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丰田凯美瑞(进口) | 凸轮轴位置相关性故障 (四凸轮发动机)

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发表于 2019-8-28 11:54:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
车辆型号:丰田凯美瑞(进口)
发动机:2GR-FE,3.5 L,V6 四凸轮 – 双VVT-i
车辆年份:2013年
症状:MIL灯亮,但是没有其他症状
作者:Steve Smith

我相信我们中的许多人都会有过这样的经历:当我们沉浸在汽车诊断的工作中时,却受到Pico示波器只有4个通道的限制。PicoScope软件提供了额外的用于作比较的参考波形通道,这给我们带来了优势。然而,参考波形的采集需要一个强大的技术,以确保时间与捕捉信息的相关性,而这有可能会引入一个变量,诊断会把所有的变量都控制在最小范围。从我的观点来看,有很多时候六通道示波器应该是最完美的。下面的诊断案例分析就是一个很好的例子。

Pico示波器是超过25家不同的汽车制造厂商 (VMs) 的选择。作为一个直接的结果,我们很幸运能够为VM提供了各种非现场的车辆和技术支持,我们的示波器提供了一个结论性的诊断。继续往下看,看看我们这次发现了什么。

客户描述
客户描述发动机警示灯(MIL)在行驶2-3英里后点亮,但是汽车没有发动机性能损失或驾驶性能问题。2个月左右前,购买该车辆之后故障一直存在。为了修理这个故障,卖家修理厂已经更换了很多零部件。

技术人员描述
车辆的道路测试证明汽车没有驾驶问题,并证实发动机警示灯一直亮着。点火循环和重启发动机都没有重置MIL,这表明这是一个一直存在的故障码存储在PCM中。

故障诊断
在核实客户的投诉后,我们确认了车辆的ID和规格。在咨询客户和修理厂时,强调说明了部分维修历史、安装的附件以及最近更换的以下零部件:
    机油和过滤器(包括冲洗);
    岸1(Bank1)进气凸轮轴位置传感器;
    岸1凸轮轴正时齿轮螺栓(进油控制阀);
    岸1 VVT-i控制器(进气、排气);
    岸1 VVT-i电磁阀(进气、排气);
    正时链条张紧器总成(岸1进排气凸轮轴之间);
    拆卸油控制阀过滤器,检查和清理,发现污染最少;
    发动机ECU (PCM)。

基本的检查确认发动机油位和质量良好,所有可见部件都正确安装,发动机舱内电路连接、线束布线牢固。扫描车辆所有的车载控制单元,显示下面两个故障码:
    发动机-P0016,曲轴位置-凸轮轴位置相互关系(岸1,传感器A-进气);
    B1245车身与雨刷ECU 和LIN之间失去联系。

在我们深入研究导致了这些代码的原因之前,我们回头查看了官方的技术公告(软件更新、初始化、召回和活动等),但是这些都与这辆车无关。因此,基于上面的两个故障代码,考虑到故障的本质,我们认为关注代码P0016才是有意义的。

1.png
图1:冻结数据帧

故障代码P0016同时具有冻结数据帧(发动机参数)的故障前、后代码检测功能,可以对故障状态进行仿真。正如我们看到的,发动机在“升温”阶段(冷却剂26°C)以高速空转(1311 rpm)运行。

故障重现
我们清除了所有的故障代码,并让发动机怠速运行,其中P0016作为待处理代码出现。在循环点火和第二次启动发动机之后,会出现一个当前代码。从诊断的角度来看,这是一个好消息,因为我们知道我们正在处理一个永久性的和现有的故障,PCM将其解释为一个有效故障。

我向更换零部件的团队提出的第一个问题是正时标记,他们正时标记对齐了吗? 更换VVT-i控制器(凸轮轴正时齿轮)需要小心操作正时链条和张紧器。毫无疑问,来自相关技术人员的反馈是,正时标记对齐,更重要的是,相关的链条标记与它们各自的标记对齐到所有正时齿轮。因此,气门正时不应该会出现故障代码P0016(凸轮轴位置相关(岸1传感器A))所显示的故障。

为了深入了解零部件的位置和功能,我们参考了零部件的“描述和操作”资料。无论我们是诊断哪个系统,这些知识都是必不可少的,并且还有利于了持续研究和培训。丰田的维修手册中有一个很棒的功能叫做“DTC检测条件”,可以告诉我们P0016为什么被存储在“故障区域”,以及可能导致故障出现的原因。

P0016检测条件如下:
曲轴位置传感器信号和VVT传感器(用于岸1的进气凸轮轴)信号(双行程检测逻辑) 误差。

故障区域有:
    气门正时;
    凸轮轴正时油控阀总成(进气凸轮轴的岸1、2);
    油控制阀过滤器(RH, LH);
    油管;
    凸轮轴正时齿轮总成(岸1、2);
    ECM(发动机控制模块)。

最引人注目的是,上述所有零件都已经更换过了(除了油管),气门正时排在“故障区域”列表的首位。

可能原因
    VVT-i油压控制器误差(凸轮轴正时齿轮);
    PCM对凸轮轴位置的读取误差;
    动态气门正时误差(超过机械检验范围)。

行动计划
行动计划主要由可行性和可能性影响:
    确认VVT-i系统;
    根据一辆正常的车辆确认可变气门正时。

为了使我们的初步诊断尽可能是无损伤式的,我们用扫描工具激活了岸1和岸2的凸轮轴VVT-i控制器来确认液压系统的运行。在这种情况下,每个VVT控制器都可以调节气门正时,在怠速工况下气门正时不合适会导致发动机工作不稳定。4个VVT控制器运行都正常,也可控制发动机熄火。这证实了对VVT来说,供油量和供油压力是足够的。

简要概括:
    故障代码P0016存在且一直存在;
    已经更换了很多VVT部件;
    确认气门正时无误(静态检测);
    确认了VVT控制器的液压系统运行;
    PCM已经更换。

虽然无损伤式诊断技术可以对车辆进行评价评估,但有时我们必须根据收集到的信息来做侵入式诊断。动态气门正时检查要求对线束、接头进行入侵,并断开VVT-i控制器的连接。

考虑到我们现在希望测量四个凸轮轴和曲轴之间的相互关系,四凸轮发动机至少需要五个PicoScope通道。事实上,我们现在有PicoScope 4823--8通道汽车诊断示波器,这意味着我们不需要作出任何妥协或牺牲来捕捉这些测量。由于还有多余的通道,我还把汽缸1点火事件(IGT 1)也作为一个同步信号测量。

下面的波形显示客户的车辆在怠速工况下捕获到所有的VVT-i控制器都已断开。这使得凸轮轴回到它们的默认位置(没有VVT-i干预),然后我着重对凸轮轴和曲轴相关测量检查。这里我选择了每个凸轮轴波形信号的曲轴波形缺齿后、气缸1点火事件前的第一个上升沿。

2.png
图2:车辆怠速时所有VVT-i控制器断开

用旋转标尺识别两个曲轴转数(720°),位于示波器屏幕的右下角。通过在屏幕上识别出720°的曲轴旋转角度,我们可以使用时间标尺来测量曲轴与我们选择的凸轮轴的第一个上升沿之间的关系(根据曲轴旋转)。如下图所示,在标尺为0°和岸2进气凸轮轴为94.84°时,岸2排气凸轮轴的曲轴旋转了6.458°。

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图3:岸2进排气凸轮轴位置

下面对岸1凸轮轴重复上述步骤进行测量,岸1排气凸轮轴为190.3°,进气凸轮轴为224.1°。

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图4:岸1进排气凸轮轴位置

最重要的问题还是“正常波形是什么样的?”正常情况下,我们可以使用波形库来查找已知的正常波形,但是在这次诊断中,我们没有已知的正常波形可用。

感谢我们在英国丰田公司的同事,我们找到了另一辆可以用于比较测量的汽车,雷克萨斯RX350。虽然这不是一个直接的比较,但是它们的发动机型号是相同的(2GR-FE)。俗话说得好“是你的,终究是你的”。

再一次,用雷克萨斯重复上述的测量步骤。检查故障代码(全部清除),利用扫描工具的主动测试特性确认VVT运行,最后断开VVT控制器,确保所有凸轮轴回到默认位置。这可以确保了我们在排除其它因素的情况下,尽可能地在相同条件下进行比较。
下面我们从雷克萨斯的岸 2开始,我们可以看到凸轮轴和曲轴之间的相关性与客户车辆相当。

岸2排气凸轮轴在0°旋转标尺和岸2进气凸轮轴在93.7°后,曲轴旋转了6.435°。考虑到所有变量,我们可以认为这些值与客户的车辆(岸 2排气6.458°,岸 2进气94.84°)几乎完全匹配。

5.png
图5:雷克萨斯岸2进排气凸轮轴位置

下面对雷克萨斯重复岸1的测量过程, 岸1排气凸轮轴为184°,岸1进气凸轮轴为216.1°。这里我们终于找到了故障所在,更重要的是, 这与PCM (P0016 -凸轮轴位置相关(岸 1 传感器A))报告的故障相匹配。

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图6:雷克萨斯岸1进排气凸轮轴位置

Pico示波器数据分析总结
  
客户车辆
  
  
雷克萨斯
  
  
计算
  
  
偏差(曲轴° / 2 = 凸轮轴°)
  
  
岸 1 进气 224.1°
  
  
岸 1 进气 216.1°
  
  
224.1°  – 216.1° = 8°
  
  
8°  曲轴   = 4° 凸轮轴
  
  
岸 1 排气 190.3°
  
  
岸 1 排气 184°
  
  
190.3°  – 184° = 6.3°
  
  
6.3°曲轴   = 3.15°凸轮轴
  
  
岸 2 进气 94.84°
  
  
岸 2 进气 93.87°
  
  
94.84°  – 93.87° = 0.97°
  
  
0.97°曲轴  = 0.485°凸轮轴
  
  
岸 2 排气 6.458°
  
  
岸 2 排气 6.435°
  
  
6.458°  – 6.453° = 0.005°
  
  
0.005°曲轴 = 0.0025°凸轮轴
  

但是为什么静态气门正时检查时没有故障呢?毫无疑问,岸 1凸轮轴和车辆之间的位置相关性上有足够的偏差。鉴于我们的雷克萨斯没有凸轮轴相关故障代码,我们可以得出结论:我们的客户车辆的岸1凸轮轴位置大约延迟4°。

我们怎样才能把岸1的进、排气凸轮轴的偏差分别接近1°(0.85°)呢?

这可能是由于拉长或摆动的正时链条、磨损的正时链轮、齿轮、张紧器、滑块,甚至油压而造成的。

我可以确认在整个冷却液温度范围内没有油压异常症状,也没有正时链和发动机的嘎嘎声。事后看来,我希望我已经测量过油压,但正如你将会看到的那样,这无关紧要。

这个时候,我还没有完全知道故障所在,但无论如何,它能够通过凸轮轴和气缸组之间不同的值来偏离凸轮轴和曲轴的相关性。观察曲轴传感器卡环,34个齿(36 - 2)表示发动机旋转一周。

取36齿数来简化计算,360°/ 36齿= 曲轴旋转10°,是一个齿和一个卡环的间隙。这是我们在尝试仅使用齿数来确定示波器的曲轴旋转动量时获得的最佳分辨率(最小曲轴运动)。然而,通过使用旋转和时间标尺,我们可以测量卡环两齿之间的间隙,这给我们提供了无限的分辨率和检测曲轴和凸轮轴的微小运动的能力。

考虑到这一点,去关注原来的VVT控制器(带凸轮轴正时齿轮总成),进气凸轮轴正时链轮有36个齿,因此曲轴正时链轮上有18个齿。
发动机转动360°/ 曲轴正时链轮18齿= 曲轴正时链轮每个齿,发动机转动20°。

曲轴转动20°= 凸轮轴转动10°,可通过单独计算曲轴传感器脉冲检测,但我们的凸轮轴延迟了约3 -4°,所以只能通过旋转和时间标尺按上述方法测量。

因此,我们可以得出结论,我们的主正时链条(曲轴到进气凸轮轴)没有跳齿,因为我们的动态气门正时检查会使所有凸轮轴的偏差回复10°,而不仅仅是岸1进气凸轮轴。然而,在连接进气和排气凸轮轴的岸 1次级正时链之间可能出现正时误差,但技术人员确认,正时链条与所有正时齿轮上的各自标记对齐。但是要知道,岸1凸轮轴延迟了至少3.15°!现在,我们该怎么办?

再次回到基本问题:我们拆卸了凸轮盖,并检查了静态气门正时是否对准。最初的检查确认所有的正时标记对齐良好,可见的链条定位正确。然而,要在这里提出一个难题,如果发动机顺时针转动了很多次,然后逆时针转动,然后再顺时针调整(为了符合静态气门正时),岸 1进气凸轮轴正时标记给人感觉是值得怀疑的和不确定的。

岸1进气凸轮轴正时是不确定的,因为路线摆动和发动机重复转动。

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图7:岸1进气凸轮轴正时对齐

岸2进气凸轮轴正时与发动机重复转动绝对性的对齐。

8.png
图8:岸2气凸轮轴正时对齐

根据以上收集到的数据,我们决定拆卸发动机并检查正时链条总成。

诊断结果
很遗憾的是,在维修过程中无法亲自接触到这个发动机,但是,下面的图片可以说明了很多东西。

下面正时链惰轮链轮的偏心磨损过大,使得岸 1进气凸轮轴与惰轮之间的张力周期性地“松弛”(取决于发动机负载),导致凸轮轴正时偏差。

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图9:正时链条惰轮链轮过度偏心磨损

可以留意油渣中的碎屑和沉积物围绕惰轮链轮的内圆周。拆卸惰轮证实由于从堵塞的油路到惰轮轴的润滑不足导致“壳体”轴承磨损过大。该通道有发现有关于惰轮链轮的相同残留物污染,这就引发了以下思考:

是惰轮轴承失效堵塞了油路,还是机油污染物堵塞了油路导致轴承失效?(鉴于我们没有该车辆的使用历史,我会偏向于选择后者)。

10.png

11.png

确认修复
虽然我们不能参加车辆的后期维修,但我已经与负责维修的团队联系过,确认了车辆在经过长时间的道路测试,没有任何其他问题(MIL灯保持熄灭,发动机故障代码清除) 后,已经归还给客户了。

列出所有装配部件
正时链条惰轮链轮、轴、轴承、链条组及相关耗材。

附加描述
起初的故障代码P0016指的是凸轮轴位置相关(岸 1,传感器 A –进气),这使我困惑了一段时间,因为你会认为这样的链轮磨损会影响到其它凸轮轴。在与维修团队的交谈中,发现确实偶尔会出现故障代码P0017-凸轮轴位置相关(岸 1,传感器 B-排气),但从来没有出现过岸 2的故障代码。

鉴于正时链惰轮链轮的位置,我们可以看到,由于发动机的顺时针转动产生了几乎永久的“链条拉力”,右侧的链条张力是被拉紧的;但是由于“链条推力”而拉紧了张紧器一侧(因此是正时链轮张紧器的位置)。

为了使磨损的链轮集中起来,你要向链条惰轮施加一个向下的力(见下图)。由于曲轴对正时链条的拉动和推动作用,岸1凸轮轴会轻微转动,正时标记也会完全对齐。链轮将保持固定,因为链条内唯一的“松紧力”将来自张紧器一侧(链条推力)。

12.png

在此次PCM出现凸轮轴相关故障代码(例如P0016)之前,我常常想知道究竟凸轮轴偏差有多大是可以被接受的。我认为我们可以从这个案例研究中得出结论,3°凸轮轴偏差足以产生一个故障代码,但这对于每个制造商来说是不同的。
与多个凸轮轴、齿轮、惰轮和正时链条配合使用VVT执行机构,配准气门正时的复杂性按比例增加。虽然我们可以使用正时标记、亮环、销钉和锁紧工具来确认静态气门正时,但我们如何能100%确定发动机运行且没有动态检查时气门正时为正确呢?

我们可以假设一下,在你的下一个诊断挑战中,气门正时能够完美地检测出静态和动态。你还有气门正时的问题吗?最肯定的是,随着空心凸轮轴的出现,凸轮轴的凸角受压,凸轮轴的从动件磨损,气门间隙不正确。在这种情况下,我们可以使用WPS500X压力传感器进行缸内分析。

回顾其他案例研究,8通道的确会更好用,在没有新PicoScope 4823额外的4个通道的情况下,引入变量的可能性就会增加了。

在使用这个示波器进行了多次现场示范之后,我必须补充一点,渠道标签和测试引线标识从来没有如此重要,它需要正确的操作来确保你不会误解测试结果或引入测量误差。


更多的通道,更多的可能性

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发表于 2019-12-2 11:21:35
在使用这个示波器进行了多次现场示范之后,我必须补充一点,渠道标签和测试引线标识从来没有如此重要,它需要正确的操作来确保你不会误解测试结果或引入测量误差。
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