豐田汽車發(fā)動機空燃比反饋控制原理及典型故障診斷技巧

◆文/北京 章霆

隨著汽車技術的日新月異，發(fā)動機的控制技術也在不斷完善，尤其在環(huán)保形勢日趨嚴峻的現(xiàn)在,發(fā)動機的排氣控制技術更是被各大汽車生產(chǎn)廠家重視，目前每一項發(fā)動機技術的更新，比如氣門開閉正時控制、斷缸控制、汽油蒸發(fā)控制、二次空氣噴射、混合動力技術、直噴技術等等都會或多或少對尾氣排放的程度有所改善。

目前我國的機動車使用環(huán)境相對歐美、日本要惡劣，尤其是可吸入顆粒物對空氣的污染更為嚴重，再加上我國的總體燃油雜志相對比較多，造成了在用機動車發(fā)動機的故障發(fā)生較歐美國家頻繁。發(fā)動機的故障和使用環(huán)境又是相互關聯(lián)一損俱損的。比如：尾氣惡化、發(fā)動機抖動、加速無力、油耗增加、啟動困難等等，這些現(xiàn)象不是很明顯，因為這些問題沒有故障燈或特別明顯的現(xiàn)象讓駕駛員感知故障的存在。這樣不但對發(fā)動機排放又很大影響導致空氣污染，而且此類故障會不斷惡化，等到出現(xiàn)硬性故障后用戶的維修成本會比早期處理更高，對于忠實用戶來說出現(xiàn)故障后又會對店里的服務能力產(chǎn)生懷疑。

作為汽車服務行業(yè)的技術人員，應對車輛發(fā)動機的技術狀況要更為重視，并且能夠熟練掌握故障的分析和解決方法，特別是發(fā)動機的軟故障，把故障隱患早期發(fā)現(xiàn)并解決才是當今汽車維修技術人員應具備的素質(zhì)。

目前，在診斷汽車故障時，多數(shù)是根據(jù)現(xiàn)象拆檢零部件查找故障點，很少是通過分析發(fā)動機數(shù)據(jù)流來診斷故障。其實，通過分析數(shù)據(jù)流，不僅可以快速準確地診斷故障，而且還可以準確把握相關部件的工作狀態(tài)和健康程度，這對于故障的早期發(fā)現(xiàn)和預防、節(jié)約維護成本十分有利。

一、發(fā)動機反饋控制的目的和原理

從理論上講，汽油發(fā)動機尾氣排氣成分主要有碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氮氧化合物(NOx)4種成分組成，其中有害物質(zhì)主要有碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)。通過三元催化的氧化還原反應后，碳氫化合物變成水和二氧化碳，一氧化碳變成二氧化碳和氮。為了更好地達到氧化還原效果，需要汽油與空氣完全燃燒，且沒有殘留氧氣的理論空燃比為14.7∶1。利用空燃比反饋就是要將這一比例無限精確，才能保證三元催化轉化器的轉化效率最高。

發(fā)動機工作時，首先由空氣流量計測量吸入發(fā)動機內(nèi)部空氣的質(zhì)量，并傳輸給發(fā)動機電腦，電腦將與進氣量相符的燃油噴射量信號加以各種修正控制噴油嘴噴油量參與燃燒。燃燒結束后空燃比傳感器和氧傳感器檢測空燃比濃度，反饋給電腦后由發(fā)動機電腦進行空燃比的修正，不斷地實時監(jiān)控循環(huán)修正，確保將尾氣中有害氣體的排放量降到最低。

二、空燃比傳感器與氧傳感器的區(qū)別

1.結構和用途

氧傳感器的構造是在試管狀的氧化鋯內(nèi)外側涂有白金，內(nèi)部直通大氣，外表面與發(fā)動機尾氣直接接觸。在高溫情況下,氧化鋯內(nèi)外兩側濃度在14.7∶1附近時的輸出電壓會發(fā)生突變，借助氧化鋯這一特質(zhì)，通過監(jiān)測輸出電壓的變化來判斷發(fā)動機尾氣中氧氣的濃度是過濃還是過稀。當濃度大于理論空燃比(即過濃)時，輸出電壓小于1V；過稀時，輸出電壓大于0。氧傳感器只能檢測混合汽的稀濃狀態(tài)，而無法檢測具體的數(shù)值，也就是只能用于定性檢測，而無法做定量檢測，因此在歐4及以后的車型上，將氧傳感器作為主傳感器的越來越少，只作為副傳感器，用來輔助主氧傳感器檢測三元催化器的轉換效率。

與以理論空燃比為界限有電壓突變輸出稀或濃信號的氧傳感器相比，空燃比傳感器(A/F傳感器)有著與空燃比成比例的線性輸出特性，發(fā)動機電腦可以更快更詳細地控制空燃比。在A/F傳感器的兩個端子間施加了約0.4V的電壓，AF+：3.3V、AF-：2.9V。在產(chǎn)生電動勢時，為了使電流從AF-側流向AF+側，氧化鋯元素會以串聯(lián)方式與電路連接。發(fā)動機電腦根據(jù)因電動勢大小而變化的AF+側電流的方向與大小，檢測出空燃比。

理論空燃比時，在電動勢小于約0.4V的情況下AF+側端子與AF-側端子的電壓相等，因此電流不會流向任何一側。過濃時，在電動勢大于約0.4V的情況下，AF-側的電壓比較高，因此從AF-側流向AF+側的電流與電壓差成比例。過稀時，在電動勢小于約0.4V的情況下，AF+側的電壓比較高，因此從AF+側流向AF-側的電流與電壓成比例。所以空燃比傳感器的輸出電壓與空燃比的大小成正比。由圖1可知，空燃比小于14.7混合汽過濃時，傳感器輸出較小的電壓(小于3.3V)；空燃比大于14.7混合汽過稀時，傳感器輸出較大電壓(大于3.3V)。

圖1 空燃比與傳感器輸出電壓、電流之間的關系

綜上可見，氧傳感器只能針對理論空燃比檢測出混合汽稀或濃，空燃比傳感器有著與空燃比成比例的特性，可以更詳細地檢測空燃比，而且在控制速度上，空燃比傳感器在檢測到理論空燃比發(fā)生偏差時可及時給予修正，氧傳感器只可以針對理論空燃比檢測出濃或稀，與空燃比傳感器相比補償時間過長。所以目前隨著尾氣排放標準的不斷提高，幾乎所有車型的空燃比傳感器都被作為主氧傳感器使用。

2.工作溫度

無論是空燃比傳感器，還是氧傳感器都需要在高溫下才能正常工作，但他們的工作溫度不盡相同。氧傳感器的工作溫度為400～550℃，空燃比傳感器的工作溫度為750℃左右。為了迅速達到工作溫度單靠發(fā)動機的排氣熱量來加熱傳感器是遠遠不夠的，因此設計了傳感器的加熱器。加熱器能夠在短時間內(nèi)將傳感器加熱到目標工作溫度。從加熱器的電阻來看，氧傳感器的加熱電阻值常溫下為12Ω左右，空燃比傳感器的加熱電阻值為1～3Ω左右，可見空燃比傳感器的加熱電流更大，升溫更快，更適合冷車時對排放的監(jiān)測與控制。

三、空燃比反饋控制

由于受使用條件、燃油質(zhì)量、零部件壽命和隱性故障的限制，單靠噴油器來控制燃油噴射量很難滿足尾氣排放要求。為了減少污染，必須加入空燃比的反饋，以形成閉環(huán)控制，讓燃油噴射量更加精準。

1.空燃比控制方式和數(shù)據(jù)含義

在發(fā)動機空燃比閉環(huán)控制中，空燃比傳感器將實際的尾氣空燃比發(fā)送給發(fā)動機電腦，電腦將這一數(shù)值與理論空燃比進行比較，然后對噴油器的噴油量(噴射時間)加以改變，這一變化量與計算的燃油噴射量的比值就是燃油修正值，以%數(shù)為單位。如果檢測尾氣為濃，電腦就要減少噴油量(縮短噴油時間)，修正值為負數(shù)；如果尾氣為稀，電腦就要增加噴油量(延長噴油時間)，修正值為正數(shù)。對于一列汽缸或是一組空燃比傳感器來說，燃油的修正值有兩個，分別是空燃比反饋值(也叫短期燃油修正SFT)和空燃比學習值(也叫長期燃油修正LFT)。這兩部分修正值相加得出的就是總體修正值。

2.長期燃油修正與短期燃油修正

空燃比反饋控制能夠將實際空燃比控制在理論空燃比附近，但實際上由于路況，如高速、坡道、山路、高原等瞬息萬變，因此對理論空燃比的追隨性會變差。此外，隨著車輛使用年限的增加，噴油嘴的噴油量會減小，輕負荷與高負荷的修正值與理論值的差異會出現(xiàn)變大的趨勢，導致系統(tǒng)對理論空燃比的追隨性更差。因此，有必要實施空燃比學習控制，將發(fā)動機各種負荷下的空燃比反饋修正狀態(tài)作為空燃比的學習值進行學習，并反映到燃油噴射量上。這就是長期和短期燃油修正的設計意義。正常情況，短期燃油修正在穩(wěn)定工況下在-2%～+2%之間變化，在一定條件下如果實際空燃比與理論相差很大(短期燃油修正值范圍超過±2%)，一定時間后偏差值會被學習到長期燃油修正中，作為學習值被記憶，短期燃油修正范圍重新回到-2%～+2%范圍內(nèi)?？杖急葘W習的條件包括：

(1)系統(tǒng)正常，未設置故障碼；

(2)發(fā)動機工作溫度在70℃以上；

(3)發(fā)動機啟動后的空氣吸入量的累計值在規(guī)定值以上，也就是發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)未出現(xiàn)堵塞；

(4)發(fā)動機轉速不能過低；

(5)反饋周期穩(wěn)定；

(6)總體修正值的絕對值不小于2%。

四、怠速空燃比反饋值范圍與發(fā)動機狀態(tài)

在這些條件均滿足后,發(fā)動機正式進入閉環(huán)控制階段。此時我們就可以根據(jù)長、短期修正值來判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)，并且可以通過分析來鎖定一些常見故障。在分析發(fā)動機故障時我們應該了解，發(fā)動機怠速穩(wěn)定時修正值的變化范圍是如何受發(fā)動機工作狀態(tài)影響的。

圖2中，短期修正在綠色區(qū)域為正常，也就是“6”代表的區(qū)域，一般來說長期和短期修正的疊加值在±15%以內(nèi)。如果處于“5”代表的黃色區(qū)域，則有可能是發(fā)動機存在故障，如發(fā)動機轉速不穩(wěn)。從數(shù)值看，長短期修正疊加在+15%～+35%之間和-15%～-35% 之間，或者單獨的短期修正在+15%～+20%之間和-15%～-20%之間，在這兩個區(qū)域內(nèi)發(fā)動機的尾氣可以被修正補償?shù)胶细穹秶鷥?nèi)。此時，如果進行尾氣檢測，一般會合格，發(fā)動機抖動的原因只能通過數(shù)據(jù)分析才能查明。

圖2 長期和短期燃油修正范圍示意圖

如果短期燃油修正值超過圖2所示的“1”線，即小于-20%，說明由于混合汽過濃引起發(fā)動機工作失火；如果短期燃油修正超過圖2所示的“2”線，即大于+20%，說明混合汽過稀引起發(fā)動機工作失火。

如果短期燃油修正值在圖2所示“3”區(qū)域(-35%～-60%)或在“4”區(qū)域(+35%～+60%)，說明發(fā)動機的反饋控制已經(jīng)無法修正混合汽的狀態(tài)，此時發(fā)動機會激活故障碼P0172(混合汽過濃)或故障碼(P0171)，同時發(fā)動機故障指示燈點亮。

五、利用動態(tài)數(shù)據(jù)變化分析典型故障

了解了怠速時燃油修正與發(fā)動機狀態(tài)的關系，我們就可以通過一些輔助數(shù)據(jù)和改變發(fā)動機的轉速和負荷來診斷一些發(fā)動機故障。

1.進氣管漏氣

進氣管漏氣其實就是有一部分沒有被空氣流量計檢測到的空氣進入了進氣道，實際上發(fā)動機噴油量不足，燃油修正值為正，通常在+20%以上(修正值會隨漏氣量的變化而變動)，而且通常會導致發(fā)動機抖動。此時，如果將發(fā)動機轉速提高并保持在2 000r/min以上，長短期燃油修正值將趨于正常(+15%以下)。因為發(fā)動機轉速提高后，節(jié)氣門開度變大，進氣管真空變小，未被檢測的空氣與流量計可檢測到的空氣的比例明顯縮小，對發(fā)動機狀態(tài)的影響明顯減小。因此，進氣管漏氣只會引起怠速不穩(wěn)，而不會影響汽車的加速性能。

圖3所示紅色曲線為發(fā)動機轉速、藍色為短期修正值、綠色為長期修正值。發(fā)動機怠速時，短期修正值為+19%左右，長期修正值為+9%，并且在不斷上漲，但是在發(fā)動機轉速達到3 500r/min左右時，長短修正疊加在±2%之間，趨于正常。遇到這種情況，對進氣系統(tǒng)進行檢查，一般即可順利找到故障原因。

圖3 進氣管漏氣時發(fā)動機轉速與長短期修正的關系

2.燃油壓力不足

與進氣管漏氣時發(fā)動機怠速時的表現(xiàn)一樣，燃油壓力不足也會使混合汽過稀，修正值正向偏離。此時如果提高發(fā)動機轉速，進氣量突然增大，由于燃油壓力低，噴油量會減少，高速時的混合汽濃度將更低，從數(shù)據(jù)上看正向修正趨勢比怠速時更大(圖4)。

圖4中，紅色曲線為短期修正、藍色曲線為長期修正、綠色曲線為發(fā)動機轉速。怠速時，長期燃油修正值為+20%，短期燃油修正值為0，說明雖然混合汽偏稀但可以修正到正常范圍；加速時，長期燃油修正達到+45%左右，這是典型的燃油供給不足引發(fā)的燃油修正數(shù)據(jù)變化。遇到這種情況，檢查燃油系統(tǒng)油壓、測試噴油嘴的噴油量，一般就可找到故障點。

圖4 燃油壓力不足時發(fā)動機轉速與長短期修正的關系

3.空氣流量計失準

空氣流量計失準有兩種情況：測量值偏大，造成混合汽濃；測量值偏小，造成混合汽稀。無論是測量值偏大還是偏小，都會導致發(fā)動機在怠速和高速時，燃油修正值異常，且對怠速和加速過程均有比較明顯的影響。

如圖5所示就是空氣流量計測量數(shù)值偏大時的燃油修正值與發(fā)動機轉速之間的關系。不管發(fā)動機轉速如何變化，混合汽均過濃，就像在正常數(shù)據(jù)中疊加了一個常數(shù)。遇到這種情況，一般需要借助其他狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行綜合分析。最有效診斷方法是做空氣流量計的無風測試，即：在發(fā)動機停機后讀取空氣流量計的靜態(tài)數(shù)據(jù)。正常情況下，靜態(tài)測試數(shù)值為0.14～0.18g/s,如果過大或過小，則說明空氣流量信號存在偏差。

圖5 空氣流量計測量值偏大時發(fā)動機轉速與長短期修正的關系

圖6 顯示的就是熱線型空氣流量計的熱線電阻被異物纏縛，這些異物有很多枝杈，增大了熱線電阻的散熱面積，使其測量值較正常值大，靜態(tài)測試值達到了0.3g/s，使得所有工況下的燃油修正值均為負。如果熱線電阻被油泥類的異物覆蓋，則會減少熱線電阻的散熱量，使其測量值偏小，造成混合汽過稀，使得燃油修正值為正。

圖6 空氣流量計熱線電阻被異物纏縛

六、故障實例分析

下面通過兩個故障實例，具體說明空燃比反饋控制在故障診斷中的應用。

1.豐田RAV4低速行駛或怠速時熄火

一輛豐田RAV4因事故翻車，修復后在試車途中發(fā)現(xiàn)，當車速低于20km/h行駛或怠速等紅燈時，發(fā)動機會自動熄火，再次進行點火操作，發(fā)動機能正常啟動。

接到車后對故障現(xiàn)象進行確認，情況屬實。連接專用診斷儀，相關系統(tǒng)內(nèi)未存儲故障代碼。在試車途中，加速及高速行駛狀態(tài)下一切正常，但是一旦堵車或停車，發(fā)動機就會出現(xiàn)抖動，嚴重時發(fā)動機會自動熄火。

根據(jù)觀察，該車在冷車時不會出現(xiàn)類似情況，只有熱車后才會發(fā)生此類故障。常見的發(fā)動機自動熄火多是積碳引起怠速失調(diào)所致，但考慮到故障車的行駛里程很短，且進行了相關檢查，首先排除發(fā)動機積碳因素。怠速時讀取發(fā)動機的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)混合汽呈現(xiàn)很濃的趨勢，直至滅車，但是高速時正常。

導致混合汽過濃的可能原因有：噴油嘴滴漏、水溫傳感器信號失真、空氣流量計信號失真和空燃比傳感器信號錯誤等。據(jù)此檢查：噴油嘴無滴漏；水溫傳感器信號未見異常；空氣流量計動態(tài)和靜態(tài)數(shù)值均正常、且電熱絲沒有異物附著；空燃比傳感器信號可以真實地反映尾氣濃度變化，且主動測試結果也正常。至此常規(guī)的疑點已經(jīng)確認完畢，均未發(fā)現(xiàn)異常。

查看數(shù)據(jù)流(圖7)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機熄滅前，燃油修正值達到-40%以上；高速時燃油修正值在±5%之間，屬于正常。由于之前已確認進氣流量數(shù)據(jù)正常，因此可以基本判定發(fā)動機在低速時有額外的汽油蒸汽進入汽缸參與燃燒。接著，又對PCV閥進行檢測，也未發(fā)現(xiàn)異常，其關閉和開啟動作均正常。

圖7 RAV4故障車燃油修正數(shù)據(jù)流

重新梳理故障車的故障特點：冷車正常，故障只出現(xiàn)在熱車狀態(tài)；高速正常，故障只出現(xiàn)在發(fā)動機怠速和低速行駛時；數(shù)據(jù)流顯示混合汽過濃導致發(fā)動機熄火。由于熱車后，發(fā)動機怠速或低速行駛時會導致混合汽過濃的只有EVAP系統(tǒng)，且通過觀察EVAP系統(tǒng)數(shù)據(jù)(圖8)，發(fā)現(xiàn)每次發(fā)動機熄火都與EVAP系統(tǒng)動作有關。一旦EVAP系統(tǒng)開始工作，混合汽就會迅速變濃。在主動測試過程中，如果強制EVAP電磁閥啟動時，發(fā)動機就會立即熄火；如果強制保持EVAP電磁閥不啟動，則發(fā)動機從未出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。于是，筆者嘗試著將EVAP電磁閥的管路堵死后試車，故障現(xiàn)象徹底消失。

至此，故障點已明確：EVAP系統(tǒng)及相關管路。檢查EVAP系統(tǒng)管路，當拔下炭罐到發(fā)動機艙這段管路時，流出了大量汽油。由此可見發(fā)動機熄火是由EVAP系統(tǒng)溢油引起的。但溢油從何而來？考慮到此車為事故車，接下來又檢查了油箱，發(fā)現(xiàn)油箱底部有拖傷痕跡，且位置正好在汽油濾清器附近。另外，該車碳灌與汽油濾清器集成在一起，很可能是炭罐和汽油濾清器同時受到損傷。拆下汽油濾清器后發(fā)現(xiàn)，由于外力作用，炭罐已經(jīng)嚴重破損，汽油直接進入了回收管路。

更換炭罐和汽油濾清器后，該車故障被徹底排除。

圖8 RAV4故障車EVAP系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

2.柯斯達發(fā)動機怠速不穩(wěn)

一輛上牌已3年的豐田柯斯達，只行駛了8 695km。平時車輛放置車庫中，只有執(zhí)行任務或領導出行才用車，而且一直在部隊內(nèi)部加油站加油，行駛的路況也都是以高速和環(huán)路為主，基本不堵車。最近，該車怠速狀態(tài)下，發(fā)動機轉速在600～1100r/min之間來回波動，而且伴隨有明顯的抖動。

接車后驗證故障現(xiàn)象，能明顯感覺到發(fā)動機怠速波動(圖9)，而且很難通過油門將發(fā)動機轉速穩(wěn)定在某個點，但在加速和減速過程中發(fā)動機運轉平穩(wěn)。首先檢查發(fā)動機內(nèi)部和節(jié)氣門處，未發(fā)現(xiàn)明顯積碳，連接專用診斷電腦，未發(fā)現(xiàn)任何故障代碼，且通過發(fā)動機數(shù)據(jù)流檢查發(fā)動機溫度，也未見異常。

通過查看數(shù)據(jù)流，發(fā)現(xiàn)故障車的短時修正值在±20%之間反復跳動(圖10)，而且能明顯感覺到是發(fā)動機空燃比波動引發(fā)發(fā)動機抖動的。進一步觀察進氣流量傳感器數(shù)據(jù)流(圖11)，該值在6.5～7.2gm/s之間變化，根據(jù)經(jīng)驗這種變化一般不會造成空燃比傳感器和修正值如此劇烈的變化。最后，再查看空燃比傳感器數(shù)據(jù)流(圖12)，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值在0.1～4.89V之間快速變化，幾乎是在極濃和極稀間快速切換。

圖9 柯斯達故障車發(fā)動機怠速波動

圖10 柯斯達故障車燃油修正數(shù)據(jù)流

圖11 柯斯達故障車進氣流量傳感器數(shù)據(jù)流

圖12 柯斯達故障車空燃比傳感器數(shù)據(jù)流

根據(jù)經(jīng)驗可判斷空氣流量計的波動不會造成發(fā)動機轉速和空燃比傳感器信號的大幅波動，另外，空氣流量計數(shù)據(jù)為被動數(shù)據(jù)，其波動是由發(fā)動機轉速改變所引起的，因此，基本可排除空氣流量計的問題。從空燃比傳感器的波動范圍和波動頻率看，再強烈的空燃比變化也不會引起空燃比信號如此劇烈的波動，且氧傳感器信號波動卻不大。接入尾氣分析儀檢查故障車尾氣的變化，濃稀也沒有這么大幅度變化。由此可見：空燃比傳感器自身出現(xiàn)問題的概率比較大。拔下空燃比傳感器插頭，讓發(fā)動機進入開環(huán)控制模式，發(fā)動機恢復正常，怠速波動故障消失。更換空燃比傳感器后，相關各項數(shù)據(jù)恢復正常，且該車故障被徹底排除。