丰田卡罗拉发动机判断失火故障的缺陷及改进建议

邱尚磊，王金泰，阎峻

（1.四川交通职业技术学院，四川 成都 611130；2.东风本田汽车有限公司，湖北 武汉 430056）

前言

目前一汽丰田卡罗拉轿车主要配备了ZR系列的自然吸气发动机，该发动机每个气缸都单独配备了一个点火模块并与火花塞相连，这样不仅减少了点火高压对车辆其它电器元件的电磁干扰、同时发动机ECM也可以对每个气缸的点火时刻进行更加精确的单独控制。该点火控制系统相较于传统点火系统，在点火能量和发动机燃油经济性等方面有了非常明显的改善。

1 丰田卡罗拉ZR系列发动机点火控制系统工作原理

该点火系统由发动机ECM发出的IGT信号和IGF信号对点火模块进行点火时刻控制。如图-1所示，IGT信号是一个5V的电压信号，当ECM发出的IGT信号由0V转换为5V高电位时，点火器中的Tr2导通，点火线圈中的初级线圈工作电路导通，点火线圈进入冲刺阶段；当ECM发出的IGT由高电位5V转换为低电位0V时，点火器中的Tr2截止，点火线圈初级回路被切断，此时在点火线圈中次级线圈产生高压感应电压，并传递到火花塞上，在气缸中产生火花，并点燃可燃混合气。同时点火器中的C-节点向ECM传递一个IGF信号，该信号为次级线圈产生感应高压的之后反馈给ECM的点火确认信号。

图1 卡罗拉ZR系列发动机点火控制系统工作原理图

当ECM向点火模块发出一个IGT点火信号之后，随即点火模块向ECM返回一个IGF点火反馈信号，此时电脑确认该气缸点火成功。如果没有收到某一缸IGF信号，则电脑判断该气缸的点火系统存在故障便不再继续给该缸发出点火信号，同时为了防止该气缸由于不点火而导致出现淹缸现象，ECM此时也会立即停止相对应气缸喷油器的工作。并将该气缸点火系统出现的故障生成对应的故障码并记录在ECM中，同时点亮发动机故障指示灯（MIL）。

2 ZR系列发动机判断气缸点火正常工作的原理

在ZR系列发动机的电子控制点火系统中，ECM对于点火线圈中初级线圈的产生的电压预设值了两个阈值IF1和IF2，如图2所示。

图2 IGF信号

当初级线圈中有电压产生时，IGF便产生一个高电位的信号。当初级线圈中产生的电压达到预定值IF2时，IGF就变为低电位信号；当初级线圈中产生的电压继续升高并达到预定值IF1时，IGF就又会变为高电位信号，如是便形成一个脉冲信号。当ECM接收到某气缸的点火模块的点火反馈信号IGF时，便判断该气缸点火正常，喷油嘴也就正常喷油。

3 ZR系列发动机判断气缸时候点火的控制缺陷

在实际维修工程中，笔者遇到过多次卡罗拉发动机明显出现抖动的情况，但是仪表上面的发动机故障指示灯没有点亮，用丰田专用解码器IT-Ⅱ也没有能读取到任何的故障码，通过数据流也没有读到发动机的缺火数据。

随后诊断过程中，在通过断缸法诊断时确认了有一个气缸没有工作。通过一系列的诊断，判断是由于有一个缸的喷油器线路出现了断路的情况，在修复好线路之后，又对该缸的点火模块线路进行了检查，发现该线路正常。随后启动发动机，发动机工作恢复正常。

发动机故障虽然恢复了，但是笔者心中一直有个疑惑，这个故障车很明显有一个气缸没有工作，发动机电脑板却没有判断出发动机出现了缺缸的故障，点火模块却依然在给ECM反馈该气缸正常点火的信号，ECM也继续给点火模块发出点火信号。对于该故障，是由于喷油器电路故障所导致的，如果是由火花塞故障所导致的发动机缺缸，那么ECU将会继续控制该缸喷油器喷油，而进入的汽油并不能燃烧，只是在一个工作循环之后进入排气管，并在三元催化器中氧化掉。这样不仅浪费燃油，同时也会对发动机相关部件造成提前损坏。

4 曲轴位置传感器信号特点

在发动机正常工作中，曲轴位置传感器的信号是比较稳定的。通过分析能够确认，发动机正常运转时，曲轴位置传感器波形变化是非常均匀，该波形可以准确的反映发动机曲轴的旋转速度变化。

曲轴位置传感器包含一个永久磁铁和磁头以感应曲轴脉冲齿盘卡环的12个均匀分布的齿。由于曲轴旋转一个整圈，所以脉冲齿盘卡环的12个齿在各曲轴位置传感器信号中生成12个周波。随着曲轴旋转，曲轴位置传感器信号周波每30度出现一次（360度÷12周波=每周波30度）。通过监测曲轴位置传感器信号各周波之间的时间并比较来自曲轴位置的信号，ECM/PCM能够确定曲轴是否基于当前运行状态以预定速率旋转。

5 曲轴位置传感器识别缺火的方式

因为普通曲轴位置传感器信号周波为均匀分布且无法单独从转速信号确定气缸点火次序，所以为了判缸，参照1号活塞的压缩行程进行气缸位置标定，特地在一缸的脉冲齿圈上面缺少特定数量的齿， 用来识别一缸压缩上止点。因而产生的波形上面有一个明显的波形变化。各气缸中正常燃烧的状态下，当各活塞在动力冲程的初始阶段向下运行时，曲轴将加速，而当各活塞在压缩冲程中接近上止点时，曲轴旋转速率（旋转速度）将略微降低。当发生缺火情况时，曲轴旋转速度因缺乏燃烧（缺火气缸中无动力冲程）及当前对曲轴旋转的正常阻力（其它活塞在各自压缩冲程中向上运行，摩擦力等）而以异常比例降低。

图3 发动机缺缸时曲轴位置传感器波形特点

其它三个气缸正常燃烧时，曲轴旋转速度（以每秒曲轴转角角度测量并转换为转/分）应增加。当出现缺火情况时，转速迅速降低。缺火严重等级（三元催化器损坏或与排放有关）由曲轴旋转速度变化的迅速和频繁程度而定。

如果车辆在崎岖不平的路面上行驶时（外部扭矩扰动通过轴/变速器从轮胎传送到曲轴）可能产生错误的缺火检测，所以ECM/PCM可以使用来自轮速传感器的输入并计算车速变化率。如果车速变化率显示车辆正在崎岖不平的路面上行驶，则缺火监测可以暂停直至这种崎岖不平的路况不再存在。

曲轴脉冲齿轮卡环的制造差异也需要计算在内以确保精确的缺火诊断。为了补偿曲轴脉冲齿轮卡环公差差异，当发动机减速（负扭矩状态）且断油启动（无气缸燃烧）时，ECM/PCM激活一个学习程序，因此各曲轴位置传感器信号周波之间的度数和电压振幅差异能够被测量并可被用作基线基准。

6 总结

因为卡罗拉ZR系列发动机采用的是点火线圈反馈给发动机ECM/PCM的点火反馈信号，来确认点火线圈是否产生点火高压电。而该气缸是否做功，还取决火花塞是否跳火、喷油器是否喷油等因素，因此该点火反馈信号是不能够准确说明该气缸是否失火的问题。

而曲轴位置传感器不仅仅能确认发动机转速和判缸，还可以依据活塞在做功行程时施加在曲轴上的加速度来判断活塞是否具备加速度，如果没有加速度，则在一定的循环之后便可以确认该气缸没有做功——气缸出现失火的情况。这样就可以避免出现发动机明显出现缺缸，而发动机电脑不报故障码也不点亮发动机故障指示灯的情况。