汽车数据流分析法(一)

作者：李 方，孙航雨

来源：《汽车维护与修理·汽修职教》 2017年第9期

1 数据流的定义

汽车控制系统的数据流是反映控制单元、传感器、执行器的工作状态。以及控制单元与传感器、执行器之间传输的当前数据信息。控制单元根据输入信息确定系统当前的状态，数据流是实时刷新的。这些数据信息沿时间轴在传感器、控制单元、执行器间作有序持续地流动，数据流就是这些有序持续地流动的数据信息序列。

2 获取数据流的不同方法及方法的优劣对比

用故障检测仪与控制单元之间建立通信，从控制单元中读取数据流是最常用的方法。以控制单元为界，数据流分为：上游传感器产生的输入数据，即输入流；控制单元根据输入信息确定的系统当前状态信息，即状态流；控制单元输出给下游执行器的控制指令数据，即输出流。它们的因果关系是：输入流是因，状态流和输出流是果。系统当前状态信息包含目标值（期望值）、计算值、燃油修正值等信息，例如期望的怠速转速、目标空燃比、计算的催化器温度、修正值、某种功能是否激活等。根据相关法规要求，系统诊断的功能是使用合适的诊断仪能访问并显示系统的输入流、状态流、输出流信息。不同的车型能够读到的数据有所不同。

将万用表或示波器直接连接传感器或执行器，用在线检测的方式也可以读取数据流，这些数据直接来自实际的物理电路，比通过故障检测仪读取的信息更真实，时效性更好。但是用万用表或示波器读取的数据流能同屏显示的数量有限，即使是8通道的示波器，最多也只能同屏显示8种数据。另外用万用表或示波器是读取不到控制单元根据输入信息确定的系统当前状态信息数据的。

3 了解汽车控制系统

数据流分析是汽车故障诊断中最常用的手段之一。因为数据流是汽车控制系统中的数据信息序列，要想应用数据流分析的手段对汽车故障进行诊断，就有必要对汽车控制系统有比较深入的了解。

一般来说，相对完善的控制系统通常采用闭环控制。因为闭环控制能够弥补系统中相关零部件在制造环节，因为工艺、工装设备等的离散性因素造成的差异，还可修正实际使用后由于磨损、老化、污染等原因造成的控制目标值与实际值的误差。

闭环控制系统通常的工作模式是：控制单元根据输入信息确定目标值（期望值），按照目标值用预先标定的数据（如喷油、点火脉谱图）指令执行器动作，用反馈传感器检测执行效果并反馈给控制单元，控制单元比较执行效果与目标值的差异，根据差异修正下一次给执行器的指令。而不采用反馈传感器检测到的信息，不修正对执行器的指令的模式为开环模式。

反馈传感器在闭环控制系统中具有独特的作用，是闭环控制系统能否正常工作的关键因素之一。另外，由于反馈传感器检测的是闭环控制系统运行的结果，系统根据反馈传感器反馈的信息确定修正值，修正值能反映系统的健康状态，所以对故障诊断也具有重要的作用。在反馈传感器能正常工作且闭环的前提下，如果修正值为零或接近零，说明系统不需要修正，从而可推断构成系统的个体都没有问题。严格地说，构成系统的个体在有问题的情况下，也可能出现系统不需要修正的情况，这是因为出现的问题是成对且对冲的，所以系统还是不需要修正。这

就解释了为什么有时候某一部件在一台车上能正常工作，而换到另外一台车上就不能正常工作了。反之，如果修正值比较大或接近修正极限，就可以断定构成系统的某个个体出问题了。

以发动机系统为例，上游的输入数据流，包含了正常工作所需要的各种信息，其中有驾驶人的操作意图信息和反馈传感器的反馈信息。驾驶人的操作意图通过制动踏板、加速踏板等传感器信息输入控制单元，这些传感器是驾驶人与控制单元的人机接口，当多个信息同时输入控制单元时会发生竞争，系统就根据信息的优先等级进行仲裁，让优先等级高的信息先行处理。输出给下游执行器的指令数据也遵照这个原则。

确定优先等级高低的原则通常是安全性和时效性。比如制动踏板信息的优先等级高于加速踏板的优先等级，这就是所谓“制动优先”。发动机转速信息的优先等级高于发动机冷却液温度信息的优先等级，因为发动机有较大的热容量，温度在短时间内不可能有大的改变，所以时效性要求不高。

发动机至少有3个闭环控制系统，即燃油喷射量修正闭环控制、点火提前角修正闭环控制、怠速转速修正闭环控制。对于燃油喷射量修正闭环控制和点火提前角修正闭环控制系统来说，是进入气缸的进气质量信息及发动机转速信息，确定了基本燃油喷射脉宽及基本点火提前角度。它们之间的关系是：当进气质量一定时，发动机转速与基本点火提前角正相关，与基本燃油喷射脉宽负相关。当发动机转速一定时，进气质量与基本点火提前角负相关，与基本燃油喷射脉宽正相关。

用普通氧传感器（非宽带）做反馈传感器的燃油喷射量修正闭环控制系统，受限于反馈传感器和三元催化转化器的工作特性，只能工作在标准的空燃比（质量比14.7∶1）附近很窄的区间（0.97～1.04）。所以仅在稳定的怠速及部分负荷工况，且反馈传感器能正常工作时实现闭环控制。影响燃油喷射脉宽的输入流因素有：发动机转速、进气质量、工况（加速踏板或节气门位置信号等）、发动机温度、进气温度、闭环时还有空燃比修正信号及燃油压力、含氧量等。不同工况影响燃油喷射脉宽的因素及权重会有所不同，比如在起动工况时，用空气流量传感器做进气量计量的计量信息不会影响燃油喷射脉宽，而发动机温度信息对燃油喷射脉宽影响的权重会很大。加速踏板或节气门位置信号的足够大的正向变化速率，系统会指令喷射异步燃油喷射脉冲，而加速踏板或节气门位置信号的足够大的负向变化速率，系统会指令断油。燃油喷射修正值反映了根据输入流计算的燃油喷射量与实际所需燃油量的差值。在发动机进入闭环控制的条件下，理想的长期燃油修正值应该在0%，短期燃油修正值在±5%以内，在此状态则说明构成燃油喷射计算值的几个基础传感器的测量值与实际值是非常接近的。一般说来，当我们发现燃油喷射修正值接近或大于±10%时，就有必要检查导致燃油喷射量计算值与实际需求值偏差的原因。

点燃式发动机对火花的要求可归结为：足够的火花能量加合适的点火时机。足够的火花能量，是点燃式发动机内混合气燃烧三要素之温度要素构成的必要条件之一。合适的时机，是为了保证在各种工况下混合气燃烧产生的最大压力位于上止点后（ATDC）10°～15°。点火提前角修正闭环控制系统，只在起动工况和爆震传感器故障状态下实行开环控制。开环控制时，系统会将点火提前角推迟到一个相当保守的角度，以确保起动顺利和机件不会因可能产生的爆震而损坏。影响点火提前角的输入流因素有：发动机转速、进气质量、工况（加速踏板或节气门位置信号等）、发动机冷却液温度、进气温度，闭环时还有爆震修正信号及汽油的辛烷值等。如果数据流显示“因爆震推迟的点火提前角”数值较大，在确认不是输入流因素或汽油的辛烷值导致的话，就有必要检查是否因缸内积炭导致的压缩比变大造成的。因缸内积炭导致的压缩比变大是发动机常见的故障。当发动机的怠速转速在700 r/min时，如果不是刻意为改善尾气排放推迟点火提前角的话，点火提前角通常在上止点前（BTDC）2°～10°，如果提前角过迟，一般是输入流因素中的进气质量过大造成的，原因有进气量计量失真、负荷过大、发动机效率低下等。

怠速转速修正闭环控制系统中的反馈传感器是转速传感器。当在转速传感器失效的故障运行模式时，凸轮轴位置传感器甚至点火信号都能替代转速传感器作为反馈传感器。以别克威朗车为例，当接通点火开关后，控制系统立即驱动节气门执行器动作以验证其可操作性，寻找并确认怠速初始位置。如果节气门卡滞在开度较大的位置，控制系统将阻止发动机运行以确保安全。控制单元根据输入流因素中的工况、发动机冷却液温度、附加负荷信息（动力转向、A/C、冷却风扇等）确定目标怠速转速，控制单元以怠速初始位置为基点，按照预先标定的参数和前一点火循环的学习值，确定节气门执行器的旋转方向和节气门目标开度位置；再根据当时的怠速节气门位置传感器信号确定节气门开度增量，由节气门执行器将节气门驱动到目标位置。用反馈传感器检测发动机的实际转速以检验控制效果，控制单元根据反馈回来的实际转速信号比对目标转速，根据它们的差值的正负方向和大小，及时修正控制指令，以控制进气量的方式使实际转速尽可能接近目标转速。一旦踩下加速踏板，怠速转速修正闭环控制系统就停止工作。如果加速踏板位置传感器、节气门位置传感器、节气门执行器等出现OBD系统能识别的故障，在设置故障代码的时会启用安全运行模式，节气门开度固定在“紧急停止位”上。节气门开度固定在“紧急停止位”时的发动机转速大于最高怠速转速，使车辆能以“跛行回家”状态行驶进修理厂。

4 用故障检测仪读取的数据流类型

用故障检测仪通过诊断连接器与车载控制单元建立通信的方式，从控制单元中能读取两种状态的实时发动机电控系统数据：静态数据（KOEO）和动态数据（KOER）。KOEO（key on engine off）是指点火开关接通发动机不运转，而KOER（key on engine run）是点火开关接通发动机运转。动态数据会随发动机运转而不断变化，所以得到更多关注。但是静态方式有时更容易读到动态数据不容易读取的数据，例如用进气歧管压力传感器检测的大气压力、加速踏板位置传感器最大极限位置、节气门开度位置传感器最大极限位置等。笔者曾经遇到一个案例，车主抱怨发动机动力不足，在车间检查，读故障代码、动态数据流，好久没找到原因。后利用读静态数据流的方法，观察加速踏板位置传感器最大极限位置和节气门开度位置传感器最大极限位置，发现开度不足。原因很简单：因为脚垫地毯位置前移干涉，限制了加速踏板动作空间，使其不能达到最大极限位置。

数据流中所有数据可分为模拟量数据和数字量数据。能连续变化的数据是模拟量，它通常反映出系统中各部件的工作电压、压力、温度、时间、速度等，比如进气歧管绝对压力传感器，在KOEO状态时数据为100 kPa左右，在KOER状态时数据随发动机转速与负荷在20 kPa～100 kPa变化。只有两种状态的数据是数字量，如开或关、闭合或断开、高或低、是或否等，它通常表示系统中的开关和继电器等部件的工作状态，比如KOEO状态时燃油泵启用指令为OFF，在KOER状态时燃油泵启用指令为ON。在汽车控制系统的数字量信号中，有一种有点特殊就是占空比信号，从整体看占空比信号是一个数字量，但占空比是连续可变的，也含有模拟量的成分。汽车控制系统中的执行器大多数是电磁性部件。由于电磁性部件的特性（磁滞回线）所限，控制电磁性的执行器作连续线性变化动作只能采用占空比控制。另外，采用占空比控制还有电子控制元件的耗散功率小、制造成本低、节能等优点。所以汽车控制系统中对喷油器、活性炭罐电磁阀、凸轮轴位置执行器等电磁性的执行器，都采用占空比控制。

5 了解各数据参数之间的关系

要深入理解发动机各数据之间关系的前提，是要对发动机的工作过程有一个比较全面的了解。故障检测仪显示的数据流中，有些数据参数含义和来源非常明确，例如发动机冷却液温度，来源于输入流中冷却液温度传感器的模拟量信号，表示发动机冷却液实时温度；发动机转速，来源于输入流中发动机转速（曲轴位置）传感器的数字量信号，控制单元将其量化，转换为表

示发动机实时转速的模拟量；喷油脉冲宽度，来源于控制单元输出流中的控制指令，是一个控制喷油器开或关的，有一定持续时间的脉冲，表示喷油器的喷油持续时间。

而有些数据参数的含义和来源理解就不是很容易了。以故障检测仪KT720读取别克威朗车数据流为例，其中部分数据参数含义表述清楚，但对其含义和来源就不甚了解。例如发动机负荷、计算的气流等。还有一些数据参数含义，因为翻译者的专业背景程度差异，表述得不知所云，例如“燃油浓缩-高温冷却液”“燃油浓缩-高温催化剂”。了解数据流中各数据参数之间的关系也非常重要，例如节气门位置（TP）传感器信号与进气歧管绝对压力（MAP）传感器信号及质量空气流量（MAF）传感器信号相互之间的关系，短期燃油修正与长期燃油修正之间的关系等。

应用数据流分析的手段对汽车故障进行诊断的要点如下。

（1）对汽车控制系统有比较深入的了解。

（2）了解数据流参数含义和来源。

（3）了解数据流中各数据参数之间的关系。

（4）了解数据流参数变化机理和规律。