基于數(shù)據(jù)流分析的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷應(yīng)用研究

張錢斌

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，安徽蕪湖 241000）

基于數(shù)據(jù)流分析的電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷應(yīng)用研究

張錢斌

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，安徽蕪湖 241000）

在電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷過程中，汽車故障診斷儀除了具有“讀取故障碼”和“清除故障碼”的功能外，還具有對(duì)電控系統(tǒng)各種傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)讀取功能（數(shù)據(jù)流分析）。本文對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流產(chǎn)生的機(jī)理和特性、數(shù)據(jù)流分析的方法和顯示方式進(jìn)行了闡述，結(jié)合實(shí)例分析了靜態(tài)數(shù)據(jù)流和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流分析在電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)流分析；電控發(fā)動(dòng)機(jī)；故障診斷

隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子控制系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用到汽車中，從汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤，到汽車車身及電氣系統(tǒng)均采用電子模塊進(jìn)行控制。如果汽車某個(gè)部分或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，單憑以往的經(jīng)驗(yàn)和故障代碼對(duì)汽車進(jìn)行故障診斷的方法已經(jīng)不能解決所有出現(xiàn)的問題。為了避免按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)車輛盲目拆卸而造成的損失，提高故障診斷的效率和準(zhǔn)確性，必須掌握運(yùn)用“數(shù)據(jù)流”分析方法對(duì)車輛進(jìn)行診斷。本文以大眾寶來和桑塔納轎車出現(xiàn)的故障案例入手，利用寶來轎車發(fā)動(dòng)機(jī)EA111、桑塔納AJR發(fā)動(dòng)機(jī)、金德KT600故障診斷儀、數(shù)字萬用表和各檢測(cè)儀器儀表為平臺(tái)，介紹如何應(yīng)用數(shù)據(jù)流分析方法快速診斷出汽車電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障產(chǎn)生的部位及原因。

1 數(shù)據(jù)流產(chǎn)生機(jī)理及特性

1.1 數(shù)據(jù)流產(chǎn)生機(jī)理

汽車數(shù)據(jù)流，是汽車電子控制單元（ECU）與各傳感器和電控執(zhí)行元件通訊的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過OBD診斷接口，利用故障診斷儀讀取的數(shù)據(jù)，隨運(yùn)行時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而變化。數(shù)據(jù)流就是將讀取的汽車工作時(shí)的各種參數(shù)按照不同的要求進(jìn)行組合，形成多種數(shù)據(jù)組，由于顯示的是各種數(shù)值參數(shù)，因此被稱為數(shù)據(jù)流。

汽車電控系統(tǒng)主要有ECU（電子控制單元）、傳感器和執(zhí)行元件組成。分別是信號(hào)處理裝置、信號(hào)輸入裝置和信號(hào)輸出裝置。根據(jù)電子元器件的結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生交流信號(hào)、直流信號(hào)、脈沖信號(hào)、頻率調(diào)制信號(hào)和多行竄行數(shù)據(jù)信號(hào)等5種電信號(hào)。數(shù)據(jù)流則是對(duì)電子元器件工作電壓、溫度、脈沖時(shí)間及速度等工作狀態(tài)的真實(shí)反映。

1.2 數(shù)據(jù)流的特性

數(shù)據(jù)流診斷具有操作方便、讀取數(shù)據(jù)信息量大、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于因ECU、傳感器和執(zhí)行元件產(chǎn)生的電信號(hào)輕微變化所引起的電控系統(tǒng)故障，僅憑傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法或利用萬用表進(jìn)行診斷已不能解決實(shí)質(zhì)問題，而采用故障診斷儀對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析，已經(jīng)成為汽車故障診斷的必備手段。

①操作方便。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障后，只要將發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷儀連接到汽車專用OBD-Ⅱ診斷接口，然后進(jìn)入診斷儀的“讀取數(shù)據(jù)流”功能模塊中，找到想要查看的數(shù)據(jù)參數(shù)，就可以方便輕松的進(jìn)行數(shù)據(jù)流診斷。

②讀取數(shù)據(jù)信息量大。故障診斷儀的“讀取數(shù)據(jù)流”功能模塊中，可以同時(shí)顯示多個(gè)傳感器、執(zhí)行元件的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，為故障診斷提供大量的數(shù)據(jù)，為汽車故障診斷參數(shù)分析帶來了比較大的便利。例如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU是根據(jù)空氣流量傳感器（進(jìn)氣流量信號(hào)）和曲軸位置傳感器（轉(zhuǎn)速信號(hào)）主控信號(hào)，以及節(jié)氣門位置傳感器（節(jié)氣門開度信號(hào)）、冷卻液溫度傳感器（冷卻液溫度信號(hào)）和進(jìn)氣溫度傳感器（進(jìn)氣溫度信號(hào)）等輔助信號(hào)進(jìn)行比較之后最終確定空氣流量和噴油量的，數(shù)據(jù)流可以同時(shí)讀取以上信息，便于分析比較它們之間的關(guān)系。

③數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高。利用故障診斷儀讀取的數(shù)據(jù)實(shí)際就是各傳感器和執(zhí)行元件傳輸給電腦ECU的工作運(yùn)行參數(shù)，因此精準(zhǔn)度較高，通過將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以方便準(zhǔn)確地判斷該參數(shù)值是否正確，從而判斷該傳感器或執(zhí)行元件是否出現(xiàn)故障。

2 數(shù)據(jù)流分析的方法

汽車維修人員不僅要掌握一定的理論基礎(chǔ)，利用故障診斷儀讀出電控發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)下的各種傳感器和執(zhí)行元件的運(yùn)行參數(shù)，還要掌握數(shù)據(jù)流分析診斷故障的方法，只有這樣，才能快速、準(zhǔn)確的找到故障產(chǎn)生的原因及故障部位。數(shù)據(jù)流分析方法主要包括時(shí)間分析法、因果分析法、數(shù)值分析法和關(guān)聯(lián)比較分析法［1-3］。

2.1 時(shí)間分析法

電控發(fā)動(dòng)機(jī)ECU在接收傳感器輸入信號(hào)參數(shù)時(shí)，主要是接收傳感器輸入的數(shù)值，其次還要判斷傳感器工作時(shí)限有沒有超出范圍。電控發(fā)動(dòng)機(jī)通過工作時(shí)限判斷傳感器是否存在故障的有氧傳感器和爆震傳感器等。

①氧傳感器。氧傳感器是電控發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)非常重要的傳感器，安裝在排氣管上，監(jiān)測(cè)尾氣中氧的含量，并把氧氣含量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)以過量空氣因數(shù)為目標(biāo)的閉環(huán)控制。氧傳感器的信號(hào)不僅要求有電壓信號(hào)，而且電壓信號(hào)的變化頻率在一定時(shí)間內(nèi)要超過一定的次數(shù)，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到80℃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在2 500 r/min，利用數(shù)字萬用表檢測(cè)，信號(hào)電壓應(yīng)在（0.1～0.9）V之間迅速跳動(dòng)，在10 S之內(nèi)電壓應(yīng)在（0.1～0.9）V之間變化8～10次，若電壓變化比較緩慢，不一定就是氧傳感器或反饋控制系統(tǒng)有故障，可能是氧傳感器表面被積碳覆蓋而靈敏度降低。

②爆震傳感器。爆震傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，用來監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震情況，ECU根據(jù)爆震傳感器提供的電壓信號(hào)和其他傳感器的信號(hào)調(diào)整點(diǎn)火正時(shí)（點(diǎn)火提前角）。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在（1 500～4 500）r/min范圍內(nèi)，ECU至少應(yīng)收到兩次大于或等于3 kHz以上的信號(hào)，否則控制單元很可能會(huì)認(rèn)為爆震傳感器有故障，如沒能及時(shí)給出故障碼，需運(yùn)用數(shù)據(jù)流分析信號(hào)是否過弱。

2.2 因果分析法

在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中，輸入到ECU中的很多數(shù)據(jù)參數(shù)是有因果關(guān)系的。ECU得到一個(gè)輸入，便根據(jù)此輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算發(fā)出一個(gè)輸出信號(hào)，控制某執(zhí)行元件動(dòng)作，如在此過程中出現(xiàn)問題，ECU便將一系列數(shù)據(jù)參數(shù)連貫起來觀察，從而判斷故障出現(xiàn)在何處。如發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，打開空調(diào)AC開關(guān)，ECU接收到空調(diào)AC開關(guān)信號(hào)，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或怠速抖動(dòng)，ECU控制怠速控制閥打開，以提高怠速轉(zhuǎn)速。在此過程中，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有提升，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，故障則出現(xiàn)在怠速控制閥、繼電器或空調(diào)AC開關(guān)上。

2.3 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法是數(shù)據(jù)流分析中最基本、最直觀的分析方法，通過數(shù)值的變化范圍和變化規(guī)律，找出故障原因。如冷卻液溫度傳感器監(jiān)測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，在剛剛啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水溫很低，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，溫度將逐漸上升，達(dá)到正常工作溫度（80～90）℃，在大負(fù)荷狀態(tài)下，溫度會(huì)上升至90℃以上，電腦ECU接收到溫度信號(hào)后，控制溫控開關(guān)，打開冷卻風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。如出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難、水溫過高等故障時(shí)，可以利用故障診斷儀讀取水溫?cái)?shù)值，以此判斷分析故障所在。

2.4 關(guān)聯(lián)比較分析法

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU對(duì)故障的判斷是根據(jù)幾個(gè)相關(guān)傳感器信號(hào)的比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)它們之間的關(guān)系不正常時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)或多個(gè)故障代碼。此時(shí)需要根據(jù)各傳感器之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，逐個(gè)進(jìn)行檢測(cè)，以找出正確的故障部位。

3 數(shù)據(jù)流顯示方式

3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)流

靜態(tài)數(shù)據(jù)流是指將點(diǎn)火開關(guān)置于ON檔，但不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)，利用故障診斷儀讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下各傳感器輸送給ECU的數(shù)據(jù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)，ECU只能接收個(gè)別傳感器輸入的信號(hào)。如進(jìn)氣壓力傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)值應(yīng)接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；冷卻液溫度傳感器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)值應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)未起動(dòng)狀態(tài)下冷卻液的溫度，接近環(huán)境溫度等?！办o態(tài)數(shù)據(jù)流”分析一般應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難和發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)時(shí)的故障檢測(cè)。

3.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流是指發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，利用故障診斷儀讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。此時(shí)，ECU接收的數(shù)據(jù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而變化。通過閱讀發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與真實(shí)值的比較，能快速、準(zhǔn)確地找到故障部位。

4 數(shù)據(jù)流分析故障應(yīng)用實(shí)例

4.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)流案例分析

故障現(xiàn)象：一輛2012款寶來轎車，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為EA111，行駛里程32 000公里。車主反映車子熄火后，第二天出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難現(xiàn)象。

常規(guī)故障診斷方法：（1）按照故障代碼優(yōu)先的原則，首先連接金德KT600故障診斷儀進(jìn)行故障代碼的調(diào)取，發(fā)現(xiàn)沒有故障代碼，因此無法通過故障自診斷系統(tǒng)確定故障部位；（2）做基本檢查，利用燃油壓力表測(cè)量系統(tǒng)油壓，顯示為280 kPa，數(shù)值正常；利用氣缸壓力表測(cè)量氣缸密封性能，壓力值為1.2 MPa，數(shù)值也正常；（3）檢查各噴油器工作情況，均能按順序正常工作；（4）檢查配氣相位及點(diǎn)火系統(tǒng)跳火情況，火花塞跳火正常。通過以上常規(guī)故障診斷方法檢查，并未找出該故障的原因所在。

數(shù)據(jù)流分析排除故障方法。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的故障，采用靜態(tài)數(shù)據(jù)流分析方法。連接KT600故障診斷儀進(jìn)行該車靜態(tài)數(shù)據(jù)流讀取，進(jìn)入“讀取數(shù)據(jù)流”功能001組，顯示1-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min，2-冷卻液溫度為105℃，而此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)未起動(dòng)，冷卻液溫度實(shí)際只有20℃左右。通過靜態(tài)數(shù)據(jù)顯示，冷卻液溫度傳感器輸送給ECU的信號(hào)肯定出現(xiàn)有問題。為了進(jìn)一步確定，用數(shù)字萬用表測(cè)量了水溫傳感器，水溫傳感器既沒有斷路，也沒有短路，因而沒有故障碼輸出，但阻值卻很小。仔細(xì)詢問車主，該車此前曾進(jìn)行了清洗，由于發(fā)動(dòng)機(jī)很臟，車主用水槍直接沖洗了發(fā)動(dòng)機(jī)，這恰恰是引起此故障的關(guān)鍵，由于車主的錯(cuò)誤操作，冷卻液溫度傳感器輸出信號(hào)失真。更換已損壞的水溫傳感器，故障排除。

4.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流案例分析

故障現(xiàn)象：一輛桑塔納2000轎車（采用AJR型發(fā)動(dòng)機(jī)），行駛里程約12.5萬公里，車主反映該車怠速不穩(wěn)。

常規(guī)故障診斷方法：（1）按照故障代碼優(yōu)先的原則，首先連接金德KT600故障診斷儀進(jìn)行故障代碼的調(diào)取，診斷儀顯示故障代碼1516 P0132λ氧傳感器電路故障。（2）清除故障碼，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，再次讀取故障碼，診斷儀顯示無故障碼，因此斷定1516 P0132故障代碼為歷史故障碼。（3）做基本檢查，利用燃油壓力表和氣缸壓力表分別測(cè)量系統(tǒng)油壓和氣缸壓力數(shù)值顯示均正常。通過以上常規(guī)故障診斷方法檢查，故障現(xiàn)象依舊存在。

數(shù)據(jù)流分析排除故障方法：針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)的故障，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流分析方法。隨后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，直接利用故障診斷儀“讀取數(shù)據(jù)流”功能讀取001組數(shù)據(jù)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為870 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為1.0 ms，節(jié)氣門角度3.47°，點(diǎn)火提前角12°；002組噴油脈寬2.28ms，進(jìn)氣量為2.02 g/s。對(duì)上述數(shù)據(jù)流進(jìn)行了多次測(cè)試，除了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速忽高忽低外，基本沒有明顯變化。結(jié)合數(shù)據(jù)流分析方法進(jìn)行分析，當(dāng)進(jìn)氣量信號(hào)偏低，燃油噴射周期信號(hào)變化不一致，或者節(jié)氣門開度信號(hào)電壓偏低時(shí)，會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)。上述數(shù)據(jù)流的參數(shù)當(dāng)中，只有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和進(jìn)氣量信號(hào)異常，而且進(jìn)氣量信號(hào)偏低。利用數(shù)字萬用表檢查空氣流量傳感器，發(fā)現(xiàn)異常。更換空氣流量傳感器之后再次試車，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，再次測(cè)量進(jìn)氣量信號(hào)，變化正常，故障排除。

5 結(jié)束語

隨著汽車電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車出現(xiàn)故障的概率越來越低，但故障疑難雜癥確越來越多，我們?cè)诶脗鹘y(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)診斷和儀器設(shè)備診斷排除故障的同時(shí)，需要充分利用故障診斷儀中的“讀取數(shù)據(jù)流”功能，對(duì)ECU輸入和輸出的各種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析，從而快速、準(zhǔn)確、方便地對(duì)故障原因進(jìn)行定位，以便順利地排除故障。

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Electronically Controlled Engine Fault Diagnosis Applied Research Based on Data Flow Analysis

ZHANG Qian-bin
（Department of Automotive Engineering，Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhu 241000 China）

In the process of electronically controlled engine fault diagnosis，the system not only has automotive fault diagnostic“read fault codes“and“Clear fault codes“function，but also has electronic control systems for a variety of sensors and actuators for dynamic data read function（data flow analysis）.This paper described themechanism and characteristics of the data stream generated electronically controlled engine，and the analysis and displaymethods of data flow.Finally，with examples data flow electronically controlled engine fault diagnosis is analyzed.

data flow analysis，electronically controlled engine，fault diagnosis

U472.43

A

1007-4260（2014）03-0089-03

時(shí)間：2014-9-15 16：07 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2014.03.022.html

2014-02-11

張錢斌，男，安徽安慶人，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系講師，汽車維修技師，主要從事汽車故障診斷方法研究。