汽車數(shù)據(jù)流分析法（一）

寧波市機動車維修行業(yè)協(xié)會 李 方

寧波市鄞州職業(yè)高級中學(xué) 孫航雨

1 數(shù)據(jù)流的定義

汽車控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流是反映控制單元、傳感器、執(zhí)行器的工作狀態(tài)。以及控制單元與傳感器、執(zhí)行器之間傳輸?shù)漠?dāng)前數(shù)據(jù)信息。控制單元根據(jù)輸入信息確定系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，數(shù)據(jù)流是實時刷新的。這些數(shù)據(jù)信息沿時間軸在傳感器、控制單元、執(zhí)行器間作有序持續(xù)地流動，數(shù)據(jù)流就是這些有序持續(xù)地流動的數(shù)據(jù)信息序列。

2 獲取數(shù)據(jù)流的不同方法及方法的優(yōu)劣對比

用故障檢測儀與控制單元之間建立通信，從控制單元中讀取數(shù)據(jù)流是最常用的方法。以控制單元為界，數(shù)據(jù)流分為：上游傳感器產(chǎn)生的輸入數(shù)據(jù)，即輸入流；控制單元根據(jù)輸入信息確定的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息，即狀態(tài)流；控制單元輸出給下游執(zhí)行器的控制指令數(shù)據(jù)，即輸出流。它們的因果關(guān)系是：輸入流是因，狀態(tài)流和輸出流是果。系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息包含目標(biāo)值（期望值）、計算值、燃油修正值等信息，例如期望的怠速轉(zhuǎn)速、目標(biāo)空燃比、計算的催化器溫度、修正值、某種功能是否激活等。根據(jù)相關(guān)法規(guī)要求，系統(tǒng)診斷的功能是使用合適的診斷儀能訪問并顯示系統(tǒng)的輸入流、狀態(tài)流、輸出流信息。不同的車型能夠讀到的數(shù)據(jù)有所不同。

將萬用表或示波器直接連接傳感器或執(zhí)行器，用在線檢測的方式也可以讀取數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)直接來自實際的物理電路，比通過故障檢測儀讀取的信息更真實，時效性更好。但是用萬用表或示波器讀取的數(shù)據(jù)流能同屏顯示的數(shù)量有限，即使是8通道的示波器，最多也只能同屏顯示8種數(shù)據(jù)。另外用萬用表或示波器是讀取不到控制單元根據(jù)輸入信息確定的系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的。

3 了解汽車控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)流分析是汽車故障診斷中最常用的手段之一。因為數(shù)據(jù)流是汽車控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息序列，要想應(yīng)用數(shù)據(jù)流分析的手段對汽車故障進行診斷，就有必要對汽車控制系統(tǒng)有比較深入的了解。

一般來說，相對完善的控制系統(tǒng)通常采用閉環(huán)控制。因為閉環(huán)控制能夠彌補系統(tǒng)中相關(guān)零部件在制造環(huán)節(jié)，因為工藝、工裝設(shè)備等的離散性因素造成的差異，還可修正實際使用后由于磨損、老化、污染等原因造成的控制目標(biāo)值與實際值的誤差。

閉環(huán)控制系統(tǒng)通常的工作模式是：控制單元根據(jù)輸入信息確定目標(biāo)值（期望值），按照目標(biāo)值用預(yù)先標(biāo)定的數(shù)據(jù)（如噴油、點火脈譜圖）指令執(zhí)行器動作，用反饋傳感器檢測執(zhí)行效果并反饋給控制單元，控制單元比較執(zhí)行效果與目標(biāo)值的差異，根據(jù)差異修正下一次給執(zhí)行器的指令。而不采用反饋傳感器檢測到的信息，不修正對執(zhí)行器的指令的模式為開環(huán)模式。

反饋傳感器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中具有獨特的作用，是閉環(huán)控制系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵因素之一。另外，由于反饋傳感器檢測的是閉環(huán)控制系統(tǒng)運行的結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)反饋傳感器反饋的信息確定修正值，修正值能反映系統(tǒng)的健康狀態(tài)，所以對故障診斷也具有重要的作用。在反饋傳感器能正常工作且閉環(huán)的前提下，如果修正值為零或接近零，說明系統(tǒng)不需要修正，從而可推斷構(gòu)成系統(tǒng)的個體都沒有問題。嚴(yán)格地說，構(gòu)成系統(tǒng)的個體在有問題的情況下，也可能出現(xiàn)系統(tǒng)不需要修正的情況，這是因為出現(xiàn)的問題是成對且對沖的，所以系統(tǒng)還是不需要修正。這就解釋了為什么有時候某一部件在一臺車上能正常工作，而換到另外一臺車上就不能正常工作了。反之，如果修正值比較大或接近修正極限，就可以斷定構(gòu)成系統(tǒng)的某個個體出問題了。

以發(fā)動機系統(tǒng)為例，上游的輸入數(shù)據(jù)流，包含了正常工作所需要的各種信息，其中有駕駛?cè)说牟僮饕鈭D信息和反饋傳感器的反饋信息。駕駛?cè)说牟僮饕鈭D通過制動踏板、加速踏板等傳感器信息輸入控制單元，這些傳感器是駕駛?cè)伺c控制單元的人機接口，當(dāng)多個信息同時輸入控制單元時會發(fā)生競爭，系統(tǒng)就根據(jù)信息的優(yōu)先等級進行仲裁，讓優(yōu)先等級高的信息先行處理。輸出給下游執(zhí)行器的指令數(shù)據(jù)也遵照這個原則。

確定優(yōu)先等級高低的原則通常是安全性和時效性。比如制動踏板信息的優(yōu)先等級高于加速踏板的優(yōu)先等級，這就是所謂“制動優(yōu)先”。發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息的優(yōu)先等級高于發(fā)動機冷卻液溫度信息的優(yōu)先等級，因為發(fā)動機有較大的熱容量，溫度在短時間內(nèi)不可能有大的改變，所以時效性要求不高。

發(fā)動機至少有3個閉環(huán)控制系統(tǒng)，即燃油噴射量修正閉環(huán)控制、點火提前角修正閉環(huán)控制、怠速轉(zhuǎn)速修正閉環(huán)控制。

對于燃油噴射量修正閉環(huán)控制和點火提前角修正閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，是進入氣缸的進氣質(zhì)量信息及發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息，確定了基本燃油噴射脈寬及基本點火提前角度。它們之間的關(guān)系是：當(dāng)進氣質(zhì)量一定時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與基本點火提前角正相關(guān)，與基本燃油噴射脈寬負相關(guān)。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速一定時，進氣質(zhì)量與基本點火提前角負相關(guān)，與基本燃油噴射脈寬正相關(guān)。

用普通氧傳感器（非寬帶）做反饋傳感器的燃油噴射量修正閉環(huán)控制系統(tǒng)，受限于反饋傳感器和三元催化轉(zhuǎn)化器的工作特性，只能工作在標(biāo)準(zhǔn)的空燃比（質(zhì)量比14.7∶1）附近很窄的區(qū)間（0.97～1.04）。所以僅在穩(wěn)定的怠速及部分負荷工況，且反饋傳感器能正常工作時實現(xiàn)閉環(huán)控制。影響燃油噴射脈寬的輸入流因素有：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣質(zhì)量、工況（加速踏板或節(jié)氣門位置信號等）、發(fā)動機溫度、進氣溫度、閉環(huán)時還有空燃比修正信號及燃油壓力、含氧量等。不同工況影響燃油噴射脈寬的因素及權(quán)重會有所不同，比如在起動工況時，用空氣流量傳感器做進氣量計量的計量信息不會影響燃油噴射脈寬，而發(fā)動機溫度信息對燃油噴射脈寬影響的權(quán)重會很大。加速踏板或節(jié)氣門位置信號的足夠大的正向變化速率，系統(tǒng)會指令噴射異步燃油噴射脈沖，而加速踏板或節(jié)氣門位置信號的足夠大的負向變化速率，系統(tǒng)會指令斷油。燃油噴射修正值反映了根據(jù)輸入流計算的燃油噴射量與實際所需燃油量的差值。在發(fā)動機進入閉環(huán)控制的條件下，理想的長期燃油修正值應(yīng)該在0%，短期燃油修正值在±5%以內(nèi)，在此狀態(tài)則說明構(gòu)成燃油噴射計算值的幾個基礎(chǔ)傳感器的測量值與實際值是非常接近的。一般說來，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)燃油噴射修正值接近或大于±10%時，就有必要檢查導(dǎo)致燃油噴射量計算值與實際需求值偏差的原因。

點燃式發(fā)動機對火花的要求可歸結(jié)為：足夠的火花能量加合適的點火時機。足夠的火花能量，是點燃式發(fā)動機內(nèi)混合氣燃燒三要素之溫度要素構(gòu)成的必要條件之一。合適的時機，是為了保證在各種工況下混合氣燃燒產(chǎn)生的最大壓力位于上止點后（ATDC）10°～15°。點火提前角修正閉環(huán)控制系統(tǒng)，只在起動工況和爆震傳感器故障狀態(tài)下實行開環(huán)控制。開環(huán)控制時，系統(tǒng)會將點火提前角推遲到一個相當(dāng)保守的角度，以確保起動順利和機件不會因可能產(chǎn)生的爆震而損壞。影響點火提前角的輸入流因素有：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣質(zhì)量、工況（加速踏板或節(jié)氣門位置信號等）、發(fā)動機冷卻液溫度、進氣溫度，閉環(huán)時還有爆震修正信號及汽油的辛烷值等。如果數(shù)據(jù)流顯示“因爆震推遲的點火提前角”數(shù)值較大，在確認不是輸入流因素或汽油的辛烷值導(dǎo)致的話，就有必要檢查是否因缸內(nèi)積炭導(dǎo)致的壓縮比變大造成的。因缸內(nèi)積炭導(dǎo)致的壓縮比變大是發(fā)動機常見的故障。當(dāng)發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速在700 r/min時，如果不是刻意為改善尾氣排放推遲點火提前角的話，點火提前角通常在上止點前（BTDC）2°～10°，如果提前角過遲，一般是輸入流因素中的進氣質(zhì)量過大造成的，原因有進氣量計量失真、負荷過大、發(fā)動機效率低下等。

怠速轉(zhuǎn)速修正閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋傳感器是轉(zhuǎn)速傳感器。當(dāng)在轉(zhuǎn)速傳感器失效的故障運行模式時，凸輪軸位置傳感器甚至點火信號都能替代轉(zhuǎn)速傳感器作為反饋傳感器。以別克威朗車為例，當(dāng)接通點火開關(guān)后，控制系統(tǒng)立即驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行器動作以驗證其可操作性，尋找并確認怠速初始位置。如果節(jié)氣門卡滯在開度較大的位置，控制系統(tǒng)將阻止發(fā)動機運行以確保安全。控制單元根據(jù)輸入流因素中的工況、發(fā)動機冷卻液溫度、附加負荷信息（動力轉(zhuǎn)向、A/C、冷卻風(fēng)扇等）確定目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，控制單元以怠速初始位置為基點，按照預(yù)先標(biāo)定的參數(shù)和前一點火循環(huán)的學(xué)習(xí)值，確定節(jié)氣門執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)方向和節(jié)氣門目標(biāo)開度位置；再根據(jù)當(dāng)時的怠速節(jié)氣門位置傳感器信號確定節(jié)氣門開度增量，由節(jié)氣門執(zhí)行器將節(jié)氣門驅(qū)動到目標(biāo)位置。用反饋傳感器檢測發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速以檢驗控制效果，控制單元根據(jù)反饋回來的實際轉(zhuǎn)速信號比對目標(biāo)轉(zhuǎn)速，根據(jù)它們的差值的正負方向和大小，及時修正控制指令，以控制進氣量的方式使實際轉(zhuǎn)速盡可能接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。一旦踩下加速踏板，怠速轉(zhuǎn)速修正閉環(huán)控制系統(tǒng)就停止工作。如果加速踏板位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、節(jié)氣門執(zhí)行器等出現(xiàn)OBD系統(tǒng)能識別的故障，在設(shè)置故障代碼的時會啟用安全運行模式，節(jié)氣門開度固定在“緊急停止位”上。節(jié)氣門開度固定在“緊急停止位”時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于最高怠速轉(zhuǎn)速，使車輛能以“跛行回家”狀態(tài)行駛進修理廠。

4 用故障檢測儀讀取的數(shù)據(jù)流類型

用故障檢測儀通過診斷連接器與車載控制單元建立通信的方式，從控制單元中能讀取兩種狀態(tài)的實時發(fā)動機電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)：靜態(tài)數(shù)據(jù)（KOEO）和動態(tài)數(shù)據(jù)（KOER）。KOEO（key on engine off）是指點火開關(guān)接通發(fā)動機不運轉(zhuǎn)，而KOER（key on engine run）是點火開關(guān)接通發(fā)動機運轉(zhuǎn)。動態(tài)數(shù)據(jù)會隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)而不斷變化，所以得到更多關(guān)注。但是靜態(tài)方式有時更容易讀到動態(tài)數(shù)據(jù)不容易讀取的數(shù)據(jù)，例如用進氣歧管壓力傳感器檢測的大氣壓力、加速踏板位置傳感器最大極限位置、節(jié)氣門開度位置傳感器最大極限位置等。筆者曾經(jīng)遇到一個案例，車主抱怨發(fā)動機動力不足，在車間檢查，讀故障代碼、動態(tài)數(shù)據(jù)流，好久沒找到原因。后利用讀靜態(tài)數(shù)據(jù)流的方法，觀察加速踏板位置傳感器最大極限位置和節(jié)氣門開度位置傳感器最大極限位置，發(fā)現(xiàn)開度不足。原因很簡單：因為腳墊地毯位置前移干涉，限制了加速踏板動作空間，使其不能達到最大極限位置。

數(shù)據(jù)流中所有數(shù)據(jù)可分為模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。能連續(xù)變化的數(shù)據(jù)是模擬量，它通常反映出系統(tǒng)中各部件的工作電壓、壓力、溫度、時間、速度等，比如進氣歧管絕對壓力傳感器，在KOEO狀態(tài)時數(shù)據(jù)為100 kPa左右，在KOER狀態(tài)時數(shù)據(jù)隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷在20 kPa～100 kPa變化。只有兩種狀態(tài)的數(shù)據(jù)是數(shù)字量，如開或關(guān)、閉合或斷開、高或低、是或否等，它通常表示系統(tǒng)中的開關(guān)和繼電器等部件的工作狀態(tài)，比如KOEO狀態(tài)時燃油泵啟用指令為OFF，在KOER狀態(tài)時燃油泵啟用指令為ON。在汽車控制系統(tǒng)的數(shù)字量信號中，有一種有點特殊就是占空比信號，從整體看占空比信號是一個數(shù)字量，但占空比是連續(xù)可變的，也含有模擬量的成分。汽車控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器大多數(shù)是電磁性部件。由于電磁性部件的特性（磁滯回線）所限，控制電磁性的執(zhí)行器作連續(xù)線性變化動作只能采用占空比控制。另外，采用占空比控制還有電子控制元件的耗散功率小、制造成本低、節(jié)能等優(yōu)點。所以汽車控制系統(tǒng)中對噴油器、活性炭罐電磁閥、凸輪軸位置執(zhí)行器等電磁性的執(zhí)行器，都采用占空比控制。

5 了解各數(shù)據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系

要深入理解發(fā)動機各數(shù)據(jù)之間關(guān)系的前提，是要對發(fā)動機的工作過程有一個比較全面的了解。故障檢測儀顯示的數(shù)據(jù)流中，有些數(shù)據(jù)參數(shù)含義和來源非常明確，例如發(fā)動機冷卻液溫度，來源于輸入流中冷卻液溫度傳感器的模擬量信號，表示發(fā)動機冷卻液實時溫度；發(fā)動機轉(zhuǎn)速，來源于輸入流中發(fā)動機轉(zhuǎn)速（曲軸位置）傳感器的數(shù)字量信號，控制單元將其量化，轉(zhuǎn)換為表示發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速的模擬量；噴油脈沖寬度，來源于控制單元輸出流中的控制指令，是一個控制噴油器開或關(guān)的，有一定持續(xù)時間的脈沖，表示噴油器的噴油持續(xù)時間。

而有些數(shù)據(jù)參數(shù)的含義和來源理解就不是很容易了。以故障檢測儀KT720讀取別克威朗車數(shù)據(jù)流為例，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)含義表述清楚，但對其含義和來源就不甚了解。例如發(fā)動機負荷、計算的氣流等。還有一些數(shù)據(jù)參數(shù)含義，因為翻譯者的專業(yè)背景程度差異，表述得不知所云，例如“燃油濃縮-高溫冷卻液”“燃油濃縮-高溫催化劑”。了解數(shù)據(jù)流中各數(shù)據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系也非常重要，例如節(jié)氣門位置（TP）傳感器信號與進氣歧管絕對壓力（MAP）傳感器信號及質(zhì)量空氣流量（MAF）傳感器信號相互之間的關(guān)系，短期燃油修正與長期燃油修正之間的關(guān)系等。

應(yīng)用數(shù)據(jù)流分析的手段對汽車故障進行診斷的要點如下。

（1）對汽車控制系統(tǒng)有比較深入的了解。

（2）了解數(shù)據(jù)流參數(shù)含義和來源。

（3）了解數(shù)據(jù)流中各數(shù)據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系。

（4）了解數(shù)據(jù)流參數(shù)變化機理和規(guī)律。