豐田卡羅拉發動機判斷失火故障的缺陷及改進建議

邱尚磊，王金泰，閻峻

（1.四川交通職業技術學院，四川 成都 611130；2.東風本田汽車有限公司，湖北 武漢 430056）

前言

目前一汽豐田卡羅拉轎車主要配備了ZR系列的自然吸氣發動機，該發動機每個氣缸都單獨配備了一個點火模塊并與火花塞相連，這樣不僅減少了點火高壓對車輛其它電器元件的電磁干擾、同時發動機ECM也可以對每個氣缸的點火時刻進行更加精確的單獨控制。該點火控制系統相較于傳統點火系統，在點火能量和發動機燃油經濟性等方面有了非常明顯的改善。

1 豐田卡羅拉ZR系列發動機點火控制系統工作原理

該點火系統由發動機ECM發出的IGT信號和IGF信號對點火模塊進行點火時刻控制。如圖-1所示，IGT信號是一個5V的電壓信號，當ECM發出的IGT信號由0V轉換為5V高電位時，點火器中的Tr2導通，點火線圈中的初級線圈工作電路導通，點火線圈進入沖刺階段；當ECM發出的IGT由高電位5V轉換為低電位0V時，點火器中的Tr2截止，點火線圈初級回路被切斷，此時在點火線圈中次級線圈產生高壓感應電壓，并傳遞到火花塞上，在氣缸中產生火花，并點燃可燃混合氣。同時點火器中的C-節點向ECM傳遞一個IGF信號，該信號為次級線圈產生感應高壓的之后反饋給ECM的點火確認信號。

圖1 卡羅拉ZR系列發動機點火控制系統工作原理圖

當ECM向點火模塊發出一個IGT點火信號之后，隨即點火模塊向ECM返回一個IGF點火反饋信號，此時電腦確認該氣缸點火成功。如果沒有收到某一缸IGF信號，則電腦判斷該氣缸的點火系統存在故障便不再繼續給該缸發出點火信號，同時為了防止該氣缸由于不點火而導致出現淹缸現象，ECM此時也會立即停止相對應氣缸噴油器的工作。并將該氣缸點火系統出現的故障生成對應的故障碼并記錄在ECM中，同時點亮發動機故障指示燈（MIL）。

2 ZR系列發動機判斷氣缸點火正常工作的原理

在ZR系列發動機的電子控制點火系統中，ECM對于點火線圈中初級線圈的產生的電壓預設值了兩個閾值IF1和IF2，如圖2所示。

圖2 IGF信號

當初級線圈中有電壓產生時，IGF便產生一個高電位的信號。當初級線圈中產生的電壓達到預定值IF2時，IGF就變為低電位信號；當初級線圈中產生的電壓繼續升高并達到預定值IF1時，IGF就又會變為高電位信號，如是便形成一個脈沖信號。當ECM接收到某氣缸的點火模塊的點火反饋信號IGF時，便判斷該氣缸點火正常，噴油嘴也就正常噴油。

3 ZR系列發動機判斷氣缸時候點火的控制缺陷

在實際維修工程中，筆者遇到過多次卡羅拉發動機明顯出現抖動的情況，但是儀表上面的發動機故障指示燈沒有點亮，用豐田專用解碼器IT-Ⅱ也沒有能讀取到任何的故障碼，通過數據流也沒有讀到發動機的缺火數據。

隨后診斷過程中，在通過斷缸法診斷時確認了有一個氣缸沒有工作。通過一系列的診斷，判斷是由于有一個缸的噴油器線路出現了斷路的情況，在修復好線路之后，又對該缸的點火模塊線路進行了檢查，發現該線路正常。隨后啟動發動機，發動機工作恢復正常。

發動機故障雖然恢復了，但是筆者心中一直有個疑惑，這個故障車很明顯有一個氣缸沒有工作，發動機電腦板卻沒有判斷出發動機出現了缺缸的故障，點火模塊卻依然在給ECM反饋該氣缸正常點火的信號，ECM也繼續給點火模塊發出點火信號。對于該故障，是由于噴油器電路故障所導致的，如果是由火花塞故障所導致的發動機缺缸，那么ECU將會繼續控制該缸噴油器噴油，而進入的汽油并不能燃燒，只是在一個工作循環之后進入排氣管，并在三元催化器中氧化掉。這樣不僅浪費燃油，同時也會對發動機相關部件造成提前損壞。

4 曲軸位置傳感器信號特點

在發動機正常工作中，曲軸位置傳感器的信號是比較穩定的。通過分析能夠確認，發動機正常運轉時，曲軸位置傳感器波形變化是非常均勻，該波形可以準確的反映發動機曲軸的旋轉速度變化。

曲軸位置傳感器包含一個永久磁鐵和磁頭以感應曲軸脈沖齒盤卡環的12個均勻分布的齒。由于曲軸旋轉一個整圈，所以脈沖齒盤卡環的12個齒在各曲軸位置傳感器信號中生成12個周波。隨著曲軸旋轉，曲軸位置傳感器信號周波每30度出現一次（360度÷12周波=每周波30度）。通過監測曲軸位置傳感器信號各周波之間的時間并比較來自曲軸位置的信號，ECM/PCM能夠確定曲軸是否基于當前運行狀態以預定速率旋轉。

5 曲軸位置傳感器識別缺火的方式

因為普通曲軸位置傳感器信號周波為均勻分布且無法單獨從轉速信號確定氣缸點火次序，所以為了判缸，參照1號活塞的壓縮行程進行氣缸位置標定，特地在一缸的脈沖齒圈上面缺少特定數量的齒， 用來識別一缸壓縮上止點。因而產生的波形上面有一個明顯的波形變化。各氣缸中正常燃燒的狀態下，當各活塞在動力沖程的初始階段向下運行時，曲軸將加速，而當各活塞在壓縮沖程中接近上止點時，曲軸旋轉速率（旋轉速度）將略微降低。當發生缺火情況時，曲軸旋轉速度因缺乏燃燒（缺火氣缸中無動力沖程）及當前對曲軸旋轉的正常阻力（其它活塞在各自壓縮沖程中向上運行，摩擦力等）而以異常比例降低。

圖3 發動機缺缸時曲軸位置傳感器波形特點

其它三個氣缸正常燃燒時，曲軸旋轉速度（以每秒曲軸轉角角度測量并轉換為轉/分）應增加。當出現缺火情況時，轉速迅速降低。缺火嚴重等級（三元催化器損壞或與排放有關）由曲軸旋轉速度變化的迅速和頻繁程度而定。

如果車輛在崎嶇不平的路面上行駛時（外部扭矩擾動通過軸/變速器從輪胎傳送到曲軸）可能產生錯誤的缺火檢測，所以ECM/PCM可以使用來自輪速傳感器的輸入并計算車速變化率。如果車速變化率顯示車輛正在崎嶇不平的路面上行駛，則缺火監測可以暫停直至這種崎嶇不平的路況不再存在。

曲軸脈沖齒輪卡環的制造差異也需要計算在內以確保精確的缺火診斷。為了補償曲軸脈沖齒輪卡環公差差異，當發動機減速（負扭矩狀態）且斷油啟動（無氣缸燃燒）時，ECM/PCM激活一個學習程序，因此各曲軸位置傳感器信號周波之間的度數和電壓振幅差異能夠被測量并可被用作基線基準。

6 總結

因為卡羅拉ZR系列發動機采用的是點火線圈反饋給發動機ECM/PCM的點火反饋信號，來確認點火線圈是否產生點火高壓電。而該氣缸是否做功，還取決火花塞是否跳火、噴油器是否噴油等因素，因此該點火反饋信號是不能夠準確說明該氣缸是否失火的問題。

而曲軸位置傳感器不僅僅能確認發動機轉速和判缸，還可以依據活塞在做功行程時施加在曲軸上的加速度來判斷活塞是否具備加速度，如果沒有加速度，則在一定的循環之后便可以確認該氣缸沒有做功——氣缸出現失火的情況。這樣就可以避免出現發動機明顯出現缺缸，而發動機電腦不報故障碼也不點亮發動機故障指示燈的情況。