2012款雷克萨斯GS350行驶时发动机抖动

◆文/江苏 田锐

故障现象

一辆2012款雷克萨斯 GS350，搭载2GR-FSE型3.5L的D-4S发动机及A760H型6AT自动变速器，行驶里程为104 507km。据车主反映，该车平日多用于市内出行，偶尔会跑高速，近日行驶中出现发动机抖动严重、加速不畅并伴有排气管放炮、尾气重且车辆经短期停放和长期停放后均启动困难(熄火后立即启动正常)等异常情况。另外，组合仪表上有多个故障灯点亮。

故障诊断与排除

接车后启动发动机，以验证故障现象。经检查发现，该车组合仪表上的发动机故障灯、主警告灯均点亮，组合仪表信息显示栏提示“检查PCS系统”(图1)。打开发动机舱盖，发动机在怠速工况下运转不良、抖动严重。尝试在P挡发动机无负载的工况下瞬时急加速，发现发动机加速响应性差，并伴有喘振、排气管放炮、尾气味道过重等异常情况。

图1 故障车组合仪表上的故障报警灯

使用雷克萨斯GTS专用诊断仪对该故障车进行健康检查，发现发动机控制单元中存有三个待定故障码(图2)：P0300-检测到汽缸发生随机/多次缺火；P0301-检测到1号汽缸缺火；P0303-检测到3号汽缸缺火。

图2 故障车发动机控制单元中故障信息

汽缸缺火故障码的诊断控制策略是：当发动机发生缺火时，极高浓度的碳氢化合物(HC)进入废气中会导致废气排放量的增加，也可使三元催化转换器(TWC)的温度升高。为了避免废气排放量的增加以及高温造成的三元催化转换器(TWC)的损坏，ECM将监测发动机的缺火数。当三元催化转换器(TWC)的温度达到热衰退点时，ECM会使MIL闪烁。诊断监视策略是：发动机ECM使用凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器监测缺火情况。凸轮轴位置传感器用于识别缺火的汽缸，而曲轴位置传感器用于测量曲轴转速的变化。通过曲轴位置传感器和凸轮位置传感器，检测每个汽缸压缩上止点附近的发动机角速度的变化，由ECM判断每个汽缸有无缺火。当曲轴转速变化超过预定阈值时，将统计缺火数，如果缺火数超过了阈值并有可能导致排放恶化，ECM将点亮发动机故障灯并设定故障码。对此，有两种诊断判定方法：排放恶化程度缺火检测和三元催化转换器超温缺火检测。

排放恶化程度缺火检测是用来判定发动机每运转1 000r所有汽缸的缺火率。超过排放恶化判断的缺火率(3%以上)出现4次，视为监测到异常的情况下(双逻辑行程检测)，ECM点亮发动机故障灯并设定故障码。该状态下虽然不能净化排放废气，但对三元催化转换器的影响小。

三元催化转换器超温缺火检测是用来判定发动机每运转200r每个汽缸的缺火率。当引起三元催化转换器热劣化的缺火率(72%以上)出现3次，视为监测到发生危险缺火的情况下(双逻辑行程检测)，ECM控制发动机故障灯实时闪烁并设定故障码。该状态下不仅不能净化排放废气，还会影响三元催化转换器。

缺火率是用“缺火次数”除以“点火次数”所得的数值。假设：1号汽缸在发动机运转200r的过程中缺火10次，其缺火率为10%(发动机每运转2r点火1次，运转200r的点火次数为100次，10/100=10%)。

缺火检测极限是当发动机转速变化大并超过缺火检测阈值时，开始统计缺火数。缺火极限是在判定发动机缺火前测量发动机转速变化相对于阈值的增大程度，即：缺火极限=(缺火检测阈值-最大发动机转速变化)/缺火检测阈值×100%。例如：未判定发动机缺火时，缺火极限=68%，判定发动机缺火时，缺火极限=-128%～0%。数值越大表示判定发动机缺火前发动机转速的变化极限越大。

由于故障车上的故障码为待定码，且未存储冻结帧数据，按照免拆诊断、由简入繁的原则，在保证车辆原始故障状态下使用雷克萨斯GTS专用诊断仪，读取车辆发动机系统数据流后再对其进行深入分析。如图3所示，发动机怠速(732r/min)、空气流量计(MAF)数据为4.15mg/s、冷却液温度为85℃的暖机怠速工况下，歧管喷射喷油器(喷油脉宽为2 071µs)与缸内直喷喷油器(喷油脉宽为805µs、喷油正时为进气行程活塞上止点下行曲轴转角33.2°)处于均质燃烧的模式下协同工作。当前高压油轨的目标油压为4MPa，高压油轨的实际油压为3.96MPa，1列1号空燃比传感器信号电压为0(过浓)，1列2号氧传感器信号电压为0.525V，1列空燃比闭环反馈校正为-20.313%(减稀)，1列空燃比自适应学习校正为-15.625%(减稀)，1列燃油总修正值为-20.313%-15.625%=-35.938%(减稀)，2列1号空燃比传感器信号电压为3.337V，2列2号氧传感器信号电压为0.835V，2列空燃比闭环反馈校正为-1.563%，2列空燃比自适应学习校正为-3.907%，2列燃油总修正值为-1.563%-3.907%=-5.47%，1缸在100次点火次数中的缺火次数为88次(缺火率88%)，3缸在100次点火次数中的缺火次数为87次(缺火率87%)，在3 000次点火次数中所有汽缸缺火次数为255次(缺火率8.5%)，缺火检测极限为-50%(判定发动机缺火)。

图3 故障状态下故障车的发动机数据流

对上述发动机数据流进行分析，发现了可疑点：1列1号空燃比传感器信号电压始终显示为0(过浓)，1列空燃比闭环反馈校正及1列空燃比自适应学习校正均长期处于减稀状态。1缸、3缸的缺火率远超排放恶化程度(3%以上)和三元催化转换器超温(72%以上)的限值，由此触发ECM点亮发动机MIL并设定故障码。

结合故障车的症状“尾气重、加速不畅并伴有排气管放炮”，初步推测是由于1列混合汽过浓，导致1列汽缸在燃烧过程中没有适当的氧气提供助燃，待1列混合汽中的氧气消耗殆尽时，剩下的混合汽无法被火花塞点燃，CO、HC的生成量大大增加，进而导致在做功冲程中原本应当爆发出的固有能量被大大削减，从而大大降低了推动活塞下行的驱动力，最终被ECM判定为1缸、3缸缺火。

为了验证上述推测，使用雷克萨斯GTS专用诊断仪对D-4S的空燃比进行主动测试。如图4、5、6、7所示，分别对歧管喷射喷油器和缸内直喷喷油器的喷油脉宽进行加浓(+25%)及减稀(-12.5%)的作动测试。通过测试发现，当执行减稀(-12.5%)作动时，无论歧管喷射模式，还是缸内直喷模式，1列1号空燃比传感器及1列2号氧传感器的信号电压一直处于过浓状态。

图4 歧管喷射模式下的喷油脉宽减稀作动

图5 歧管喷射模式下的喷油脉宽加浓作动

图6 缸内直喷喷射模式下的喷油脉宽减稀作动

图7 缸内直喷喷射模式下的喷油脉宽加浓作动

到底是1列混合汽过浓属实，还是1列前空燃比传感器和后氧传感器的内部故障导致的信号偏差？为了进一步佐证上述推论，拆下6个缸的火花塞进行检查，如图8所示，将拆下且做好各缸标记的火花塞放置一排。检查发现1、3、5缸火花塞的中心电极及接地电极表面呈异常乌黑的燃烧状态，而2、4、6缸火花塞的中心电极及接地电极表面的燃烧状态正常。由此验证了导致1缸、3缸缺火的直接原因是1列混合汽过浓引起的燃烧不良所致，由此也间接排除了1列1号空燃比传感器及1列2号氧传感器的内部故障所引起的信号偏差。这与之前在执行了减稀(-12.5%)作动后，1列混合汽仍然显示过浓的状态相吻合。

图8 故障车上的火花塞

鉴于1列燃油总修正值为-35.938%，分析故障车发动机混合汽过浓的可能原因如表1所示。

表1 故障车发动机混合汽过浓的可能原因

使用雷克萨斯GTS专用诊断仪，并结合维修手册指定工况下对应数据流的正常读取，首先快速排除了MAF传感器和THW传感器的故障。对发动机外部的燃油供给管路进行检查，确认除歧管喷射喷油器及缸内直喷喷油器以外，没有额外的HC流入。对歧管喷射喷油器及缸内直喷喷油器的泄漏进行确认，将燃油压力表串联到低压燃油泵至低压油轨的油路中，原地启动发动机，在P挡、怠速、无负载的工况下多次反复轻踩后松开油门踏板，待怠速稳定后观察燃油压力表，数值显示为400kPa(标准范围为196～588kPa)，由此排除低压燃油泵及压力调节器卡滞的可能性。

使用雷克萨斯GTS专用诊断仪，读取高压油轨中燃油压力目标值及实际值，对照维修手册，确定显示数值均在正常阈值范围后，关闭发动机，并快速将启动按钮置于IG-ON模式，再次使用雷克萨斯GTS专用诊断仪读取此刻高压油轨中燃油压力目标值及实际值(图9)。通过波形可以看出，故障车的高压油轨油压能够保持稳定，由此排除缸内直喷喷油器的泄漏。

图9 高压油轨压力保压测试

最后，在对故障车低压燃油泵至低压油轨的油压及歧管喷射喷油器的泄露进行确认的过程中，笔者发现了端倪。按照维修手册作业标准，在发动机正常熄火后，低压燃油压力须在当前压力下保持5min，并在30min内压力不低于147kPa。然而，在不到5min的时间内，故障车发动机的低压燃油压力就下降至0，结合该车故障症状“经短期停放和长期停放后启动困难(熄火后立即启动正常)”，推测歧管喷射喷油器存在泄露的可能。

为佐证这一推论，将低压油轨连同6个歧管喷射喷油器一并拆下(图10)，经查发现1、3、5缸的歧管喷射喷油器喷油孔存在大量油迹。为使泄漏变得更直观，将做好标记的各缸歧管喷射喷油器重新装复至低压油轨，再将低压油轨的油管连接器接至低压燃油泵油路中。在确保安全的前提下，将启动按钮置于IG-ON模式下，使用雷克萨斯 GTS专用诊断仪对低压燃油泵进行主动测试(图11)发现1、3、5缸的歧管喷射喷油器喷油孔均存在关闭不严、燃油泄露的情况，其中1、5缸的燃油泄露更为严重，与之前1、3、5缸的火花塞表面不良的燃烧状态一一对应。

图10 故障车1、3、5缸歧管喷射喷油器

图11 主动测试低压燃油泵

至此，该车的故障根源已水落石出。发动机1、3、5缸歧管喷射喷油器的针阀关闭不严，引起燃油泄漏是导致1列混合汽始终过浓的罪魁祸首，这也是导致发动机1、3缸缺火的真正元凶。

更换1、3、5缸歧管喷射喷油器后，使用雷克萨斯GTS专用诊断仪，读取怠速空燃比反馈工况下的1、2列空燃比传感器、氧传感器及燃油长短校正数据流(图12)，各项数值均处于正常范围内，发动机运转良好，无缺火现象，路试20km左右，车辆行驶平顺、加速有力，该车故障被彻底排除。

图12 故障排除后发动机的数据流

维修小结

过浓或过稀的混合汽经压缩点火后，因不完全燃烧，均会造成缸内缺火，且生成大量CO或HC。过量的CO或HC不仅会加剧尾气排放的恶化，还会引起三元催化转换器超温、热衰退损坏。为防止燃烧的进一步恶化， ECM根据诊断控制策略，将对缺火汽缸的喷油器执行断油控制，并点亮发动机报警灯、设定故障码。

在诊断这类故障时，首先必须掌握缺火判定的检测基理，其次对造成当前缺火故障混合汽的浓、稀状态必须定性，同时借助雷克萨斯GTS专用诊断仪对发动机的相关数据流进行分析，只有这样才能更好地对故障成因进行追根溯源，从而科学高效、快速准确地锁定故障真因。