TiePie无线示波器在汽车故障检测中的应用

为什么“示波器级”诊断必不可少？

在汽车维修和研发中，由于现在汽车电气系统复杂，很多问题难以察觉，急需一种能直观呈现电信号的工具。有些故障只在特定条件下出现，等检测时又没了；仅凭故障代码和经验换零件，成本高且不一定能解决问题；表面看起来是软件问题，实际是硬件干扰；想要复现故障车上出现的问题也很难做到。

昊量光电推出TiePie无线示波器，能提供一套完整的汽车故障检测系统，它直接观察线路与总线上的真实电压、电流、差分/共模变化与时序耦合，从而在故障根因定位、一次修复率、误换件率三项关键指标上带来实质提升。

无线示波器应用案例

1.使用加示波器和速度计进行发动机功率测量

为了确定发动机是否正常工作，对发动机进行功率测量以检查是否达到额定功率输出。使用加速度计和无线示波器，可以在不使用测功机或其他测试设备的情况下对车辆进行发动机功率测量。功率测量可以在车辆加速工作时进行。

将加速度计的X轴连接器连接到无线示波器，并将加速度计水平放置在车辆的地面上，X轴箭头指向与行驶方向相反的方向，见图1。

图1 功率测量接线示意图

在示波器软件界面中输入汽车的总重量，包括驾驶员和乘客。确保车辆在安全路段上进行测试，点击“开始按钮”，进行加速度计校准并启动测量。在汽车第一档和第二档之间全油门加速，直到准备切换到第三档。加速后，立即踩下离合器踏板或将自动变速箱置于空挡，让车辆滑行约4或5秒钟。点击“停止”按钮停止测量。得到测量结果如图2。

图2 功率测试曲线图

图2中的红色信号表示速度，黄色表示前向力（单位为牛顿），绿色表示功率（单位为瓦特）。右上角表中显示了发动机总输出功率，单位为千瓦和马力，而图中的最大功率低于表中显示的功率，因为表中测得的数据包括了传动系统、滚动摩擦和空气阻力的功率损失。在加速后让车辆滑行一段距离，这样可以测量克服各种摩擦力所损失的负功率。由于这些功率损失也发生在加速过程中，发动机实际产生的功率等于最大功率与最小功率之间的差值。通过这个方法就测得了发动机的功率。

2. Volvo XC70动力不足、亮故障灯、偶发熄火，使用无线示波器来检测故障

一辆二手沃尔沃XC70被修理厂多次修理后仍存在动力不足、亮故障灯、偶发熄火的问题；读取到的故障码包括：凸轮相位误差、爆震传感器电路、MAF 传感器信号不合理、混合气不正确，超出控制范围。既可能是多处独立的问题，也可能由同一原因引起。

使用无线示波器，按汽车测试与信息系统ATIS预设的“生命体征”做四通道同步检测（曲轴/凸轮/喷油/点火），设置2.6s记录、手动触发回溯 2.3s，在车辆“顿挫”瞬间触发抓取波形。图3中除了来自汽车的四路信号外，此测量还包含发动机的转速（紫色）。观察转速曲线，可以明显看到发动机受阻，转速显著下降。所有其他信号无明显异常，一段时间后，发动机转速恢复到原始值。这表明电机系统运行正常，问题应该出现在其他地方。

图3 汽车“生命体征”测试曲线图

随后对比正常车辆（图4）和故障车辆（图5）的凸轮对曲轴相位：正常车辆中凸轮下降沿领先曲轴基准10齿，故障车仅5齿；因曲轴信号盘共60齿，每齿6°，可知凸轮滞后约30°。再测MAF并加载参考轨迹，发现其全程偏高约0.4V，解释了“MAF/混合相关故障”的报错；更换MAF后问题减轻但没有完全解决，仍需要继续排查。

图4： 正常车辆：曲轴和凸轮轴正时测量曲线图

图5：故障车辆：曲轴和凸轮轴正时测量曲线图

检查“MAF 信号不合理”、“混合比已修正到极限”两个报错，这两个报错涉及燃油空气混合物和质量空气流量（MAF）传感器。这两者之间存在直接关系，因此对MAF传感器的信号进行测试。汽车示波器被设置为长时间连续测量，并加载了一个来自良好MAF传感器的参考信号。发动机启动，然后缓慢加速到更高的转速。信号如图6所示。

图6：MAF 传感器信号

图6中两个信号显示出相似的模式，时间上略有偏移。在整个模式期间，来自MAF传感器的信号似乎比参考信号高0.4V。这表明传感器可能存在问题，解释了关于混合气和MAF传感器的两个报错。更换了新的MAF传感器后，发动机的运行状况更好了，但是仍然不是理想状态。

回到凸轮轴的调整，通过实际操作发现，发动机的凸轮轴由齿轮驱动，而调整这个齿轮的一个齿会在曲轴和凸轮轴之间产生18°的角度差。经过检查，这台发动机的凸轮轴相比运行良好的发动机晚了30°。通过将齿轮调整一个齿以提前凸轮轴的相位，发动机的运行状况得到了显著改善，动力输出也有所增加，不再出现动力不足或熄火的情况。进一步的机械调整使凸轮轴的相位仅比正常情况晚6°，发动机现在运行正常，故障指示灯也不再亮起。

最终确定了这辆车存在的故障，MAF漂移和凸轮正时偏差两处独立故障叠加，导致发动机运行不良。多故障叠加的情况下，传统检测方法难以准确定位病灶，然而，通过使用无线示波器 ATS5004D，测量发动机的基本生命信号，多通道时序参考对比，两个问题的原因都被揭示出来，避免了继续错误换件。

3. 大众高尔夫发动机异响故障检测

一辆高尔夫4 GTI（AGU）最大功率为109kW，加速时存在严重问题。从0加速到80km/h大约需要16秒，这对于这辆车来说太慢了。除了动力不足外，发动机每半秒会进行一次减速，并产生大量排气爆炸声。检测无故障码，多家修理厂盲目更换涡轮、ECM、MAF、点火模块与增压控制阀仍无法解决问题。我们使用无线示波器对其进行故障检测：

功率测试：

用ATS5004D示波器+加速度计做功率测试，软件直接从加速度计算车速与发动机功率曲线，实测功率仅约69kW、曲线剧烈波动，客观量化了“加速慢”的问题。

图7：加速过程中的发动机功率和速度

关注涡轮增压器和发动机内的气流，测量点火信号、喷射信号和质量空气流量（MAF）传感器信号。同步采集喷油控制与MAF的信号，如图8，在顿挫瞬间看到MAF突增至6V以上、喷油时间延长MAF峰值与排气“爆炸”一一对应，由此所测信号与故障现象建立了关联。

图8：发动机受阻时的 MAF 信号和喷射信号

接下来对涡轮压力、涡轮压力阀控制信号以及MAF传感器信号进行测量。其中，MAF传感器的作用是测量进入发动机的空气量，以便发动机控制模块（ECM）能够据此调整燃料的添加量，从而实现最佳燃烧效果。将其连接到无线示波器的通道2，如果MAF信号出现较大的峰值，这可能意味着空气流量出现了显著增加，而这种情况可能是由涡轮引起的。

压力传感器能够测量进气歧管之间的涡轮压力。将其连接到无线示波器的通道1。涡轮压力阀调节涡轮压力，该阀门由ECM使用脉宽调制信号控制，信号的占空比决定了阀门的开闭程度。涡轮压力阀信号连接到无线示波器的通道3。

图9：发动机保持制动时的涡轮增压压力

测试结果图9中增压压力阀信号（绿色信号）迅速攀升至100%，这表明发动机管理系统应该产生更高的增压压力（红色信号）。然而，压力本身上升得很缓慢，同时MAF传感器的信号（黄色信号）也没有快速上升，这说明空气流量并没有快速增加。由于该系统没有配备增压压力传感器，ECM只能依据MAF信号来控制增压压力。从增压压力阀信号达到最大值这一现象可以看出，如果MAF信号偏低，为了获取更大的空气流量，ECM会尝试提高压力。图9中MAF信号（黄色信号）在某一时刻急剧上升，远超正常值。ECM试图通过关闭部分压力阀来补偿大幅增加的空气流量，占空比降至70%。然而，这一举措不仅未能改善情况，反而使问题更严重。MAF信号开始出现波动，压力也随之下降。由此可以得出结论，是排气管中的“爆炸”导致了空气流量的突然大幅增加。

回归一开始的讨论，从测量燃油压力、发动机压缩和点火系统开始。测量结果显示：在怠速状态下，燃油压力为正常的250kPa（2.5bar）。然而，当断开燃油压力调节器的真空管时，燃油压力仅上升到270kPa，而正常情况下应该达到约300kPa。即便关闭燃油的回流路径，燃油力压依然维持在270kPa，而按照正常逻辑，此时燃油压力应当升高至大约600kPa。所有这些数据足以表明，燃油泵就是问题的根源所在。

更换新的燃油泵后重新测量涡轮增压压力和空气流量，以及发动机功率。

图10：更换燃油泵后发动机保持制动时的涡轮增压压力

图10显示了更换燃油泵后的涡轮压力和MAF信号。压力建立和MAF信号良好，占空比稳定在70%。更换了新的燃油泵之后，再次对发动机功率进行了测量，如图11所示，此时发动机能够产生108kW的功率，发动机恢复正常。

图11：更换燃油泵后的功率测试图

确定故障：排气管中的爆炸可能是由于燃油混合气过稀造成的。由于爆炸导致MAF 信号增加，喷油器稍微增加打开时间，使发动机得以继续运转。但随后系统中燃油混合气题再次达到过稀状态，这个过程一直反复。

TiePie的高速WiFi示波器拥有高达1 GSa/s的快速采样能力和12、14、16位的高分辨率，以及在所有四个通道上256MSamples的大内存。该示波器支持连续流测量高达200MSa /s，并可以与其他示波器使用CMI接口或者WCMI无线模块同步，形成一个多通道组合仪器与同步时基。