丰田GT86-ZN6 | 发动机无法启动

汽车诊断

丰田GT86-ZN6 | 发动机无法启动

车辆信息：
车型：丰田GT86-ZN6发动机：FA20（斯巴鲁水平对置4缸发动机）
年份：2012
症状：车舱振动，无法启动
作者：Steve Smith


客户描述
发动机在大修后无法启动。检查气缸压缩和气门正时均没有问题。


技术咨询
发动机最初起动时不成功，并伴有异常的进气和排气声。尝试着打马达，有时感觉就要着车，但是最终仍是起动不了。


诊断

车主反馈发动机由于缺乏机油导致了严重的机械问题。气缸体，曲轴，活塞，机油泵，机油过滤器和相关连的部件都已经更换。

检查了大修过的部分，但接地、线束以及辅助部件装备并没有任何异常。

按照传统做法，我会在监测实时数据的整个过程中对PCM进行扫描。但是了解了这辆车的维修历史，以及起动时进气和排气时存在异响，加上蓄电池已经充过电了，我决定先使用Pico Diagnostics检测气缸压缩的状况。

Pico Dignostics的气缸压缩功能非常简单。原理是通过发动机起动时的蓄电池电压的波动来比较各缸的压缩情况。用一个通道连接蓄电池，断开喷油嘴，在软件中输入气缸数目，软件就能记录起动时的蓄电池电压降，这个电压降是和各缸压缩相对应的。

下图1显示是示波器的连接方式，图2显示的是电压变化与气缸压缩的关系。

图1

图2

测试结果显示，有两个缸的气缸压缩明显过低。

图3

有趣的是，软件记录的转速是237RPM，这个转速下的各气缸压缩应该都是正常的。如果有两缸压缩过低，起动机的负荷更低，转速会快于237RPM。

软件是如何计算出转速的呢？

当输入的气缸数目为4时，软件就知道相邻两个电压尖峰就等于曲轴转过一周。这个电压降的频率乘以60就是RPM。

图4

点击软件左上角的“Dispaly Raw Data”(显示原始数据)。用户可以同时查看压缩测试的条形图和蓄电池的电压波形。在这个测试结果中，压缩波形明显与正常情况测的不一样。

为了进一步确认，我进行了一次绝对压缩测试，测量起动时的缸内压力，确定异常气缸。绝对压缩测试是将压力传感器接入一缸，同时进行压缩测试。

软件同时测量1缸的压力和电压降，根据内部算法，将其余缸的电压降与1缸的电压降比较，从而计算出其余各缸的压力值。

图5

上图就是绝对压力测试的结果，包含了压力波形、蓄电池电压波形。

图中带有P(Pressure)的缸是1缸，这辆GT86的点火顺序为1324，后面的缸依次为3缸，2缸，4缸，如上图所示。软件显示4缸和2缸压缩异常，1缸和3缸压缩正常。

接下来开始寻找故障原因。说到这里，先来梳理一遍诊断情况：

• 发动机在起动和点火的过程进气和排气均伴有异响。
  

• 车主反映所有缸的压缩都检查过，压力值都在正常范围内。
  

• Pico Diagnostics软件显示有两个缸的压缩几乎为0
  

• 起动时的转速正常
  

可能原因
经过了初步检测，再结合这辆车的维修历程，我推断气门正时存在问题。但如果气门正时有问题，为什么车主反映的是4个缸的压力值正常呢？


诊断计划

为了验证车主的反馈和Pico Diagnostics软件的结果，我分别用压力传感器检测各缸的起动压力。结果如车主所言，4个缸的压力值均在13bar~15.5bar之间。那么说Pico Diagnostics结果是错的？或者是两者都是正确的呢？

为了进一步确认以上的结果，我把电流钳接到电机的线缆上，测量起动电流，以一缸点火信号为标记。
并使用参考波形功能将所有波形导入到同一个屏幕观察。（参考波形功能：可以将多个波形导入到同一个屏幕中，作比较分析）

图6

上图的波形中，蓝色的是1缸点火触发信号，红色的是1缸压力波形。

另外还有4个参考波形：

• 黑色：起动电流
  

• 青色：2缸压力波形
  

• 鲜绿：3缸压力波形
  

• 紫红：4缸压力波形
  

所有波形都相对于1缸点火信号调整到相应位置。

使用相位标尺将4冲程标记出来，结果就很直观了。曲轴仅转过360°，4个缸就已进行了压缩冲程。黑色的起动电流波形上只有两个尖峰，所以Pico Diagnostics显示两个缸的压缩过低。这个结果证明车主和Pico Diagnostics软件都是正确的。

图中的压力波形上没有产生明显的“膨胀口袋”和“进气口袋”，因为此时发动机速度较低，节气门全开，进气歧管的压力等于大气压，形成不了负压。

图7

从这个测试中，可以知道相对立的两个气缸同时压缩空气。图7显示的是斯巴鲁水平对置发动机的结构和活塞布置。

1缸和2缸处于下至点时，3缸和4缸处于上止点。
1缸处于压缩上止点时，2缸处于排气上止点。

但这辆车的测试结果显示，1缸和2缸同时处在压缩上止点，3缸和4缸亦是如此。

鉴于这车此前已经进行过大修，我重点关注曲轴和凸轮轴的相位关系。4根凸轮轴各有1个凸轮轴传感器。

示波器A通道接曲轴传感器信号，B通道和C通道接排气凸轮轴信号和进气凸轮轴信号，D通道接2缸点火信号做同步。

再和同车型的正常波形作比较，就能知道是否正常。相比之下，如果拆缸检测，则需要耗费数小时，还可能会更换若干配件，效率低下。

在计算VVT发动机的曲轴和凸轮轴相位时,必须先断开相关的VVT控制器以保存凸轮轴的基础位置。在这辆车上的凸轮轴滞后了。


结果

下图上的波形是从一辆正常的GT86上采集的，并使用参考波形将所有凸轮轴波形导入到同一个屏幕上，以2缸点火触发信号做参考。

图8

首先比较正常车和客户车的曲轴和凸轮轴相位关系。下图分别显示的是正常车和故障车的排气凸轮轴波形。

图9 正常车

图10 故障车

排气凸轮轴传感器信号的脉冲与曲轴传感器信号的缺齿相隔不远。将相位标尺0°标尺放在2缸点火触发信号上，作为起点，标记出曲轴720°转角。使用时间标尺就可计算出凸轮轴相对于曲轴的角度。

正常车（正常车）:

• B通道（红色），左列排气凸轮轴传感器信号
  

• 第一个脉冲距0°标尺约150°（图9左侧红框）
  

• C通道（绿色），右列排气凸轮轴
  

• 第二个脉冲距0°标尺约329°（图9右列红框）
  

客户车辆（故障车）：

• B通道（红色），左列排气凸轮轴传感器信号
  

• 第一个脉冲距0°标尺约144°(相差150-144=6°)（图10左侧红框）
  

• C通道（绿色），右列排气凸轮轴
  

• 第二个脉冲距0°标尺约338°(相差338-329=9°)（图10右侧红框）
  

两个差值存在些许误差，是因为选做同步信号的2缸点火的实际工况是由一些列传感器输入决定的。这量正常车信号是在怠速时（断开VVT）检测的，而客户车检测的条件是，曲轴转完一周，4各缸均已完成压缩冲程。下一步是比较两辆车的进气凸轮轴信号。

下图是进气凸轮轴信号的波形:

图11

图12

通过比较，故障车左列的进气凸轮轴信号脉冲比正常车的少一个，缺失脉冲（图中椭圆黑框）距前一个脉冲刚好是曲轴180°转角。可从图中的标尺数值窗口（下面的椭圆红框处）中看到相应的数值。


现在来计算一下：

在故障车的进气凸轮轴的上，时间标尺1放置在两段进气凸轮轴波形的下降沿上，同时也是曲轴双缺齿的起始处。时刻是697ms，角度是曲轴转角132°（以点火触发信号的下降沿为0°）。

时间标尺2放置在右列进气凸轮轴波形的下降沿（C通道），同时也是曲轴单缺齿的起始处。同样的，左列进气凸轮轴缺了一个脉冲。时刻是725ms，角度是曲轴转角312°（以点火触发信号的下降沿为0°）。

时间标尺1和时间标尺2刚好相差为27.88ms/180°，这个值肯定不是巧合。

如果将B通道的波形（左列进气凸轮轴信号）向右移动，可以和C通道（绿色）的波形重合，变得像正常车的波形。（使用参考波形功能可以左右移动波形）

计算过程如下：两条时间标尺相差27.88ms，即180°曲轴转角，也等于90°凸轮轴转角，因为凸轮轴转速是曲轴的一半。为了将左列进气凸轮轴波形移动180°，需要向右移动27.88ms * 2= 55.76ms，即360°曲轴转角。

图13

如上图所示，将黑色波形（红色进气凸轮轴波形的复制波形，方便左右移动）右移180°过后，就与绿色的凸轮轴波形（正常车）重合。

我的结论是左列进气凸轮轴的正时提前了180°，左列排气凸轮轴的有轻微的提前。如果我的看法是对的，之前为什么会测到4个正常的压力波形呢？

经过了一系列检测，是时候拆开发动机和正时盖检查气门正时。

拆下发动机和气门盖后，我翻开维修手册，找到正时链条上的正时标记，发现左列进气和左列排气的凸轮轴的正时均装配正确。这是怎么回事？

图14

图15

图16

图17

于是，我查看右列的正时链条。

左列的正时链条装配正确，需要转动曲轴，直到左列的凸轮轴正时齿轮的相互位置如下图所示。

图18

如果这辆发动机的正时装配正确，那么右列的凸轮轴正时标记位置应该和左列的凸轮轴正时标记位置一致，两个正式标记互相“碰面”。结果出乎我的意料，右列的进气凸轮轴和排气凸轮轴均提前了180°。

图19

图20

为什么与前面检测的结果不一致？与正常车比较，故障车的波形显示左列的进气凸轮轴提前了180°，左列的排气凸轮轴有轻微的提前。关键还是在于这个180°的正时误差。

当右列凸轮轴正时提前了180°，如果曲轴再旋转动360°，右列的凸轮轴正时就会正确。相应的，左列的凸轮轴又会提前180°。在开始点火之前，PCM需要1缸的气门正时来确定点火顺序（1324）。1缸（右列靠前的气缸）的点火信号是正确的。

图21

正是由于气门正时提前180°，加大了诊断的难度。（尤其是排气凸轮轴）。

如下图所示，排气凸轮轴ID标记相隔180°。因此，造成排气凸轮轴180°的正时误差无法被识别，因为两个ID标记相差了180°。幸运的是进气凸轮轴可以被识别到，因为进气凸轮轴上的3个ID标记各相隔90°。

图22

图23

我按照手册重新装配了气门正时，并装好发动机。(下图是经过校正后的正时)

图24

图25

修理完成交车，后面车主反馈车辆运行正常。


部件更换

此次维修仅更换了汽缸垫和一些易损件。

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这案例精彩！

老达安

看了半天还是左列2，4缸进排装配错误，右列1，3进排装配是正确的，将左列2，4缸进排各旋转180度角安装与右列1，3缸同步正时顺序。