基于PICO示波器应用的发动机故障诊断方法

秦太兴 李锋 杜灿谊 曾祥坤 吴劲 徐明辉 单锟

摘要：以帕萨特1.8T电控发动机为实验对象，运用PICO示波器和PicoScope6软件对发动机传感器、执行器信号波形进行研究，并给出了相应部件的测试方法和波形获取方法。将水温传感器、点火系统以及排气压力的正常波形与故障波形进行了对比分析，讨论了三种故障波形的特点和判定方法，实验结果显现出利用PICO示波器波形分析进行发动机故障诊断的准确性和高效性。

Abstract： Taking Passat 1.8T gasoline engine as the experimental object， the signal waveform of engine sensor and actuator is studied by using PICO oscilloscope and PICOSCope6 software， and the test method and waveform acquisition method of corresponding components are given. The normal and fault waveforms of water temperature sensor， ignition system and exhaust pressure are compared and analyzed， and the characteristics and determination methods of the three fault waveforms are discussed. The experimental results show the accuracy and high efficiency of engine fault diagnosis using PICO oscilloscope waveform analysis.

关键词：PICO示波器;波形分析;故障诊断

Key words： PICO oscilloscope;waveform analysis;fault diagnosis

中图分类号：U472.43                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）15-0133-03

0  引言

随着汽车技术的日新月异，汽车故障与诊断技术得到迅速发展，汽车的结构走向复杂化、集成化，电子化，因此对汽车的一些故障的诊断以及排除越来越有难度，同时学者们对检测技术不断提出高的要求，刺激着汽车检测诊断技术的持续发展。[1]而波形分析法是汽车诊断技术中比较新型且尚未成熟的一种故障诊断方式，该方式比其它检测发动机故障的方式更准确，同时这种方式检测效率高，固然成为当今和未来汽车故障检测与诊断方式的重要方向。[2，3]这其中利用PICO示波器对发动机信号进行提取和分析在分辨率和存储度上都具有极大优势，只需要接入PC电脑的USB接口，结合PicoScope专用操作分析软件，有强大的数字示波功能，同时拥有多探头高效连接，高采样率（400MHz）、高分辨率（12-16位）以及多通道等，更有效拓宽了其适用面。本实验结合发动机控制信号及其工作原理，提出信号波形的测量、分析与研究工作。利用专业示波器PICO及其测量平台，通过波形采样，对比分析以佐证该方法的可行性，为发动机故障诊断提供依据。

1  总体实验方案

汽车电子器件在运行过程中会产生如下的五种基本信号：直流、交流、频率调制、脉宽和串行数据。这五种基本电子信号是汽车控制系统中各传感器、行车电脑和其他设备之间相互通信的基本语言，也是我们采样的主要依据。本次实验在帕萨特1.8T发动机台架上，采用PicoScope示波器进行波形的采样与分析，具体实验方案如图1所示，这其中包括示波器模块、PicoScope软件、发动机台架、金属探头、连接导线、电脑等，通过搭建该系统实现对特定信号的采集再进行深度比对分析，可高效实现对固定传感器、信號执行器的故障诊断。

2  波形获取方法

以水温传感器信号波形获取方法为例。

水温传感器有两个接线端子，一端是电源线，通常为5V，另一端接地。将USB电缆一端接入笔记本，另一端接PICO示波器，保证电脑与示波器之间稳定的信号和电源连接。然后将BNC转4mm的TA125测试线（蓝色3m长）测试头一端接入PICO示波器A通道，黑色负极表笔接上黑色蓄电池夹子，并夹在汽车蓄电池接地端，将水温传感器拆下，用通用引出线连接传感器接头和线束接头。红色正极表笔接上通用引出线中接地端的一路。

起动发动机，然后在发动机暖车过程中观察其电压下降情况，定位屏幕上的波形，并保存，波形测试结束。

3  根据波形分析进行故障诊断

3.1 水温传感器故障诊断

水温传感器的内部是一个半导体热敏电阻，温度愈低，电阻愈大;反之电阻愈小。电控单元根据这一变化测得发动机冷却水的温度，以此作为燃油喷射和点火正时的修正号，因此监测水温传感器信号是检测发动机状态的重要一环。

①图2（a）为采集到的水温传感器波形，由图可知波形呈一个持续下降的趋势，发动机起动后，电压从3V逐渐下降，随着发动机水温的升高，经过8min20s后，电压降到约1.4V，这是水温传感器的特性，表明发动机运行良好。

②图2（b）为水温传感器故障波形，波形呈一条直线，信号电压值不随发动机运行时间的长短而改变，基本维持在0V。造成这种现象的原因可能是：水温传感器内的负温度系数电阻损坏;或水温传感器内部线路断路。经此验证，使用PICO示波器进行信号采集与波形分析以此检验水温传感器的故障方法高效准确。

3.2 点火系统故障诊断

于发动机台架中取出第2缸火花塞，在检测其导通性与绝缘性良好的情况下，将火花塞间隙调小并将初级线圈极性接反，原火花塞标准间隙为1.2mm，经调小后的间隙为0.8mm。

①图3（a）为设置故障前采集的次级点火正常波形，由图可知，点火闭合角、击穿电压、燃烧电压、燃烧线和点火线圈振荡线均在误差值范围内，说明发动机2缸工作状态良好。

②图3（b）为设置故障后次级点火故障波形，在故障点1处击穿电压击穿电压太低，且燃烧线线变宽，可能是火花塞间隙太小或火花塞漏电所致，与预设火花塞间隙调小的故障点吻合;故障点2处波形向下倾斜，且震荡频率增高，说明点火线圈初级两端接反，导致次级电压反向发生改变，与预设初级线圈极性反接故障点吻合。经此验证，使用PICO示波器进行次级电压信号波形采集与分析的方法可准确找出点火系统的故障。

3.3 排气压力波形故障诊断

发动机正常工作下，排气管向外排气。当某缸失火时，由于该缸在“做功”阶段没有产生压力，当活塞从TDC向BDC运动时，进气门和排气门都关闭的情况下，会产生一定量的真空。本次实验对象为帕萨特1.8T四缸发动机，正常波形与故障波形如图4。

①如图4（a）所示，绿线为一缸点火信号，蓝线为排气压力波形。一缸点火信号即为一缸压缩上止点，在点火后的一个行程为一缸的做功。以此类推，可计算出一缸的排气行程，借此对应出一缸的排气压力波动信号。

②压力上升，表明排气门逐渐打开，压力气体向外排出;压力下降，说表明排气门逐渐关闭，排气结束。波峰和波谷应该对称，如果某个波峰或波谷不对称，则说明排气机构有问题。

③若一缸失火，排气压力波形应如图4（b）。一缸排氣阶段，排气门打开，排气压力不上升，继续下降，究其原因，汽缸内的真空，使排气门打开时，往气缸内吸气，导致排气压力继续下降。经过验证，以PICO示波器为信息载体采集排气压力波形并分析的方法来判断汽缸失火现象准确、高效。

4  结语

以帕萨特1.8T发动机为实验对象，PICO示波器为信息载体，连接发动机台架、电脑，搭建了一个供检测诊断的实验台架。对水温传感器、点火线圈、火花塞设置故障，读取故障波形，通过与正常波形比对，能准确判断出故障点，表明了PICO示波器采集波形的高精度、高频率，及通过波形分析法进行发动机故障诊断的准确性和高效性，该方法对于汽车故障诊断具有实际意义。

参考文献：

[1]龚永康.电控发动机传感器信号波形深度分析[J].内燃机与配件，2020（03）：80-81.

[2]高中伟.PICO：让示波技术紧跟汽车发展的步伐——专访英国PICO公司业务开发经理PhilService[J].汽车维修与保养，2015（05）：56-59.

[3]蒋延莲.基于波形分析的汽车电控发动机示教系统开发[D].南京：南京林业大学，2012.

[4]孟祥磊.波形分析在发动机故障诊断中的应用[J].电子技术与软件工程，2017（01）：258-261.