2010款伊蘭特悅動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)

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一輛2010款北京現(xiàn)代伊蘭特悅動(dòng)車，搭載G4FC發(fā)動(dòng)機(jī)，累計(jì)行駛里程約為12萬km。該車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈長(zhǎng)亮；原地急加速，發(fā)動(dòng)機(jī)加速無力，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈變?yōu)殚W亮狀態(tài)；將發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后重新起動(dòng)著機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈又變?yōu)殚L(zhǎng)亮狀態(tài)。根據(jù)故障檢測(cè)儀提示，維修人員確定發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)的原因?yàn)闅飧?失火。于是嘗試依次對(duì)調(diào)火花塞、點(diǎn)火線圈及噴油器后試車，依舊是氣缸2失火。由于故障現(xiàn)象在急加速時(shí)表現(xiàn)明顯，維修人員懷疑點(diǎn)火系統(tǒng)出了問題。拆下火花塞，插入點(diǎn)火線圈；手持點(diǎn)火線圈將火花塞的搭鐵電極靠在氣缸蓋上，然后讓另一名維修人員幫忙起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，觀察火花塞電極間的跳火強(qiáng)度，對(duì)比發(fā)現(xiàn)氣缸2的火花強(qiáng)度較弱，維修人員據(jù)此判斷點(diǎn)火能量不足。嘗試更換點(diǎn)火線圈的線束，故障依舊，于是向筆者請(qǐng)求技術(shù)支持。

用故障檢測(cè)儀檢測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中存儲(chǔ)有故障代碼“P0302 第2缸檢測(cè)到失火”；待冷卻液溫度升高至90 ℃，關(guān)閉空調(diào)及大功率用電器，讀取怠速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流，發(fā)現(xiàn)氣缸2的失火計(jì)數(shù)在不斷增多（圖1），確認(rèn)氣缸2失火。診斷單個(gè)氣缸失火類故障，應(yīng)重點(diǎn)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)工作的三要素——良好的氣缸壓縮、充足的點(diǎn)火能量和合適的空燃比。之前的維修人員已經(jīng)排除了一些部件，且已確定點(diǎn)火能量不足，因此筆者決定從點(diǎn)火系統(tǒng)入手檢測(cè)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流中的失火數(shù)據(jù)（截屏）

由圖2可知，該車點(diǎn)火線圈導(dǎo)線連接器上只有2根導(dǎo)線，一根是電源線，另一根是連接至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的控制線，用于控制初級(jí)線圈回路的接通與斷開。在初級(jí)線圈回路接通時(shí)，次級(jí)線圈也會(huì)感應(yīng)出1 kV～2 kV的電壓，這個(gè)電壓的產(chǎn)生時(shí)刻明顯早于點(diǎn)火時(shí)刻，為避免此時(shí)在火花塞上發(fā)生火花放電，就在點(diǎn)火線圈的次級(jí)線圈電路中接入了1個(gè)二極管，也被稱為抑制接通火花（EFU）二極管。

圖2 點(diǎn)火線圈控制電路

如圖3所示，該車點(diǎn)火功率驅(qū)動(dòng)器在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)，它是1個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），可以簡(jiǎn)單理解為1個(gè)電子開關(guān)，負(fù)責(zé)接通或斷開初級(jí)線圈回路。IGBT有3個(gè)管腳，分別是柵極、集電極和發(fā)射極，其中柵極連接至處理器（CPU），集電極連接至點(diǎn)火線圈的控制線，發(fā)射極與搭鐵導(dǎo)通。CPU向IGBT柵極輸出脈沖信號(hào)，當(dāng)CPU輸出高電位時(shí)，IGBT接通，集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，點(diǎn)火線圈的初級(jí)線圈回路接通；當(dāng)CPU輸出低電位時(shí)，IGBT斷開，集電極與發(fā)射極不導(dǎo)通，點(diǎn)火線圈的初級(jí)線圈回路斷開。

圖3 點(diǎn)火功率驅(qū)動(dòng)器電路示意

按照?qǐng)D4所示的連接方式，用pico示波器從點(diǎn)火線圈的控制線上測(cè)量點(diǎn)火波形，即初級(jí)點(diǎn)火電壓波形。初級(jí)點(diǎn)火電壓最高可達(dá)400 V，筆者使用的這款pico示波器最高能承受200 V電壓，因此必須在示波器接口處加衰減器，以擴(kuò)展示波器的量程。

圖4 用pico示波器測(cè)量初級(jí)點(diǎn)火電壓的連接方式

圖5為正常氣缸的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)的IGBT接通時(shí)（相當(dāng)于開關(guān)閉合），初級(jí)線圈的線路形成閉合回路，初級(jí)線圈的電流開始增長(zhǎng)，在線圈感抗的阻礙下，電流只能斜著逐漸增長(zhǎng)，這一段稱為充磁，即將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)在初級(jí)線圈內(nèi)。功率管接通時(shí)間越長(zhǎng)，初級(jí)線圈內(nèi)的電流越高，存儲(chǔ)的能量越多。充磁段結(jié)束時(shí)，IGBT切斷初級(jí)線圈的回路（相當(dāng)于開關(guān)斷開），初級(jí)回路的電流中斷，導(dǎo)致磁場(chǎng)突然消失。在這一過程中，磁力線切割初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于次級(jí)繞組具有更多的匝數(shù)，因此獲得了比初級(jí)繞組更高的感應(yīng)電壓，該電壓會(huì)一直攀升，直到次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓擊穿火花塞間隙，隨后進(jìn)入燃燒階段，一般會(huì)持續(xù)1 ms～2 ms。當(dāng)能量不足以維持燃燒時(shí)，剩余能量以振蕩的形式消耗掉，此時(shí)火花塞間隙相當(dāng)于電容，初級(jí)線圈就是線圈，能量在兩者之間反復(fù)充放電，直至消耗殆盡，一般可維持至少3次振蕩。

圖6為氣缸2的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形，對(duì)比圖5可以發(fā)現(xiàn)，氣缸2的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形的充磁時(shí)間太短（約為600 us），擊穿電壓偏低（約為220 V），且沒有燃燒段。由于充磁時(shí)間太短，初級(jí)線圈存儲(chǔ)的能量不足，當(dāng)IGBT切斷初級(jí)線圈回路時(shí)，次級(jí)線圈感應(yīng)電壓不足以擊穿火花塞間隙，因此沒有燃燒段，殘余能量直接以振蕩的形式消耗掉。

圖5 正常的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形（截屏）

圖6 氣缸2的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形（截屏）

為什么初級(jí)線圈的充磁時(shí)間短呢？懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)的IGBT損壞了。撬開發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元外殼，用萬用表分別測(cè)量4個(gè)IGBT集電極與控制氣缸2點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元端子之間的導(dǎo)通情況，找到負(fù)責(zé)氣缸2點(diǎn)火的IGBT（圖7），然后用焊臺(tái)將其拆下來。用萬用表測(cè)量氣缸2點(diǎn)火IGBT柵極與發(fā)射極之間的電阻（圖8），只有6.22 kΩ（IGBT柵極有極高的輸入阻抗，一般為10kΩ～10kΩ，部分IGBT內(nèi)部柵極與發(fā)射極之間裝有下拉電阻，典型值為16 kΩ），明顯偏小，說明氣缸2點(diǎn)火IGBT損壞。

圖7 氣缸2點(diǎn)火IGBT位置

圖8 測(cè)量氣缸2點(diǎn)火IGBT柵極與發(fā)射極之間的電阻

更換氣缸2點(diǎn)火IGBT后試車，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速仍抖動(dòng)。用故障檢測(cè)儀檢測(cè)，還是存儲(chǔ)故障代碼“P0302 第2缸檢測(cè)到失火”。難道發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元沒修好？用pico示波器再次測(cè)量氣缸2的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形（圖9），發(fā)現(xiàn)充磁時(shí)間約為1.9 ms，恢復(fù)正常，但燃燒段有明顯的雜波，異常。充磁段正常說明初級(jí)點(diǎn)火控制電路正常，燃燒段異?？赡苁谴渭?jí)點(diǎn)火電路（如點(diǎn)火線圈次級(jí)繞組、火花塞等）、混合氣濃度及氣缸壓力等異常。本著由簡(jiǎn)入繁的診斷原則，首先拆檢火花塞，發(fā)現(xiàn)火花塞為鎳金的，其中心電極很粗，且做工比較粗糙，表面的配件號(hào)等印刷字體可以用指甲刮掉。用萬用表測(cè)量火花塞連接端子與中心電極之間的電阻（圖10），為0.6 Ω，這意味著火花塞內(nèi)部不帶電阻?；鸹ㄈ麅?nèi)部帶電阻，一方面可以降低點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，另一方面可以減輕電極的燒蝕。與車主溝通得知，自從上次更換火花塞后，就感覺車輛加速無力，動(dòng)力不如以往；前不久跑長(zhǎng)途回家，路上還出現(xiàn)過加速頓挫、發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮等現(xiàn)象。診斷至此，推斷此時(shí)的故障是由使用劣質(zhì)火花塞引起的。

圖9 維修發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元后氣缸2的初級(jí)點(diǎn)火電壓波形（截屏）

圖10 測(cè)量故障車火花塞的電阻

調(diào)來4支全新的NGK鉑金火花塞，測(cè)量火花塞的電阻，約為1.5 kΩ。安裝后試車，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速平穩(wěn)，加速有力。

更換氣缸2點(diǎn)火IGBT和4支火花塞后試車，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速平穩(wěn)，加速有力，故障排除。