导致不能起动的最常见原因是点火系统不能点火。因此,在做进一步的检查之前,应先排除点火系统的故障。在检查电控汽油喷射式发动机的电控点火系统有无高压火花时应采用正确的方法,不可沿用检查传统触点式点火系统高压火花的做法,以防损坏点火系统中的电子元件。
目前,轿车发动机上使用的点火系统主要是无分电器直接点火系统,而无分电器直接点火系统又可分为双缸同时点火无分电器点火系统和各缸独立点火无分电器点火系统,各缸独立点火无分电器直接点火系统又是目前发动机的主流点火系统类型。
无分电器直接点火系统(DIS)如图1-8所示,这种点火系统取消了分电器,使用多个点火线圈直接向火花塞提供高压电。点火正时由发动机电控单元(ECU)中的电子点火提前功能控制。这种点火系统在目前的汽油机中占主导地位。
提示:图中2型是两缸同时点火。压缩行程点火一次,排气行程点火一次。
带点火器的点火线圈的结构通常如图1-9所示。也有的发动机各个缸的点火线圈与点火模块是分开的,点火模块可以集成在发动机控制模块中,也可做成一个点火模块总成。还有的把四个缸的四个点火线圈集成在一起,如雪铁龙C5、雪佛兰景程轿车的发动机等。
图1-8 无分电器直接点火系统(DIS)
各缸独立点火无分电器点火系统因点火线圈和火花塞直接连接,使高压电流过的距离缩短,从而电压损失和电磁干扰也减少。这样点火系统的可靠性也得到提高。
现代汽车采用的微机控制的电子点火系统通常都是发动机集中控制系统中的项目之一,同所有的电控系统一样,都是由传感器、ECU、执行器三部分组成的。不过其ECU通常也就是发动机ECU,传感器也大多是与燃油喷射等电控系统共用的传感器,单独属于点火控制的传感器可能只有爆震传感器了。
图1-9 带点火器的点火线圈
其传感器及输入信号主要有空气流量计或进气歧管绝对压力传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、车速传感器、爆燃传感器、起动开关信号、空调开关信号、空档起动开关信号等。虽然参与点火控制的传感器很多,但习惯上仅将曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆燃传感器归于点火系统,其他的传感器主要是用来修正点火提前角,而不控制是否点火。所以通常说的点火系统包括ECU、点火器、分电器、点火线圈、高压线、火花塞、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、爆燃传感器等。
并不是所有的发动机都需要凸轮轴位置传感器信号才可能点火,对双缸同时点火的无分电器点火系统来说,只需其曲轴位置传感器上有缺齿的活塞上止点位置信息,就能完成点火控制任务。使用凸轮轴位置传感器信号,一是用来为喷油器定序,从而进行顺序喷射,二是实现快速起动。也就是说,有了凸轮轴位置传感器信号,不管发动机熄火时曲轴处于某种位置(角度),下次起动时曲轴只要转动较少角度,便可识别出某缸压缩上止点位置,就能进行点火控制。如果没有凸轮轴位置传感器信号,只有曲轴位置传感器信号轮缺齿位置提供的某缸上止点位置信号,对双缸同时点火的无分电器点火系统来说,起动时可能要转动接近一周才会得到上止点位置信号,才能点火,起动可能显得慢点;而对于各缸独立的无分电器点火系统来说,ECU必须通过内部程序分析、计算出各缸压缩上止点位置,才能顺利起动,起动当然会困难些,有的是第一次起动时不能起动,第二次起动时,ECU记忆了故障码再启动内部分析程序,计算出压缩上止点位置后就能起动了。曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器信号共同输入当然也增加了运行可靠性与响应性,自诊断中的缺火监测的可靠性,也是可变配气正时反馈控制的需要。对于缸外喷射的发动机来说,即使没有按正确顺序使喷油器喷油时,发动机加速恶化、怠速抖动,但并不会十分严重,因为喷油器的喷油是在缸外的进气门前方进行的。
图1-10为2008款本田雅阁3.5L发动机点火系统电路原理图。这里没画出作为输入信号的传感器等。由图可知,这是一个独立点火的无分电器点火系统,每缸有一个点火线圈。每缸的点火线圈、点火模块集成在一起,里面还有一个高压二极管。
图1-10 2008款本田雅阁3.5L发动机点火系统电路原理图
图1-11为本田飞度轿车采用的智能双重顺序式点火(DSI)系统。
智能双重顺序式点火(DSI)系统的特征就是每一气缸均设有双火花塞。在这两个火花塞的点火时刻之间设定了差值,以完善燃烧室内火焰的高速传播。不仅如此,在整个范围内实现快速燃烧过程中,这种方法能够有效抑制爆燃,并获得更高压缩比、高输出、高转矩和低油耗。
图1-11 本田飞度轿车采用的智能双重顺序式点火(DSI)系统
采用智能双重顺序式点火(DSI)系统的本田飞度轿车1.3L发动机,其每个气缸的两只火花塞的布置如图1-12所示。
ECU根据发动机转速和进气歧管真空压力计算基本点火时刻,然后,根据不同传感器信号的修正情况确定最佳时刻,并把点火信号发送给每一个点火线圈。通过对前火花塞(进气侧)和后火花塞(排气侧)实施提前或延迟控制,即完成差值点火控制或同步点火控制,如图1-13所示。
图1-12 智能双重顺序式点火(DSI)系统火花塞的布置
图1-13 本田飞度轿车采用的智能双重顺序式点火(DSI)系统控制示意图
本田智能双重顺序式点火(DSI)系统的工作原理如下:
①怠速时,前、后火花塞同时点火,提高燃烧速度,从而增强燃油经济性。
②节气门部分开启时,点火时刻的控制如下:
发动机转速为低速至中速时,前火花塞点火时刻提前,而后火花塞延迟,以便获得高转矩和燃油经济性。
发动机转速为中速至高速时,前、后火花塞同步点火,以便获得高转矩和降低发动机噪声。
③节气门全开时,点火时刻的控制如下:发动机低速转动时,前火花塞点火时刻提前,而后火花塞延迟,以便获得高转矩。
发动机中速转动,后火花塞点火时刻延迟,以便获得高转矩和降低发动机噪声。
发动机高速转动时,前、后火花塞同步点火,以便获得高输出。
不管是哪种点火系统,其主要的发动机转速与曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器的检查方法是差不多的,我们要分析它们的结构型式,然后在维修中,可按下述方法检查发动机转速与曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器及线路。
1)电磁式传感器的检测
①元件检测。关闭点火开关,拔下传感器插头,用万用表电阻档测量传感器感应线圈的电阻值,测量值应符合原厂规定。其阻值一般多在300~2000Ω。
②在线检测
a.用交流电压档2V量程测量其输出电压:起动时应高于0.1V,运转时应为0.4~0.8V。
b.用万用表频率档测其工作频率。
c.用示波器检测其输出信号波形。
d.如果在传感器上能检测到电压信号,而ECU连接器上检测不到信号,则应检查传感器至ECU之间的导线及插头。
2)光电式传感器的检测
①拔下传感器插头,打开点火开关,检查插头上电源端子与搭铁端子之间的电压,应为5V或12V(视车型而异,一般为12V),若无电压则应检查传感器至ECU的导线和ECU上相应端子的电压,若ECU端子有电压,则为ECU至传感器导线断路,否则为ECU故障。
②拔下传感器插头,打开点火开关,检查插头上信号线端子与搭铁端子之间的电压,应为5V。(www.xing528.com)
③插回传感器插头,起动发动机,转速保持在2500r/min左右,测量传感器输出端子的电压,应为2~3V,否则为传感器损坏。
④用示波器检测其信号波形,应为5V方波。
3)霍尔式传感器的检测
①拔下传感器插头,打开点火开关,检查插头上电源端子与搭铁之间的电压,应为5V或9V或12V(视车型而异),若无电压则应检查传感器至ECU之间的线路及ECU上相应端子的电压,ECU相应端子有电压,则为传感器至ECU之间线路断路,无电压则为ECU故障。
②拔下传感器插头,打开点火开关,检查插头上信号线端子与搭铁之间的电压,应为5V,若无电压则应检查传感器至ECU之间的线路及ECU上相应端子的电压,ECU相应端子有电压,则为传感器至ECU之间线路断路,无电压则为ECU故障。
③插回传感器插头,起动发动机,测量传感器输出端子信号电压,应为3~6V,若无信号电压,则为传感器故障。
④用示波器检查传感器输出电压波形。
4)磁阻元件式转速及位置传感器。其检查方法与霍尔式传感器的检测方法类似。
2014款丰田威驰轿车5NR-FE发动机的曲轴位置传感器、进气凸轮位置传感器和排气凸轮位置传感器均采用磁阻元件(MRE)型。图1-14为怠速状态下其曲轴位置传感器的实测波形,较宽的矩形波对应缺齿位置,用以确定上止点。
事实上,不论是对光电式、霍尔式、磁阻元件式转速及位置传感器,它们都是需外加电源的传感器,只要分别弄清其上的电源、信号、搭铁端子,就可进行模拟检查。把电源端子与蓄电池正极连接,信号端子串接一个3~10kΩ的电阻后再与蓄电池正极连接,搭铁端子与蓄电池负极连接,转动转子,同时用万用表检查信号端子与搭铁端子之间的电压变动情况,应输出相应的信号脉冲,一般是当槽孔处于传感器元件中间时传感器对外输出高电位。
图1-14 丰田5NR-FE发动机磁阻元件 (MRE)型曲轴位置传感器波形
绝大多数车辆在发动机转速与曲轴位置传感器失效后将不能起动,如在运行中突然失去发动机转速与曲轴位置传感器信号,发动机也会立即熄火。但大众公司的某些发动机如捷达前卫两气门发动机、朗逸EA211发动机在运转中如果突然失去发动机转速会熄火,却可以再次起动,只是可能要多起动几秒钟,且加速性能稍稍变差一点,因为此时发动机电脑用霍尔传感器替代转速传感器的工作了。
图1-15为丰田卡罗拉1ZR-FE发动机的曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器。其曲轴位置传感器采用耦合线圈型,即磁电式曲轴位置传感器。曲轴的正时转子有34个齿并空缺两个齿。每转过一个齿,曲轴旋转10°,这样曲轴位置传感器就会输出曲轴转角与转速信号,空缺的齿用于判定上止点。采用了磁阻元件(MRE)型进气和排气凸轮轴位置传感器。为了检测凸轮轴位置,曲轴每旋转两周,进气和排气凸轮轴上的各正时转子便会产生三个(三个高输出、三个低输出)脉冲。其曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器的信号波形如图1-16所示。
图1-15 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机的曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器
图1-16 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机的曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器信号波形
MRE型凸轮轴位置传感器由MRE、磁铁和传感器组成。通过传感器的磁场方向随正时转子外形(凸起和未凸起部分)的不同而改变。因此,磁阻元件(MRE)电阻改变,输出至ECM的电压也随之升高或降低。ECM根据此输出电压检测凸轮轴的位置。其电路如图1-17所示。
图1-17 磁阻元件(MRE)型凸轮轴位置传感器电路
可变磁阻式位置传感器在发动机转速很低时开始持续输出数字信号,而磁电式(耦合线圈型)传感器输出的是模拟信号,且随发动机转速的变化而变化,如图1-18所示。
图1-18 MRE型和耦合线圈型(磁电式)凸轮轴位置传感器输出波形图比较
在丰田车系电控点火系统中,点火器按发动机电子控制单元(ECU)输出的点火信号(IGT)精确地中断流往点火线圈的初级电流,其控制过程如图1-19所示。
点火正时信号(IGT):当IGT信号从断转换至通时,点火器起动初级电流。
图1-19 点火控制过程
恒电流控制器:当初级电流到达规定值时,点火器将调节电流以限定最大电流值。
凸轮闭合角控制器:当发动机转速升高时,如果初级电流导通所对应的凸轮轴转角不变,初级电流导通所对应的持续时间渐趋降低,这样初级电流也将下降,将无法保证足够的点火能量。为保证有正确的初级电流持续时间,凸轮闭合角控制器调节初级电流持续的时间长度(凸轮闭合角),即根据发动机转速和蓄电池电压调节点火闭合角,以保证足够的点火能量。在某些发动机型号上,此控制器已通过IGT信号来操作。
当IGT信号从通转换至断时,点火器关断初级电流。
初级电流被关断的瞬间,在初级线圈中产生的成百伏的电压,而在次级线圈中产生成千伏的电压,足以使火花塞引燃火花。
点火器按发动机ECU的IGT信号,精确地中断点火线圈中的初级电流。然后,点火器又按初级电流的电流值,向发动机的ECU输送一个点火确认信号(IGF)。当来自点火器的初级电流达到预定值IF1时,IGF信号即被输出。当初级电流超过预定值IF2时,此系统就判定所许的电流量已流过,因而允许IGF信号回至其原来的电压,如图1-20所示。注意:IGF信号的波形随发动机型号而不同。
如果发动机ECU未收到某缸点火模块的IGF信号,则可认定点火系统内存在故障。为防止喷油器继续喷油导致TWC过热等不良影响,发动机ECU停止该缸的燃料喷射,并将故障码储存在ECU中,此时发动机由于该缸不工作而发抖。但是,发动机ECU不能探测次级电流电路中的故障,因此发动机ECU只能监视初级电流电路中的IGF信号。
应注意的是在有些发动机型号上,IGF信号是通过初级电压判定的。
丰田卡罗拉1ZR-FE发动机采用直接点火系统,其电路原理示意图如图1-21所示。该系统中的IGT与IGF信号的输出关系如图1-22所示。
如果丰田车系有分电器电控点火系缺少点火确认(反馈)信号,即IGF信号时的故障现象是第一次起动发动机时能起动1s左右,也就是说你还没来得及松手让点火钥匙回位发动机就熄火了,如果一直将点火开关置于起动档将不再有起动征兆,若你将点火开关先完全关掉并停留片刻再置于起动档,这时又可起动1s左右然后不再有起动征兆。也就是说在起动后几个IGT信号间电脑检测不到IGF信号,喷油器电路将被切断,而使发动机无法起动。
图1-20 IGT信号与IGF信号
图1-21 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机直接点火系统电路原理示意图
图1-22 丰田卡罗拉1ZR-FE发动机直接点火系统的IGT与IGF信号
我们常说,在无分电器单缸独立点火的点火系统中,一个缸的点火线圈或点火模块故障是不会导致发动机不能起动的,但这仅是对大多数发动机而言的。个别车型的发动机记忆了一个缸的点火系统初级电路不良的故障码后,将切断所有气缸的燃油喷射,因而发动机不能起动。这应引起维修人员的注意。
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