基于波形分析的电控发动机故障诊断系统的开发

摘 要：随着汽车电子技术的发展，电控发动机的故障诊断也变得日益复杂，对于故障诊断的仪器、设备的要求也更高。利用波形分析法诊断电控发动机的故障，将是未来汽修行业发展的必然趋势。中高职院校的培养模式是以就业为导向的，必须跟市场紧密结合，未来提高专业教学的质量，节约实验实训设备的资金投入，让学生多多动手实践。目前，很多公司和高校、职院都在将计算机技术和软件技术有机结合，积极开发虚拟仪器，将所开发的虚拟仪器应用于日常的教学活动，以提高教学质量。

关键词：电控发动机波形；虚拟仪器；示教系统

随着电子技术的成熟发展，传统发动机已被电控发动机所取代。发动机故障的形式呈现多样化的趋势，用于传统的诊断设备及发动机检测，但因检测的精度、质量低，检测的项目不够丰富，且对人工依赖性高等缺点，已经越来越难以适应于电控发动机的故障诊断，新型的发动机检测与诊断设备登上了历史的舞台。在汽车检测诊断仪器的开发中，加入“虚拟仪器”的开发设想，对汽车的故障检测与诊断起着重要的作用。自主开发故障诊断仪，将计算机技术和软件技术有机结合，经济实用，操作便捷，可用于各级各类的中、高职汽车专业的实践活动。让听讲者能够直观、感性的学习知识，掌握知识，凸显效果。

基于波形分析的电控发动机故障诊断系统的开发，是利用所开发的诊断仪读取发动机传感器和执行器等部件的波形，对比标准波形分析发动机故障，从而可以快速精准的定位故障点。故障诊断系统可以实现对各传感器、执行器标准波形的测试，也可应用于故障波形的测试，同时配备了各部件的工作原理等说明，方便操作者使用。该诊断系统的开发可以给一线维修人员研究通过波形分析发动机故障提供一定的借鉴，可以通过投影仪等多媒体手段展现在所有学生面前，帮助学生理解通过波形分析发动机故障的方法。在开发前，首先要准备一些硬件为系统软件的开发提供平台。然后根据系统的具体功能将系统进行结构分解，分别按照各个模块的功能进行设计，最终实现整体功能的设计。系统开发功能流程如图1所示。

1 系统开发平台

1.1 系统开发的硬件平台

1.1.1 计算机

1.1.3 丰田卡罗拉1.6 L汽车

以丰田卡罗拉1.6 L轿车为测试对象，该车搭载1ZR-FE电控发动机，测试该实车的标准波形和实际波形，能对所设计的诊断系统起到验证的作用。

MathWorks公司（美国）于20世纪开发出了具有强大功能的MATLAB软件，这个软件现在也成为了最有活力、最有影响力的软件。MATLAB软件的编程极为简单，因此发展至今已经在很多行业、领域中得到了广泛的应用。MATLAB内置了大量数学函数和专用工具箱。即可以使用文本编辑的方式编写代码，也可以在图形界面上处理数据。同时提供了遵从GPIB、RS2

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2、VXI和RS485协议的API函数，可以快速实现与数据采集卡的通信。软件中的GUIDE模块允许用户方便的开发图形用户界面，并内置了大量ActiveX控件，可以调用大部分Windows风格的控件。因此该系统开发选择此软件平台。

2 系统的软件设计开发

2.1 用户登录

登录，需要用户输入登录口令才能进入系统。这是一个常规软件所必备的构成，能够实现对开发者权利及使用者权利的保护，在本系统中设计色为灰色，让使用者觉得清新自然。

登录部分：在登录前界面显示“请输入登录口令”，只有用户输入正确的口令才能进一步使用该诊断系统，否则无法使用。登录界面包括三个功能按钮，分别为系统功能介绍、实时波形测试、模拟波形测试按钮，在点击进入后，就进入到功能的登录界面。

2.2 模拟波形测试模块

模拟波形测试部分，对于仿真模拟测试信号的运行参数可以通过信号进行调整。

发动机传感器和执行器的波形各不相同，有正弦波，有方波。该诊断仪综合考虑此实际特点，故在做模拟波形测试时，有波形的选择按钮，可以选择不同的波形，如方波、余弦波进行测试，并且对于波形的振幅、频率都可以进行修改，使得所读取的波形能够在频幕范围内显示效果最佳。系统还设置了传感器电压过载报警按钮，当电压信号超过12 V或传感器信号超过5 V电压时，灯亮报警。

2.3 实时波形测试模块

该部分包括专用示波器以及通用示波器两个功能模块。通用示波器的测试功能描述：电控发动机各传感器和执行器在正常的工作状态下，必然有一个标准输出波形来说明当前所采集到的信号量，通用示波器就用于电控发动机各个传感器和执行器的标准波形的测试，对所采集的信号进行处理，以数字形式显示在测试的面板上，并可以输出波形。该面板上还设置了“负压报警”按钮，因为在这个部分对电压的规定为正数，一旦出现负数，进行进行负压报警；系统的功能被放大，对X轴和Y轴的坐标可以调节，以便波形在频幕范围内显示效果最佳。通用示波器测试框图如图2所示。在测试过程中，通用示波器可以反映出发动机所有传感器的电信号的变化。

专用示波器模块包括：喷油器、爆震传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、氧传感器、空气流量传感器的波形测试、功能介绍等。专用示波器测试框图，如图3所示。

3 系统测试

氧传感器标准波形如图4所示。氧传感器的最大电压值应大于800 mV，最小电压值应不大于200 mV，从浓变稀的允许响应时间应在100 ms左右。氧传感器在工作时，不满足以上三个特点中的任意一个都可以判定为其有故障。在过量空气系数值等于1时，氧传感器的输出电压值约为450～500 mV之间，但是变化时间也视车型而定，通常不得大于400 ms，若超出这个时间范围，则故障为该传感器的响应速度太慢。

利用该诊断系统测试火花塞高压线单缸断路故障。根据采集器采集到的氧传感器波形与标准的氧传感器波形相比，发现波形上的电压超过450 mV，是因为处于混合气体过渡段（浓/稀过渡）。根据维修手册的解释，该项原因出现可能是发动机的个别缸体不能正常工作，因为高压断路所致，但没有燃烧的混合气体进入导致出现这种情况。故障波形如图5所示。

通过故障诊断系统开发完成后，通过在实车上的调试与测试，验证了波形分析法诊断电控发动机故障的实际应用价值。