2010 款伊兰特悦动车发动机怠速抖动

汽车诊断

一、故障现象

一辆2010款北京现代伊兰特悦动车，搭载G4FC发动机，累计行驶里程约为12万km。该车发动机怠速抖动，发动机故障灯长亮；原地急加速，发动机加速无力，同时发动机故障灯变为闪亮状态；将发动机熄火后重新起动着机，发动机故障灯又变为长亮状态。
根据故障检测仪提示，维修人员确定发动机怠速抖动的原因为气缸2失火。于是尝试依次对调火花塞、点火线圈及喷油器后试车，依旧是气缸2失火。由于故障现象在急加速时表现明显，维修人员怀疑点火系统出了问题。拆下火花塞，插入点火线圈；手持点火线圈将火花塞的搭铁电极靠在气缸盖上，然后让另一名维修人员帮忙起动发动机，观察火花塞电极间的跳火强度，对比发现气缸2的火花强度较弱，维修人员据此判断点火能量不足。尝试更换点火线圈的线束，故障依旧，于是向笔者请求技术支持。

二、故障诊断

用故障检测仪检测，发动机控制单元中存储有故障代码“P0302 第2缸检测到失火”；待冷却液温度升高至90 ℃，关闭空调及大功率用电器，读取怠速时的发动机数据流，发现气缸2的失火计数在不断增多（图1），确认气缸2失火。诊断单个气缸失火类故障，应重点检查发动机工作的三要素——良好的气缸压缩、充足的点火能量和合适的空燃比。之前的维修人员已经排除了一些部件，且已确定点火能量不足，因此笔者决定从点火系统入手检测。

图1　发动机数据流中的失火数据（截屏）

由图2可知，该车点火线圈导线连接器上只有2根导线，一根是电源线，另一根是连接至发动机控制单元的控制线，用于控制初级线圈回路的接通与断开。在初级线圈回路接通时，次级线圈也会感应出1 kV~2 kV的电压，这个电压的产生时刻明显早于点火时刻，为避免此时在火花塞上发生火花放电，就在点火线圈的次级线圈电路中接入了1个二极管，也被称为抑制接通火花（EFU）二极管。

图2　点火线圈控制电路

如图3所示，该车点火功率驱动器在发动机控制单元内，它是1个绝缘栅双极型晶体管（IGBT），可以简单理解为1个电子开关，负责接通或断开初级线圈回路。IGBT有3个管脚，分别是栅极、集电极和发射极，其中栅极连接至处理器（CPU），集电极连接至点火线圈的控制线，发射极与搭铁导通。CPU向IGBT栅极输出脉冲信号，当CPU输出高电位时，IGBT接通，集电极与发射极导通，点火线圈的初级线圈回路接通；当CPU输出低电位时，IGBT断开，集电极与发射极不导通，点火线圈的初级线圈回路断开。

图3　点火功率驱动器电路示意

按照图4所示的连接方式，用pico示波器从点火线圈的控制线上测量点火波形，即初级点火电压波形。初级点火电压最高可达400 V，笔者使用的这款pico示波器最高能承受200 V电压，因此必须在示波器接口处加衰减器，以扩展示波器的量程。

图4　用pico示波器测量初级点火电压的连接方式

图5为正常气缸的初级点火电压波形，当发动机控制单元内的IGBT接通时（相当于开关闭合），初级线圈的线路形成闭合回路，初级线圈的电流开始增长，在线圈感抗的阻碍下，电流只能斜着逐渐增长，这一段称为充磁，即将电能转化为磁能存储在初级线圈内。功率管接通时间越长，初级线圈内的电流越高，存储的能量越多。充磁段结束时，IGBT切断初级线圈的回路（相当于开关断开），初级回路的电流中断，导致磁场突然消失。在这一过程中，磁力线切割初级绕组和次级绕组，在绕组中产生感应电压。由于次级绕组具有更多的匝数，因此获得了比初级绕组更高的感应电压，该电压会一直攀升，直到次级线圈的感应电压击穿火花塞间隙，随后进入燃烧阶段，一般会持续1 ms~2 ms。当能量不足以维持燃烧时，剩余能量以LC振荡的形式消耗掉，此时火花塞间隙相当于电容C，初级线圈就是线圈L，能量在两者之间反复充放电，直至消耗殆尽，一般可维持至少3次振荡。

图5　正常的初级点火电压波形（截屏）

图6为气缸2的初级点火电压波形，对比图5可以发现，气缸2的初级点火电压波形的充磁时间太短（约为600 us），击穿电压偏低（约为220 V），且没有燃烧段。由于充磁时间太短，初级线圈存储的能量不足，当IGBT切断初级线圈回路时，次级线圈感应电压不足以击穿火花塞间隙，因此没有燃烧段，残余能量直接以LC振荡的形式消耗掉。

图6　气缸2的初级点火电压波形（截屏）

为什么初级线圈的充磁时间短呢？怀疑发动机控制单元内的IGBT损坏了。撬开发动机控制单元外壳，用万用表分别测量4个IGBT集电极与控制气缸2点火的发动机控制单元端子之间的导通情况，找到负责气缸2点火的IGBT（图7），然后用焊台将其拆下来。用万用表测量气缸2点火IGBT栅极与发射极之间的电阻（图8），只有6.22 kΩ（IGBT栅极有极高的输入阻抗，一般为106~1 011 kΩ，部分IGBT内部栅极与发射极之间装有下拉电阻，典型值为16 kΩ），明显偏小，说明气缸2点火IGBT损坏。

图7　气缸2点火IGBT位置

图8　测量气缸2点火IGBT栅极与发射极之间的电阻

更换气缸2点火IGBT后试车，起动发动机，发动机怠速仍抖动。用故障检测仪检测，还是存储故障代码“P0302 第2缸检测到失火”。难道发动机控制单元没修好？用pico示波器再次测量气缸2的初级点火电压波形（图9），发现充磁时间约为1.9 ms，恢复正常，但燃烧段有明显的杂波，异常。充磁段正常说明初级点火控制电路正常，燃烧段异常可能是次级点火电路（如点火线圈次级绕组、火花塞等）、混合气浓度及气缸压力等异常。本着由简入繁的诊断原则，首先拆检火花塞，发现火花塞为镍金的，其中心电极很粗，且做工比较粗糙，表面的配件号等印刷字体可以用指甲刮掉。用万用表测量火花塞连接端子与中心电极之间的电阻（图10），为0.6 Ω，这意味着火花塞内部不带电阻。火花塞内部带电阻，一方面可以降低点火时产生的电磁干扰，另一方面可以减轻电极的烧蚀。与车主沟通得知，自从上次更换火花塞后，就感觉车辆加速无力，动力不如以往；前不久跑长途回家，路上还出现过加速顿挫、发动机故障灯点亮等现象。诊断至此，推断此时的故障是由使用劣质火花塞引起的。

图9　维修发动机控制单元后气缸2的初级点火电压波形（截屏）

图10　测量故障车火花塞的电阻

调来4支全新的NGK铂金火花塞，测量火花塞的电阻，约为1.5 kΩ。安装后试车，发动机怠速平稳，加速有力。

三、故障排除

更换气缸2点火IGBT和4支火花塞后试车，发动机怠速平稳，加速有力，故障排除。

作者：任贺新