汽车专用示波器主要用来显示控制系统中输入、输出信号的电压波形,以供维修人员根据波形分析判断电控系统故障。在实际操作时,像点菜单一样,只要选择好需要测试的内容,不再需要任何设定和调整就可以直接观察电子部件的波形。 示波器波形显示是用电压随时间变化的图形来反映一个电信号,可以非常直观、准确地判断工作部件的工作状况,为查找故障提供了方便。在电控系统中,无论高速信号,还是慢速信号都可用示波器来观察被测部件的工作状况,并且可以通过观察波形知道故障是否已经排除。 用汽车示波器测试传感器输出的信号波形及信号电压的变化情况,可以确定传感器本身性能的好坏,由此可以确定某个系统的运行情况。例如,在装有氧传感器的反馈系统的汽车上,使用示波器测试氧传感器的信号,可以很好地了解整个反馈系统的运行情况,为捕捉故障信息提供方便条件。 1.波形电子信号分析(1)电控系统电子信号的类型对于电控系统而言,其电子信号一般有直流(DC)信号、交流(AC)信号、频率调制信号、脉宽调制信号和串行数据(多路)信号5大类型。 汽车电子信号是控制系统中各个传感器、电控单元(ECU)和其他设备之间相互通信的基本语言,电子信号各有不同的特点,用于不同的通信目的。 ①直流(DC)信号。在任何周期里,方向不随时间变化的电压和电流信号均属于直流信号。在汽车电控系统中产生直流(DC)信号的传感器或电源装置有蓄电池电压或电控单元(ECU)输出的传感器参考电压;模拟传感器信号,如发动机冷却液温度传感器、燃油温度传感器、进气温度传感器、自动变速器油温度传感器、蒸发器温度传感器、节气门位置传感器、废气再循环阀位置传感器、旋转翼片式或热线式空气流量传感器和节气门开关,以及通用汽车、克莱斯勒汽车和亚洲汽车的进气歧管绝对压力传感器等,如图2-2所示。 ②交流(AC)信号。在任何周期内大小和方向均随时间变化的信号属于交流信号。在汽车电控系统中产生交流信号的传感器主要有磁电式传感器和爆燃传感器等。例如,车速传感器(VSS)、磁脉冲式曲轴位置(CKP)传感器、凸轮轴位置(CMP)传感器、从模拟进气歧管绝对压力传感器(MAP)信号得到的发动机真空平衡波形和爆燃传感器(KS)等,如图2-3所示。
③频率调制信号。保持波的幅度恒定而改变频率称为频率调制。在汽车中产生可变频率信号的传感器和装置有光电式传感器和霍尔效应式传感器。例如,数字式空气流量传感器、数字式进气歧管绝对压力传感器、光电式车速传感器(VSS)、霍尔效应式车速传感器(VSS)、光电式凸轮轴位置(CMP)和曲轴位置(CKP)传感器、霍尔效应式凸轮轴位置(CKP)和曲轴等,如图2-4所示。
④脉宽调制信号。脉冲宽度调制(PWM)简称脉宽调制。脉宽调制信号就是经过脉冲宽度调制的信号。脉冲宽度就是在一个周期内元件的持续工作时间,其信号波形如图2-5所示。
在汽车电控系统中产生脉宽调制信号的电路或装置有点火线圈一次侧、电子点火正时电路、废气再循环控制(EGR)阀、排气净化电磁阀、涡轮增压电磁阀和其他控制电磁阀、喷油器、怠速控制电动机、怠速控制电磁阀等⑤串行数据(多路)信号。串行数据(多路)信号是指按时序逐位将组成数据和字符的码元予以传输的信号。串行数据传输所需通信线路少,串行传送的速度低,但传送的距离可以很长,因此串行适用于长距离而速度要求不高的传输场合。若汽车中具备自诊断能力和其他串行数据传送能力的控制模块,则串行数据由发动机控制单元(PCM)、车身控制单元(BCM)、防盗和防滑制动(ABS)系统或其他控制模块产生,如图2-6所示。
(2)汽车波形的识别①任何一个汽车电控系统电子信号的波形都应该具有幅值、颗率波形、占空比、脉冲宽度和阵列5个可以度量的参数指标,其波形如图2-7~图2-9所示。
ECU需要通过分辨这些特征来识别各个传感器提供的各种信息,并依据这些特征发出各种命令,指挥不同的执行器动作。
②波形界面识别。目前,测试用汽车示波器多为双通道显示,也有四通道显示。示波器有多个通道接口,能够同时显示多个波形,把示波器连接到四个不同传感器与执行器,即可以把四种信号波形同时显示出来,便于分析判断。单、双通道和四通道波形如图2-10所示,图2-10(c)为同时测试了两个喷油器、点火正时与参考信号等四个信号波形。
③波形数据的识别。氧传感器波形数据的识别如图2-11所示。
当测试波形信号需要进行分析时,通过功能键操作可对波形进行锁定和存储,以便仔细分析波形,进行判断,也可以通过功能键的操作重新查看和删除。
通过设定信号电压的大小和改变扫描时间的长短,可以确定所测波形的大小与屏幕坐标是否相配,使观察方便。
示波器设有波形资料库,它收集有各系统电子元件的标准波形,如传感器波形和执行器波形、点火波形等。可以通过测试波形与标准波形的对比进行分析。通过功能键可以调出所需要的标准波形。
示波器的附加功能是万用表功能和发动机性能测试功能。它的万用表功能可以很直接地显示出一些简单选定的信号,为使用者提供方便。示波器备有一些附加测试探头与车辆连接,可以测试发动机的启动电流、交流发电机二极管等。
2.汽车专用示波器安全操作注意事项①确定被测试车辆挡位在P位,并且拉起驻车制动手柄。
②确定车轮在地面上被锁止。
③使车辆在通风顺畅的地方。
④在切断测试接头之前,应先断开搭铁线接头。
⑤注意保护仪器免受液体浸入。
3.传感器的波形测试与分析(1)翼片式空气流量传感器波形测试及分析翼片式空气流量传感器标准波形如图2-12所示。
①波形测试方法。测试时应关闭所有用电设备,启动发动机,并使其怠速运转。当怠速稳定运转后,检查怠速时输出信号电压。做加速和减速试验,应有类似图2-13中的波形出现。将发动机转速从怠速至节气门全开,持续2s;将发动机降至怠速并保持2s:再从怠速急加速至节气门全开,然后减小节气门开度,使发动机怠速;锁止波形。
②波形分析。空气流量传感器波形有问题时,应进一步检查蓄电池电压是否在12V以上;空气滤清器是否脏污而阻塞;进气管是否存在漏气;风扇运转是否正常;传感器电源线路是否连接正确:主继电器工作是否正常;传感器搭铁电压是否小于0.1V:连接线路接头是否松动;传感器本身是否有损伤。
空气流量传感器信号波形分析见图2-14。
a.测量出的电压值波形可以参照维修资料进行对比分析,正常旋转翼片式空气流量传感器怠速时输出电压约为1V,节气门全开时应超过4V,急减速(急抬加速踏板)时输出电压并不是非常快地从急加速电压回到怠速电压。通常(除丰田汽车外),旋转翼片式空气流量传感器的输出电压都是随空气流量的增加而升高的。
b.波形幅值在气流不变时应保持稳定,一定的空气流量应有相对应的输出电压。当输出电压与气流不符(可以从波形图中检查出来,而发生这种情况将使发动机的工作状况明显地受到影响)时,应更换旋转翼片式空气流量传感器。
c.若波形中有间断性的毛刺出现,则说明旋转翼片式空气流量传感器可变电阻器的碳刷少许磨损,用波形分析方法更容易发现可变电阻器(电位计)的磨损点。若波形中除了最高点和最低点以外,在平稳加速过程中有波形平台(电压值在某处出现停顿),则说明发动机运转时翼片有间歇性卡滞现象。
d.出现如图2-15所示的向下的毛刺,则表示传感器中有与搭铁短路或可变电阻器碳刷有间歇性的开路故障。
e.在急加速时,波形中的小尖峰是由于翼片过量摆动造成的,控制单元正是根据这一点来判定加速加浓信号的,这不是故障,而是正常波形。
(2)热线(热膜)式空气流量传感器波形测试及分析热线(热膜)式空气流量传感器信号波形如图2-16所示。热线(热膜)式空气流量传感器输出电压,在怠速时为0.2V,节气门全开时电压升至4V,全减速时输出电压比怠速时的电压稍低。
①波形测试方法。关闭所有用电设备,启动发动机,使之怠速运转,检查息速时输出的信号电压,做加速和减速试验。将发动机转速从怠速到节气门全开,持续2s,不要超速减速回到怠速工况,持续2s;再加速至节气门全开,然后回到怠速;锁止波形,仔细观察分析空气流量传感器波形。
热线(热膜)式空气流量传感器实测波形如图2-17所示。
②波形分析。热线(热膜)式空气流量传感器信号波形分析如图2-18所示。
a.从维修资料中找出输出信号电压参考值进行比较,通常热线(热膜)式空气流量传感器输出信号电压范围是从怠速时超过0.2V变至节气门全开时超过4V,当急减速时输出信号电压应比怠速时的电压稍低。
b.发动机运转时,波形的幅值看上去在不断地波动,这是正常的,因为热线(热膜)式空气流量传感器没有任何运动部件,因此没有惯性,所以,它能对空气流量的变化做出快速反应。
在加速时,波形上的杂波实际是在低进气真空之下,各缸进气口上的空气气流脉动引起的,发动机ECU中的超级处理电路读入后,会清除这些信号,所以,这些脉冲没有关系。
c.不同的车型输出电压会有很大差异,在怠速时,信号电压是否为0.25V也是判断空气流量传感器好坏的办法;另外,从混合气是否正常或是否冒黑烟也可以判断空气流量传感的好坏。
d.如果信号波形与上述情况不符,或空气流量传感器在怠速时输出信号电压太高,而节气门全开时输出信号电压又达不到4V,则说明空气流量传感器已经损坏;如果在车辆急加速时,空气流量传感器输出信号电压波形上升缓慢,而在车辆急减速时空气流量传感器输出信号电压波形下降缓慢,则说明空气流量传感器的热线(热膜)脏污。
(3)数字式进气歧管压力传感器波形测试与分析部分轿车上装有数字式进气压力传感器。这种压力传感器产生的是频率调制式数字信号,其频率随进气真空而改变,当没有真空时,输出信号频率为160Hz,怠速时真空度为64.3kPa,产生约105Hz的输出信号,检测时应按照维修手册中的资料来确定真空度和输出频率信号的关系。
①数字式进气压力传感器测试。打开点火开关,但不启动发动机,用手动真空泵给进气压力传感器施加不同的真空度,并观察示波器的波形显示。确定判定参数(如幅值、频率、形状)是相同的,精确性和重复性好,幅值接近5V,频率随真空度变化,形状(方波)保持不变。确定在给定真空度的条件下,传感器能发出正确的频率信号。
②数字式进气压力传感器波形分析。波形的幅值应该是满5V的脉冲,同时形状正确,例如波形稳定,上升沿垂直,频率与对应的真空度应符合维修资料给定的值,如图2-19所示。可能的缺陷和参数值的偏差主要是不正确的频率值、脉冲宽度变短、不正常波形等,如图2-20所示。
(4)爆震传感器波形测试与分析爆震传感器的波形与爆震程度有关,振动越大,电压峰值越大。当波形达到一定高的频率时,会发生爆震并产生敲缸。爆震传感器的量程为5~15kHz。
①爆震传感器波形测试。打开点火开关,不启动发动机,用一些金属物敲击发动机机体(在传感器附近的地方),在敲击发动机机体之后,紧接着在示波器显示上应有一个振动敲击越重,振动幅度就越大。如果启动发动机或敲击传感器时的波形是一条平线,则应检查传感器和示波器的连接,确定该回路没有搭铁,然后判断传感器是否损坏。
最普通的爆震传感器损坏的方式是传感器根本不产生信号,波形显示只是一条直线。通常是由于某些物体碰伤,造成了传感器物理损坏(传感器内晶体断裂,使其不能使用)。
②爆震传感器顶部波形分析。爆震传感器顶部波形分析如图2-21所示。波形的峰值电压(峰高度或振幅)和频率(振幅的次数)将随发动机的负载和每分钟转速的增加而增加,如果发动机因点火过早、燃烧温度不正常、废气再循环不正常流动等引起爆震或敲击声,则其幅度和频率也增加。为做关于爆震传感器的试验,必须改变示波器的电压分度至50mV/div。
(5)氧传感器的波形测试与分析氧传感器输出的信号电压直接送入控制单元。控制单元根据氧传感器输入信号调整供油量,保持空燃化接近14.7:1。对于氧化锆型氧传感器输出高电位,表明混合气过浓;输出低电位,表明混合气过稀。氧化钛型氧传感器根据排气中的含氧量不同而改变电阻值,当它输出低电位时,表明混合气过浓;输出高电位时,表明混合气过稀。控制单元根据氧传感器输入的信号,即根据混合气浓稀情况调整喷油量,以保证空燃比最佳值。
①氧传感器良好与损坏的波形分析。良好的氧传感器波形与损坏的氧传感器波形叠加比较,振幅大的波形表示良好者,振幅小的波形表示损坏者。损坏的氧传感器波形表明,燃料反馈控制系统的正常运行受到了严重的抑制。但从其波形中的“稍浓”“稍稀”振动来分析,燃料反馈控制系统一旦接收到正确的氧传感器反馈信号是有控制空燃比能力的。由于损坏的氧传感器的反应速率迟缓,限制了浓稀转换次数,使混合气空燃比超出了三元催化转化器要求的范围,故此时排放指标恶化。如图2-22所示,良好的氧传感器波形反映的是更换了氧传感器之后的情况。
②个别缸喷油器堵塞造成各缸喷油不均衡的故障现象有怠速非常不稳、加速迟缓、动力下降。
在冷启动后或重新热启动后的开环控制期间情况稍好,一旦反馈燃油控制系统进入闭环控制,症状就变得显著。用示波器检测氧传感器,检测发动机在2500r/min和其他稳定转速下的氧传感器波形,以检查燃料反馈控制系统。氧传感器在所有的转速和负荷下都显示出严重的杂波。严重的杂波表明排气中氧不均衡或存在缺火。这些杂波彻底毁坏了燃料反馈控制系统对混合气的控制能力。通常可以采用排除其他故障可能性的方法(即排除法)来判定喷油不均衡,包括用示波器检查、判断点火系统和气缸压缩压力以排除其可能性。
③急加速法检测氧传感器信号电压波形。
a.以2500r/min的转速预热发动机和氧传感器2~6min,然后让发动机怠速运转20s。
b.在2s内将发动机节气门从全闭(怠速)至全开1次,共进行五六次。不要使发动机空转转速超过4000r/min,只要用节气门进行急加速和急减速即可。
c.定住屏幕上的波形,如图2-23所示,接着可根据氧传感器的最高、最低信号电压值和信号的响应时间来判断氧传感器的好坏。在信号电压波形中,上升的部分是急加速造成的,下降的部分是急减速造成的。
④严重杂波。严重杂波是指振幅大于200mV的杂波,在波形测试设备上表现为从氧传感器的信号电压波形顶部向下冲(冲过200mV或达到信号电压波形的底部)的尖峰,并且在发动机持续运转期间,它会覆盖氧传感器的整个信号电压范围。发动机处在稳定的运行方式时,例如稳定在2500/min时,如果严重杂波能够持续几秒,则意味着发动机有故障,通常是由点火不良或各缸喷油器喷油量不一致引起的,如图2-24所示。因此,这类杂波必须予以排除。
