汽车发动机自诊断系统的维修

1.自诊断系统的功能

自诊断是发动机控制系统的主要功能之一，不但有效地控制在用车的排放污染，也是维修技术人员诊断和维修车辆的重要辅助工具。发动机电子控制单元或发动机动力控制模块不断地检测各个传感器的信号，一旦发现有任何不正常的信号（传感器信号中断、信号值超出正常范围等），由传感器、执行器、控制电路、ECU故障引起的，系统都将设置故障码（DTC，Diagnostic Trouble Code），并可能点亮仪表板上的故障指示灯（MIL，Malfunction Indica-tor Light或Check Engine Light）以提示驾驶员立即进行维修。

通过读取故障码，就很容易了解大概的故障位置。发动机控制系统线路复杂，元件和可能故障原因较多，仅靠经验来分析和排除故障难度很大，因此，必须掌握相关的理论知识，具备相应的检测设备和工具，借助准确的维修资料，按照科学的诊断步骤逐步排查，才能有效、正确地排除故障。

归纳起来，自诊断系统具有以下几个功能。

①及时地检测出发动机控制系统出现的故障，并可能用默认值替代不正常的传感器数据，以保证发动机能够保持运转。

图14-1 发动机故障诊断程序图

②将故障信息以故障码的形式存储在发动机电子控制单元的存储器（RAM）内，同时还可能存储故障出现时的相关数据参数（冻结帧）。

③通知驾驶人员发动机控制系统已出现故障，通常点亮仪表板上专设的“CHECK EN-GINE（检查发动机）”灯。

④允许维修技术人员读取故障码和数据流，以快速诊断出故障位置。

2.自诊断系统的发展历史

自诊断系统的发展已经经历了两个阶段，即第1代车载诊断系统（On-Board Diagnostics-Ⅰ即OBDⅠ）和第2代车载诊断系统（On-Board Diagnostics-Ⅱ即OBDⅡ）。在美国，OBD-Ⅰ主要用于20世纪80年代中至1996年之间的车型，从1996年后进入美国市场的车型必须装备OBD-Ⅱ系统，1994年至1996之间为过渡期，这期间的很多车型都装备了OBD-Ⅰ和OBD-Ⅱ两套系统。因为我国排放法规不如美国那样严格，所以情况有所不同，无论是进口车还是国产车，大多数使用的还是OBD-Ⅰ系统。

近年来美国开始制定OBD-Ⅲ标准，主要目的是减少故障出现与实际维修之间的时间间隔，以进一步控制在用车的排放污染。具体做法是在OBD-Ⅱ的基础上增加电子通信和遥感检测的功能，即通过路边的固定式或移动式检测设备实时监测道路上正在行驶的车辆，一旦发现故障，随即将车辆VIN码、故障码等信息发送给管理中心，并告知车主立即进行检修。

3.OBD-Ⅰ系统与OBD-Ⅱ系统的比较

（1）OBD-Ⅰ系统 早期自诊断系统（OBD-Ⅰ）主要包括以下几个功能。

①故障指示灯：有的车型称之为“检查发动机灯”（Check Engine），在控制电脑发现故障时，尤其是与排放有关的故障时，点亮故障指示灯，以提示驾驶员立即进行检修。

②故障码：当设置故障码的条件（如发生故障）满足时，设置故障码，以帮助维修人员判断故障原因和故障点。

③诊断监测以下系统：主要输入传感器、燃油计量系统、EGR系统、电路的断路和短路。

在OBD-Ⅰ阶段，各个汽车制造厂各自开发自己的自诊断系统，其诊断插座的位置和形式、故障码的定义、故障码和数据流的读取和显示方法、通信协议等，往往各不相同。对于同一个故障，不同厂家的车型可能用不同的故障码表示。因此，要想维修某种车型，就必须熟悉该车型的自诊断系统，掌握该车型故障码的读取、故障码的显示方法和故障码的内容等。另外，某种故障诊断仪（解码器）常常只适用某个或几个车型（需配备适于不同车型的诊断接头和诊断卡），对另外一些车型就可能不适用，通用性较差，给广大汽车维修人员带来极大的麻烦和困难。

（2）OBD-Ⅱ系统

1）系统功能。虽然OBD-Ⅰ系统提供了许多与排放有关的关键系统和零部件的数据，但因为当时的技术限制，有几个重要项目未包含进去。自从OBD-Ⅰ实施以来，汽车技术又发生了重大突破，例如，监测发动机失火（Misfire）和催化转换器效率的技术已经开发出来，并已在车辆上大量应用。因为技术上的突破，以及I/M（Inspection/Maintenance检查/维护）制度在检测关键排放控制系统故障方面不尽如人意，在CARB（California Air Resource Board美国加州大气资源局）的倡导之下，SAE（Society of Automotive Engineers美国汽车工程师协会）制定出了一个更加完善的OBD系统，即OBD-Ⅱ，并于1996年在美国强制实施，1994至1996年之间为过渡期。OBD-Ⅱ系统进一步完善了OBD-Ⅰ系统的功能，并对诊断仪、故障码、通信协议、相关术语等进行了标准化，有利于车辆维修行业的规范化。

与OBD-Ⅰ相比，OBD-Ⅱ还增加了以下功能：催化转换器效率监测、发动机失火检测、炭罐净化系统监测、二次空气喷射系统监测、系统流量监测。诊断系统中必须包含串行数据流（包含20个基本参数）和故障码。

OBD-Ⅱ系统不仅使诊断测试模式、故障码、诊断插座、诊断（扫描）工具等有关诊断系统的内容得到统一，同时也对自诊断系统提出了更高的要求，特别是有关排放的检测、诊断内容的要求更严。尽管OBD-Ⅱ系统的技术含量和要求比较高，但各大汽车制造厂都于1996年适应了OBD-Ⅱ标准，有些甚至从1994年就已推出OBD-Ⅱ车型。据有关资料介绍，日本丰田公司已于1994年生产出首辆完全符合OBD-Ⅱ标准的发动机控制系统的汽车。据统计，在美国，1994年采用OBD-Ⅱ标准的汽车制造厂约有10%，1995年约为40%。

图14-2为OBD-Ⅱ系统的诊断接头。表14-1为OBD-Ⅱ诊断接头端子功用表。

表14-1 OBD-Ⅱ诊断接头端子功用表

2）OBD-Ⅱ硬件特点。OBD-Ⅱ不只是自诊断软件的一个全新版本，它具备明显的硬件升级特征。典型的装备OBD-Ⅱ的车辆具有以下特点：

①氧传感器通常是加热型氧传感器，并且催化转换器前后各有一个氧传感器，前面的称为主氧传感器（上游氧传感器），后面的称为副氧传感器（下游氧传感器）。前后的氧传感器组合起来对催化转换器的净化率进行监测，同时对燃油控制进行补偿。

图14-2 OBD-Ⅱ系统的诊断接头

②装备了功能更强的动力控制模块（PCM），具有16位或32位处理器，能够处理1.5万个新的标定常数。

③PCM中装有电可擦可编程只读存储器（EEPROM），使其中的软件可重新编程，通过诊断接口（DLC）及外部电脑（扫描工具）可对其重新写入新版的软件。

④改进的燃油蒸发排放控制系统，具有诊断开关，可进行净化测试；或装备了功能更强的燃油蒸发（EVAP）系统，具有排气电磁阀、燃油箱压力传感器和诊断接口。

⑤更多的EGR系统装备了电子控制的线性EGR阀和针阀位置传感器，实现了对EGR量的精确控制。

⑥燃油喷射方式由顺序多点喷射（SFI Sequence Fuel Injection）取代了普通多点喷射（MPI）和单点喷射（TBI）。同时采用进气歧管绝对压力（MAP）传感器和空气流量传感器（MAF），更精确地监测发动机的负荷和空气流量。

3）OBD-Ⅱ故障码的定义。OBD-Ⅱ故障码由5个数字组成，每个数字都代表了不同的含义，见图14-3。

故障码P0000-P0999是SAE统一规定的。部分故障码及其故障定义对所有符合OBD-Ⅱ标准的车型都一样。但是，不同车型对同一故障码的诊断方式不完全一致，所以维修时还应查阅相应的维修手册或中车在线网（www.713.com.cn）上的维修资料。

4）OBD-Ⅱ的术语

图14-3 故障码的结构

①冻结帧数据（Freeze Frame）。所谓冻结帧数据就是OBD-Ⅱ系统在检测到故障并设置故障码时，所存储的所有发动机运行数据。

用通用型诊断仪即可读取这些冻结帧数据。这些数据对于诊断发动机的故障十分有用。

冻结帧数据一般包括：所涉及的故障码、发动机转速、发动机负荷、燃油修正（短时和长时）、发动机冷却液温度、计算的负荷、工作模式（开环或闭环）、车速。

②行程（Trip）。所谓行程是指发动机的一个工作循环（驾驶循环），一般包括点火开关接通（Key ON）、发动机运转、点火开关断开（Key OFF）等过程，也是完成一个检测或设定一个故障码所必需的所有条件。

有些故障码的设定可能需要一个暖机循环，而其他的可能只需要一个点火开关断开循环。正确地完成一个行程对于诊断故障和验证维修结果十分重要。

③暖机（Warm-Up）循环。暖机循环是指车辆运行的一个周期，发动机起动后，冷却液温度至少升高22℃并至少达到88℃。

PCM通过比较发动机冷却液温度（ECT）和进气温度（IAT）来判断是否为冷起动。

④故障确认（Problem symptom Confirmation）驾驶模式。所谓故障确认驾驶模式是具体故障码的确认程序，确认程序实际上可能并不要求驾驶车辆。

确认程序用于检验一个部件或一个系统的工作情况，维修手册中列出的条件必需严格遵守，否则可能无法检测到故障。

注意：确认驾驶模式可能需要使用诊断仪。另外，仪器可能提示从常规模式切换到检测模式。

⑤就绪测试（Readiness Test）。所谓就绪测试是指：OBD-Ⅱ系统不断地监测失火和燃油系统故障，在每个驾驶循环（或“行程”）还要对催化转换器、EGR系统和氧传感器做一次功能检测，只有在达到规定的行驶条件后，PCM才能确认这些系统工作正常。

例如，发动机必须完全预热，节气门位置必须超过规定的角度，发动机必须达到规定的载荷等等。在这些行驶条件未达到之前，PCM将不能完成其“就绪检测”，也就不能显示检测数据。此时，解码器会显示“所支持的就绪测试尚未全部完成”的信息，以提示操作人员不能读取检测数据。

在美国的I/M检测过程中，就绪测试是一个标识，表示车载诊断系统还不能提供检测所需的信息。此时，必须运行车辆，直到所有就绪测试工况全部达到。

⑥OBD-Ⅱ测试循环（Driving Cycle）。所谓OBD-Ⅱ测试循环是指当一个排放问题“修复”之后，PCM运行全部OBD-Ⅱ自诊断程序，使所有系统状态复位。

各大汽车公司生产的车辆进行测试循环的方法不尽相同。

4.自诊断系统的局限性

虽然OBD-Ⅰ和OBD-Ⅱ自诊断系统已经很先进，但在诊断发动机控制系统故障时，自诊断系统也有其局限性。首先，并不是所有的发动机控制系统的电路都被监测。因此，不是所有的故障都能点亮故障指示灯（MIL）或在ECU存储器中保存故障码。其次，故障码仅表示传感器、执行器、ECU或其电路中的某个地方存在故障，具体的故障位置必须要按照规定的步骤进行诊断和分析。有些间发性故障ECU可能无法检测到，因为其诊断程序不能检测到这些故障。在这些情况下，即使发动机控制系统顺利通过了“自诊断检查”，系统也不一定就没有故障，因此最好采用症状检测的方法进行故障诊断。(www.xing528.com)

5.故障码的设置和诊断顺序

（1）故障码的设置 故障码的设置条件（Enable Criteria），即ECU或PCM中预先标定好的设置故障码的条件，不同车型对于同一故障码的设置条件可能不同。在诊断故障码时，必须仔细查阅相关的维修资料，根据设置条件排查故障原因。

ECU或PCM在系统工作时，不断收到各个传感器输入的各种信号，如果ECU在一段时间里收不到某一传感器的输入信号或其输入信号在一段时间内不会发生变化，即判断为故障信号。如当发动机在正常工作温度下运转时，若电脑在1min以上检测不到氧传感器的输出信号或氧传感器信号在0.3～0.6V区间1min以上没有变化，即判断为氧传感器电路有故障，并设定故障码。

发动机工作中，如果偶然出现一次不正常信号，诊断系统不会判断为故障。只有当不正常信号持续一定时间或多次出现时，电脑才判定为故障。如发动机转速在1000r/min时，转速信号丢失3～4个脉冲信号，电脑不会判定为转速信号故障，故障指示灯也不会点亮，转速信号的故障码也不会存入存储器内。

图14-4 线路故障产生的故障信号

故障信号的出现并不一定都是由传感器或执行器本身的故障引起的，更常见的是与相应的电路或接头故障有关。图14-4a表示冷却液温度传感器与ECU之间的配线短路搭铁故障，此时，ECU检测到的冷却液温度传感器输入电压信号低于0.1V，于是判定冷却液温度传感器故障。图14-4b表示冷却液温度传感器与ECU间的配线断路故障，此时，ECU检测到的冷却液温度传感器输入电压信号高于4.8V，于是判定冷却液温度传感器故障。

故障信号判断原理，如图14-5所示。ECU一旦检测到冷却液温传感器的故障并设置故障码时，将用进气温度传感器的信号作为替代值来进行发动机起动（起动温度替代值），并按预定的模式计算发动机温度，当发动机达到工作温度一定时间后，采用另一固定的替代值，该固定的替代温度值又取决于进气温度，所以温度变化对发动机影响较小。

（2）故障码的诊断顺序

1）故障的分类。一般维修手册中将故障分为以下2种类型。

①硬故障：又称为当前故障或连续性故障，指过去出现过并且仍然存在的故障。其设置的故障码，清除后还会出现。

②软故障：又称为历史故障或间发性故障，指过去曾经出现过但当前可能未出现。其设置的故障码，清除后可能不会再次出现。

2）故障码的诊断顺序。所有汽车厂家都建议按一个基本顺序来诊断故障码：首先是当前故障的硬故障码，然后是间发性故障的软故障码或记忆故障码。

6.故障指示灯的功能（MIL）

发动机控制系统都在仪表板上设置一个发动机故障指示灯（MIL，Malfunction Indicator Light），有时称为发动机故障报警灯或发动机检查灯。主要用于在出现与排放有关的传感器或系统故障时警示驾驶员。根据系统的结构不同以及故障特性的不同，MIL灯可能出现以下几种状态：点亮、熄灭、一直亮着或闪烁。MIL只能提示有故障，但不能告诉你是什么故障或故障严重与否。当自诊断系统检测出发动机的故障时，一方面将故障信息存入存储器（RAM）内，另一方面输出控制信号，点亮发动机故障指示灯。发动机故障指示灯亮时，各车标志可能不一样，常见的是显示“CHECK”、“CHECK ENGINE”或发动机符号，如图14-6所示。

图14-5 故障信号的判断

（1）故障报警 发动机运行中，当发动机电子控制单元检测到控制系统出现故障时（不是全部故障），立即输出控制信号，接通故障指示灯电路，使发动机故障指示灯点亮，通知驾驶人员发动机已发生故障，直到故障排除，恢复正常工作后，发动机故障指示灯才熄灭。图14-7所示为故障指示灯的控制电路图。

注意：在故障指示灯点亮或闪烁后，虽然通过断电或其他方式可以使其暂时熄灭，但只要故障尚未消除，故障指示灯还会点亮。因此，绝对不能仅熄灭故障灯而不维修故障。

图14-6 发动机故障指示灯

（2）检查故障指示灯工作是否正常（灯泡检测）在发动机尚未起动前，驾驶员将点火开关置于“ON”位时，发动机电子控制单元将要进行自检过程时，发动机故障指示灯应点亮数秒钟，此即为灯泡检测（Bulb Test）。如果灯不亮，一般说明故障指示灯电路有故障，如灯丝烧断、熔断器烧断或导线断路、发动机电子控制单元供电或搭铁不良。发动机起动后（一般情况下，发动机转速高于500r/min），发动机正常工作情况下，发动机故障指示灯应自动熄灭。如果灯继续亮，说明自诊断系统已检测到发动机控制系统有故障。在大多数排放检测和维护（I/M）制度中，MIL也是一个自测检查的项目，检测员通过MIL可以很快地直观判断出汽车控制及排放系统是否工作正常。

（3）显示故障码 对于1995年以前的大多数车型，可以通过发动机故障指示灯读取发动机电子控制单元中存储的故障码。

图14-7 故障指示灯电路

在正常情况下，MIL在发动机运行过程中应当不亮或不闪。MIL点亮并保持亮可能有两个原因：某个部件的监测程序未通过，或某个系统的监测程序未通过。当MIL点亮时，系统会存储一个故障码和冻结帧（Freeze Frame）数据；也有可能会存储多个故障码的多个冻结帧数据。

7.故障码的读取与消除

（1）故障码的常见显示方式 虽然各种发动机自诊断系统显示故障码的方式很多，但归纳起来，最常见的显示方式有以下几种。

1）数字显示。数字显示故障码的方式具有显示直观、操作简便等特点，主要应用在一些高档轿车上，如凌志LS430、林肯·大陆（LINCOLN Continental）、凯迪拉克（Cadillac）等。在进行故障自诊断测试时，故障码以数字或文字的形式显示在组合仪表的驾驶员信息显示屏上。要进入故障自诊断测试状态，可按下设定的控制键，有时，需要同时按下两个或三个控制键，具体参照相应的维修资料。

2）脉冲电压显示。很多发动机自诊断系统采用脉冲电压显示的方式，即由自诊断输出接头（STO）向外输送脉冲电压的信号，以仪表板上“CHECK ENGINE”指示灯的闪烁显示故障码。脉冲电压的形式一般有三类。

①宽脉冲表示十位，窄脉冲表示个位，如图14-8所示。十位与个位间有一较短的暂停时间，故障码与故障码之间有一个较长的暂停时间。

图14-8 脉冲电压显示示例（1）

②电压脉冲宽度相同，位与位之间有一较短的暂停时间，故障码与故障码之间有一个较长的暂停时间，如图14-9所示。

③表示故障码的脉冲宽度相同，在位与位之间有一个暂停时间，在码与码之间有一个较宽的电压脉冲，如图14-10所示。

（2）故障码的读取与消除 在故障诊断开始时要读取故障码，在诊断过程中和排除故障后要清除故障码，但不同的车型读取和清除故障码的方法却不尽相同。总而言之，故障码的读取方法有两种方式。一种是人工方式，另一种是外接设备方式，即利用故障诊断仪（解码器）。

图14-9 脉冲电压显示示例（2）

图14-10 脉冲电压显示示例（3）

故障码的清除同样也有两种方式，一种是人工清除，另一种是自动清除。人工清除是按照一定步骤用人工或仪器来清除。故障码的自动清除则是在故障已经完全清除后，在点火开关接通-断开（ON-OFF）循环一定次数（通常是50～80次）以上且该故障未再次出现时，发动机电子控制单元（ECU）自动清除存储的故障码。人工清除可以清除所有的间歇性（软）故障码和持续性（硬）故障码，而自动清除只能消除在一段时间内没有出现的间歇性故障的故障码和已经被排除的持续性故障的故障码。

对于大多数OBD-Ⅰ系统，断开ECU的电源线或蓄电池电缆即可清除故障码，ECU断电使临时存储器（RAM）中的数据（如燃油修正数据、怠速学习数据等）全部丢失，故障指示灯也将临时熄灭。但是，一旦故障重新出砚，故障码又会重新设置，故障指示灯又会重新点亮。

对于新的OBD-Ⅱ系统，故障码一般存储在“非易失性”存储器中，短时间断开蓄电池不会丢失，只能用扫描工具（解码器）清除。另外，断开蓄电池电缆或ECU电源是有风险的，可能会造成意想不到的后果，因为音响系统和自动气候控制系统的预设置信息（包括防盗密码），以及发动机ECU“学习到的”记忆信息都将丢失。对于自动变速器车型，可能需要经过特殊的自学习步骤才能恢复到原来的工作性能。

8.如何利用故障码诊断故障

利用故障码进行诊断只是多种故障诊断手段中的一种主要手段，也仅是一个完整故障诊断步骤中的一个环节。对于不同的车型、不同的故障码，其诊断和排除故障的方法不尽相同，因此，在利用故障码进行诊断时必须查阅相应车型的维修资料。

在整个分析和检查过程中，应明确非常重要的一点，整个控制系统是由许多子系统（各个传感器、执行器、电源及ECU中的各部分电路等）电路所组成的，而每一个子系统电路是由传感器（或执行器）、插接头、线路和ECU内部的该子系统电路所组成，因此反映某个子系统故障的故障码并不一定是该传感器（或执行器）出现故障，而是表示该子系统的信号出现不正常的现象，至于不正常的原因则可能出现在组成该子系统的任何一部分或任何器件（传感器、执行器、电源、接头、线路或ECU）。故障码仅为维修人员提供了进一步检测的大方向，而并不能确定究竟什么元器件出现故障。要确定出现故障的元器件，还常要根据相应的技术资料（包括电路图、元器件位置、技术标准值等），利用可能的检测手段进一步测量。

9.解码器读取的串行数据在诊断中的作用和局限性

串行数据是与传感器、执行器以及ECU的燃油和点火策略有关的电子信息，通过连接ECU的单根导线读取。

所谓“串行数据”就是先将信息数字化编码，然后再逐个传输这一串数码。扫描工具在接收到这些数码将其解码后再显示出来。比如，丰田车典型的串行数据流由20个数码组成，包括传感器值、开关状态、执行器状态和其他发动机运行数据。解码器对于诊断发动机控制系统的故障十分有用，利用它可以通过诊断插座方便地读取大量的数据。

（1）解码器读取的串行数据在诊断中的作用

①解码器可以快速检查传感器、执行器和ECU的输出。例如，在检查传感器的信号是否超出正常范围时，可以用解码器读出该传感器的信号，然后与维修手册中的规范值进行比较。

②在检测是否存在间发性故障时，可以在电路或元件运行工作中（如加热或冷却的过程中）用解码器监测输入信号。

（2）用解码器读取串行数据诊断某些故障时的局限性

①串行数据是经过ECU处理后的信息，而不是传感器的实际信号。实际信号可以从ECU端子处测得。串行数据反映的也可能是ECU的默认值，而不是实际信号值。例如，对于OBD系统，发动机冷却液温度传感器信号在断路时将显示为失效安全默认值80℃。如果在ECU的相应端子上测量，实际的电压信号值应当为5V，相当于-40℃。

②对于输出指令，串行数据代表的是ECU计算的输出值，而不一定是执行器的实际动作。例如，若发动机已进入燃油切断失效安全模式，在起动发动机时，虽然喷油器不再喷油，但在串行数据中可能还会显示喷油脉宽的计算值。

③因为数据传输速度的问题，用串行数据诊断间发性故障也有局限性。若数据流的比特率太低，将导致解码器显示数据的刷新频率较低，这样，发生在两次刷新之间的数据变化就很难被看出来。因此，通常很难在低速串行数据流中检测出间发性故障信号，而高速串行数据流对于检测间发性故障明显好于低速数据流。例如，节气门位置传感器线路在汽车每颠一次时就断路一下，这是一个间发性故障。但如果此断路状况持续的时间不超过1.25s，用解码器读取数据流很可能就检测不到TPS信号的变化。