丰田汽车发动机空燃比反馈控制原理及故障诊断

    随着汽车技术的日新月异，发动机的控制技术也在不断完善，尤其在环保形势日趋严峻的现在，发动机的排气控制技术更是被各大汽车生产厂家重视，目前每一项发动机技术的更新，比如气门开闭正时控制、断缸控制、汽油蒸发控制、二次空气喷射、混合动力技术、直喷技术等等都会或多或少对尾气排放的程度有所改善。
    目前我国的机动车使用环境相对欧美、日本要恶劣，尤其是可吸入颗粒物对空气的污染更为严重，再加上我国的总体燃油杂志相对比较多，造成了在用机动车发动机的故障发生较欧美国家频繁。发动机的故障和使用环境又是相互关联一损俱损的。比如：尾气恶化、发动机抖动、加速无力、油耗增加、启动困难等等，这些现象不是很明显，因为这些问题没有故障灯或特别明显的现象让驾驶员感知故障的存在。这样不但对发动机排放又很大影响导致空气污染，而且此类故障会不断恶化，等到出现硬性故障后用户的维修成本会比早期处理更高，对于忠实用户来说出现故障后又会对店里的服务能力产生怀疑。
    作为汽车服务行业的技术人员，应对车辆发动机的技术状况要更为重视，并且能够熟练掌握故障的分析和解决方法，特别是发动机的软故障，把故障隐患早期发现并解决才是当今汽车维修技术人员应具备的素质。
    目前，在诊断汽车故障时，多数是根据现象拆检零部件查找故障点，很少是通过分析发动机数据流来诊断故障。其实，通过分析数据流，不仅可以快速准确地诊断故障，而且还可以准确把握相关部件的工作状态和健康程度，这对于故障的早期发现和预防、节约维护成本十分有利。

    一、发动机反馈控制的目的和原理
    从理论上讲，汽油发动机尾气排气成分主要有碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氮氧化合物（NOx）4种成分组成，其中有害物质主要有碳氢化合物（HC、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）。通过三元催化的氧化还原反应后，碳氢化合物变成水和二氧化碳，一氧化碳变成二氧化碳和氮。为了更好地达到氧化还原效果，需要汽油与空气完全燃烧，且没有残留氧气的理论空燃比为14.7:1。利用空燃比反馈就是要将这一比例无限精确，才能保证三元催化转化器的转化效率最高。
    发动机工作时，首先由空气流量计测量吸入发动机内部空气的质量，并传输给发动机电脑，电脑将与进气量相符的燃油喷射量信号加以各种修正控制喷油嘴喷油量参与燃烧。燃烧结束后空燃比传感器和氧传感器检测空燃比浓度，反馈给电脑后由发动机电脑进行空燃比的修正，不断地实时监控循环修正，确保将尾气中有害气体的排放量降到最低。

    二、空燃比传感器与氧传感器的区别
    1．结构和用途
    氧传感器的构造是在试管状的氧化错内外侧涂有白金，内部直通大气，外表面与发动机尾气直接接触。在高温情况下，氧化错内外两侧浓度在14.7:1附近时的输出电压会发生突变，借助氧化错这一特质，通过监测输出电压的变化来判断发动机尾气中氧气的浓度是过浓还是过稀。当浓度大于理论空燃比（即过浓）时，输出电压小于1V；过稀时，输出电压大于0。氧传感器只能检测混合汽的稀浓状态，而无法检测具体的数值，也就是只能用于定性检测，而无法做定量检测，因此在欧4及以后的车型上，将氧传感器作为主传感器的越来越少，只作为副传感器，用来辅助主氧传感器检测三元催化器的转换效率。
    与以理论空燃比为界限有电压突变输出稀或浓信号的氧传感器相比，空燃比传感器（A/F传感器）有着与空燃比成比例的线性输出特性，发动机电脑可以更快更详细地控制空燃比。在A/F传感器的两个端子间施加了约0.4V的电压，AF+:3.3V、AF-: 2.9V。在产生电动势时，为了使电流从AF一侧流向AF＋侧，氧化错元素会以串联方式与电路连接。发动机电脑根据因电动势大小而变化的AF＋侧电流的方向与大小，检测出空燃比。

    理论空燃比时，在电动势小于约0.4V的情况下AF＋侧端子与AF－侧端子的电压相等，因此电流不会流向任何一侧。过浓时，在电动势大于约0.4V的情况下，AF－侧的电压比较高，因此从AF－侧流向AF＋侧的电流与电压差成比例。过稀时，在电动势小于约0.4V的情况下，AF＋侧的电压比较高，因此从AF＋侧流向AF－侧的电流与电压成比例。所以空燃比传感器的输出电压与空燃比的大小成正比。由图1可知，空燃比小于14.7混合汽过浓时，传感器输出较小的电压（小于3.3V）；空燃比大于14.7混合汽过稀时，传感器输出较大电压（大于3.3V）。

    综上可见，氧传感器只能针对理论空燃比检测出混合汽稀或浓，空燃比传感器有着与空燃比成比例的特性，可以更详细地检测空燃比，而且在控制速度上，空燃比传感器在检测到理论空燃比发生偏差时可及时给予修正，氧传感器只可以针对理论空燃比检测出浓或稀，与空燃比传感器相比补偿时间过长。所以目前随着尾气排放标准的不断提高，几乎所有车型的空燃比传感器都被作为主氧传感器使用。

    2．工作温度
    无论是空燃比传感器，还是氧传感器都需要在高温下才能正常工作，但他们的工作温度不尽相同。氧传感器的工作温度为400～550℃，空燃比传感器的工作温度为750℃左右。为了迅速达到工作温度单靠发动机的排气热量来加热传感器是远远不够的，因此设计了传感器的加热器。加热器能够在短时间内将传感器加热到目标工作温度。从加热器的电阻来看，氧传感器的加热电阻值常温下为12Ω左右，空燃比传感器的加热电阻值为1～3Ω左右，可见空燃比传感器的加热电流更大，升温更快，更适合冷车时对排放的监测与控制。

    三、空燃比反馈控制
    由于受使用条件、燃油质量、零部件寿命和隐性故障的限制，单靠喷油器来控制燃油喷射量很难满足尾气排放要求。为了减少污染，必须加入空燃比的反馈，以形成闭环控制，让燃油喷身寸量更加精准。
    1．空燃比控制方式和数据含义
    在发动机空燃比闭环控制中，空燃比传感器将实际的尾气空燃比发送给发动机电脑，电脑将这一数值与理论空燃比进行比较，然后对喷油器的喷油量（喷射时间）加以改变，这一变化量与计算的燃油喷射量的比值就是燃油修正值，以％数为单位。如果检测尾气为浓，电脑就要减少喷油量（缩短喷油时间），修正值为负数；如果尾气为稀，电脑就要增加喷油量（延长喷油时间），修正值为正数。对于一列汽缸或是一组空燃比传感器来说，燃油的修正值有两个，分别是空燃比反馈值（也叫短期燃油修正S FT）和空燃比学习值（也叫长期燃油修正LFT）。这两部分修正值相加得出的就是总体修正值。
    2．长期燃油修正与短期燃油修正
    空燃比反馈控制能够将实际空燃比控制在理论空燃比附近，但实际上由于路况，如高速、坡道、山路、高原等瞬息万变，因此对理论空燃比的追随性会变差。此外，随着车辆使用年限的增加，喷油嘴的喷油量会减小，轻负荷与高负荷的修正值与理论值的差异会出现变大的趋势，导致系统对理论空燃比的追随性更差。因此，有必要实施空燃比学习控制，将发动机各种负荷下的空燃比反馈修正状态作为空燃比的学习值进行学习，并反映到燃油喷射量上。这就是长期和短期燃油修正的设计意义。正常情况，短期燃油修正在稳定工况下在－2％～＋2％之间变化，在一定条件下如果实际空燃比与理论相差很大（短期燃油修正值范围超过±2%），一定时间后偏差值会被学习到长期燃油修正中，作为学习值被记忆，短期燃油修正范围重新回到－2％～＋2％范围内。空燃比学习的条件包括：
    （1）系统正常，未设置故障码；
    （2）发动机工作温度在70℃以上；
    （3）发动机启动后的空气吸入量的累计值在规定值以上，也就是发动机进、排气系统未出现堵塞；
    （4）发动机转速不能过低；
    （5）反馈周期稳定；
    （6）总体修正值的绝对值不小于2%。

    四、怠速空燃比反馈值范围与发动机状态
    在这些条件均满足后，发动机正式进入闭环控制阶段。此时我们就可以根据长、短期修正值来判断发动机的工作状态，并且可以通过分析来锁定一些常见故障。在分析发动机故障时我们应该了解，发动机怠速稳定时修正值的变化范围是如何受发动机工作状态影响的。
    图2中，短期修正在绿色区域为正常，也就是“6”代表的区域，一般来说长期和短期修正的叠加值在±15％以内。如果处于“5”代表的黄色区域，则有可能是发动机存在故障，如发动机转速不稳。从数值看，长短期修正叠加在＋15％～＋35％之间和－15%～－35％之间，或者单独的短期修正在＋15％～＋20％之间和－15%～－20％之间，在这两个区域内发动机的尾气可以被修正补偿到合格范围内。此时，如果进行尾气检测，一般会合格，发动机抖动的原因只能通过数据分析才能查明。

    如果短期燃油修正值超过图2所示的“1”线，即小于－20%，说明由于混合汽过浓引起发动机工作失火；如果短期燃油修正超过图2所示的“2”线，即大于＋20%，说明混合汽过稀引起发动机工作失火。
    如果短期燃油修正值在图2所示“3”区域（-35%-r-60%）或在“4”区域（+35％～＋60%），说明发动机的反馈控制已经无法修正混合汽的状态，此时发动机会激活故障码P0172（混合汽过浓）或故障码（P0171），同时发动机故障指示灯点亮。

    五、利用动态数据变化分析典型故障
    了解了怠速时燃油修正与发动机状态的关系，我们就可以通过一些辅助数据和改变发动机的转速和负荷来诊断一些发动机故障。
1．进气管漏气
    进气管漏气其实就是有一部分没有被空气流量计检测到的空气进入了进气道，实际上发动机喷油量不足，燃油修正值为正，通常在＋20％以上（修正值会随漏气量的变化而变动），而且通常会导致发动机抖动。此时，如果将发动机转速提高并保持在2000r/min以上，长短期燃油修正值将趋于正常（+15％以下）。因为发动机转速提高后，节气门开度变大，进气管真空变小，未被检测的空气与流量计可检测到的空气的比例明显缩小，对发动机状态的影响明显减小。因此，进气管漏气只会引起怠速不稳，而不会影响汽车的加速性能。
    图3所示红色曲线为发动机转速、蓝色为短期修正值、绿色为长期修正值。发动机怠速时，短期修正值为＋19％左右，长期修正值为＋9%，并且在不断上涨，但是在发动机转速达到3 500r/min左右时，长短修正叠加在±2％之间，趋于正常。遇到这种情况，对讲气系统进行检查，一般即可顺利找到故障原因。

    2.燃油压力不足
    与进气管漏气时发动机怠速时的表现一样，燃油压力不足也会使混合汽过稀，修正值正向偏离。此时如果提高发动机转速，进气量突然增大，由于燃油压力低，喷油量会减少，高速时的混合汽浓度将更低，从数据上看正向修正趋势比怠速时更大（图4）。

    图4中，红色曲线为短期修正、蓝色曲线为长期修正、绿色曲线为发动机转速。怠速时，长期燃油修正值为＋20%、短期燃油修正值为0，说明虽然混合汽偏稀但可以修正到正常范围；加速时，长期燃油修正达到＋45％左右，这是典型的燃油供给不足引发的燃油修正数据变化。遇到这种情况，检查燃油系统油压、测试喷油嘴的喷油量，一般就可找到故障点。

    3．空气流量计失准
    空气流量计失准有两种情况：测量值偏大，造成混合汽浓；测量值偏小，造成混合汽稀。无论是测量值偏大还是偏小，都会导致发动机在怠速和高速时，燃油修正值异常，且对怠速和加速过程均有比较明显的影响。
    如图5所示就是空气流量计测量数值偏大时的燃油修正值与发动机转速之间的关系。不管发动机转速如何变化，混合汽均过浓，就像在正常数据中叠加了一个常数。遇到这种情况，一般需要借助其他状态下的数据进行综合分析。最有效诊断方法是做空气流量计的无风测试，即：在发动机停机后读取空气流量计的静态数据。正常情况下，静态测试数值为0.14～0.18g/s，如果过大或过小，则说明空气流量信号存在偏差。

    图6显示的就是热线型空气流量计的热线电阻被异物缠缚，这些异物有很多枝权，增大了热线电阻的散热面积，使其测量值较正常值大，静态测试值达到了0.3g/s，使得所有工况下的燃油修正值均为负。如果热线电阻被油泥类的异物覆盖，则会减少热线电阻的散热量，使其测量值偏小，造成混合汽过稀，使得燃油修正值为正。

 

    六、故障实例分析
    下面通过两个故障实例，具体说明空燃比反馈控制在故障诊断中的应用。
    1 丰田RAV4低速行驶或怠速时熄火
    一辆丰田RAV4因事故翻车，修复后在试车途中发现，当车速低于20km/h行驶或怠速等红灯时，发动机会自动熄火，再次进行点火操作，发动机能正常启动。
    接到车后对故障现象进行确认，情况属实。连接专用诊断仪，相关系统内未存储故障代码。在试车途中，加速及高速行驶状态下一切正常，但是一旦堵车或停车，发动机就会出现抖动，严重时发动机会自动熄火。
    根据观察，该车在冷车时不会出现类似情况，只有热车后才会发生此类故障。常见的发动机自动熄火多是积碳引起怠速失调所致，但考虑到故障车的行驶里程很短，且进行了相关检查，首先排除发动机积碳因素。怠速时读取发动机的数据，发现混合汽呈现很浓的趋势，直至灭车，但是高速时正常。
    导致混合汽过浓的可能原因有：喷油嘴滴漏、水温传感器信号失真、空气流量计信号失真和空燃比传感器信号错误等。据此检查：喷油嘴无滴漏；水温传感器信号未见异常；空气流量计动态和静态数值均正常、且电热丝没有异物附着；空燃比传感器信号可以真实地反映尾气浓度变化，且主动测试结果也正常。至此常规的疑点已经确认完毕，均未发现异常。
    查看数据流（图7）发现，在发动机熄灭前，燃油修正值达到－40％以上；高速时燃油修正值在±5％之间，属于正常。由于之前已确认进气流量数据正常，因此可以基本判定发动机在低速时有额外的汽油蒸汽进入汽缸参与燃烧。接着，又对PCV阀进行检测，也未发现异常，其关闭和开启动作均正常。

    重新梳理故障车的故障特点：冷车正常，故障只出现在热车状态；高速正常，故障只出现在发动机怠速和低速行驶时；数据流显示混合汽过浓导致发动机熄火。由于热车后，发动机怠速或低速行驶时会导致混合汽过浓的只有EVAP系统，且通过观察EVAP系统数据（图8），发现每次发动机熄火都与EVAP系统动作有关。一旦EVAP系统开始工作，混合汽就会迅速变浓。在主动测试过程中，如果强制EVAP电磁阀启动时，发动机就会立即熄火；如果强制保持EVAP电磁阀不启动，则发动机从未出现熄火现象。于是，笔者尝试着将EVAP电磁阀的管路堵死后试车，故障现象彻底消失。

    至此，故障点已明确：EVAP系统及相关管路。检查EVAP系统管路，当拔下炭罐到发动机舱这段管路时，流出了大量汽油。由此可见发动机熄火是由EVAP系统溢油引起的。但溢油从何而来？考虑到此车为事故车，接下来又检查了油箱，发现油箱底部有拖伤痕迹，且位置正好在汽油滤清器附近。另外，该车碳灌与汽油滤清器集成在一起，很可能是炭罐和汽油滤清器同时受到损伤。拆下汽油滤清器后发现，由于外力作用，炭罐已经严重破损，汽油直接进入了回收管路。
    更换炭罐和汽油滤清器后，该车故障被彻底排除。

    2．柯斯达发动机怠速不稳
    一辆上牌已3年的丰田柯斯达，只行驶了8 695km。平时车辆放置车库中，只有执行任务或领导出行才用车，而且一直在部队内部加油站加油，行驶的路况也都是以高速和环路为主，基本不堵车。最近，该车怠速状态下，发动机转速在600-1100r/min之间来回波动，而且伴随有明显的抖动。
    接车后验证故障现象，能明显感觉到发动机怠速波动（图9），而且很难通过油门将发动机转速稳定在某个点，但在加速和减速过程中发动机运转平稳。首先检查发动机内部和节气门处，未发现明显积碳，连接专用诊断电脑，未发现任何故障代码，且通过发动机数据流检查发动机温度，也未见异常。

    通过查看数据流，发现故障车的短时修正值在±20％之间反复跳动（图10），而且能明显感觉到是发动机空燃比波动引发发动机抖动的。进一步观察进气流量传感器数据流（图11)，该值在6.5～7.2gm/s之间变化，根据经验这种变化一般不会造成空燃比传感器和修正值如此剧烈的变化。最后，再查看空燃比传感器数据流（图12），发现其数值在0.1～4.89V之间快速变化，几乎是在极浓和极稀间快速切换。





    根据经验可判断空气流量计的波动不会造成发动机转速和空燃比传感器信号的大幅波动，另外，空气流量计数据为被动数据，其波动是由发动机转速改变所引起的，因此，基本可排除空气流量计的问题。从空燃比传感器的波动范围和波动频率看，再强烈的空燃比变化也不会引起空燃比信号如此剧烈的波动，且氧传感器信号波动却不大。接入尾气分析仪检查故障车尾气的变化，浓稀也没有这么大幅度变化。由此可见：空燃比传感器自身出现问题的概率比较大。拔下空燃比传感器插头，让发动机进入开环控制模式，发动机恢复正常，怠速波动故障消失。更换空燃比传感器后，相关各项数据恢复正常，且该车故障被彻底排除。
 

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