标签: 虹科Pico示波器

在 数学通道的应用(十三) 中，我们介绍了涡轮增压发动机空气流量(MAF)实际值的计算方法。在那之后我一直在思考关于DPF背压的问题，尤其是丰田提出的计算DPF再生效率的数学公式。 该公式指出，如果DPF没有堵塞故障，则DPF压差除以MAF的值应小于0.2。公式中还声明，使用的是路试期间所捕获的串行数据，且DPF温度稳定在450°C以上。 例如：MAF=25g/s，DPF压差=2kPa。因此：2/25=0.08 0.2,这意味DPF出现堵塞故障。 鉴于我们可以使用虹科Pico示波器来计算MAF，接下来我想测试一些不属于丰田车系的2.0升柴油发动机来检验上面这个公式。在开始检测DPF之前，需要注意以下三个变量： 1.我要用到WPS500X压力传感器，将WPS压力传感器安装在DPF之前，而不是像压差传感器那样跨接在DPF前后气管。 2.与公式声明有所不同，我测试时DPF的温度小于450°C。 3.同时还用另一个WPS500X测量进气歧管压力。 我们首先测试的是一个2.0L 四缸BMW320D车，通过数学通道 LowPass（freq（A），50）*（2.0 * 0.8）*（B+1）/2*1.223/60 来获得MAF（空气密度为1.223g/L）。对这个数学通道公式分段解释一下： LowPass（freq（A），50）可以计算出RPM，我们用A通道捕获了曲轴传感器信号波形。使用LowPass低通过滤可以得到“平滑的”RPM值，并且减少了曲轴缺失齿造成的尖峰波形。请注意，在图1和图2示例波形中，我们把A通道曲轴信号隐藏了，没有显示在软件界面上。 （2.0*0.8）中2.0表示发动机排量，0.8是此类涡轮增压柴油机的容积效率标准值（VE）。 *（B + 1），我们在通道B上用WPS测了进气歧管压力，之所以加1是因为MAF实际值需要用绝对压力计算得出。而WPS500X捕获的进气歧管压力是相对于大气压的压力值，因此我们需要增加1 bar以获得进气歧管压力绝对值。 /2*1.223/60 ，除以2是指曲轴每转一圈产生2次进气冲程，乘以1.223得到空气质量，最后除以60得到以g/s为单位的MAF值。 用于检测DPF再生效率还需要捕获以kPa为单位的排气压差，这也是我们刚刚提到的变量之一。我们是将WPS压力传感器安装在DPF之前而不是在DPF上，测量的是DPF前的排气背压。D通道就是使用WPS5测得的以bar为单位的排气背压波形，因为要转换单位为kPa，所以我们将通道D乘以100。 DPF再生效率计算公式为：DPF压差（kPa）/ MAF（gm/s）。所以综上，我们检测DPF再生效率的数学通道公式为：（D * 100）/（LowPass（freq（A），50）*（2.0 * 0.8）*（B + 1）/2*1.223/60）。之前提到过，该理论公式指出正常工作的DPF计算结果应该小于0.2，我们接着来看看图1的计算结果。 图1 BMW车DPF再生效率测试 正如图1所示，在大多数情况下再生效率公式的计算结果都低于“0.2”，但在WOT加速期间会略高于0.2（这很可能是上面提到的变量造成的）。事实上这辆车的性能一切正常，这跟上述计算结果是比较契合的。因此丰田提出的DPF背压/MAF=DPF再生效率的理论公式似乎有些逻辑。 接着我又测试了另一款2.0L柴油机，西雅特Alhambra车，发动机代码为BRT，和测试BMW时采用相同的连接方法（在进气歧管和DPF前各安装了一个WPS压力传感器）。 图2 西雅特车DPF再生效率测试 如图2所示，当使用相同的公式DPF背压/MAF=DPF再生效率计算时，在车辆加速过程中，计算结果高于0.2，仅从计算结果来看说明DPF再生效率很差！这就是我的疑问所在，实际上这两辆车在WOT条件下工作都非常良好，但是公式的计算结果却高于0.2，很可能前面提到的变量确实对计算结果产生了影响。 总而言之，我想通过这篇文章给大家分享一下这个理论。因为如果我们从扫描工具中获取串行数据，并直接使用串行数据计算DPF压差（kPa）除以MAF（g/s）会发现（图3），这个理论公式是可靠的，似乎可以用来判断DPF再生效率。 图3 串行数据 由图3可知，DPF压差15.894kPa/MAF值97.69g/s=0.163<0.2,计算结果表明DPF工作正常。希望上述例子对您有所帮助，如果有DPF压差这个数据，那么我们就不需要用WPS去测DPF前的排气背压了，这是因为DPF压差会更为准确。但是用虹科Pico示波器和WPS压力传感器去捕获这些数据，根据上述数学通道可以帮我们绘制出随时间变化的DPF再生效率曲线，这对我们观察和分析车辆的动态性能非常有价值。 作者：Steve Smith

论坛中有一个这样的评论：“ 当组件由负PWM控制时，如何使用Picoscope软件显示组件上的“有效”电压呢？” 我一直在对博世高压柴油泵上的流量控制阀（VCV)进行测试，该阀门是通过负PWM信号进行控制的。在图1中，B通道是VCV的负PWM控制信号，C通道是VCV 的电源电压，D通道是流经VCV的电流（电阻为3.3Ω）。 我将负占空比数学通道应用在B通道上：duty（-B），大约为41％。我还添加了数学通道C-B，将电源电压减去负PWM电压，计算出VCV两端的电压差。 如果存在 电压差 ， VCV中 将 会 有电流流过（假设 VCV 可用）。 图1 测量功能 PWM信号大约每秒变化143次（143 Hz），因此，如果要用万用表测量该电压，我不确定会显示出什么数值！ 我已经用了两个万用表来测VCV，一个显示4.65V DC（Fluke万用表），另一个显示5V DC（Megger万用表）。出于好奇，我将万用表切换到交流电挡位继续测量，一个显示8.08V AC非TRMS（Fluke万用表）和9.05V AC TRMS（Megger万用表）。 查看图1中的测量值（全部测量的是B通道负PWM信号），平均直流电为9.739 V，真均方根为12.35V，这是软件的测量功能。与万用表相比，示波器捕获了各个波峰之间的信号，将这些数据整合并量化成一个测量值。图1捕获信号时的采样率为2MS/s！ 绘制 平均 PWM 波形： 要绘制PWM的平均值波形，我们可以使用数学通道（integral（B））/ T，计算得出PWM平均值约为9.597 V（T是数学通道中的time）。 这里提示一下，可以在PWM的上升沿使用触发，预触发时间设置为0%。这样设置的话，软件将从PWM信号某个周期内较高的设定电压值开始触发，然后PWM信号向下倾斜，再到下一个上升沿。此时，当数学通道遇到下一个上升沿的时候，软件将捕获周期内的平均值（请参见图2）。 图2 PWM平均值波形 根据欧姆定律，我在图2中添加了数学通道（C-B）/3.3，这个公式测量的是在VCV两端有效电压下的理论电流值（峰值4.408 A）。 这个数学通道好处在于，它清楚地显示了理论值和实际值之间的差异。这是因为我们没有把VCV电路的阻抗、PCM控制和温度考虑进去。在这种情况下，数学通道将电压除以一个固定的电阻值（3.3Ω），因此瞬时电流变大，出现峰值。 采集到了PWM信号（B通道）之后，我们之前已经演示了如何用数学通道（integral（B））/ T绘制PWM平均值波形。 但是 如何绘制 B 通道PWM信号有效值 的曲线呢 ？ 如图3所示，我们使用的是 数学通道 sqrt（（integral（B * B）/ T）） ，绘制出了一条12.32 V 的RMS曲线图。 图3 PWM有效值波形

市面上出现了奥迪48V轻型混合动力汽车（MHEV）之后，我想更深入地研究48V MHEV与传统12 V发动机系统相比有什么优势。 奥迪A8经过证实是进行此类对比实验的理想车辆，因为 它既能够使用传统的12 V起动发动机，也能使用48V起动系统 。 从起动方面来看，在停止/起动阶段，48 V系统可提供更大的扭矩和功率，而且不会出现12 V系统的滞后现象。考虑到这一点，我认为用数学通道将两种系统随时间变化的数据进行比较将是很有帮助的。 首先从12 V系统开始，下面我们将使用传统的起动马达来起动V6 3.0 TDI发动机。 图1 12V系统RPM曲线 如图1所示，我已经通过数学通道电压*电流计算出了起动功率，另外由曲轴传感器信号（使用了低通滤波）计算出了发动机RPM。图2中我添加了多个数学通道，根据功率和发动机转速计算扭矩（N·m），根据功率和时间计算以瓦特小时（Wh）为单位的消耗电能，并且将功率进行积分来计算以瓦特秒（Ws）为单位的消耗电能。添加一些测量，我们可以得到起动发动机所需的460ms这段时间内各个事件的波形和数值。 图2 12V系统扭矩和电能曲线 接下来，我们观察48V系统起动同一发动机有什么不同。依然是通过数学通道计算出扭矩（N·m），以瓦特小时（Wh）为单位的耗能，还有以瓦特秒（Ws）为单位的耗能，以便在两个系统之间进行直接比较。 图3 48V系统RPM曲线 图4 48V系统扭矩和电能曲线 差异最明显的第一项是， 48 V系统的起动时间仅为277 ms，而12 V系统的起动时间为460 ms 。 虽然460ms已经是个很不错的数据，但需要注意的是，使用48 V系统时，起动速度从零快速增加到怠速工况，并且在四分之一秒内就达到了600 rpm以上的转速！ 总结一下测试结果： 图5 结果对比 我需要重新查看12 V系统所消耗电能（mWh）的数据，因为它们看起来不正确！这可能是因为在一个波形缓冲器中采集到了三次起动事件，而48 V系统仅包含一次起动事件。我会尽快反馈。 总而言之， 功率、转矩和速度的所有这些数据的提高都是因为完全独立的48 V电源 系统 ， 因此将起停阶段对12V系统的影响最小化。除此之外，油耗、排放和能量回收都得到了改善。

我终于要重新研究夏尔巴人越野车了，以确定从怠速到更高的发动机转速期间，为什么闭合角会出现一个大约10°的波动。 首先需要考虑的是，由于真空或离心点火提前调节装置的存在，可能会使得分电器发生转动。 不幸的是，这辆车的真空点火提前调节装置的膜片有问题，真空室出现了泄漏，导致真空泵失效。 虽然如此，连续出现的进气歧管真空还是能克服膜片泄漏这个问题，进而让分电器旋转起来。 图1波形显示了在应用数学通道、滤波和图形处理之前的原始数据： 图1 原始数据 图2波形根据我们捕获的原始数据，绘制了真空点火提前调节装置与发动机转速、点火正时、闭合角这些相关参数的实时变化曲线。 我将WPS500X压力传感器（在D通道上）连接到了分电器真空管上，以绘制作用在真空膜片上的压力波形。发动机怠速时，我们暂时从膜片上拆下了真空管，将真空释放到大气当中。 图2 数学通道绘制波形 真空压力的变化肯定是非常显著的（即使在膜片泄漏的情况下）。 我们在A通道上使用了一个光学传感器，采集曲轴皮带轮信号。这样皮带轮每转一圈会产生一个脉冲，从而可以精确地表示发动机转速。需要注意的是，在给定一个点火正时的情况下，膜片处真空度变小时，发动机转速是下降的。 B通道显示的是一缸点火峰值电压的频率，也就是点火正时。可以留意下点火正时和发动机转速的对应关系。 在整个事件中，C通道上的闭合角保持恒定，这使我们得出一个结论， 分点器底板上的真空点火提前调节装置不会影响闭合角 。 下一步是确定在从怠速到WOT（节气门全开）的过程中，离心点火提前调节装置是否会影响闭合角。为此如图3所示，我们 使用Tx20 Torx六角套筒将分电器底板固定（真空装置失效） ，然后加速发动机从怠速到WOT。 图3 固定分电器底板 图4显示了发动机从怠速运行到WOT，然后又在分电器底板被固定的情况下回到怠速工况。 图4 闭合角变化曲线 从波形我们得出结论， 闭合角的变化与真空或离心点火提前调节装置无关 。 因此，闭合角的波动一定是分电器上某个部件造成的！ 之前我曾说过：“这个车辆运行良好，没有任何运行或正时问题，并且通过机械检查确认了轴的横向运动正常，无明显磨损”。 尽管车辆确实运转正常，但经过仔细检查发现，“无明显磨损”并不准确。 视频2中可以看到一个明显的横向运动，将断电器的触点间隙从0.381mm增加到了0.6096mm。 在视频3中可以看到，底板的“浮动”设计是如何使其与可变触头间隙这一特性相匹配的。 在视频4里，是一个新款Lucas分电器装置，也设计了一个与分电器轴类似的横向运动，可以将断电器的触点间隙从0.4064 mm调整到0.5588 mm。 对闭合角总结一下，基于分配器的设计以及从怠速到WOT期间发生的动态变化，我们使用PicoScope捕获的闭合角波动是确实存在的。因此，我们在此强调， 闭合角波动是传统点火系统的正常变化，而不是分电器轴轴承/衬套有故障或过度磨损 ，这也说明了传统点火系统不再适用于现如今车辆的原因。 关于B通道捕获气缸1的次级点火事件，我想回答一些可能会提到的问题。 我们如何计算点火正时？ 使用DeepMeasure功能，我们可以找到气缸1的每一个次级点火事件，同时还显示了每个点火事件之间的时间间隔。 在发动机处于怠速时，气缸1中每个点火事件之间的时间间隔应保持一致 。 但是， 当真空点火提前装置起作用时，时间间隔将减小 ， 这导致了点火频率升高以及点火正时提前。我们可以将旋转标尺放在曲轴正时位置上，以准确测量相对于曲轴皮带轮上的TDC标记的点火提前角。 图5 真空压力为-304mbar的点火正时 图6 无真空提前调节的点火正时 如何绘制点火事件波形？ 实际上，我们绘制了气缸1每次点火事件的波形。如果每次点火事件的时间间隔减小，则点火频率会增加，因此我们可以得出结论，点火正时有变化。 如果不是怠速工况，绘制次级点火电压的曲线会非常有挑战性。通常，次级点火波形在怠速时比较稳定，这有助于我们使用数学通道和深度测量。这是因为，如果要计算频率的话，我们需要一个清晰且精准的参考点。 图7 取2900V作为参考电压 如果要绘制峰值点火电压事件的频率波形，则不能使用0V作为参考点 。 这是因为，相邻气缸的运动和EMI（电磁干扰）会产生干扰。 为了解决这一问题，我们可以将信号的参考点提高到选定的电平以上（2900 V），因为只有气缸1的峰值点火电压才能达到此阈值。 要提高B通道的参考点，请使用数学通道freq（B-2900） 。 这适用于任何数学通道，因此零电压不再是计算信号频率的参考点了。（选择一个与您的信号相关的参考点。） 考虑到PicoScope可以检测到信号上的小偏差或毛刺，所以我之前提到绘制次级点火事件波形是很有挑战性的。图8中曲线发生偏离，出现了四个峰值也恰好证明了这点。 图8 次级点火频率波形 在这里，数学通道捕获到了次级点火电压频率的瞬时上升，从而导致曲线偏离出现波峰。请记住，这是在怠速工况下测得的，点火事件发生的频率应该是比较稳定的。

一、故障现象 一辆2016款东风悦达起亚K5车，搭载G4FJ发动机，累计行驶里程约为8.2万km。该车发动机怠速抖动严重、加速无力，同时发动机故障灯异常点亮，为此在其他维修厂更换了所有点火线圈和火花塞，故障依旧，于是将车拖至我厂检修。 二、故障诊断 接车后试车，确认故障现象与车主所述一致。用故障检测仪（KDS）检测，发动机控制模块（ECM）中存储有多个故障代码（图1）； 图1　ECM中存储的故障代码 读取发动机失火数据（图2），发现气缸1和气缸3与排放关联的失火18总计数持续存在。根据厂家技术通报升级ECM软件后试车，故障代码P0351、P0352、P0353及P0354未再出现，但故障代码P0301和P0303仍然存在，由此推断气缸1和气缸3失火。 图2　发动机失火数据 读取燃油压力数据（图3），低压燃油压力的目标值和实际值均为4.5bar（1bar=100kPa），燃油共轨压力的设定值和实际值均约为58.0bar，正常；发动机熄火后，燃油共轨压力一直上升，说明喷油器不存在泄漏，由此排除燃油供给系统存在故障的可能。 图3　燃油压力数据 测量气缸1、气缸3点火线圈的供电和搭铁，均正常；用LED试灯测量点火控制信号，LED试灯均会闪烁，说明ECM发出了点火控制信号，暂时排除点火系统存在故障的可能。用气缸压力表测量气缸压力，均约为10bar，说明气缸不存在大泄漏。 使用气缸漏气量测量仪进行气缸密封测试，向每个气缸注入4bar的气体，结果充注压力和泄漏压力均约为4bar，说明气缸也不存在小泄漏，气缸密封良好。 梳理上述诊断过程，想起在用LED试灯测试点火控制信号时，虽然试灯均会闪烁，但是试灯的亮度有所区别：测试气缸1和气缸3的点火控制信号时，试灯较暗；测试气缸2和气缸4的点火控制信号时，试灯较亮。由此怀疑气缸1和气缸3的点火控制信号不正常。 如图4所示，三极管（起到电子开关的作用）内置于独立点火线圈内部，点火线圈上的3根导线分别为电源线、搭铁线和点火控制信号线；ECM控制点火线圈内部的三极管导通，初级线圈工作，进行充磁；ECM控制三极管截止，初级线圈产生的感应电动势感应到次级线圈；次级线圈产生的高压电作用在火花塞上，火花塞上产生的电火花点燃混合气。 图4　点火线圈工作原理示意 用 pico示波器 同时测量4个气缸的点火控制信号波形（图5），发现气缸1的点火控制信号电压约为0.9V，气缸3点火控制信号几乎没有，气缸2和气缸4的点火控制信号电压均约为4.9V，由此确认气缸1和气缸3的点火控制信号异常，推断可能的原因有：点火控制线路虚接或对搭铁短路；ECM损坏。测量气缸1和气缸3的点火控制线路，均不存在虚接及对搭铁短路的情况，由此推断ECM损坏。 图5　故障车发动机怠速时4个气缸的点火控制信号波形 三、故障排除 更换ECM后试车，发动机怠速、加速均正常；再次测量4个气缸的点火控制信号波形（图6），信号电压均约为4.8V，充磁时间约为3.6ms，正常，故障排除。 图6　正常车发动机怠速时4个气缸的点火控制信号波形 四、故障总结 通过本案例可以看出，用LED试灯判断点火控制信号有时容易出现误判，而用示波器测量完整的点火控制信号波形，便能准确地判断点火控制信号是否正常。 作者： 广西普鑫泽源汽车销售服务有限公司　李康林 李康林，Tech Gear汽车诊断学院优秀学员，从事汽车维修工作10 年，现任广西普鑫泽源汽车销售服务 有限公司机电组长。