別克威朗L3G發(fā)動機(jī)概述及怠速不穩(wěn)故障的分析

文：石也言

一、通用L3G發(fā)動機(jī)概述

1.發(fā)動機(jī)參數(shù)

2.發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

別克威朗L3G發(fā)動機(jī)的電控燃油噴射系統(tǒng)以發(fā)動機(jī)控制單元K20為核心，控制進(jìn)氣、燃油供給、點火，以及VVT閥等部件。發(fā)動機(jī)控制單元以空氣流量、節(jié)氣門位置和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)信號；以進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度和進(jìn)氣壓力為調(diào)節(jié)信號；以加熱型氧傳感器為閉環(huán)控制的修正信號，在結(jié)合高壓燃油泵對噴油器Q17A、Q17B、Q17C和Q17D進(jìn)行精準(zhǔn)的燃油噴射控制，使發(fā)動機(jī)始終處于最佳點火時刻，確保油氣混合氣充分燃燒。

圖1 通用汽車L3G發(fā)動機(jī)

二、發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)的定義及原因分析

1.怠速不穩(wěn)的定義

怠速是指發(fā)動機(jī)在無負(fù)荷的情況下運轉(zhuǎn)，只需克服自身內(nèi)部的摩擦阻力，不對外輸出功率，維持發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速。怠速是發(fā)動機(jī)的基本工況之一。正常工作的發(fā)動機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速表指針平穩(wěn)，各部件運轉(zhuǎn)平順，無明顯抖動和異常噪聲。如果發(fā)動機(jī)怠速時轉(zhuǎn)速無法穩(wěn)定在正常數(shù)值范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速表指針偏擺明顯，并引起發(fā)動機(jī)或整車出現(xiàn)異常抖動、喘振、噪聲等現(xiàn)象，即可判斷為發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)。

2.怠速不穩(wěn)的原因分析

由于汽油發(fā)動機(jī)是依靠各氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒做功輸出動力的，因此凡是能引起發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體作用力明顯改變的故障，都有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)。根據(jù)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，原因可分為兩類，即機(jī)械故障和電控系統(tǒng)故障。

（1）機(jī)械故障主要是指發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)存在異常。比較典型的情況是配氣、活塞連桿機(jī)構(gòu)等零部件出現(xiàn)臟污、變形、磨損；發(fā)動機(jī)裝配有誤、回轉(zhuǎn)部件動平衡不合格；燃油供給系統(tǒng)堵塞或泄露、進(jìn)氣系統(tǒng)堵塞或泄露，以及火花塞異常等。上述故障會導(dǎo)致氣缸功率異常變化，進(jìn)而造成各氣缸的輸出功率不一致。當(dāng)發(fā)動機(jī)在怠速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)各氣缸輸出功率不一致，使發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速忽高忽低，就是怠速不穩(wěn)。

其他機(jī)械系統(tǒng)，如三元催化器或排氣管堵塞也可能引起怠速不穩(wěn)、加速無力甚至無法起動等故障。此外，變速器、離合器、空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、水泵級油泵等有故障也會改變怠速負(fù)荷，從而引起怠速不穩(wěn)。

（2）電控系統(tǒng)故障是指發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障。電控系統(tǒng)故障會導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)的電器元件（如電子節(jié)氣門、VVT閥等）出現(xiàn)異常，混合氣濃度不正確、點火時刻和提前角異常等，從而間接造成各氣缸功率不均衡或不足以維持怠速運轉(zhuǎn)。電控系統(tǒng)故障的本質(zhì)是傳感器故障、線路受到干擾，或控制單元故障導(dǎo)致噴油控制不正確，造成混合氣濃度錯誤，屬于怠速不穩(wěn)的間接原因。

電控系統(tǒng)故障主要涉及的部件包括：空氣流量計（或進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器）、節(jié)氣門位置傳感器、加速踏板位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器以及氧傳感器等故障；相關(guān)線路出現(xiàn)斷路、短路、接觸不良或附近有干擾源；發(fā)動機(jī)控制單元內(nèi)部故障等。隨著汽車新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的加入，引起怠速不穩(wěn)的因素會更加復(fù)雜，因此在排除故障時須全面綜合考慮。

三、怠速故障案例

故障1

故障現(xiàn)象：一輛2016年產(chǎn)別克威朗轎車，搭載L3G發(fā)動機(jī)和手動變速器，當(dāng)前行駛里程約6.9萬km。用戶反映車輛發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)不穩(wěn)，并發(fā)出異常噪聲。

蘇：的確，現(xiàn)在的人唱不出來那個味道了，水土的關(guān)系，我們的歌聲里頭有高原味。藏族歌曲里有顫音，我們羌族歌曲里也有顫音。沙朗有幾百首歌曲，羌語唱出來才好聽，如果用漢語把羌族歌曲翻譯出來的話那就別扭了，也就不能叫“羌歌”了?，F(xiàn)代人唱不出原汁原味的沙朗歌了，只有我們才能唱出高原的味道。所以如何傳承和發(fā)揚羌族沙朗舞是個比較棘手的問題。

檢查分析：維修人員接車后首先查看了發(fā)動機(jī)的外觀，未見異常。機(jī)油、防凍液和蓄電池電壓也都正常，儀表板未見任何故障警告燈。發(fā)動機(jī)起動后怠速不穩(wěn)且抖動，偶爾還會“放炮”，踩下加速踏板，轉(zhuǎn)速可以正常升高，轉(zhuǎn)速升高后抖動和“放炮”均緩解。仔細(xì)檢查發(fā)動機(jī)，未見油跡、水跡，晃動進(jìn)氣管路及各處線束插接器，均未發(fā)現(xiàn)松動、損壞等異常情況。連接診斷儀進(jìn)行檢測，未讀取到與動力系統(tǒng)有關(guān)的故障碼。

分析故障現(xiàn)象和此前檢查的結(jié)果，初步懷疑是進(jìn)、排氣系統(tǒng)存在故障。接下來，讀取發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流，在檢查進(jìn)氣系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器的數(shù)據(jù)波動超出正常范圍（26～52 kPa），達(dá)到 83 kPa，燃油導(dǎo)軌的壓力也比怠速正常值明顯偏高（圖2）。

圖2 怠速時不正常的數(shù)據(jù)

當(dāng)轉(zhuǎn)速增加3 000 r/min時，歧管壓力和燃油導(dǎo)軌壓力能隨之降低，說明發(fā)動機(jī)電控沒有問題。結(jié)合異響的特點再次檢查進(jìn)氣系統(tǒng)各部件是否存在塌陷變形、堵塞、卡箍松弛、開裂等，拆檢空氣濾清器，也未見異常。

由于別克威朗車型的發(fā)動機(jī)艙空間較狹小，于是使用聽診器對較隱蔽的部件進(jìn)行噪聲定位。當(dāng)檢查到炭罐電磁閥附近時，聽到吸氣的聲音尤為明顯，懷疑炭罐電磁閥及其管路泄露。拆卸相關(guān)部件后發(fā)現(xiàn)，與電磁閥連接的一條管路出現(xiàn)裂紋（圖3）。

故障排除：更換新的管路后起動發(fā)動機(jī)，故障現(xiàn)象消除，讀取發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流也恢復(fù)了正常。

回顧總結(jié)：炭罐電磁閥用于將燃油蒸氣從蒸發(fā)排放（EVAP）炭罐吹洗至進(jìn)氣歧管，直接形成可燃混合氣，進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒，使燃油蒸汽得到充分利用。當(dāng)與之有關(guān)的管路出現(xiàn)開裂時，會因為漏氣導(dǎo)致混合氣過稀，發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的作用力變化從而影響了怠速穩(wěn)定性，并因此產(chǎn)生了類似“放炮”的噪聲。

上述案例屬于典型的機(jī)械系統(tǒng)故障，此類問題的故障點可能會比較隱蔽，且有時會查不到故障碼。面對此類故障，需要仔細(xì)觀察和分析故障現(xiàn)象，并借助診斷儀讀取數(shù)據(jù)流等信息進(jìn)行排查和確定故障范圍。

故障2

故障現(xiàn)象：一輛2016年產(chǎn)別克威朗轎車，搭載L3G發(fā)動機(jī)和自動變速器，當(dāng)前行駛里程約2.5萬km。用戶反映車輛發(fā)動機(jī)偶爾出現(xiàn)怠速不穩(wěn)的現(xiàn)象，曾在維修店檢查過，但由于檢修時故障現(xiàn)象未出現(xiàn)，且通過診斷儀未讀取到故障代碼，因此未能徹底排除故障。

圖3 破裂的管路

檢查分析：維修人員接車后，首先觀察了車輛發(fā)動機(jī)外觀，未見油跡、水跡；機(jī)油、防凍液液位正常；蓄電池電壓也正常。起動發(fā)動機(jī)試車，起動過程順利，利用故障診斷儀檢查發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，沒有故障碼；儀表板上沒有故障警告燈，但怠速時轉(zhuǎn)速表指針不穩(wěn)定，發(fā)動機(jī)偶爾抖動。踩下加速踏板，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，且在高轉(zhuǎn)速時運轉(zhuǎn)正常，發(fā)動機(jī)工作噪聲也正常。松開加速踏板后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可以平穩(wěn)回落，但是回到怠速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速依舊不穩(wěn)定。

保持發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，未檢查到失火的記錄，推測點火系統(tǒng)正常。發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)顯示，短期燃油修正值在-26.56%～6.25%之間變化，長期燃油修正值在-15.63%～0.78%之間變化。正常情況下，發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時燃油修正值應(yīng)在±10%的范圍內(nèi)穩(wěn)定變化。此外，故障車輛在怠速不穩(wěn)狀態(tài)下的噴油器脈寬最低為0.9 ms，正常情況下發(fā)動機(jī)在怠速運轉(zhuǎn)時噴油脈寬為2.0 ms左右。這說明發(fā)動機(jī)控制單元誤認(rèn)為當(dāng)前混合氣過濃，因此發(fā)指令減少了噴油量。但當(dāng)前發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)不正常，因此推斷很可能是由于混合氣過稀。

圖4 怠速時噴油器供電電壓波形

發(fā)動機(jī)出現(xiàn)混合氣過稀的故障原因較多，進(jìn)氣系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)故障比較常見，本著先易后難的原則，先檢查進(jìn)氣系統(tǒng)?？諝鉃V清器及管路均正常，無變形、老化、開裂、堵塞、松曠或其他異?，F(xiàn)象；空氣流量計、進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器和節(jié)氣門總成的外觀、線束均正常；曲軸箱通風(fēng)管路和各真空管路也都正常。再次讀取空氣流量計和進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器數(shù)據(jù)，參數(shù)均正常，且能隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，說明這2個傳感器及相關(guān)線束無故障。

踩下加速踏板，節(jié)氣門的動作和測量數(shù)據(jù)也未見異常，至此判斷進(jìn)氣系統(tǒng)無故障。

接下來檢查燃油系統(tǒng)，讀取燃油系統(tǒng)壓力，分別在發(fā)動機(jī)怠速和轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，燃油泵輸出壓力均在420 kPa左右，確定燃油泵工作正常。發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時燃油導(dǎo)軌的壓力為17.6 MPa，然后將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高至3 000 r/min，數(shù)據(jù)提升到20.5 MPa，短期燃油修正為-10.16%，這表明發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速時混合氣同樣過稀。下一步是確認(rèn)造成噴油減少的原因：用萬用表測量噴油器各缸供電電壓，正常；起動發(fā)動機(jī)，檢查怠速時噴油器供電電壓波形，正常（圖4），表明噴油器本身和用電線路均正常。

與用戶溝通得知，車輛故障是偶爾出現(xiàn)；日常加油都是在正規(guī)加油站，油品有保障；而且不久前更換了燃油濾清器，因此排除了供油系統(tǒng)堵塞的可能。再對點火系統(tǒng)進(jìn)行檢查，火花塞電極間隙正常、個別積炭較多、外觀正常，用火花塞檢測儀對每一缸進(jìn)行跳火試驗，試驗結(jié)果均正常。清洗火花塞后裝回，試車發(fā)現(xiàn)怠速不穩(wěn)的現(xiàn)象有所緩解，但未消除。

仔細(xì)考慮導(dǎo)致發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)的原因，想到間接的原因有“傳感器故障、線路受到干擾，或控制單元故障導(dǎo)致噴油控制不正確，造成混合氣濃度錯誤”。燃油供給系統(tǒng)各執(zhí)行器的信號均已檢查，接下來就需要檢查閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋信號了。

如圖5所示，該車怠速不穩(wěn)時氧傳感器的各參數(shù)中氧傳感器1的數(shù)據(jù)變化較快，且數(shù)據(jù)有時會超出正常范圍（0.0～1.2 V）。懷疑是氧傳感器1的輸出信號異常，導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)控制單元接收到了不準(zhǔn)確的尾氣氧含量參數(shù)，從而在閉環(huán)控制過程中錯誤地減小了噴油量，使得發(fā)動機(jī)因混合氣過稀而無法保持怠速穩(wěn)定。

圖5 氧傳感器數(shù)據(jù)

圖6 氧傳感器1的波形

按照維修手冊方法及電路圖檢測氧傳感器1，首先斷開相應(yīng)的B52A加熱型氧傳感器的線束插接器，將點火開關(guān)置于“ON”，測量高電平信號電路4號端子和搭鐵之間的電壓，萬用表顯示數(shù)據(jù)為1.8 V，正常。接著，查看故障診斷儀上的加熱型氧傳感器電壓數(shù)據(jù)，顯示為1.9 V（標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為1.7～2.1 V之間），正常。然后，在高速信號電路的4號端子和低速信號電路3號端子之間跨接一根串聯(lián)有3 A熔絲的導(dǎo)線，診斷儀上的加熱型氧傳感器電壓參數(shù)顯示為0，表明線路和控制單元均正常。檢測到此，可能性最大的故障點是氧傳感器1。

對氧傳感器1進(jìn)行波形測量，發(fā)現(xiàn)氧傳感器1的波形一直保持1 V左右變化（圖6）。這顯然是一個錯誤的信號，會讓發(fā)動機(jī)控制單元認(rèn)為當(dāng)前的混合氣濃度過高，進(jìn)而發(fā)出指令縮減噴油脈寬，降低混合氣濃度。

故障排除：拆下氧傳感器1，并更換新的傳感器之后試車，發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)的故障已消失，用診斷儀讀取發(fā)動機(jī)各參數(shù)，均恢復(fù)正常。

回顧總結(jié)：怠速不穩(wěn)是汽車維修從業(yè)者在工作中經(jīng)常會遇到的問題，而由氧傳感器故障導(dǎo)致的怠速不穩(wěn)問題可能會讓維修人員感到無從下手。因為氧傳感器即便存在故障，也可能由于并沒有完全失效而只是信號輸出不準(zhǔn)，所以不會讀取到故障碼。

遇到發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)的故障，須排查完所有直接原因，確保沒有機(jī)械故障之后，再重點檢查數(shù)據(jù)，對控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分析診斷，最終得出結(jié)論和制定維修方案。