波形分析法在汽车故障诊断中的应用研究

王斌

（无锡商业职业技术学院汽车技术学院，江苏无锡 214153）

波形分析法在汽车故障诊断中的应用研究

王斌

（无锡商业职业技术学院汽车技术学院，江苏无锡 214153）

在汽车故障诊断维修过程中单靠解码仪检测远远不够，波形分析法的运用可以提高故障诊断的效率。文章介绍了波形分析法的概念与优点以及波形分析法诊断故障的机理，并以氧传感器和喷油器为例试述波形分析法在汽车故障诊断中的具体运用方法。

波形分析；故障诊断；氧传感器；喷油器

随着汽车电子控制技术的不断发展与应用，汽车故障的诊断方法与诊断设备也随之不断更新发展，汽车自诊断系统和解码仪的配合使用可以快速、精准地查找汽车故障，此种检测诊断方法的使用已非常普及，但也存在着不足。汽车自诊断系统的故障存储是有一定要求的，只有当信号持续丢失或偏离一段时间后才会被存储，而且传感器因磨损、老化导致的性能变差也无法通过解码器的使用来进行检测诊断。运用汽车专用示波器测量电子元器件的波形，运用标准波形来比对所测波形可以快速准确地判断故障是否存在，运用此法可以快速实现汽车故障的诊断[1]。

一、波形分析法的概念

波形分析故障诊断法是指借助于汽车专用示波仪读取汽车电子系统中电子元器件的波形信号，再运用正常电子元器件的标准波形来进行比对，根据其波形差异再结合其他手段分析得出汽车故障点的一种诊断方法。

传感器的故障一般分为硬故障和软故障，硬故障是指传感器结构损坏直接导致无信号输出，或输出信号偏差较大；软故障一般表现为信号变化偶发或偏差较小。运用解码仪可以很好地解决硬故障问题，但对软故障束手无策，而波形分析法可以很好地诊断软故障。

汽车电控系统的工作原理是传感器将检测的信息转化为电信号传送给控制系统的控制单元ECU，ECU根据内部存储的既定程序和数据，发送相关指令给各个执行器，在接受指令后执行器会及时做出相应动作，进而确保汽车的正常运行。所以读懂这些电信号对于维修从业人员来说显得尤其重要，传感器的电信号一般可以从幅度、频率、脉冲宽度、形状和阵列这五个特征进行判断。示波器读取的电子元器件的波形信号可以分门别类，其中交直流信号都属于模拟信号，比如各种温度传感器、节气门位置传感器的输出信号都属于直流信号；车速传感器、轮速传感器输出的信号属于交流信号。能产生频率调制信号波形的传感器有曲轴位置、凸轮轴位置传感器[2]。

任何一个电子信号都可运用上述判断依据中的一个或者是多个来进行辨别，电子信号类型与其判断依据之间的关系如表1所示。每一个电子信号定会与其中一个或者多个的判断依据对应，这样可以帮助控制单元来确认到底是属于哪一种类型的电子信号[3]。

表1 电子信号类型与判断依据的关系

汽车发生故障的时候，用示波器逐一读取可疑对象的波形，根据实时所测波形来对比正常标准波形，对比发现所测的实时波形会在上述的几种判断标准上存在较大出入，正是基于此才能利用示波仪快速诊断出汽车故障。

二、以氧传感器为例试述波形分析法的运用

（一）氧传感器的工作原理

汽车氧传感器用来实现喷油的闭环控制，氧传感器向控制单元反馈尾气中的氧气含量，控制单元调整喷油器的喷油量以此来确保燃油的经济型和环保性，图1为氧化锆式氧传感器的结构组成，主要包括铂电极、氧化锆管、加热器等。氧化锆式氧传感器实为一个化学电池，氧化锆管的内外两个表面实为两个电极，氧化锆管内表面和大气相通，其氧含量是固定的，而外表面裸露在发动机废气中，废气中氧的含量随着空燃比的变化而变化。当空燃比较高时，废气中氧的含量高，氧化锆管内外表面的氧浓度差较小，此时氧传感器的输出电压很低，接近零伏；反之，空燃比较低时，废气中氧的含量较少，内外侧氧的浓度相差较大，此时输出电压高，接近1V。

图1 氧传感器的结构图

图2 电压输出特性

氧传感器的电压输出特性如图2所示，当实际空燃比低于理论空燃比的时候，氧传感器输出高电压，随之减少喷油量，空燃比增大，接近于理论空燃比时其电压信号会突变下降到0.1V，控制单元随之不断调整喷油器的喷油量来保证最佳的空燃比，从而实现发动机的经济环保。

（二）氧传感器波形分析

氧传感器的检测方法有两种，分别是丙烷加注法和急加速油门法。丙烷加注检测法不能适用所有发动机，用它来读取氧传感器的波形是相当困难的，因为现在绝大部分发动机的电子控制系统都带有真空泄露补偿的功能，控制系统会快速地进行真空泄露补偿，故氧传感器的输出信号电压不会降低。较为常用的为急加速油门法。采用急加速油门法读取波形要严格按照操作步骤进行：首先预热发动机，转速保持在2500rpm左右，时间维持2～5min,然后怠速运行25s；迅速踩下油门将节气门从全闭状态打开到全开状态，这个过程必须控制在2s内，并反复此动作5～6次。需要注意的是节气门从全闭到全开以及全开到全闭的过程必须快速完成，不要让发动机长时间处于高速空转运行的状态。

在发动机正常运转的情况下，氧传感器的标准波形如图3所示，输出电信号的数值范围为0～1 V。当空燃比稍低的时候，废气中氧含量很低甚至于为0，此时氧化锆管内外表面氧浓度相差较多，输出一个高电压信号，电压值约为0.9V；当空燃比稍高的时候，废气中存有较多的氧，氧化锆管内外表面氧浓度相差较小，输出一个低电压信号，电压值约为0.1V，氧传感器输出电压在两者之间反复循环。

图3 氧传感器标准波形

图4 氧传感器异常波形

如果实测波形和标准波形存在较大偏差，或者相关参数数值与标准数值存在明显差异，而且波形测试的方法和条件均符合规定，那么发动机定会存有故障，具体是什么故障，我们可以根据波形的形态再配合其他检测数据分析查找。损坏的氧传感器大部分是可以从信号电压波形的形态上轻易分辨出来，部分看不出的可以读出信号电压的最小和最大值以及信号响应时间，运用标准数值比对来判断传感器的好坏。

如图4所示，这是一台存有故障的发动机的氧传感器的实测波形，发动机的故障现象主要表现为怠速的时候非常不平稳，加速迟缓而且动力下降较为明显，但在刚启动片刻发动机运转还是相对平稳的。实测波形杂波较为严重，表明了发动机尾气中氧气含量不均衡或者存在缺火现象，分析出可疑故障点再结合其他判断方法，判断点火系统和进气管真空度都没有问题，最后断定是某个喷油器不喷油。更换新的喷油器后，上述故障现象不再出现，实测波形恢复正常。

三、以喷油驱动器为例试述波形分析法的运用

（一）喷油驱动器原理与波形分析

喷油器是电控发动机燃料供给系的核心组成部件，喷油器工作性能的好坏直接影响到发动机能否正常运行，喷油器自身是不能确定其波形特征的，只有开关晶体管与喷油器驱动才能确定大部分波形的特性。不同类型的喷油器驱动器会产生不同的波形，现今主要有四种类型的喷油器，包括饱和开关型、峰值保持型、脉冲宽度调制型以及PNP型，了解喷油驱动器的波形特点对汽车修理有着较好的参考意义。按照喷油器的驱动方式可以分为电压驱动型和电流驱动型，电流驱动型的电路仅仅适用于电阻值为0.6～3Ω的低阻抗喷油器，电压驱动型的电路即可用于低阻抗喷油器，又可用于电阻值为12～17Ω的高阻抗喷油器。两种驱动方式的波形也不尽相同，以电压驱动型喷油器为例，标准波形如图5所示[4]。

图5 电压驱动型喷油器标准波形

图5中ab段一般称之为开路电压，是用来提供给喷油器的系统电压，该电压一般应大于13.5V。bc段是喷油器的开启段，控制单元送来喷油信号的时候，功率三极管饱和导通，此时喷油器的系统电压迅速下降，电流流过喷油器，此时喷油器的阀芯上行，喷油器开始喷油。cd段为喷油器持续喷油阶段，喷油时间一般也就几到十几毫秒的时间，而后，控制单元送来断油信号，喷油器停止喷油。de段实为喷油器线圈的感应电压，当电流突然切断的时候线圈会生成一个感应高电压，也就是峰值电压，随之下降至电源电压，到此完成一个喷油过程。

如果实测波形和上述标准波形存有较大差异则表明发动机是存有故障的，我们可以根据实测波形的特征来分析故障发生的原因。比如ab段电压波动较大，则有可能是喷油器的电源线路当中存有接触不良；如果de段的e点位置较低，也就是说感应电动势不够高，一般应在35V左右。感应电动势的高低和喷油器线圈的电阻和通电电流有关，如果偏低可能由于喷油器线圈部分短路造成的。由此可见，完全可以根据喷油器实测波形来分析查找故障原因。

（二）喷油器起动试验波形分析

发动机无法起动运转的故障原因通常包括可燃混合气没有进入气缸、点火故障以及机械故障，在排查故障原因时示波器起着重要作用，它可以迅速可靠地检测凸轮轴和曲轴位置传感器、喷油驱动电路以及点火线路。当怀疑发动机不喷油时，可借助示波器进行测试。一般而言启动发动机时，如果喷油驱动电路存有故障是检测不到脉冲信号的，通常会有两种显示：一是一条12V电压的水平线，另一种是一条0V的水平线。下面以非PNP喷油驱动器为例阐述故障分析过程。

（1）波形显示为一条0V直线：在示波器接口完好以及必要部件运转良好的情况下，先检查喷油器供电电路，控制模块的电源电路，如果检测不到喷油器的电源电压则检测其他电磁阀的电源电压。如果喷油器的电源电压正常，则有可能是喷油器自身线圈断路。

（2）波形显示为一条12V直线：如果喷油器的供电电压值正常，则说明喷油器的接地线路存有问题，应该进一步检查控制电脑。可能原因是ECU模块自身的电路故障烧毁或接触不良，也有可能是曲轴、凸轮轴位置传感器的信号没能反馈给ECU。

（3）波形显示有脉冲信号出现：观测脉冲信号的三个数值与标准数值是否一致，尤其要确认是否有足够的喷油脉冲宽度，喷油脉冲宽度不足会导致喷油量过少，从而无法提供足够的燃油来启动发动机，当然喷油脉宽过大也不行，会导致喷油量过多而淹缸。一般来说启动时的喷油脉宽为6ms～35ms[5]。

[1]朱永成.氧传感器波形分析在电喷汽车维修检测中的应用[J].韶关学院学报，2008（3）:48-49.

[2]陈明.汽车传感器波形分析在故障诊断中的应用[J].汽车电器，2009（4）:33-34.

[3]魏秋兰.波形分析在汽车电子控制系统故障诊断中的应用[J].汽车实用技术，2015（1）:136-137.

[4]司景平.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）:38-39.

[5]吴心平.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（12）:92-94.

（编辑：林钢）

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

无锡商业职业技术学院教科研课题“基于波形分析法的电控发动机故障诊断研究”（SYKJ16B23）

王斌（1982—），男，江苏宝应人，实验师，高级技师，硕士，研究方向为汽车检测与维修。