电控技术和自诊断技术在汽车上的应用

1. 电控技术的应用 早期的汽车电控系统是1968年德国博世公司研制成功的电子控制燃油喷射系统EFI（electronic fuel injection），这种系统当时被应用在德国大众汽车公司生产的轿车上，这种燃油喷射系统被称之为博世K 型（BOSCH K）。K型系统通常被称之为机械喷射系统。怠速和加速等工作是靠节气门处挠流板带动连杆机构来控制的。这种方式后来被改进成KE型，为奔驰124、126底盘的车型和奥迪80、90及部分宝马车所采用。 1974年，德国博世公司与大众公司又联合推出了博世D型（BOSCH D）喷射系统。在这个系统里基本实现了全电子控制，是靠进气歧管压力传感器来提供进气压力信号，靠霍尔传感器提供转速信号给控制单元ECU。ECU通过计算机向喷油嘴提供可变的脉冲时间，从而控制不同工况下的喷油量。这种方式的喷射系统改进后，被奥迪、奔驰、沃尔沃、大众、宝马等车系采用。 1975年，美国凯迪拉克公司开始在部分车型上采用一种喷射系统，称之为博世L型。这种喷油系统不同于D型之处在于：L型是靠空气流量计来向电脑ECU提供空气流量信号的（空气流量计可直接产生压降信号，不需换算），同时由车速传感器提供发动机转速信号，电脑整理、计算这些信号后向喷油嘴提供可变脉冲时间，控制喷油量。 20世纪80年代，欧、美、日三大轿车生产基地所生产的轿车基本上都采用了燃油喷射系统，同时都有自己独特的控制方式。但这时，所有的电喷车生产厂都开始考虑节气门负荷率、水温、进气温度对发动机性能的影响。开始利用节气门位置传感器、水温传感器、进气温度传感器等系列传感器信号来修正电脑计算的喷油脉冲时间，使发动机在任何工况下都能获得较为理想的空气、燃油混合物（空燃比14.7：1）。有了这样的燃油喷射系统和空气流量系统（air–flow system），使汽车的经济性和动力性得到了保障。 在此基础上，各汽车生产厂家开始在汽车上采用自动变速箱控制系统（TCU）、防抱死制动系统（ABS）、安全气囊电控系统（SRS）、巡航控制系统（CC）、制动防侧滑系统（ASR）及空气悬挂系统（AIR SUSPENSION SYSTEM），甚至将空调、音响等附属设施也用计算机进行集成控制。 特别是70年代后期，电子技术领域的集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，为汽车提供了速度快捷、功能强大、性能可靠、成本低廉的汽车电子控制系统。汽车电子控制系统极大地提高了汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性，这些汽车电子技术在汽车工业上的广泛应用能够很好地解决全球范围的汽车尾气排放环保问题和能源危机问题。因此，广泛和深入采用电子技术，不仅是汽车制造厂本身为了提高产品的性能和竞争力的迫切需要，也是各国政府和社会支持和倡导，甚至是强制推行的结果。 但是，由于汽车控制的电子化，又带来了新的问题。一方面，汽车电控系统日趋复杂，给汽车维修工作带来了越来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来越高；另一方面，电子控制系统的安全容错处理，汽车不能因为电子控制系统自身的突发故障导致汽车失控和不能运行。针对此种情况，汽车电控技术设计人员，在进行汽车电子控制系统设计的同时，增加了故障自诊断功能模块。它能够在汽车运行过程中不断监测电子控制系统各组成部分的工作情况，若有异常，根据特定的算法判断出具体的故障，并以代码形式存储下来，同时起动相应故障运行模块功能，使有故障的汽车能够被驾驶到修理厂进行维修，维修人员可以利用汽车故障自诊断功能调出故障码，快速对故障进行定位和修复。因此，从安全性和维修便利的角度来看，汽车电控系统都应配备故障自诊断功能。自从1979年，美国通用汽车公司率先在其汽车电控系统中采用故障自诊断功能后，世界上的各大汽车厂商纷纷效仿，在各自生产的电控汽车上都配备了故障自诊断功能。故障自诊断功能，已经成为了新车出厂和修理厂故障检测不可缺少的重要手段。经过几十年的发展，故障自诊断模块不仅能够解决汽车电控系统的安全性和存储记忆汽车故障，还能够实时提供汽车各种运行参数。 2.故障自诊断的基本原理及组成 为了诊断这些系统而使用计算机控制以前的方法将耗费无尽的时间。大多数发动机的计算机控制都有自诊断能力。进入一种自测模式，计算机能够评定整个发动机电控系统的运行，包括它本身。如果发现故障，它们或者被标识成硬故障（按需要），或者间断性故障。每种类型的故障或错误都指定一个保存在计算机存储器里的数字故障代码。 硬故障指的是自测时在系统某个地方发现的故障。另一方面，周期性故障表明有故障发生（例如，接触不良造成周期性的断路或短路），但这个故障自测时并不出现。永久性RAM允许周期性故障存储起来直到特定数量的点火开关断开/闭合循环的次数。如果这段期间内，故障不再出现，它就会从计算机存储器里被删除掉。 有多种不同方法来确定计算机产生的故障代码。大多数生产厂家有用来监控和测试它们车辆的电子元件的诊断仪器。售后服务公司也生产能够读取和记录经过计算机的输入和输出信号的检测工具。另一种读取故障代码的方法是使用模拟电压表。还有一些车辆通过仪表板灯闪烁代码或直接显示在CRT屏幕上。 在进行自诊断或读取故障代码前，作一次外现检查，以确定故障不是由于磨损，连接松动，真空软管松开而造成的。检查空气滤清器节气门或喷油系统。不要忘记PCV系统以及真空软管。确定蒸发碳罐没有浸满。查看线路配线、接头、充电和交流电机系统。并且检查接头有无腐蚀的痕迹。现代的电路中的低压信号不能容许由于接头腐蚀而引起电阻增加。 随着电子技术的发展，单片计算机由于其体积小、成本低及可靠性高等显著优点，在汽车电子控制中得到了越来越广泛的应用；使汽车在动力性、经济性和排污控制以及舒适性等方面都有了极大的提高。然而，由于汽车控制的电子化，给汽车故障的诊断维修工作带来了越来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来越高。在此情况下，汽车电控技术人员，根据计算机不但可以进行测试、控制，而且可以利用软件程序很方便地进行判断，在进行电子控制系统设计的同时，增设系统故障自诊断功能和故障运行功能。自诊断功能就是利用ECU监视电子控制系统各组成部分的工作情况，发现故障后自动启动故障运行程序，不仅可以保证发动机在有故障的情况下可以继续行驶，而且还可以向驾驶员和维修人员提供故障情况，便于使用者及时发现和排除故障。 自诊断功能，使电控汽车的维修变得比以前更简单，深受用户的欢迎。自1979年美国通用汽车公司在汽油喷射系统中使用自诊断以后，汽车几乎所有采用微机的控制系统都增设了故障自诊断功能。下面将从自诊断的原理与故障运行、故障代码的读取与清除方法、OBD-II诊断系统的介绍等几个方面介绍利用自诊断功能进行电控汽车故障诊断的方法。 (1)自诊断原理与故障运行 汽车正常运行时，电子控制单元ECU的输入、输出信号的电压值都有一定的变化范围。当某一信号的电压值超出了这一范围，并且这一现象在一段时间内不会消失，ECU便判断为这一部分出现故障。ECU把这一故障以代码的形式存入内部随机存储器（RAM），同时点亮故障检查灯（如CHECK ENGINE ，SRS，ABS等指示灯），这就是故障自诊断的基本原理。当某电路产生了故障后，其信号就不能作为发动机的控制参数而使用。 为了维持发动机的运转，ECU 便从其程序存储器（ROM）中，调出某一固定值，作为发动机的应急参数，保证发动机可以继续运转。当ECU中的微机系统出现故障时，ECU自动启用后备控制回路对发动机进行简单控制，使汽车可以开回家或是到附近的汽修厂进行修理，这样的功能就是故障运行，又称“跛行”模式。另一方面，当ECU检测到某一执行器出现故障时，为了安全起见，采取一些安全措施。这种功能叫作故障保险。 ECU故障诊断是针对系统中的传感器、微机系统和执行器而进行的。当传感器和微机发生故障时，往往采取故障运行方式。而当执行器发生故障时，往往采取故障保险措施。 (2)传感器故障自诊断与故障运行 由于传感器本身就是产生电信号的，因此，对传感器的故障诊断不需要专门的线路，而只需要在软件中，编制传感器输入信号识别程序即可实现对传感器的故障诊断。水温传感器的正常输入电压值为0.3-4.7V，对应的发动机冷却水温度为-30-120℃。所以，当ECU检测到的电压信号超出此范围量，如果是偶尔一次，ECU的诊断程序不认为是故障。但如果不正常信号持续一段时间，则诊断程序即判定冷却水温传感器或其电路存在故障。ECU将此情况以代码（此代码为设计时已经约定好的代表水温传感器信号异常故障的数字码）的形式存入随机存储器中。同时，通过检查发动机警告灯“CHECK ENGINE”，通知驾驶员和维修人员，发动机电控系统中出现故障。当ECU发现水温传感器不正常后，便采用一个事先设定的常数来作为水温信号的代用值，使系统工作于运行状态。 (3)微机系统故障自诊断与后备回路 微机系统如果发生故障，控制程序就不可能正常运行，微机处于异常工作状态。这样便会使汽车因发动机控制系统故障而无法行驶。为了保证汽车在微机出现故障时仍能继续运行，在控制系统工程中，设计有后备回路（备用集成电路系统）。当ECU中微机发生故障时，ECU自动调用后备回路完成控制任务，进入简易控制运行状态，用固定的控制信号，使车辆继续行驶。由于该系统只具备维持发动机运转的简单功能而不能代替微机的全部工作，所以此后备回去路的工作又称为“跛行”模式。采用备用系统工作时，故障指示灯亮。微机工作是否正常是由被称为监视回路的电路进行监视的。监视电路中安装有独立于微机系统之外的计数器。微机正常运行时，由微机的运行程序对计数器定时进行清零处理。这样，监视电路中计数器的数值是永远不会出现溢出现象的。当微机系统出现不正常运行现象时，微机不能对这个计数器进行定时清零，致使此监视计数器发生溢出现象。监视计数器溢出时输出的电平由低电平变为高电平（此输出一般为计数器的进位标志。当计数器达到其最大值时，再增加一个计数脉冲，