TiePie無線示波器在汽車故障檢測中的應用

為什么“示波器級"診斷不可少？

在汽車維修和研發中，由于現在汽車電氣系統復雜，很多問題難以察覺，急需一種能直觀呈現電信號的工具。有些故障只在特定條件下出現，等檢測時又沒了；僅憑故障代碼和經驗換零件，成本高且不一定能解決問題；表面看起來是軟件問題，實際是硬件干擾；想要復現故障車上出現的問題也很難做到。

昊量光電推出TiePie無線示波器，能提供一套完整的汽車故障檢測系統，它直接觀察線路與總線上的真實電壓、電流、差分/共模變化與時序耦合，從而在故障根因定位、一次修復率、誤換件率三項關鍵指標上帶來實質提升。

無線示波器應用案例

1. 使用加示波器和速度計進行發動機功率測量

為了確定發動機是否正常工作，對發動機進行功率測量以檢查是否達到額定功率輸出。使用加速度計和無線示波器，可以在不使用測功機或其他測試設備的情況下對車輛進行發動機功率測量。功率測量可以在車輛加速工作時進行。

將加速度計的X軸連接器連接到無線示波器，并將加速度計水平放置在車輛的地面上，X軸箭頭指向與行駛方向相反的方向，見圖1。

圖1 功率測量接線示意圖

在示波器軟件界面中輸入汽車的總重量，包括駕駛員和乘客。確保車輛在安全路段上進行測試，點擊“開始按鈕"，進行加速度計校準并啟動測量。在汽車第1檔和第2檔之間全油門加速，直到準備切換到第三檔。加速后，立即踩下離合器踏板或將自動變速箱置于空擋，讓車輛滑行約4或5秒鐘。點擊“停止"按鈕停止測量。得到測量結果如圖2。

圖2 功率測試曲線圖

圖2中的紅色信號表示速度，黃色表示前向力（單位為牛頓），綠色表示功率（單位為瓦特）。右上角表中顯示了發動機總輸出功率，單位為千瓦和馬力，而圖中的Max功率低于表中顯示的功率，因為表中測得的數據包括了傳動系統、滾動摩擦和空氣阻力的功率損失。在加速后讓車輛滑行一段距離，這樣可以測量克服各種摩擦力所損失的負功率。由于這些功率損失也發生在加速過程中，發動機實際產生的功率等于Max功率與Min功率之間的差值。通過這個方法就測得了發動機的功率。

2. Volvo XC70動力不足、亮故障燈、偶發熄火，使用無線示波器來檢測故障

一輛二手沃爾沃XC70被修理廠多次修理后仍存在動力不足、亮故障燈、偶發熄火的問題；讀取到的故障碼包括：凸輪相位誤差、爆震傳感器電路、MAF 傳感器信號不合理、混合氣不正確，超出控制范圍。既可能是多處獨立的問題，也可能由同一原因引起。

使用無線示波器，按汽車測試與信息系統ATIS預設的“生命體征"做四通道同步檢測（曲軸/凸輪/噴油/點火），設置2.6s記錄、手動觸發回溯 2.3s，在車輛“頓挫"瞬間觸發抓取波形。圖3中除了來自汽車的四路信號外，此測量還包含發動機的轉速（紫色）。觀察轉速曲線，可以明顯看到發動機受阻，轉速顯著下降。所有其他信號無明顯異常，一段時間后，發動機轉速恢復到原始值。這表明電機系統運行正常，問題應該出現在其他地方。

圖3 汽車“生命體征"測試曲線圖

隨后對比正常車輛（圖4）和故障車輛（圖5）的凸輪對曲軸相位：正常車輛中凸輪下降沿領xian曲軸基準10齒，故障車僅5齒；因曲軸信號盤共60齒，每齒6°，可知凸輪滯后約30°。再測MAF并加載參考軌跡，發現其全程偏高約0.4V，解釋了“MAF/混合相關故障"的報錯；更換MAF后問題減輕但沒有解決，仍需要繼續排查。

圖4： 正常車輛：曲軸和凸輪軸正時測量曲線圖

圖5：故障車輛：曲軸和凸輪軸正時測量曲線圖

檢查“MAF 信號不合理"、“混合比已修正到極限"兩個報錯，這兩個報錯涉及燃油空氣混合物和質量空氣流量（MAF）傳感器。這兩者之間存在直接關系，因此對MAF傳感器的信號進行測試。汽車示波器被設置為長時間連續測量，并加載了一個來自良好MAF傳感器的參考信號。發動機啟動，然后緩慢加速到更高的轉速。信號如圖6所示。

圖6：MAF 傳感器信號

圖6中兩個信號顯示出相似的模式，時間上略有偏移。在整個模式期間，來自MAF傳感器的信號似乎比參考信號高0.4V。這表明傳感器可能存在問題，解釋了關于混合氣和MAF傳感器的兩個報錯。更換了新的MAF傳感器后，發動機的運行狀況更好了，但是仍然不是理想狀態。

回到凸輪軸的調整，通過實際操作發現，發動機的凸輪軸由齒輪驅動，而調整這個齒輪的一個齒會在曲軸和凸輪軸之間產生18°的角度差。經過檢查，這臺發動機的凸輪軸相比運行良好的發動機晚了30°。通過將齒輪調整一個齒以提前凸輪軸的相位，發動機的運行狀況得到了顯著改善，動力輸出也有所增加，不再出現動力不足或熄火的情況。進一步的機械調整使凸輪軸的相位僅比正常情況晚6°，發動機現在運行正常，故障指示燈也不再亮起。

zui終確定了這輛車存在的故障，MAF漂移和凸輪正時偏差兩處獨立故障疊加，導致發動機運行不良。多故障疊加的情況下，傳統檢測方法難以準確定位病灶，然而，通過使用無線示波器 ATS5004D，測量發動機的基本生命信號，多通道時序參考對比，兩個問題的原因都被揭示出來，避免了繼續錯誤換件。

3. 大眾高爾夫發動機異響故障檢測

一輛高爾夫4 GTI（AGU）Max功率為109kW，加速時存在嚴重問題。從0加速到80km/h大約需要16秒，這對于這輛車來說太慢了。除了動力不足外，發動機每半秒會進行一次減速，并產生大量排氣爆炸聲。檢測wu故障碼，多家修理廠盲目更換渦輪、ECM、MAF、點火模塊與增壓控制閥仍無法解決問題。我們使用無線示波器對其進行故障檢測：

功率測試：

用ATS5004D示波器+加速度計做功率測試，軟件直接從加速度計算車速與發動機功率曲線，實測功率僅約69kW、曲線劇烈波動，客觀量化了“加速慢"的問題。

圖7：加速過程中的發動機功率和速度

關注渦輪增壓器和發動機內的氣流，測量點火信號、噴射信號和質量空氣流量（MAF）傳感器信號。同步采集噴油控制與MAF的信號，如圖8，在頓挫瞬間看到MAF突增至6V以上、噴油時間延長MAF峰值與排氣“爆炸"一一對應，由此所測信號與故障現象建立了關聯。

圖8：發動機受阻時的 MAF 信號和噴射信號

接下來對渦輪壓力、渦輪壓力閥控制信號以及MAF傳感器信號進行測量。其中，MAF傳感器的作用是測量進入發動機的空氣量，以便發動機控制模塊（ECM）能夠據此調整燃料的添加量，從而實現佳的燃燒效果。將其連接到無線示波器的通道2，如果MAF信號出現較大的峰值，這可能意味著空氣流量出現了顯著增加，而這種情況可能是由渦輪引起的。

壓力傳感器能夠測量進氣歧管之間的渦輪壓力。將其連接到無線示波器的通道1。渦輪壓力閥調節渦輪壓力，該閥門由ECM使用脈寬調制信號控制，信號的占空比決定了閥門的開閉程度。渦輪壓力閥信號連接到無線示波器的通道3。

圖9：發動機保持制動時的渦輪增壓壓力

測試結果圖9中增壓壓力閥信號（綠色信號）迅速攀升至100%，這表明發動機管理系統應該產生更高的增壓壓力（紅色信號）。然而，壓力本身上升得很緩慢，同時MAF傳感器的信號（黃色信號）也沒有快速上升，這說明空氣流量并沒有快速增加。由于該系統沒有配備增壓壓力傳感器，ECM只能依據MAF信號來控制增壓壓力。從增壓壓力閥信號達到Max這一現象可以看出，如果MAF信號偏低，為了獲取更大的空氣流量，ECM會嘗試提高壓力。圖9中MAF信號（黃色信號）在某一時刻急劇上升，遠超正常值。ECM試圖通過關閉部分壓力閥來補償大幅增加的空氣流量，占空比降至70%。然而，這一舉措不僅未能改善情況，反而使問題更嚴重。MAF信號開始出現波動，壓力也隨之下降。由此可以得出結論，是排氣管中的“爆炸"導致了空氣流量的突然大幅增加。

回歸一開始的討論，從測量燃油壓力、發動機壓縮和點火系統開始。測量結果顯示：在怠速狀態下，燃油壓力為正常的250kPa（2.5bar）。然而，當斷開燃油壓力調節器的真空管時，燃油壓力僅上升到270kPa，而正常情況下應該達到約300kPa。即便關閉燃油的回流路徑，燃油力壓依然維持在270kPa，而按照正常邏輯，此時燃油壓力應當升高至大約600kPa。所有這些數據足以表明，燃油泵就是問題的根源所在。

更換新的燃油泵后重新測量渦輪增壓壓力和空氣流量，以及發動機功率。

圖10：更換燃油泵后發動機保持制動時的渦輪增壓壓力

圖10顯示了更換燃油泵后的渦輪壓力和MAF信號。壓力建立和MAF信號良好，占空比穩定在70%。更換了新的燃油泵之后，再次對發動機功率進行了測量，如圖11所示，此時發動機能夠產生108kW的功率，發動機恢復正常。

圖11：更換燃油泵后的功率測試圖

確定故障：排氣管中的爆炸可能是由于燃油混合氣過稀造成的。由于爆炸導致 MAF 信號增加，噴油器稍微增加打開時間，使發動機得以繼續運轉。但隨后系統中燃油混合氣題再次達到過稀狀態，這個過程一直反復。

TiePie的高速WiFi示波器擁有高達1 GSa/s的快速采樣能力和12、14、16位的高分辨率，以及在所有四個通道上256MSamples的大內存。該示波器支持連續流測量高達200MSa /s，并可以與其他示波器使用CMI接口或者WCMI無線模塊同步，形成一個多通道組合儀器與同步時基。

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