丰田普拉多4000发动机怠速抖动

    一辆行驶里程超23.7万km，发动机1 GR-FE （V型）的2004款丰田普拉多4000。该车发动机怠速抖动严重，尾气排放差。
    该车是事故车，已更换了发动机线束、带空气流量传感器的进气歧管总成、3个喷油器。客户反映，事故修复后，发动机严重抖动，尾气呛入，同时出现了前排乘客侧排气管烧红的现象，为此已将该侧三元催化物质取出。
    故障分析与解决步骤：
    使用IT- II检测仪读取发动机控制系统，无故障记忆。坐在车内，感觉整个车在抖动。读取数据流，如表1所示，发现空燃比传感器和长期燃油修正系数及短期燃油修正系数非常可疑，而且又出现了驾驶人侧排气管烧红的现象。

    表1中，第1组数据是发动机冷机时测得的数据，第2组数据是发动机热车后测得的数据。其中，冷车时1缸侧空燃比传感器显示为混合气极稀，2缸侧空燃比传感器显示为极浓；热车时1缸侧空燃比传感器显示为混合气极浓，2缸侧空燃比传感器显示为极稀。相应地，冷车与热车时的短期燃油修正值与长期燃油修正值截然不同，分别处于增加燃油喷射量的极端与减少燃油喷射量的极端状况。
    图1所示是热车时的数据流变化趋势，中间是空燃比修正零点位置，可以看出1缸侧混合气与2缸侧混合气处于两个完全相反的极端状态。

    如表1所示，热车时，1缸侧空燃比传感器（AFS BlS1）的电压是0. 69V， 2缸侧空燃比传感器（AFS B2S1）的电压是4. 99V，分别处于空燃比传感器的测量极端位置，1缸侧的短期及长期燃油修正系数为负值，处于减少喷油量的状态；2缸侧的短期及长期燃油修正系数为正值，处于增加喷油量的状态。同时测得的尾气如表2所示，其中氧的含量达到了8.78%，远高于正常值时的1％～2％的范围，λ值为1.65，显示混合气极稀。

    由于热车时的进气量信号达到了7g/s，而正常车怠速时一般在4 g/s左右，用原车的旧流量传感器时，进气量值能降到6 g/s左右，并且在将空气流量传感器的插头断开时，发动机转速能基本稳定，所以，上一家维修站的人员认为可能是新的配件质量不良。对于这种说法，笔者进行模拟测试，得到如表3所示的数据流。
    表3中，第1组数据是笔者在人为用胶带将空气流量传感器部分堵塞时测得的数据，第2组数据是笔者在拔下空气流量传感器（图2）后发动机处于失效保护状态时的数据。



    从表3第1组数据中，得到进气量信号减小到了正常值的范围，但是空燃比传感器呢？仍然呈现1缸侧和2缸侧有较大偏差的现象，1缸侧的短期燃油修正系数也是与其传感器的状态相对应的处于减少喷油量的状态，2缸侧仍与其相反。这和前面进气量大时的情况相仿，不同点是增加和减少的量均有所减少。此时的尾气数值如表4中第1组所示。氧的含量降到了3.43%，但仍高于正常范围。

    拔下空气流量传感器插头后，从表4中第2组数据可以看出，进气量信号为0. 54g/s且不再随发动机转速变化，发动机ECU启动失效保护功能，利用节气门位置传感器信号来取代空气流量传感器的信号，此时，电脑计算出的喷油量，通过空燃比传感器来观察，是处于稍浓的状态，但发动机ECU并不会进行燃油修正的调整，燃油监控处于禁止状态。这从表4中第2组数据的尾气数值可以看出，此时，混合气处于一个浓的状态。
    在进行完上述检查后，我们可以得出这样一个结论：在燃油系统监控器处于关闭状态时（空气流量传感器插头断开，燃油修正暂停），1缸侧与2缸侧空燃比传感器的值接近，1缸侧是2. 84V， 2缸侧是2. 82V。而在进气量信号大时，1缸侧与2缸侧空燃比传感器的值相差较大（一个是0. 69V，另一个是4. 99 V ），处于两个检测的极端位置；而在进气量信号小时，其值相差要小一点（一个是2. 38V，另二个是4. 42V），但仍有较大偏差。而正常燃烧时，理论空燃比的电压应在3. 29V。
    造成发动机两侧空燃比传感器信号偏差较大的原因，应该还是电脑控制的问题，这从中断燃油系统修正时的电压基本变化一致，而电脑闭环控制时，反而出现失控的情况得到验证。但是正常的发动机，电脑为什么会出现这么大的控制偏差呢？
    结合发动机电脑对燃油修正的控制原理，考虑该车是事故车，并更换了发动机线束的事实，笔者认为最大可能性是左右两侧空燃比传感器插头连接错误所致。
    但当时有技术人员提出，空燃比传感器一个在左侧排气歧管上，一个在右侧排气歧管上，线束长度不够，插头不会插错，笔者说验证一下。由一位技术人员将位于前排乘客侧的1缸侧空燃比传感器插头拔下，如图3所示。然后启动发动机，观察数据流，不出所料，数据流中代表2缸侧的空燃比传感器AFS B2S1数值稳定在3. 29V不再变化。这说明确实是传感器位置不正确所致。

    将发动机熄火．把左右两侧空燃比传感器插头都拆下．发现插头可以互换，而且线束长度也足够。互换两传感器插头位置，连接好，启动发动机，发现发动机工作趋于平稳，观察数据流，如表5所示，空燃比传感器的数值左右侧气缸变化一致，且随时间变化，短期燃油修正系数、长期燃油修正系数均在逐渐减小。第2组数据已经恢复到了正常值范围。至此，故障彻底解决。

  纵观整个故障维修过程，其实就是围绕燃油修正系数这一中心来发现问题并解决问题的。
  在正常情况下，发动机ECU利用空燃比传感器的信号对喷油量的多少作出判断，和普通氧传感器的特性不同，空燃比传感器的电压变化范围在0～5V之间，检测的空燃比在11:1～19:1的范围。在14.7:1这一理论空燃比上，作为氧传感器的数值在0. 45V，而空燃比传感器此时的数值在3. 29V，如图4所示。

    正常情况下，当电脑根据空燃比传感器（AFS）检测到电压值低于3.29V时，就认为混合气浓，会发出减少燃油喷射量的指令，短期燃油修正系数就会处于霆负值；反之，当电压高于3. 29V时，ECU就认为混合纂气稀，从而发出增加燃油喷射量的指令，短期燃油修正系数就会处于正值。这样发动机ECU就可以分别对遥1缸侧及2缸侧的混合气浓度进行有效控制。
    但是，本车由于维修技术人员错误地将左右两侧空燃比传感器插头装错，导致发动机ECU不能正确地识别混合气的状态。这就造成当1缸空燃比传感器报告混合气浓的信息（AFS B1S1电压低于3. 29V）时，实际检测的是2缸侧的混合气浓度，这样电脑就会向1缸侧发出减少燃油喷射量的指令，导致1缸侧的喷油量减少，实际是1缸侧出现了混合气稀的情况，但这种混合气稀的情况是由2缸侧空燃比传感器检测到的，电脑就会指令向2缸侧增加燃油喷射量，这样，就会使1缸侧混合气进一步变稀，2缸侧混合气进一步变浓，直到燃油修正一系数分别达到上下极限，空燃比传感器呈现电压极低与电压极高两种情况，混合气过浓的一侧，由于二次燃烧使排气管烧红。空燃比控制原理如图5所示。

    此故障是由于电脑检测的传感器信号与实际控制的执行器不是同一部件，以致出现控制偏差，导致信号偏差更大。本例中电脑得到的是混合气更浓或更稀的信号，因此电脑认为应加大对喷油量的控制，这就导致燃油修正系数控制达到极限才停止。
    维修点评：通过该故障案例，我们可以得到如下结论：一是利用空燃比传感器对混合气浓度的监察，尤其是其对电脑根据进气量所做出的喷油量控制的精确度的检查、调整，可以获得发动机前端的传感器工作状态；二是有效地利用短期燃油修正系数及长期燃油修正系数，可以帮助我们对发动机的故障作出基本的判断。
    相关资料：2010一汽丰田普拉多原厂维修手册（含电路图）

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