）

波形分析在汽车电子控制系统故障诊断中的应用

魏秋兰

（陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018）

介绍了基于波形分析的故障诊断思路与方法，以大众帕萨特B5车型为例，利用大众专用诊断仪VAS5051B（含示波仪功能）测试了大众汽车发动机转速传感器、喷油器及氧传感器并进行分析，对快速排除汽车电控系统故障，提高维修质量和效率具有一定的意义。

波形分析；汽车；电子控制系统；故障诊断

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

前言

汽车电控系统应用逐渐广泛，其可靠性一般很高，但在长时间使用过程中会磨损、腐蚀、变形和老化，性能则随之变差，此时维修人员利用专用诊断仪及各种解码器不能对电子控制系统的无故障码的故障部位或原因完全做出判断，采用读数据流的方法又很难判断快速变化的数据。汽车示波仪可以捕捉快速变化的电路信号，与正常波形信号进行对比，可以快速准确地查找出故障点，同时还能直接判断产生故障的原因[1]。因此采用波形分析为电子控制系统的设计与维修提供了科学依据，为检测和排除故障提供指导。

1、电子控制系统故障诊断思路

波形分析在汽车电子控制系统故障诊断与维修中的应用方式主要有两种：即整个系统运行状态的分析或某个电器元件或电路的故障分析。汽车电子控制系统故障一般有执行器故障、传感器故障、控制单元故障及线路故障；可先使用专用的诊断仪或解码器对所有电子控制系统故障进行诊断，在诊断中无法获取故障码，或者通过故障码找不出具体故障原因时，可利用示波仪读取系统中相关的传感器、执行器或控制单元通信线路等电子元件的波形信号；信号的类型基本分为五种类型：直流信号、交流信号、频率调制信号、脉宽调制信号和串行数据信号；分析波形将电子信号的特征如幅度、频率、脉冲宽度、形状和阵列等变化做为判定依据，电子信号与判定依据关系见表1[2]。通过示波仪可采集的波形很多，下面对大众汽车的转速传感器波形、喷油器波形及氧传感器波形进行分析。

2、波形检测方法

大众汽车可以利用VAS5051B的数字存储示波仪功能对控制单元的各种传感器和执行器进行信号检测和分析，拔下传感器或执行器的插头与插座，分别用转接工具VAG1594连接好，然后把示波仪表笔插入连接两个端子测量导线中的插孔中进行测量。在测量过程中不得中断传感器和控制单元之间的线路连接，否则发动机将停止运转。测量CAN总线波形时，用专用转接盒VAS1598及连接线将控制单元的数据总线端子引出，再将示波仪的表笔放入相应的测量插孔中，打开示波仪通道即可显示波形。

3、发动机转速传感器波形分析

大众汽车的发动机转速传感器G28产生发动机转速信号和曲轴转角位置信号，作为发动机点火和喷油的判缸信号之一。帕萨特B5多采用磁感应式发动机转速传感器的波形如图1所示[3]，在信号转子上有58个凸齿，信号转子每转一转，即发动机曲轴每转一圈，传感线圈就会输出58个交变的电压信号。因此，控制单元内部计数电路每接收到58个信号，即可判定发动机曲轴旋转了一圈。控制单元根据接收转速传感器脉冲信号的数量，便能计算出发动机曲轴旋转的转速。另外，大齿缺信号(即宽脉冲)是1缸或4缸活塞即将到达上止点位置，再结合凸轮轴位置传感器输入的气缸识别信号确定是1缸活塞还是4 缸活塞。

发动机转速传感器信号的失真将导致发动机无法启动，如图2所示，电压在0V左右，故障原因可能为转速传感器损坏或信号轮损坏。如果发动机缺缸或动力明显下降，发动机转速传感器波形则不规则如图3所示，故障原因为信号轮缺齿。

4、喷油波形分析

喷油量是由发动机控制单元通过喷油器打开时间控制的，在燃油分配管压力和喷嘴开口横截面一定的情况下，喷油量和喷油时间成正比。通过喷油器波形分析可以确定混合气过浓过稀是否由于喷油器的电器元件造成的。帕萨特B5采用电压驱动型喷油器，其波形如图4 所示[3]。图4中A段为提供给喷油器的系统电压，通常称开路电压，在发动机正常工作时，该电压一般大于13.5 V。B段为喷油器开启段，当控制单元送来喷油信号时，信号的下降沿使功率三级管饱和导通，加在喷油器上的电压迅速降低，电流流过喷油器，喷油器阀心提升、喷油器阀开启、喷油开始；当喷油器阀开启一段时间后收到控制单元送来断油信号，信号的上升沿使功率三级管截止，随之关闭喷油器，喷油停止。由于喷油器是电感元件，当电流突然关断时在线圈两端感应出非常高的电压，即峰值电压随着时间的消逝，峰值电压回到电源电压，一个喷油过程结束。在峰值电压过后，电压从峰值回落到开路电压的过程中出现的一个“驼峰”波形，该点对应于喷油器关闭阀心落座的瞬时[4]。

当混合气过浓时，喷油波形如图5所示，可以发现喷油脉宽为5～6ms故障，喷油时间太长，从而再检查氧传感器等相关传感器。如果测得波形如图6所示，感生电动势在10V，说明喷油嘴线圈短路，当发动机缺缸和缺火往往可能是喷油嘴不喷油造成，如喷油嘴线圈短路。如果测得波形如图7所示，静止在0V上则说明喷油器与电源线连接有故障或喷油线路开路。

5、氧传感器波形分析

氧传感器是进行闭环控制的主要元件之一。正常工作时，氧传感器检测排气中的氧浓度，并随时向发动机控制单元反馈信号。发动机控制单元则根据反馈的信号及时调整喷油脉宽即喷油量，如信号反映混合气较浓，则减少喷油时间；反之，如信号反映混合气较稀，则延长喷油时间。这样使混合气的空燃比始终保持在理论空燃比附近。因此，当发动机出现燃烧故障时，必然引起氧传感器电压信号的变化，就可通过氧传感器的波形分析来诊断真空漏气、点火不良、喷油不平衡、气缸压力低等一些发动机故障问题，很多资料显示其效果很好[5]。

帕萨特B5采用氧化锆式氧传感器，正常情况下当闭环控制时波形如图8所示，氧传感器的电压信号大约在0至1V之间波动，平均值约450mV[3]。当混合气浓度稍浓于理论空燃比时，氧传感器产生约800mV 的高电压信号；当混合气浓度稍稀于理论空燃比时，氧传感器产生接近100mV 的低电压信号。当然，不同类型的氧传感器波形不完全相同。氧化钛型氧传感器的电压一般是1V 范围内变化，也有少数的是5V 范围内变化的。

当混合气太浓，检测到氧传感器波形电压在0.8伏左右如图8所示，故障原因可能是氧传感器损坏或油路故障。当混合气太稀，检测到氧传感器波形电压在0伏左右如图9所示，故障原因可能是氧传感器损坏、排气管漏气或喷油嘴未喷油等。

6、故障案例分析

故障现象：一辆2002 年款上海帕萨特B5 1.8T 轿车，该车装备了带涡轮增压的四缸电喷发动机，行驶了近6万公里时出现起动困难现象。

故障分析：用故障诊断仪读取故障码16706发动机转速传感器信号不可信，故障原因可能是：传感器盘松动或弯曲，转速传感器G28损坏，或传感器与控制单元之间接头松动，还有可能是屏蔽线断路。

测量了G28传感器的线圈阻值约1000在正常范围内，于是采用示波仪读取了该传感器波形，发现为一条接近0V的直线，因此判定为传感器线路有搭铁故障，最后发现G28与控制单元之间接线因磨损搭铁，修复连接导线，故障排除。

7、总结

本文采用波形分析研究了大众帕萨特B5车型的发动机转速传感器、喷油器及氧传感器波形。结果表明，波形分析法能够形象、直观地反映故障症状与故障原因间的因果关系，为在设计、维护和维修汽车电控系统提供了良好的依据，有利于进一步提高汽车电控系统工作的可靠性与安全性水平。需要注意的是测量端子的选择，示波仪表笔的放置都有可能影响波形形状，所以波形分析要联系实际并与故障诊断仪结合起来进行更有效的故障诊断。

[1] 吴心平，程新龙, 李照美，波形分析法在汽车故障诊断中的应用[J].拖拉机与农用运输车，2006，33.

[2] 贺建波，贺展开.汽车传感器的检测[M] .北京: 机械工业出版社，2005.

[3] 陆耀迪，上海大众帕萨特轿车实用维修手册[M].北京: 机械工业出版社，2010.

[4] 司景萍，吉平.喷油波形分析及其在汽车故障诊断中的应用[J].内蒙古公路与运输，2003，1.

[5] 郝孟军，利用氧传感器波形分析发动机运行状态故障[J].北京汽车，2011，1.

4、结论

通过上述试验结果可知，对管路采用橡胶阻尼管夹固定、减少管路折弯和急弯、增加管路折角度圆弧过渡折弯、增加管路管径、采用调谐压力油管和合理分配软管与邦迪管连接长度等措施能有效降低动转管路SBN和FBN，降低转向系统的ABN，提高车辆的驾驶性和舒适性。

参考文献

[1] 王霄锋.汽车底盘设计.北京：清华大学出版社.2010.

[2] 何渝生.汽车噪音控制.机械工业出版社.1999.

[3] 潘仲麟.噪音控制技术.化学工业出版社.2008.

[4] 李伟刚等. 潜艇液压系统管路振动与噪声的分析控制.机床与液压.2010.

[5] 江淮汽车集团研发中心.江淮轻型卡车设计规范.第一版,合肥: 江淮汽车股份有限公司, 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

魏秋兰，就职于陕西交通职业技术学院，主要从事汽车电子技术与汽车维修课程的教学。