汽车发动机故障分析详解：波形分析法效果和示波器功能

（1）汽车专用示波器的应用　专用诊断仪增加了对汽车微机控制系统数据扫描的功能，并能显示出微机控制系统传感器等元件的实际运行参数（数据流），以便检修人员快速分析、诊断出故障部位。但是扫描工具对错误信号的判断是有局限性的，往往会错误地认为超范围的信号是正确的，或由于“假信号”发生得太快，扫描工具不能同步捕捉信号而不能显示出来。这也就是人们常常纳闷：为什么汽车明明有故障，而扫描工具不能显示故障码。汽车示波器就是为进一步满足市场的需要，快速、准确地判断故障的部位与原因而产生的。

示波器显示的波形是对所测信号的实时显示。可以把示波器看成一个二维的电压表。传统意义上的电压表，不管它是模拟式的、还是数字式的，均是用来测量稳定的电压的。数字式电压表甚至能够精确到小数点后第3位。但是，在测量和分析快速变化的电压时，数字式电压表就显得无能为力。即便是最好的数字电压表，1s也只能采集并显示4次电压值，即每250ms采集一次。问题是，许多电子 信号的频率突变要比每250ms一次快得多。如果电压信号变化过快，数字式电压表给出的读数仅仅是一段时间的电压平均值。

示波器通过在显示屏上同时提供电压和时间测量，解决了测量快速变化信号的难题。实际上，示波器所显示的是根据电压信号随时间的变化所描绘的曲线图，提供了信号电压变化趋势、幅度、频率、相关性等比普通数字电压表多得多的分析依据及方法。数字电压表通常只能用一两个电参数来反映电信号的特征，而示波器则用电压随时间的变化的图像来反映一个电信号，它显示电信号比万用表更准确、更形象。所以“一个画面通常要胜过一千个数字”。因为取样的频率高，信号的每一重要细节都被显示出来，可在发动机运转时识别出任何可造成故障的信号。而且如果需要，任何时间都可重看波形，因为这些波形都可保存在示波器中，并在需要的时候回放所保存的波形。现代测试用汽车示波器多为双通道显示，甚至为四通道显示。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4个不同传感器与执行器，即可以把4种信号波形同时显示出来，便于分析判断。这样就可观察一个信号如何影响另一个信号。例如，可将氧传感器电压信号输入到通道1，将喷油器脉冲输入到通道2，然后观察脉冲是否响应氧传感器信号的变化。

汽车专用示波器使用操作简单，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。

（2）电控系统输入与输出信号的种类 电控系统部件输入与输出的信号，基本上可分为模拟信号和数字信号两种，其波形如图16-1所示。模拟信号是信号数值在时间上连续变化的电信号，如我们熟悉的正弦波信号就是一种典型的模拟信号。数字信号是一种信号数值在时间上不连续变化的电信号，即信号的变化只发生在一系列离散的瞬间，信号的数值是阶跃变化的。数字信号只有两种状态：高电平、低电平，或有信号、无信号。例如，汽车上的霍尔式曲轴位置传感器信号和用于故障自诊的故障码等，就是一种典型的数字信号。

图16-1 模拟信号和数字信号

这些模拟信号和数字信号再细分，又可分为直流模拟信号、交流信号、频率调制数字信号、脉宽调制信号和串行数据信号。

1）直流模拟信号波形。汽车上产生直流信号的传感器元件有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、节气门位置传感器、废气再循环压力传感器、叶片式和热线式空气流量计等。这类信号一般观察其幅值的变化即可。

2）交流信号波形。交流信号波形也是模拟信号，其大小和方向随时间而周期性变化。在汽车上产生交流信号的传感器和装置有车速传感器、轮速传感器、磁感应式曲轴位置与凸轮轴位置传感器、从模拟压力传感器信号得到的发动机真空平衡波形和爆燃传感器。这类信号通常需同时观察其幅值、频率和波形形状来判断其是否正常。

3）频率调制数字信号波形。汽车电控系统中产生可变频率信号的传感器和装置有卡门旋涡式空气流量计、福特数字式进气压力传感器、光电式车速传感器、霍尔式车速传感器、光电式曲轴位置和凸轮轴位置传感器、霍尔式曲轴位置和凸轮轴位置传感器。图16-2所示为卡门旋涡式空气流量计的信号波形。这类信号通常也是需同时观察其幅值、频率和波形形状来判断其是否正常。

图16-2 卡门旋涡式空气流量信号

4）脉宽调制信号波形。脉宽调制信号波形如图16-3所示。汽车电控系统中产生这种信号的电路和装置有初级点火线圈、电子点火正时电路、EGR控制电磁阀、净化电磁阀、涡轮增压和控制电磁阀、喷油器、怠速控制电动机和怠速控制电磁阀。这类信号通常不仅需同时观察其幅值、频率和波形形状，还要观察其脉冲宽度或占空比的变化来判断其是否正常。

5）串行数据信号波形。串行数据信号波形如图16-4所示。串行数据由发动机控制电脑、车身控制电脑、ABS与ASR（TRAC）制动防滑控制系统和其他控制模块产生串行数据信号波形。串行数据信号波形是很复杂的信号波形，通常需同时观察其幅值、频率、波形形状及阵列来判断其是否正常。阵列是指组成信息信号的重复方式。

图16-3 脉宽调制信号

图16-4 串行数据信号波形

（3）汽车专用示波器的功能 汽车专用示波器的功能分基本功能和附加功能。基本功能就是对汽车电控系统中的模拟信号和数字信号进行波形显示。附加功能包括万用表功能和发动机性能测试功能。

图16-5～图16-15所示为测试电控系统中主要传感器与执行器的信号波形。

图16-5 5NR-FE发动机加速踏板信号波形（加、减速时）

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图16-6 5NR-FE发动机进、排气 凸轮轴位置传感器信号波形

图16-7 宝马N20发动机热膜式空气流量计信号波形

图16-8 宝马N20缸内直喷发动机喷油器信号波形

图16-9 比较前后氧传感器信号波形判断TWC性能

图16-10 磁电式曲轴位置传感器波形

图16-11 电子节气门电电机信号波形

图16-12 丰田5NR-FE发动机喷油器喷油控制信号波形

图16-13 节气门位置传感器（霍尔式）信号波形

图16-14 丰田非共振式爆燃传感器信号波形

图16-15 丰田发动机点火正时信号（IGT）与点火反馈信号（IGF）信号波形

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，如传感器和执行器、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特定的信号，为使用者提供了方便。示波器备有一些附加测试探头与车辆连接，可以测试发动机的起动电流、交流发电机二极管、相对缸压等。

直接点火系统无高压电缆，火花塞被摇臂罩盖起来，上面还配置进气岐管的空气导管、曲轴箱排气管等各种零件，所以诊断发动机的点火系统相当困难。对于这种点火方式，因为没有高压电缆，无法采样二次信号电压波形，但是如果每缸都有点火器（点火功率三极管），点火线圈一次信号线露在外面，采样点火一次信号电压波形进行点火系诊断是最好的方法，也是示波器的最得意之处。