丰田凯美瑞空燃比传感器失效导致发动机加速无力

    一辆行驶里程约15.2万km，装配2AZ-FE发动机的丰田凯美瑞轿车。该车发动机怠速抖动，加速不良。
    故障分析：技术人员初步检查，该车发动机故障灯点亮，读取发动机故障码为P0352 2缸点火线圈初级／次级电路故障。因此，首先更换2缸点火线圈，试车，故障依旧。
    进一步对排气背压进行测试，压力在正常范围内。测试燃油泵压力正常，对喷油器进行超声波清洗，装复后，试车，发动机依旧怠速抖动，加速不畅。
    连接丰田IT- II智能检测仪，读取数据流。发现其中的短期燃油修正值以及长期燃油修正值均为负值，如图1所示。

    如图1所示，发动机转速为715r/min，此时的进气量为3.40g/s，节气门开度为13%，发动机负荷为20.78%，喷油量为2. 6ms，而此时的空燃比传感器数值为3. 02V（理论空燃比时为3. 29V）。而短期燃油修正值为－21.12%，长期燃油修正值为－20.34%。从空燃比传感器以及短期及长期燃油修正值的数据分析，此时发动机处于混合气过浓的状态。在以往排除的发动机故障中，造成短期及长期燃油修正值为负数的原因有空气流量传感器偏离特性、油压偏高、喷油器泄漏、火花塞不良或者点火线圈效能下降、排气管堵塞等。这次检测油压正常，排气压力正常，点火系统基本工作正常，检查排气管口处无黑色炭烟颗粒，这与以往混合气浓的情况非常不同。
    为了搞清楚排出尾气的真正情况，对该车进行了发动机尾气测试，结果如图2所示。

    图2所示的检测结果实在是令人吃惊，HC含量高达511×10-6，但O2的含量就更让人不可思议了。正常情况下，HC的数值在50 ×10-6以下，O2的含量大约在1％～2％之间。但现在O2的含量达到了9.41%，这明显异常。大家都知道，空气中氧的含量大约在20.8%，现在尾气中的氧含量为9.41%，说明有接近一半的氧没有参加工作，混合气应该处于极稀的状态。
    为了探明原因，将蓄电池的负极端子断开，使发动机ECU存储的燃油修正值恢复到零，断开空燃比传感器插头，然后再次启动发动机，检查此时的数据流，如图3所示。此时空燃比传感器电压恒定为3. 29V，短期及长期燃油修正值均保持在－0.04％不变。

    此时接上尾气分析仪，得到如图4所示的数值。此时O2的含量反而有所上升，让人难以理解。

    通过检测仪本身的主动测试功能对燃油喷射量进行增减时，尾气数值变化不大。
    尾气检测情况是氧含量高，但同时空燃比传感器却显示混合气浓，笔者认为应该是空燃比传感器偏离特性造成信号失准，以致发动机工作异常。为了验证这一点，笔者指导技术人员将公司同一款在用车的空燃比传感器拆下，安装在这部车上。不出所料，尾气检测的数据立即发生了变化，如图5所示。

    从图5中的氧传感器数据来看，O2的含量降低到了4.18%， HC降低到了110×10-6，虽然数值仍旧偏高，但和原车的空燃比传感器相比已经有了很大改变。观察此时的发动机数据流，如图6所示，数值也有明显改变。

    从图6中的数据看，空燃比传感器电压仍旧显示混合气在浓的状态，短期燃油修正值是－6.28%，说明电脑也在减少喷油量，这与当前尾气分析仪检测到的氧含量在4.18%相反，说明当前用来替代的旧空燃比传感器也已经工作不良了。但即使在这种情况下，发动机怠速抖动已明显减轻，路试，发动机加速性能也有了极大地提高。
    最后，为客户订购一新空燃比传感器，几天后，客户来厂安装，经再次检测，数据流恢复正常，尾气检测也在正常范围内，路试，发动机工作正常。
    故障启示：综上所述，造成发动机怠速抖动，加速不良的原因有很多，例如燃油泵不良、喷油器堵塞、点火线圈不良、空气流量传感器不良等。我非常注意数据流的分析，尤其对反应发动机工作状况的短期及长期燃油修正值的分析，这些都建立在空燃比传感器或氧传感器工作良好的基础上。没有这些基础，发动机ECU就会接收错误的信号，从而做出错误的判断t以致系统工作异常。而本案例比较独特的是，作为对整个发动机系统的工况进行监控的空燃比传感器发生异常，这就与前面的故障原因明显不同了。
    大家都知道，发动机ECU在闭环状态下是按照14.7:1的理论空燃比进行控制的，此时的过量空气系数是1。上面的故障案例中，发动机ECU的控制指令始终在减少喷油量（按照错误的空燃比传感器信号），短期及长期燃油修正值分别是－21.12％和－20.34%，两者相加为－41.46%，假设原来的空燃比在14.7:1的话，此时，由于发动机ECU错误地减少了喷油量，这时候的空燃比就变为了21.609%，过量空气系数就变为1.47，对照图2中的尾气数值，我们看到的过量空气系数值为1.43，这与我们通过计算得到的值近似。而发动机在正常工作期间的过量空气系数应该在0.85～1.2之间。看到这里，我相信各位读者应该非常容易地知道发动机为什么发抖，同时加速不良了吧！
    维修点评：在发动机故障排除过程中，尾气分析仪起着非常重要的作用，尤其是帮助我们对缸内燃烧的实际完成情况进行确认，从而避免发生由于氧传感器或者空燃比传感器故障导致控制异常的错误判断，这一点是非常有意义的。
    同时，通过该案例，大家对空燃比传感器及其控制、检测方面的应用应该有进一步的认识和提高，这也是我希望能够达到的目的。
   相关资料：2011-2013年丰田凯美瑞原厂维修手册（全套）

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