虹科NVH诊断案例 | 保时捷卡宴V6发动机敲击声与失火诊断

汽车诊断

故障现象

一辆3.6L V6保时捷卡宴，车主反映早上冷启动时，发动机出现异常抖动（环境温度约为28摄氏度左右）。

故障诊断

接车后试车，仪表盘上并没有故障码和警告灯。但冷启动怠速时，能够感觉到明显的振动。同时，还能听到明显的咔嗒声或敲击声，判断可能来自气缸盖的区域（极大概率来自气门机构）。

读取发动机失火数据流，发现气缸4存在失火计数，随着发动机暖机之后，这些失火计数逐渐消失。

但是怠速工况下，即使在发动机正常的工作温度下，依旧可以感受到发动机运转不完全平稳；而在较高转速和负载工况下，在低温和正常的工作温度下，发动机运行则完全正常。

进一步诊断思路：

该车冷启动怠速时4缸失火计数持续增加，那么我们首先需要确定，实际的失火气缸是不是4缸，其故障原因为何？与此同时，该车怠速时还存在一个异常的敲击异响。显然，我们并不能就此判定，失火与敲击声就来自同一位置，是用一个问题造成的。因而我们仍需单独对异响源头做一个定位。如果异响源与失火气缸在同一位置，则异响和失火大概率时同一个故障引起的，维修难度就会减小很多。

第一步：实际失火气缸精确定位

用虹科Pico汽车示波器测量曲轴位置传感器信号（霍尔式）和1缸点火信号。使用数学通道中的曲轴Crank函数，将曲轴位置传感器信号计算成发动机转速曲线。基于转速曲线，使用1缸点火信号作为判缸信号（点火顺序1-5-3-6-2-4），从而精准确定失火缸。

诊断确认

测量车辆冷启动怠速时的波形，发现只有4缸点火后发动机转速不升反降，确认有且仅有气缸4出现失火。

失火原因诊断

为了避免双缸失火干扰，我们选择点火时序远离故障缸4的气缸3作为参考气缸，以确保压力数据对比的有效性。

气缸压力波形对比如图1，红色为气缸3，紫色为气缸4。借助参考波形功能，可将故障气缸4与参照气缸3的缸压波形同步显示进行对比分析，重点观测气门正时偏差或进排气门堵塞的迹象。

图1 气缸3与气缸4的缸压波形对比

波形对比结果：如图2的黄色圆圈处，在第二个上止点（TDC）180度处，气缸4出现一个较高的压力；可能是由于此时排气门和进气门正处于关闭的状态，或接近关闭的状态。这可能是由于液压挺杆漏油或者凸轮轴桃尖磨损导致的。气缸4和正常的气缸3，在排气门开启时刻和进气门关闭时刻并没有明显的差异。

图2  利用参考波形功能对比气缸3与4的缸压

第二步：异响声源位置确认

使用PICO NVH模块对敲击声进行声源定位，该技术能有效检测并定位传统方法难以发现的细微振动与异响。

尤其是对于豪华车来说，车主对车辆静谧性与驾乘品质要求更高，对任何微小的异常噪音都极为敏感。 虹科Pico的NVH诊断套件可以精准定位此类问题的根源，满足豪华车客户的期望，亦有利于维持品牌体验。

诊断思路

试车时我们推断敲击声大概率来自气缸盖的位置，但并不知道到底来自其中的哪一点，我们是否能将范围进一步缩小呢？

我们的思路很简单，利用接收到声音的时间差。

图3 异响定位思路

我们在发动机缸盖两端布置了A&B两个加速计来捕捉振动信号（声音传递的本质是振动），那么我们的第一步，就是计算声音在缸盖中的传播速度。

声音传播速度的计算

如图4，将A、B两个加速度计分别安装在缸盖的两端，利用缸盖螺栓通过磁吸的方式固定加速度计。使用卷尺测量两点间的距离为51cm。

图4 计算速度时的硬件布置

计算声音传播速度

安装好加速度计之后，使用螺丝刀在靠近加速度计A附近的位置人为制造敲击声。

此时：

•邻近敲击点的加速度A计率先捕捉到振动信号

•位于缸盖末端的速度计B延迟一段时间后，接收到相同信号。

•利用Pico示波器的标尺功能精确测量两个通道间的时间差。

图5 在A的临近点敲击时的波形

注：绿色通道A代表加速度计A，蓝色通道B代表加速度计B

数据记录和传播速度计算

两个加速度计之间的实际距离：51厘米

两个加速度计接收到振动的时间差：190.3微秒

代入公式：速度=距离/时间

=51厘米/190.3微秒

可计算出声音在该材质中的传播速度：0.2680厘米/微秒

测量A、B两个加速度计接收到车辆异响的时间差

在知道加速度计间距及声速后，现在我们只需启动发动机并捕捉冷启动怠速工况下的异响信号，依靠接收到振动的时间差、加速度计间距以及声速，就可以计算出异响源头的位置。

图6 冷启动怠速时的振动波形

注：绿色通道A代表加速度计A，蓝色通道B代表加速度计B

如图6，可知B点先接收到敲击声，表明B点更靠近异响源。与此同时，两个加速度计接收到异常振动的时间差：20微秒。已知A、B两点间的距离是51cm，假设异响源到A点的距离是X，则到B点的距离是（51-X）。

代入公式：速度=距离差/时间差

0.2680=（51-X-X)/20

5.36=51-2X

2X=45.64

解得X=22.82厘米

异响源距加速度计B距离：22.8厘米

异响源距加速度计A距离：28.2厘米

如图7，至此，我们已经可以在缸盖上精确标记出异响源相对于加速度计的坐标位置。

图7 异响源的相对位置

我们可以发现异响源的定位点与之前锁定的4号气缸区域完全重合。

结合失火气缸也为气缸4，可以确认异响是由于气缸4失火导致的。解决掉失火故障，异响故障就能解决。

失火故障可能是液压挺杆漏油或者凸轮轴桃尖磨损导致的。

第三步 锁定故障原因

如图8，观察异响振动信号波形，黄色波形为1缸点火信号，两次点火之间（点火顺序为：1-5-3-6-2-4），最高的振动幅值（即异响时刻）出现在4缸进气门关闭时刻，推断故障为液压挺杆损坏。

图8 故障出现时的1缸点火与振动波形

故障排除

拆解发动机，发现液压挺柱轴承的确出现了损坏，脱离了原本的位置，导致进气门无法正常打开和关闭。

图9 损坏的液压挺柱

此案例的诊断过程，充分展现了NVH工具与压力传感器联用的强大诊断能力。Pico示波器在此过程中同时充当了标尺、多通道波形记录和数据处理的角色，可以做到快速免拆诊断，是效率与精度的必然之选！