利用仪表仪器诊断，解决汽车故障

利用仪表仪器诊断汽车故障是指在汽车不解体的情况下,通过检测汽车参数、曲线、波形和故障码的变化,来综合判断汽车发生故障的部位。

现代汽车的电子化程度比较高,结构越来越复杂,单纯地依靠人工经验诊断,不借助仪器设备,很难迅速、准确地找到故障部位。在使用仪表仪器诊断汽车故障的过程中,离不开人的逻辑思维和判断。因此,在诊断汽车故障时,应坚持仪表仪器诊断与人工诊断相结合的方法,片面强调哪一方面都是不适宜的。

在进行汽车故障诊断时,最常用的仪表就是汽车万用表,常用的仪器包括通用型仪器(如元征X—431)和专用型仪器(如大众VAG1552)。汽车万用表可以用来测试电压、电阻和电流等参数,汽车诊断仪器可以用来进行故障码分析、数据流分析、波形分析、尾气分析等。

1.故障码分析法

现代汽车正常工作时,汽车的电控单元(ECU)利用分布在各部位上的传感器随时监控和分析各个信号。如果ECU发现异常信号就会发出警告信号,点亮故障灯,并把故障信息以故障码的形式存储在ECU内。在进行故障诊断时,首先利用汽车专用诊断仪器读取存储的故障码,然后根据故障码显示的信息进行针对性的维修。

在利用故障码分析故障时,首先应理解汽车自诊断系统对故障的确认方法,并理解故障码产生的条件。

汽车故障自诊断系统对故障的判别方法一般有4种:

(1)值域判别法 当ECU接收到的输入信号超出规定的数值范围时,自诊断系统就确认该输入信号出现故障。例如,冷却液温度传感器的正常使用范围假设为-30°～120°,输出信号为0.3～4.7V,当ECU接收到的信号电压小于0.15V或大于4.85V时,就判定冷却液温度传感器信号电路发生短路或断路故障。

(2)时域判别法 当ECU检测到某个输入信号在一定时间内没有发生变化或变化频率较低时,就判定该信号出现故障。例如,氧传感器在进入正常工作状态时,如果ECU在一定时间内检测不到该信号或该信号在0.45V上下变化的频率超过一定时间,自诊断系统就判定氧传感器信号系统出现了故障。

(3)功能判别法 ECU在向某个执行元件发出动作指令后,检测相应传感器的输出参数变化,如果该传感器的输出信号没有出现程序规定的变化,自诊断系统就判定该执行元件存在故障或其电路存在故障。例如,ECU在向EGR(废气再循环)阀发出开启命令后,检测EGR阀高度传感器或MAP(进气压力传感器)的输出信号是否有相应的变化,若没有变化,则判定EGR阀或其电路有故障。

(4)逻辑判定法 ECU对两个具有相互联系的传感器进行数据比较,当发现两个传感器信号之间的逻辑关系违反设定条件时,就判定其一出现了故障。例如,当ECU检测到发动机的转速大于某个数值时,节气门位置传感器的输出信号却小于某个数值,自诊断系统就可以判定节气门位置传感器出现了故障。

在进行故障码分析时一定要清楚,读取的故障码仅指一个故障范围,并不一定反映具体的故障部位。故障码所指示的并不一定是电气元器件或相关电路的问题,有些机械故障也可能会引起相似的故障现象。

例如,如果某车的故障灯点亮,并检测到故障码显示进气压力(MAP)传感器发生了故障,检修时除了检测MAP传感器及其电路是否有故障外,还应检查进气管有无真空泄漏。

2.数据流分析法

数据流是汽车ECU与传感器和执行元件之间交流的数据参数通过诊断接口由专用诊断仪读出的数据。通过诊断仪读取发动机运行时的动态数据来诊断系统故障,是继故障码分析之后的另一个重要的故障分析方法。

ECU传送给诊断仪的数据既有数字信息值又有模拟信号值。数字信号参数通常称为开关信号,它们或通或断、或高或低、或是或非。模拟参数提供一个信号值,它具有规定的最大值、最小值。这种数据包括模拟电压读数、车速信号、温度读数和频率值等。对这些数据进行分析的方法,通常有数值分析法、时间分析法、因果分析法、关联分析法、比较分析法等。

(1)数值分析法 数值分析是对数据的数值变化规律和数值变化范围的分析,如转速、车速、ECU读值与实际值的差异等。

在控制系统运行时,ECU将以一定的时间间隔不断接收各个传感器的输入信号和向各个执行元件发出控制指令,对某些执行元件的工作状态还要根据相应传感器的反馈信号再加以修正。维修人员可以通过诊断仪器读取这些信号参数的数值并加以分析。

例如系统电压,在发动机未起动时,其值应约为当时的蓄电池电压,在起动后应约等于该车充电系统电压。若出现不正常的数值,则表示充电系统或发动机控制系统可能出现了故障,有时甚至是ECU内部的电源部分出现了故障。

又如某些车型冷却风扇的控制不是采用安装在散热器上的温控开关,而是由发动机控制ECU接收冷却液温度传感器的电压信号,判断冷却液的温度变化,当达到规定的温度点时,ECU将控制风扇继电器接通,使风扇工作。如一辆克莱斯勒汽车,发动机起动时间不长,冷却风扇却开始了工作,此时凭手感可知发动机温度只有40～50℃。根据该车的电路图,可确定该车的风扇是由ECU控制的,故接上检测仪,发现没有故障码存在,但在观察数据流时发现,ECU读取的冷却液温度为115℃。根据该车的设计,发动机电动冷却风扇的工作点为102～105℃,停止点为96～98℃。所以可以判断ECU对风扇的控制电路是正常的,问题在于ECU得到的温度信号是不正确的,这可能是由于冷却液温度传感器、线束插头或ECU本身的故障引起的。经检查发现传感器的阻值不正确,更换后一切正常。

从ECU传给诊断仪器的每项数据都有特定值,即汽车维修手册中给出的信号范围。维修人员必须了解这些数值范围,并将它们与诊断仪器目前的读数进行比较,以便识别出系统故障。

(2)时间分析法 时间分析是对数据变化的频率和变化周期的分析。汽车ECU在分析某些数据参数时,不仅要考虑传感器的数值,而且要判断其响应的速率,以获得最佳的控制效果。

例如氧传感器的信号,不仅要求有信号电压值的变化,而且信号电压的变化频率在一定时间内要超过一定的次数(如某些车要求大于6次/10s),当小于此值时,就会产生故障码,表示氧传感器响应过慢。

有故障码的故障是比较好解决的,但当次数未超过限定值而又已经反应迟缓时,并不会产生故障码。此时如果仔细体会,可能会感到一些故障症状,应接上仪器观察氧传感器的数据(包括信号电压和在0.45V上下的变化频率,以判断传感器的好坏)。例如奥迪汽车,当氧传感器的信号响应迟缓时,往往在1600～1800r/min之间出现转速自动波动(节气门位置不动)100～200r/min的现象,甚至影响加速性。这往往由于氧传感器响应迟缓,导致空燃比变化过大,造成转速的波动。

(3)因果分析法 因果分析是对相互联系的数据间响应情况和响应速度的分析。在各个系统的控制中,许多参数之间是有因果关系的。如果ECU得到一个输入信号,必定要根据此输入信号给出下一个输出信号。在认为某个过程有问题时,可以将这些参数连贯起来观察,以判断故障出现在何处。

例如在自动空调系统中,通常在按下空调选择开关后,该开关并不直接接通空调压缩机离合器,而是该开关信号作为空调请求或空调选择信号被传送给发动机控制ECU。发动机ECU接收到此信号后,检查是否已满足设定的条件,若满足,则向压缩机继电器发出控制指令,接通继电器,使压缩机工作。所以当空调不工作时,可观察在按下空调开关后空调请求(选择)、空调允许、空调继电器等参数的状态变化,以判断故障点。

(4)关联分析法 关联分析是对互为关联的数据间存在的比例关系和对应关系的分析(指几个参数之间的逻辑关系)。有时发动机ECU对故障的判断是根据几个相关传感器信号的比较,当分析它们之间的关系不合理时,会给出一个或几个故障码,或指出某个信号不合理。此时一定不要轻易地断定该传感器不良,而要根据它们之间的相互关系进行进一步的检测,以得到正确的结论。

例如,韩国大宇车有时会给出节气门位置传感器信号不正确的故障信息,但不论用什么方法检查,该传感器及其设定值都没有问题。维修人员若能认真地观察转速信号(用仪器或示波器),则会发现转速信号不正确,更换分电器中的转速传感器后,故障排除。故障原因是ECU在接收到不正确的转速信号后,并不能判断出转速信号是否正确(因无比较量),而是比较此时的节气门位置传感器信号,认为其信号与接收到的错误转速信号不相符,故给出节气门位置传感器出现故障的故障码。

(5)比较分析法 比较分析是对相同车型及系统在相同条件下的相同数据组进行的对比分析。在很多时候,维修人员没有足够的技术资料和详尽的标准数据,无法很准确地断定某个元器件的好坏。此时可与同类车型或同类系统的数据进行比较。

在实际修理中,很多人会使用替换试验进行判断,这也是一种简单的方法。但在进行替换试验时,首先应注意先做一定的基本诊断,在基本确定故障趋势后,再替换被怀疑有问题的元器件,不可无目的地换这换那,其结果可能是换了所有的元器件,仍未发现问题。此外,要确认用于替换的元器件一定是良好的,有时新的元器件也有故障,这是做替换试验的基本准则。

(6)数据流分析排除故障实例 一辆沈阳金杯面包车,在发动机起动后,暖机阶段工作正常,正常行驶一段时间温度升高后,发动机有间断冒黑烟现象,加速时排气管还会发出“突突”声,发动机动力下降,严重时则无法挂挡行驶。

由于该车动力不足,排气管有“突突”声,判断可能是个别气缸工作不好,冒黑烟,说明混合气浓度有问题。后对电路(火花塞、点火线圈、高压线)和油路进行了检查,均未发现异常,故障原因可能在进气系统。用检测诊断仪读取故障码,无故障码显示,利用数据流诊断法对其怠速工况(无故障时)各主要数据进行了提取,数据流见表7-1。

对汽车进行路试,以验证故障现象,行驶了几十千米后,发动机就出现了上述故障现象。一踩加速踏板,排气管就有沉闷的“突突”声,此时再观察怠速工况的数据流,见表7-1。(www.xing528.com)

表7-1 怠速工况的数据流

把热机时的数据流与冷机时的数据流对比,最明显的变化是进气压力和喷油脉冲两项数据。从表7-1中的数据来看,该机故障的原因可能出在进气系统上,可能是由于进气压力传感器信号异常偏高引起的。拔下进气压力传感器上的真空软管,感觉只有微弱的真空吸力,真空不足就是造成上述故障的根本原因。于是对节气门进行检查。拆下节气门,检查传感器真空源部位、节气门体与歧管座之间的石棉衬垫,发现在机体的高温和机油蒸气的侵蚀下,石棉垫未被压住的部分泡胀起层,阻塞了狭窄的真空源通道,而冷机时石棉垫泡胀的程度有所还原,故障就消失了。随后将这部分多余的垫片剪掉,装复后试车,故障随之排除。

3.波形分析法

发动机发生的故障有时属于间歇性故障,时有时无,很难用数据流分析和判断。同时在电控系统中,很多传感器和执行器的信号采用电压、频率或其他数字形式表示。在发动机实际运转过程中,由于信号变化很快,很难从这些不断变化的数字中发现问题所在。但用示波器显示的波形却能捕捉到故障中细小的、间断的变化。它将电控发动机正常工作时各种传感器信号(包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、氧传感器信号,以及某些型号的空气流量计信号、喷油器信号、怠速电动机控制信号等)所描述的波形图与有故障时的波形图相比较,若发现有异常之处,则表示该信号的控制电路或元器件本身出了问题。

波形分析能够显示出需要维修的故障是一种什么波形,能看清楚故障的真实存在,通过分析还可知道故障是否真正排除。

波形分析在汽车电子控制系统故障诊断与维修中,主要应用在两个方面:一是确定整个系统的运行情况；二是确定在整个状态运行正常的情况下,某个电器或电路是否存在故障。波形分析应用最多而且最有效的地方是对氧传感器信号波形的分析,它对氧传感器波形进行分析,可诊断出真空漏气、点火不良、喷油不平衡等故障。

例如,一辆上海桑塔纳2000型轿车,行驶8万多千米,发动机出现怠速不稳、加速无力有时还有回火现象。本着由简到繁的原则,先对点火线圈、高压线、火花塞、分电器进行检查,同时清洗节气门、进气歧管和喷油器,都未排除故障。根据故障现象,用波形分析法重点对点火系统进行检查,特别是对点火正时的检查。用示波器测试点火系统,波形显示无异常,说明点火系统正常；用诊断仪解码器检查,出现了故障码“0561”,其含义是混合气失配,这可能就是故障的原因。

桑塔纳混合气的检测是靠氧传感器来进行的。用示波器对氧传感器信号进行检测,发现信号电压在600mV以上,有时偶尔下到100mV以下,并且在某一范围内变化没有任何规律,说明氧传感器检测的信号是混合气过浓。

引起混合气过浓的原因有油压过高、喷油脉宽太长、燃烧不完全等。检测油压,怠速时为0.25MPa,加速时为0.29MPa,说明油压正常。用示波器检测第一缸喷油脉宽为4.3ms,有时为1.73ms,看来喷油脉宽不正常；检测二、三缸也有类似情况；检查第四缸,喷油脉冲宽度为3.3ms,有时达到12ms。以上测得的数据可以说明该车喷油完全失控,并且从整体上看喷射量随机变化也是导致出现“0561”故障码的主要原因。

引起第四缸喷油异常的原因有线束断续接地、ECU自身不良、ECU搭铁线不良等。于是仔细对线束等进行详细检查,均未发现异常,那就判断是ECU自身有问题。更换了新的ECU后,故障随之排除了。

4.废气分析法

废气分析就是利用废气分析仪(有三气体废气分析仪、五气体废气分析仪等)对发动机排出的废气进行分析,以判断混合气的空燃比、点火燃烧情况、点火正时状态、三元催化器的转化效率等。

发动机排出的废气成分包含二氧化碳(CO₂)、水(H₂O)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NO_x)等。其生成机理如下:

(1)碳氢化合物(HC) HC排放物本质上是没有燃烧的燃油。即使发动机状态良好,点火系统与燃油系统令人满意,也会产生一些碳氢化合物(HC)。这是因为当燃烧室中的火焰前锋面到达较冷的气缸壁时,火焰前锋面被淬熄,留下一些未燃烧的HC。当然,这些HC在经过良好的三元催化器后几乎完全转化。

废气分析仪的HC读数一般表示的是在废气中HC体积占废气总体积的百万分比。

既然HC本质上是没有燃烧的燃油,那么当个别缸因点火系统或其他原因(除喷油器不喷油外)不工作时,气缸中所有未燃烧的燃油都进入排气系统,导致一个很高的HC读数,直至故障被ECU检测到并中止该缸喷油器的喷油。如果ECU不能检测缺火并中断该缸的喷油,那么可能使三元催化转换器温度过高,甚至可能导致三元催化转化器、排气管烧红,最终导致三元催化转化器内部载体熔化烧结而损坏。

混合气过稀也会导致气缸工作不好,HC排放升高。气缸压力过低、浓的空燃比也将导致HC增多。

(2)一氧化碳(CO) 一氧化碳是燃烧的副产品,是在燃油燃烧时,混合气中的氧气不足造成的,所以通常在混合气浓时较易产生。任何造成混合气偏浓的因素都会增加CO的排放量。

一氧化碳(CO)的含量用体积分数表示,如果废气分析仪显示1%的CO,则表示CO占排气总体积的1%。在装有三元催化转化器的汽车上,排气尾管内的CO排放应该很低。高的CO读数是不完全燃烧的结果。在理论空燃比为14.7∶1时,CO排放很少,如果实际混合气比理论混合气浓,CO将增加,且混合气越浓,CO排放得越多。

在实际空燃比大于理论空燃比的情况下,CO的排放量一直很低,它不能指示混合气稀到何种程度。因此,CO是浓混合气的一个很好的指示剂。由于CO是燃烧的副产品,因此当发动机缺火、个别缸不能工作时并不增加CO的排放量,反而可能使CO排放量稍有下降,当然这在缺火且空燃比不改变的情况下才会出现。由于现在的发动机热车后都进入了闭环控制状态,因此当发动机个别缸缺火时必然引起氧传感器检测到混合气过稀而使ECU增加喷油脉宽,从而导致总体上混合气过浓,CO排放量反而增加。

(3)氧(O₂) 在正常情况下,空气中含氧量约为21%(体积分数)。可燃混合气在燃烧时是需要消耗氧气的。如果混合气过稀,那么空气中所有的氧全部与燃油混合参与燃烧,排气中的氧(O₂)含量是很低的。当空燃比小时,没有足够的燃油与所有进入发动机的空气混合,排气中O₂的排放量就高。因此,它是小空燃比的一个很好的指示剂。由于燃烧消耗氧气,因此当发动机个别缸不工作时,排气中O₂的排放量就会增加。

在废气分析仪上,O₂的排放量也是用体积分数来表示的。

(4)二氧化碳(CO₂) 可燃混合气燃烧后的主要产物是二氧化碳和水。二氧化碳是燃烧产物,燃烧不好,二氧化碳排放量就低。如果空燃比从9∶1上升至14.7∶1,CO₂排放量从大约6%逐渐上升至13.5%。在装有三元催化转化器的汽车上,CO₂排放量可能达到16%,因为三元催化转化器在氧化CO与HC时会产生一些CO₂。一般在略小于理论空燃比时,CO₂排放量最高。

(5)氮氧化合物(NO_x) 氮氧化合物是指NO、NO₂、N₂O₄等多种氮氧化物的总称。其中,对环境危害最大的是NO和NO₂,它们是由于混合气在高温下燃烧时,含在混合气中的N₂和O₂发生化学反应而产生的。氮气(N₂)是惰性气体,只有在气缸内的温度很高且氧气充足的情况下才易产生NO_x。因此,产生过多NO_x的主要原因是燃烧温度过高,所以应适当降低混合气的燃烧温度。

NO_x含量在废气分析仪上以百万分之一容积含量为单位进行显示。

在实际维修时,利用废气分析仪检测排出的废气中各种成分的含量,并与正常值进行对比,可迅速地找到故障原因(见表7-2),进行针对性的修理。

表7-2 废气排放不正常的故障原因

(续)