空燃比修正指数在汽车故障诊断中的应用

常州外汽丰田汽车销售服务有限公司（213022） 高惠民

空燃比修正指数在汽车故障诊断中的应用

常州外汽丰田汽车销售服务有限公司（213022） 高惠民

1 概述

一台工作良好的发动机，离不开良好的气缸压缩力、足够的点火能量、正确的点火正时及合理比例的空气与燃油的混合气。先进的发动机管理系统，应使用者对发动机输出转矩和功率的要求，在上述发动机正常工作四要素的基础上，进行了硬件和软件相应程序的设计。以转矩控制为目标策略，通过各种传感器获取加速踏板位移量、发动机转速、气缸充气量、冷却液温度、进气温度、空燃比、车速等信息，计算出发动机实时工况所需要的气缸循环充气量和与之对应的喷油量、最佳点火正时，确定这些参数后，控制电子节气门执行器、喷油器、点火线圈，获得发动机各种负荷工况转矩下的最佳排放和燃油消耗值。然而，再先进的发动机控制策略，都离不开发动机前馈控制（根据发动机工况下的循环空气充量，确定基本喷油量和基本点火提前角）及反馈控制（根据λ传感器信号，进行A/F的修正）的基本原理。本文用丰田皇冠车3GR-FE发动机正常工作的PID（参数识别）数据和出现故障时的PID数据进行对比分析，说明空燃比修正指数在汽车故障诊断中的应用。

2 喷油脉宽与燃油修正指数

图1所示为根据空气流量传感器（AFM）和曲轴位置传感器（CKPS）测量的发动机各工况下气缸循环充气量和转速参数信号绘制的发动机充气量和转速关系。

发动机控制单元按照发动机运行转速，每个气缸循环充气量和目标A/F（14.7∶1），确定了不考虑任何补偿因素在内的基本喷油量，在PID数据中用喷油脉宽表示。发动机每个充气行程中，吸入的空气越多，基本喷油脉宽就越长，喷油量就越多。在发动机工况突变或故障保护模式情况下，发动机控制单元采用程序中喷油脉谱图（充气量和转速的函数）来确定基本喷油量，然后，依据该工况时的冷却液温度、进气温度、系统电压、节气门开度等因素对基本喷油量（喷油脉宽）进行补偿，这种控制方式叫做没有反馈控制的开环控制。但是，为了精确控制发动机各工况下混合气的空燃比（A/F），要求对被控系统能闭环运行，这时，发动机控制单元不只是计算基本喷油量和补偿喷油量，同时也按实际燃烧的结果值，通过λ传感器（A/FS或O2S）的输出信号，实时反馈混合气的空燃比（A/F），并且与目标A/F进行比较，计算、补偿因进气流量传感器测量误差、喷油压力误差、喷油器流量误差和发动机其他原因引起误差的A/F偏离值，随之产生与λ传感器相对应的短效燃油修正指数（Short FT），把A/F修整到目标A/F（14.7：1）附近（图2）。如果此时短效燃油修正指数偏离超过修正范围，发动机控制单元通过自适应学习，会产生一个倍增短效燃油修正量的长效燃油修正指数（Long FT），将短效燃油修正指数改变到接近于0，以保持三元催化转换器的最高转换效率。补偿后的实际喷油量由基本喷油量和各种补偿喷油量组成，其公式如下：

图1 丰田皇冠车3GR-FE发动机充气量与转速的关系

实际喷油=（基本喷油量×冷却液温度修正系数×进气温度修正系数+电压修正系数）×100+[（短效燃油修正指数+长期修正指数）]/100-燃油蒸气净化值；

基本喷油量（ms）=每个气缸循环充气量/目标空燃比（14.7）/喷油器流量。

为进一步理解上述原理、计算公式的运用，图3所示为实测的3GR-FE发动机在转速为1 263 r/min、负荷为30%时计算的喷油量（喷油脉宽）。

3 发动机闭环运行中混合气变稀结果的分析

表1～表4例举了3GR-FE发动机正常工作时，以及真空泄漏、空气流量传感器测量气道被异物遮挡引起测量信号偏小和燃油压力降低时的PID数值。这3类故障都会造成混合气变稀的结果，我们可以从PID数据中喷油脉宽和燃油修正指数来分析判断。

（1）在表2～表4第8栏中，表示出了故障检测仪读到的实际喷油脉宽与理论计算得到的喷油脉宽的差值率。这个较大的差值说明，由于发动机存在故障，A/F传感器输出电压大于3.29 V的目标A/F传感器电压，混合气都有过稀的趋势，而且短效燃油修正指数超出15%的正常范围，发动机控制单元瞬时来不及对喷油脉宽进行加浓补偿，以达到工况所需的喷油量。所以发动机运行中，会感到怠速抖动（真空泄漏），加速无力（空气流量传感器测量值偏小，燃油压力降）的故障症状。

（2）图4所示为燃油修正指数曲线状态在4例故障中的差异。

1）发动机怠速时，节气门开度较小，进气歧管内绝对压

图2 λ传感器（O2S）浓/稀信号与短效燃油修正指数控制曲线

图3 丰田3GR-FE发动机在转速为1 263 r/min、负荷为30%时计算的喷油量

发动机ECU

总燃油修正指数-0.1%

喷油量=基本喷油量

（3.66 ms）+修正喷油量（0.56 ms）=4.22 ms充气量11.59 g/s

A/F电压3.27 V空气流量计（AFM）

A/F传感器喷油器力低（真空度高）。这时，如果有一部分空气未被空气流量传感器检测到，直接从节气门后方被吸到进气歧管内，而发动机控制单元还是以空气流量传感器检测到的充气量来计算基本喷油量，就会造成混合气过稀，短效燃油修正指数增大。但是，随着节气门开度加大，节气门前、后方充气压力趋于相等，空气流量传感器逐步检测到的是吸入进气歧管内的实际循环充气量，发动机控制单元并以此来计算基本喷油量，因此混合气过稀的A/F偏大量会减小，短效燃油修正指数也相应减小。所以，发动机运行时进气漏气（真空泄漏），燃油修正指数曲线随发动机转速增加（负荷加大）呈下降状态。

表1 3GR发动机正常工作的PID数值

表2 3GR发动机真空泄漏故障的PID数值（真空度为50 kPa）

表3 3GR发动机空气流量传感器被异物遮住计量值偏小故障的PID数值

表4 3GR发动机燃油压力降低故障的PID数值（燃油压力为150 kPa）

图4 丰田皇冠车3GR-FE发动机4例故障总燃油修正指数曲线

2）空气流量传感器上检测气道被异物遮挡（如纸片、纤维物等），发动机在运行的全部工况过程内，进气歧管充气量的计量受到限制，检测到的充气量小于实际充气量，因而，发动机减少了基本喷油量，造成混合气的A/F偏大，短效燃油修正指数会立即增大。所以，空气流量传感器被异物遮挡后，燃油修正指数曲线呈水平状态。空气流量传感器检测特性出现偏离的另一种原因是空气流量传感器的检测元件被污染。虽然空气滤清器对进入进气歧管的空气经过过滤，但其中还存在着微观的有相对湿度的尘埃，会积累在空气流量传感器检测元件上。此外，由于发动机在较稀的混合气工况下运行，造成发动机充气气流在进气歧管内逆向流动（俗称“回火”）。逆向流动的气流中含有积炭颗粒，也会粘附在空气流量传感器检测元件上。这些积炭和灰尘污染了空气流量传感器，会使空气流量传感器在怠速时检测的充气量值偏大，而在加速负荷时检测的充气量值偏小，出现图5所示的空气流量传感器被污染，怠速工况呈“负”的燃油修正指数曲线，加速工况呈“正”的较大的燃油修正指数曲线状态。

3）发动机怠速时，气缸循环充气量减少，燃油喷射量只要维持发动机克服本身摩擦力不输出转矩的运转。所以，当燃油压力降低，基本喷油量减少，对混合气的A/F影响较小。但是，随着发动机负荷增加，转速升高，气缸循环充气量加大，发动机控制单元控制喷油器喷油脉宽加长，增加基本喷油量，这时如果燃油压力降低，使喷油器喷射速率降低，发动机输出转矩急剧减小，混合气过稀，A/F变大，燃油修正指数曲线呈迅速上升状态。

综上所述，当发现发动机运行工况变坏时，可以利用故障检测仪录制发动机运行的PID数值，计算、分析喷油脉宽和燃油修正指数变化状态，这对提高发动机故障诊断的准确性及准确确认故障部位具有十分重要的作用，对于提高汽车维修中不解体检测诊断的效率，无疑是行之有效的方法。

图5 丰田皇冠车3GR-FE发动机典型故障的燃油修正指数变化范围

2016-07-04）