奧星越秀汽車職業(yè)培訓(xùn)學校 任賀新
故障現(xiàn)象一輛2009款保時捷卡宴車,搭載4.8 L V8發(fā)動機,累計行駛里程約為15萬km。車主反映,該車冷起動正常,行駛一段時間熱機后,將發(fā)動機熄火靜置20 min左右,就會出現(xiàn)無法起動的現(xiàn)象。
故障診斷接車后按照車主描述的方法試車,果然出現(xiàn)發(fā)動機無法起動的現(xiàn)象。感覺起動機運轉(zhuǎn)無力,轉(zhuǎn)幾下就停止了,類似蓄電池虧電的現(xiàn)象。用故障檢測儀檢測,無相關(guān)故障代碼存儲。查看起動機控制電路(圖1)可知,在滿足起動條件的前提下,防盜系統(tǒng)控制單元(PAS)控制起動機繼電器吸合,為起動機端子50供電,起動機開始工作,與此同時起動繼電器端子87a向PAS反饋端子50診斷信號。
為快速判斷起動過程中的哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障,筆者決定先使用pico示波器和電流鉗測量起動電壓和電流。pico示波器和電流鉗的連接方式如圖2所示,藍色A通道測量電壓,紅色B通道測量電流。
在起動瞬間,發(fā)動機阻力矩最大,起動機處于制動狀態(tài),轉(zhuǎn)速為0 r/min,電流最大(制動電流),此時蓄電池以大約10C(C為蓄電池額定容量)的放電倍率輸出電流。假設(shè)車輛使用額定容量為80 A·h的蓄電池,起動瞬間電流可達800 A,因此電流鉗的量程應(yīng)不低于1 000 A。實際測量過程中,還需注意電流鉗的極性、歸零操作等,具體細節(jié)這里不再贅述。建議在起動機的B+接線柱(接紅色夾子)和起動機外殼(接黑色夾子)處測量起動電壓,這樣可排除起動機B+線和發(fā)動機搭鐵線虛接故障。另外,有些車型因起動機安裝位置特殊,無法直接在起動機上測量,維修人員應(yīng)考慮到測量位置對診斷的影響。
該車的起動機安裝在兩列氣缸之間的V形腔內(nèi)(圖3),需要拆卸進氣歧管和高壓油軌,才能看到起動機。筆者選擇在發(fā)動機室內(nèi)的跨接起動接線柱處進行測量,因為這個位置便于接線,而且距離起動機較近,能最大程度減少線路虛接故障的干擾。
在發(fā)動機能夠起動著機的情況下,測得起動電壓和電流波形如圖4所示,分析可知以下信息。
(1)起動時蓄電池的端電壓降低至7.4 V。起動前蓄電池電壓約為12.5 V,起動瞬間蓄電池釋放了579 A的大電流,由于蓄電池內(nèi)阻消耗一部分電壓,蓄電池的端電壓降低至7.4 V。蓄電池內(nèi)阻主要與荷電狀態(tài)(指電池的剩余電量相對于電池全部電量的比例)和環(huán)境溫度有關(guān),荷電狀態(tài)差或低溫時,蓄電池內(nèi)阻將增大。蓄電池內(nèi)阻是mΩ級別的,一般在5 mΩ左右。當蓄電池與用電器構(gòu)成回路,以電流I向外放電時,等效電路如圖5所示。蓄電池內(nèi)阻雖小,由于起動瞬間放電電流太大,也會在內(nèi)阻上產(chǎn)生較高的電壓降,因此蓄電池的端電壓被明顯拉低。
(2)雖然發(fā)動機能夠起動著機,但起動轉(zhuǎn)速偏低,約為55.6 r/min。在起動過程中電壓和電流波形均呈現(xiàn)波浪狀,每當有氣缸壓縮時,所需電流就會增大,蓄電池端電壓隨之降低。圖4中相鄰2個電流波峰之間的距離,代表有2個氣缸依次進入壓縮行程,可以據(jù)此估算當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速。該車為8缸發(fā)動機,意味著曲軸每轉(zhuǎn)2圈,氣缸輪流壓縮8次,因此曲軸旋轉(zhuǎn)1圈所需時間為(相鄰氣缸壓縮時間×8)÷2=(270 ms×8)÷2=1 080 ms,對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 min÷曲軸旋轉(zhuǎn)1圈所需時間=(60÷1.08)r/min≈55.6 r/min。直列4缸發(fā)動機的起動轉(zhuǎn)速一般在200 r/min~300 r/min,即便8缸發(fā)動機增加氣缸數(shù)后阻力增大,這個轉(zhuǎn)速也是偏低的。
(3)起動瞬間放電電流為579 A,偏低;起動機運轉(zhuǎn)以后的電流為350 A~500 A,偏高。該車起動機是一種永磁直流有刷電動機(圖6),起動瞬間起動機轉(zhuǎn)速為0 r/min,蓄電池電壓完全加載到電動機轉(zhuǎn)子線圈上。由于線圈阻值非常小,相當于蓄電池被線圈短路,這個瞬間會產(chǎn)生一個大電流。一旦電動機旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子線圈開始切割磁力線,兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(相當于發(fā)電機),方向與工作電壓相反,抵消蓄電池加載到線圈兩端的電壓,電動機的工作電流隨之降低。電動機轉(zhuǎn)速越高,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大,工作電流越小,反之亦然。另外,電動機的轉(zhuǎn)矩與工作電流成正比,隨著負載增加,電動機轉(zhuǎn)速被迫降低,工作電流就會增大。
在發(fā)動機無法起動著機的情況下,測得起動電壓和電流及起動機繼電器端子86的電壓波形如圖7所示,分析可知以下信息。
(1)起動過程中止是因為起動機繼電器端子86上的供電中斷。
(2)起動過程的最后階段,電壓保持在最低值,為6.3 V,電流保持在最大值,為637 A,大約持續(xù)120 ms。在這個階段,曲軸不再轉(zhuǎn)動,此時的電流稱為制動電流,大電流在蓄電池內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的電壓降,導(dǎo)致蓄電池端電壓降低到6.3 V。
分析認為,起動過程中,由于某種原因造成起動機無法轉(zhuǎn)動曲軸,起動機電流迅速升高至制動電流,蓄電池的端電壓隨之降低。由于供電電壓過低,PAS停止工作,無法繼續(xù)向起動機繼電器端子86供電,起動繼電器切斷,導(dǎo)致起動機停轉(zhuǎn)。
為避免PAS供電問題的干擾,筆者手動閉合起動機繼電器,此時測得起動電壓和電流波形如圖8所示,分析可知,起動機轉(zhuǎn)動一段時間后仍會停止轉(zhuǎn)動(注意,制動電流會使線圈繞組迅速升溫,應(yīng)避免電動機長時間在制動狀態(tài)下工作),且起動電壓和電流的變化趨勢與圖7基本一致。
起動期間為什么起動機會停止轉(zhuǎn)動?原因無非是發(fā)動機阻力過大,或者起動機輸出轉(zhuǎn)矩不足。首先驗證發(fā)動機阻力是否過大。拆下附件傳動帶后試車,故障依舊;用工具手動轉(zhuǎn)動曲軸,感覺發(fā)動機運轉(zhuǎn)阻力不大,基本排除發(fā)動機內(nèi)部機械故障;拆掉火花塞,用內(nèi)窺鏡觀察各個氣缸的氣缸壁,不存在“拉缸”現(xiàn)象。診斷至此,確認故障原因為起動機內(nèi)部故障。
故障排除 更換起動機后反復(fù)試車,起動機運轉(zhuǎn)有力,熱機狀態(tài)下發(fā)動機均能正常起動著機,故障排除。
故障總結(jié) 故障排除后測得起動電壓和電流波形如圖9所示,分析可知,起動瞬間電流達到800 A,起動機運轉(zhuǎn)以后的工作電流約為260 A,估算起動機轉(zhuǎn)速為132.7 r/min。與故障狀態(tài)相比,起動機轉(zhuǎn)速升高了,因此運轉(zhuǎn)以后的工作電流必然會降低。在起動瞬間,根據(jù)歐姆定律可計算起動機的內(nèi)阻,新起動機的內(nèi)阻為R=U/I=6 V/800 A=0.0 075 Ω=7.5 mΩ,故障起動機的內(nèi)阻為R=U/I=7.4 V/579 A≈0.013 Ω=13 mΩ。故障起動機的內(nèi)阻增大,造成起動瞬間電流偏低,起動機轉(zhuǎn)速減慢,致使起動過程中的工作電流增大,引起蓄電池的端電壓下降,下降到一定程度后PAS無法維持工作,導(dǎo)致起動過程中斷。
分解起動機,發(fā)現(xiàn)換向器表面有一層黑色痕跡(圖10),炭刷的尺寸也明顯縮短了,這會使炭刷和換向器的接觸電阻增大。