汽车检测与故障分析：课题七 示波器使用和波形检测分析

汽车检测与故障分析章节7课题七示波器使用和波形检测分析自20世纪80年代以来，我国先后从国外进口了大量的不同级别的国外轿车。而新技术、新结构在汽车上的应用，促使了汽车的使用与维修上均不同于传统汽车，对于现代汽车的检测与维修的手段也必须由原来单一的人工经验法，上升到现在“人+现代检测设备”。而现代化检测设备也占有重要的一席之地。因而对汽车检测设备的正确使用，对于维修技术员也成了首当要掌握的。——KT600示波器设备的认知2.KT600上接口视图3.KT600下接口视图（示波盒）4.KT600的随机附件1.在主界面上选择示波器分析仪，确认进入下图所示菜单——基本功能和操作2.选择通用示波器，按[ENTER]键确认3.调整电平调整幅值调整位置调整触发方式调整1.连接电源2.连接测试探头——测试步骤3.选择示波分析仪4.显示波形1.与项目三相同2.连线有差异传统点火的连线传统点火：在包装箱中找出一缸信号夹和一个容性感应夹，一缸信号夹一端接KT600的CH5端口，信号夹夹住发动机一缸的高压线，查看信号夹上有“此面朝向火花塞”，注意不要夹反。容性感应夹一端接CH1端口，然后用其中的一个夹子夹住高压总线。直接点火的连线容性感应夹一端接CH1端口，然后将容性夹分别夹到各气缸高压线上。双头点火的连线双头点火：找出一缸信号夹和两个容性感应夹，一缸信号夹一端接KT600的CH5端口，信号夹夹住发动机一缸的高压线，请查看信号夹上有“此面朝向火花塞”，注意不要夹反。——点火波形测试步骤3.选择次级点火4.选择发动机参数设定，按[ENTER]键示波器一般由传感器（包括夹持器、测试探头和测针等）、中间处理环节和显示器等组成。示波器显示器显示的波形是信号的轨迹。波形在Y轴方向表示电压，在X轴方向表示时间，当波形为一直线时，它表示电压恒定；当波形为一斜线时，表示电压稳定变化（上升或下降）；当波形为一垂线时，表示电压突变。所有波形都有上升、下降、振幅和峰值电压。此外，还可能有干扰波形。其中，振幅是最高电压与最低电压的差值。1.直流（DC）信号2.交流（AC）信号3.频率调制信号

4.脉宽调制信号5.串行数据信号——示波器显示的信号汽车电子信号的判定依据对于汽车电子五类信号而言，控制计算机在进行特定的信息类型判定时应遵循一定的判定依据。因为发动机控制计算机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，并依据这些特征来发出各种命令，指挥不同的执行器动作，而这些特征就是汽车电子信号的五种判定依据，即幅值、频率、形状、脉冲宽度、阵列。（1）幅值：在一定点上的即时电压，也表示波形的最高和最低的差值。（2）频率：就是信号的循环时间，一般指每秒的循环数，表示每秒的波形周期数。（3）形状：电子信号的外形特征，即曲线的轮廓和上升沿、下降沿。（4）脉冲宽度：电子信号所占的时间或占空比。（5）陈列：就是指组成专门信息信号的重复方式。一、翼板式空气流量计工作原理：它的核心是一个可变电阻（电位计），它与空气翼板同轴连接，当空气流动时翼板随之开启，随着翼板的开启角度变化，可变电阻器（电位计）也随之转动。——翼板式空气流量计波形分析测试条件：将发动机转速从怠速加至节气门全开（加速时不宜太急），节气门全开后持续2s，但不要使发动机超速运转，再将发动机降至怠速运转，并保持2s；从怠速急加速发动机至节气门全开，然后再关小节气门使发动机回至怠速；旋转翼片式空气流量传感器，定住波形。工作原理：当空气流过热丝时，热丝保持一个特定温度的电流量。即流过的空气越多（从热丝带走的热量越多）热丝就越冷，需要保持这个温度的电流就越大。热丝式空气流量计输出电压：怠速时0.2V，油门全开时超载4V，全减速时输出电压比怠速时的电压稍低。——热丝式空气流量计波形分析测试条件：将发动机转速从怠速加至节气门全开（加速过程中节气门应以缓中速打开），节气门全开后持续2s，但不要使发动机超速运转;再将发动机降至怠速运转，并保持2s；从怠速工况急加速发动机至节气门全开，然后再关小节气门使发动机回至怠速;定住波形。工作原理：根据注入发动机的空气量而产生一个频率和占空比变化的信号。它的输出方式是数字式的，大多数数字空气流量计的输出功率随空气的流量改变而改变，而卡门式涡旋式空气流量计不仅频率改变，同时其脉宽也发生改变。——卡门式涡旋式空气流量计波形分析测试条件：正确连接波形测试设备，启动发动机，在不同转速的情况下进行试验，注意应把较多的时间用在测试发动机性能有问题的转速段内，观看波形测试设备。卡门涡旋式空气流量传感器的输出信号电压波形如图所示。工作原理：利用一块变形片来测量发动机的真空度，当真空度增大时，变形片挠度减小电压信号下降，当真空度下降时电压信号上升。大多数进气压力传感器在真空时（全减速）产生的电压信号接近0V，在怠速时为1.25V，而当节气门全开时输出的电压略低于5V。——模拟式输出进气压力传感器波形分析测试条件：将发动机转速从怠速加到油门全开（加速过程中油门应缓中速打开），并持续约2s，不宜超速。再减速回到怠速状况，持续约2s。再急加速至油门全开，然后再回到怠速。将波形定位，观察波形。波形如图所示。数字式进气压力传感器：当发动机真空度改变时，它的信号频率随之变化。但不管发动机的真空度如何变化，从传感器输出的电压信号都将保持不变。当没有真空时，它的输出信号为160Hz。在怠速时它的输出信号约为105Hz。波形的幅值应该为5V。——数字式进气压力传感器波形分析测试条件：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。电容（数字输出）式进气歧管绝对压力传感器信号电压波形如图所示。检测节气门的开度状态，电脑用此信号来计算发动机负荷、点火时间、排气再循环、怠速控制和变速器换挡等其他参数。它会引起加速滞后和怠速问题、驾驶性能问题、排放问题。怠速时（节气门全闭）电压应低于1V，油门全开时低于5V。波形上不应有任何断裂、对地尖峰或大跌落。应特别注意在前1/4节气门开度中的波形，这是在驾驶中最常用到传感器碳膜的部分。传感器的前1/8至1/3的碳膜通常首先磨损。——线性输出型节气门位置传感器波形分析开关量输出型节气门位置传感器的信号波形及其分析如图所示。——开关量输出型节气门位置传感器波形分析信号波形分析：触发轮上相同的齿形应产生相同型式的连续脉冲，脉冲有一致的形状、幅值（峰对峰电压）并与曲轴（或凸轮）的转速成正比，输出信号的频率（基于触发的转动速度）及传感器磁极与触发轮间气隙对传感器信号的幅值影响极大。靠除去传感器触发轮上一个齿或两个相互靠近的齿所产生的同步脉冲，可以确定上止点的信号。这会引起输出信号频率的变化，而在齿数减少的情况下，幅值也会变化。各个最大（最小）峰值电压应相差不多，若某一个峰值电压低于其他的峰值电压，则应检查触发轮是否有缺角或弯曲。波形的上下波动，不可能在0V电位的上下完美地对称，但大多数传感器的波形相当接近，磁脉冲式曲轴（或凸轮轴）位置传感器的幅值随转速的增加而增加，转速增加，波形高度相对增加。——磁脉冲式曲轴位置传感器信号波形分析能使两脉冲间隔时间改变的唯一理由，是触发轮上的齿轮数缺少或特殊齿经过传感器，任何其他改变脉冲间隔时间的波形出现都意味着传感器有故障。对于将发动机转速和凸轮轴位置传感器制成一体的具有两个信号输出端子的曲轴位置传感，器可用双通道的波形检测设备同时进行检测其信号波形，其典型信号波形如上图所示。不同类型的传感器的波形峰值电压和形状并不相同。由于线圈是传感器的核心部分，所以故障往往与温度关系密切，大多数情况是波形峰值变小或变形，同时出现发动机失速、断火或熄火。通常最常见的传感器故障是根本不产生信号，这说明是传感器的线圈有断路故障。当故障出现在示波器上时，摇动线束可以进一步证明磁脉冲式曲轴位置传感器是不是故障的根本原因。在大多数情况下，如果传感器或电路有故障，波形检测设备上将完全没有信号，所以波形测试设备中间0V电压处是一条直线便是很重要的诊断资料。如果示波器显示在零电位时是一条直线，则说明传感器信号系统中有故障，那么应该在确定示波器到传感器的连接是正常的之后，进一步检查相关的零件（分电器轴、曲轴、凸轮轴）是否旋转、磁脉冲式曲轴位置传感器的空气间隙是否适当和传感器头有无故障。霍尔式曲轴位置传感器信号波形的分析如图所示。波形频率应与发动机转速相对应，当同步脉冲出现时占空比才改变，能使占空比改变的一理由是不同宽度的转子叶片经过传感器。除此之外脉冲之间的任何其他变化都意味着故障。查看波形形状的一致性、检查波形上下沿部分的拐角。由于传感器供电电压不变，因此所有波峰的高度（幅值）均应相等。实际应用中有些波形有缺痕或上下各部分有不规则形状，这也许是正常的，在这里关键的是一致性。——霍尔式光电式曲轴位置传感器信号波形的分析光电式曲轴位置传感器信号波形如图所示。光电式传感器有一个弱点，它们对污物和油所产生的对通过转盘的光传输干扰问题非常敏感。光电式传感器的功能元件通常被密封得很好，但损坏的分电器轴套或密封垫，以及当维修时可能使油污和污物进入敏感区域造成污损，这就可能引起不能起动、失速和断火。检查波形幅值的一致性，由于传感器供电电压不变，因此所有波形的高度应相等。一、发动机的冷却水温度传感器将水温信号输送给ECU，以使其根据水温状态调节喷油量。在发动机的冷却水温较低的状态下，如果ECU没有接到低温信号，则ECU按正常温度状态调控喷油量，因而将造成混合气浓度较稀；在发动机的冷却水温较高的状态下，如果ECU没有接到高温信号，将造成混合气较浓，从而影响发动机工作稳定。——温度传感器波形分析当爆震传感器感知到发动机的爆震时，它将产生一个交流信号，EST电路判定可能是一次敲缸，然后推迟点火正时，直到爆震信号消失。在敲击发动机体之后，紧接着在波形测试设备上应显示有一振动，敲击越重，振动幅度就越大。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产生爆燃或敲击声，其幅度和频率也会增加。爆震传感器是极耐用的，最普通的爆震传感器失效的方式是该传感器根本不产生信号——这通常是因为被碰伤，这会造成传感器的物理损坏（在传感器内晶体断裂）。此时波形显示只是一条直线，应更换爆震传感器。——爆震传感器的信号波形活性炭罐清洗电磁阀波形：汽车一旦达到预定的车速，发动机ECU便开始用可变的脉宽调制信号控制活性炭罐清洗电磁阀（打开清洗阀）。当汽车减速时，该信号应该停止，同时活性炭罐清洗电磁阀应该关闭。（几乎任何时候，当上述条件满足时，该过程都会发生）。电磁阀波形都很相似。——电磁阀波形分析在加速时废气再循环的要求特别高，车辆在怠速和减速时，控制信号应该中断，废气再循环控制电磁阀关闭，废气再循环系统停止工作。可能发现的故障和在波形上可能看到的判定性尺度的偏差是波形尖峰高度变短（这说明废气再循环控制电磁阀线圈有断路故障），或完全没有信号（这说明发动机ECU的废气再循环控制条件没有满足，或者可能是导线或导线连接器有故障）。——废气再循环（EGR）控制电磁阀波形饱和开关型（PFI/SFI）喷油器波形及分析如图所示。从进气管中加入丙烷，使混合气变浓，如果系统工作正常，喷油器喷油持续时间将缩短，这是由于排气管中的氧传感器此时输出高的电压信号给发动机ECU，试图对浓的混合气进行修正的结果。通常喷油器喷油持续时间在正常全浓（高氧传感器电压）至全稀（低氧传感器电压）在0.25～0.5ms的范围内变化。通常喷油器的喷油持续时间大约在怠速时l～6ms到冷起动或节气门全开时大约6～35ms之间变化。匝数较少的喷油器线圈通常产生较短的关断峰值电压，甚至不出现尖峰。关断尖峰随不同汽车制造商和发动机系列而不同，正常的范围大约是从30～100V，有些喷油器的峰值被钳位二极管限制在大约30～60V。——喷油器波形分析峰值保持型喷油器主要应用在节气门体（TBI）燃油喷射系统。安装在发动机ECU中的峰值保持喷油驱动器被设计成允许大约4A的电流供给喷油器线圈，然后减少电流至约1A以下。通常，一个电磁阀线圈拉动机械元件做初始运动比保持该元件在固定位置需要4倍以上的电流。峰值保持驱动器的得名是因为电控单元用4A的电流打开喷油器针阀，而后只用lA的电流使它保持在开启的状态。发动机ECU继续将电路接地（保持波形轨迹在0V）直到其检测到流过喷油器的电流达到4A时，发动机ECU将电流切换到1A（靠限流电阻开关实现），这个电流减少引起喷油器中的磁场突变，产生类似点火线圈的电压峰值，剩下的喷油驱动器喷射的时间由电控单元继续保持工作，然后它通过完全断开接地电路，而关闭喷油驱动器，这就在波形右侧产生了第2个峰值。波形的峰值部分通常不改变它的喷油持续时间，这是因为流入喷油器的电流和打开针阀的时间是保持不变的。波形的保持部分是发动机ECU增加或减少开启时间的部分，峰值保持型喷油器可能引起下列波形结果：加速时，将看到第2个峰尖向右移动，第1个峰尖保持不动；如果发动机在极浓的混合气下运转，能看到2个峰尖顶部靠得很近，这表明发动机ECU试图靠尽可能缩短喷油器喷油持续时间来使混合气变得更稀。氧传感器中通常含有锆元素，在受热时产生电压。电压的变化依据尾气排放中的氧元素的变化而变化。氧传感器分类：按构成分为氧化锆式（ZrO2）：氧化钛式（TiO2）。按线数分为：一、二线型（非加热型）；三、四线型（加热型）——氧传感器信号波形分析闭环是指发动机ECU根据氧传感器的反馈信号不断地调整混合气的空燃比，使其值符合规定。根据氧传感器的信号波形可以判断系统是否已经进入闭环控制状态。用波形测试设备测得的发动机起动后的氧传感器输出的信号电压波形如图所示。由图可以看出发动机起动后氧传感器输出的信号电压先逐渐升高到450mV，然后进入升高和下降（混合气变浓和变稀）的循环（图形），后者表示燃油反馈控制系统进入了闭环状态。在检测前应将氧传感器充分预热（即让发动机在2500r/min下运转2～3min）。（1）反馈电压在0～1V内有变化（＜0.45V，过稀；＞0.45V，过浓）（2500r/min）。（2）10s内的波形变化不小于8次（2500r/min）。一个好的氧传感器其3个参数值必须符合下表所列的值。急加速法测试步骤如下：（1）以2500r/min的转速预热发动机和氧传感器2～6min。然后再让发动机怠速运转20s。（2）在2s内将发动机节气门从全闭（怠速）至全开1次，共进行5～6次。特别提醒：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就可以了。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。氧化钛型氧传感器，一般是1V（也有的是5V）。氧传感器工作在极端的环境下，它的时效都会慢慢地失去，最终产生不了信号。怠速工况时和2500r/min的转速下氧传感器的波形如图所示。氧传感器失效的原因：a.首要原因是发动机在较浓的混合比下运行时所造成的炭阻塞；b.燃油压力过高，喷油嘴损坏，电脑传感器损坏，操作不当；c.使用年限及行驶里程导致它正常失效；d.汽油中含铅，冷却液中的硅胶腐蚀。在许多汽车发动机的燃油反馈控制系统中，安装了两只氧传感器。为适应美国环境保护署（EPA）对废气控制的要求，从1994年起有些汽车在三效催化转化器的前后都装有1只氧传感器，这种结构在装有OBD－Ⅱ的汽车上可用于检查三效催化转化器的性能，在一定情况下还可以提高对混合气空燃比的控制精度。点火次级波形分为三个部分：闭合部分、点火部分、中间部分。闭合部分：此段时间是三极管导通或者白金触点结合时间，应保持波形下降沿一致，表示各缸闭合角相同以及点火正时正确。中间部分：显示点火线圈中通过初级和次级的振荡来耗散剩余的能量，一般最少有两个振荡波。点火部分：由一条点火线和一条火花线（燃烧线），点火显示一条垂直线，代表的是击穿电压，火花线则是一条近似水平的线，代表维持电流通过火花塞间隙所需的电压。——点火波形单缸直列波的显示EA段：为断电器触点闭合，初级电流增长的阶段。E点为触点闭合的瞬间，因触点闭合时初级电流的突然增加，在次级绕组中会出现一个小而向下的振荡波形（第二次振荡），随着初级电流变化率的减小，次级电压即成为一条水平线。AB段：为触点断开、次级电压上升的阶段。A点为触点断开的瞬间，AB垂线表示点火线圈所产生的击穿电压。BC段：为电容放电阶段的电压。CD段：为电感放电阶段的电压。在电感放电的同时，伴随有高频震荡波的发射。DE段：为火花消失后剩余能量所维持的低频振荡波（第一次振荡）。——次级点火波形分析1.看闭合部分：EA段在开始充电时是否保持相对一致的波形的下降沿，下降沿一致，表明各缸闭合角一致，点火正时正确。2.看点火线：AB段a.击穿电压:（4.0～17.0kV）指电火花穿越火花塞两个电极所需要的电压。b.怠速时次级点火电压通常为（10～15kV），在急加速或高负荷时，点火电压相应增加，急加速时最大的点火电压不应超过怠速时正常点火电压的1倍。如果某缸出现上述情况，加载时就会出现“断火”现象。c.点火电压过高（高于30kV）。表明存在高电阻（火花塞间隙过大，混合气过稀，点火时间过早，高压线电阻过大），如果向上到顶，则高压线断路。d.点火电压过低（低于10kV）表明（火花塞间隙过小，高压绝缘失效，高压线漏电，积炭），如果向下到底，则表明高压线短路。e.点火线的中后段如有特别粗的杂讯，表明可能是喷油嘴或是进气阀上积炭严重。3.看火花线：CD段a.火花线当峰值电压能击穿火花塞间隙时，火花塞便跳火，会出现一个保持电压的跳火电压，出现一个水平线，火花线（CD段）。b.火花线和燃烧电压相对一致，说明火花塞工作和各缸空燃比正常与否；如果混合气太稀，燃烧电压就比正常值低；如果火花线上有过多杂波，则表明气缸点火不良或点火过早。c.燃烧电压：（0.5～5.0kV）维持电火花穿越火花塞两个电极所需的电压。它所维持的时间叫燃烧时间（图中CD段0.4～2.4ms）。d.看燃烧时间，时间长短表明气缸内混合气的浓和稀，燃烧时间过长（2ms）表明混合气过浓，燃烧时间过短（0.75ms）表明混合气过稀。e.点火线圈可以产生35kV左右的电压，正常的点火只需4～17kv的电压，多余的能量用来延长燃烧时间。如果储备电压不足或消耗在其他方面（如高压线电阻过大或开路,火花塞电极间隙过大,分头与分电器盖间隙过大,混合气过稀），燃烧时间减少,相反则燃烧时间过长。f.观察燃烧时间，急加速时的