空燃比修正指數在汽車故障診斷中的應用

常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司（213022） 高惠民

空燃比修正指數在汽車故障診斷中的應用

常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司（213022） 高惠民

1 概述

一臺工作良好的發動機，離不開良好的氣缸壓縮力、足夠的點火能量、正確的點火正時及合理比例的空氣與燃油的混合氣。先進的發動機管理系統，應使用者對發動機輸出轉矩和功率的要求，在上述發動機正常工作四要素的基礎上，進行了硬件和軟件相應程序的設計。以轉矩控制為目標策略，通過各種傳感器獲取加速踏板位移量、發動機轉速、氣缸充氣量、冷卻液溫度、進氣溫度、空燃比、車速等信息，計算出發動機實時工況所需要的氣缸循環充氣量和與之對應的噴油量、最佳點火正時，確定這些參數后，控制電子節氣門執行器、噴油器、點火線圈，獲得發動機各種負荷工況轉矩下的最佳排放和燃油消耗值。然而，再先進的發動機控制策略，都離不開發動機前饋控制（根據發動機工況下的循環空氣充量，確定基本噴油量和基本點火提前角）及反饋控制（根據λ傳感器信號，進行A/F的修正）的基本原理。本文用豐田皇冠車3GR-FE發動機正常工作的PID（參數識別）數據和出現故障時的PID數據進行對比分析，說明空燃比修正指數在汽車故障診斷中的應用。

2 噴油脈寬與燃油修正指數

圖1所示為根據空氣流量傳感器（AFM）和曲軸位置傳感器（CKPS）測量的發動機各工況下氣缸循環充氣量和轉速參數信號繪制的發動機充氣量和轉速關系。

發動機控制單元按照發動機運行轉速，每個氣缸循環充氣量和目標A/F（14.7∶1），確定了不考慮任何補償因素在內的基本噴油量，在PID數據中用噴油脈寬表示。發動機每個充氣行程中，吸入的空氣越多，基本噴油脈寬就越長，噴油量就越多。在發動機工況突變或故障保護模式情況下，發動機控制單元采用程序中噴油脈譜圖（充氣量和轉速的函數）來確定基本噴油量，然后，依據該工況時的冷卻液溫度、進氣溫度、系統電壓、節氣門開度等因素對基本噴油量（噴油脈寬）進行補償，這種控制方式叫做沒有反饋控制的開環控制。但是，為了精確控制發動機各工況下混合氣的空燃比（A/F），要求對被控系統能閉環運行，這時，發動機控制單元不只是計算基本噴油量和補償噴油量，同時也按實際燃燒的結果值，通過λ傳感器（A/FS或O2S）的輸出信號，實時反饋混合氣的空燃比（A/F），并且與目標A/F進行比較，計算、補償因進氣流量傳感器測量誤差、噴油壓力誤差、噴油器流量誤差和發動機其他原因引起誤差的A/F偏離值，隨之產生與λ傳感器相對應的短效燃油修正指數（Short FT），把A/F修整到目標A/F（14.7：1）附近（圖2）。如果此時短效燃油修正指數偏離超過修正范圍，發動機控制單元通過自適應學習，會產生一個倍增短效燃油修正量的長效燃油修正指數（Long FT），將短效燃油修正指數改變到接近于0，以保持三元催化轉換器的最高轉換效率。補償后的實際噴油量由基本噴油量和各種補償噴油量組成，其公式如下：

圖1 豐田皇冠車3GR-FE發動機充氣量與轉速的關系

實際噴油=（基本噴油量×冷卻液溫度修正系數×進氣溫度修正系數+電壓修正系數）×100+[（短效燃油修正指數+長期修正指數）]/100-燃油蒸氣凈化值；

基本噴油量（ms）=每個氣缸循環充氣量/目標空燃比（14.7）/噴油器流量。

為進一步理解上述原理、計算公式的運用，圖3所示為實測的3GR-FE發動機在轉速為1 263 r/min、負荷為30%時計算的噴油量（噴油脈寬）。

3 發動機閉環運行中混合氣變稀結果的分析

表1～表4例舉了3GR-FE發動機正常工作時，以及真空泄漏、空氣流量傳感器測量氣道被異物遮擋引起測量信號偏小和燃油壓力降低時的PID數值。這3類故障都會造成混合氣變稀的結果，我們可以從PID數據中噴油脈寬和燃油修正指數來分析判斷。

（1）在表2～表4第8欄中，表示出了故障檢測儀讀到的實際噴油脈寬與理論計算得到的噴油脈寬的差值率。這個較大的差值說明，由于發動機存在故障，A/F傳感器輸出電壓大于3.29 V的目標A/F傳感器電壓，混合氣都有過稀的趨勢，而且短效燃油修正指數超出15%的正常范圍，發動機控制單元瞬時來不及對噴油脈寬進行加濃補償，以達到工況所需的噴油量。所以發動機運行中，會感到怠速抖動（真空泄漏），加速無力（空氣流量傳感器測量值偏小，燃油壓力降）的故障癥狀。

（2）圖4所示為燃油修正指數曲線狀態在4例故障中的差異。

1）發動機怠速時，節氣門開度較小，進氣歧管內絕對壓

圖2 λ傳感器（O2S）濃/稀信號與短效燃油修正指數控制曲線

圖3 豐田3GR-FE發動機在轉速為1 263 r/min、負荷為30%時計算的噴油量

發動機ECU

總燃油修正指數-0.1%

噴油量=基本噴油量

（3.66 ms）+修正噴油量（0.56 ms）=4.22 ms充氣量11.59 g/s

A/F電壓3.27 V空氣流量計（AFM）

A/F傳感器噴油器力低（真空度高）。這時，如果有一部分空氣未被空氣流量傳感器檢測到，直接從節氣門后方被吸到進氣歧管內，而發動機控制單元還是以空氣流量傳感器檢測到的充氣量來計算基本噴油量，就會造成混合氣過稀，短效燃油修正指數增大。但是，隨著節氣門開度加大，節氣門前、后方充氣壓力趨于相等，空氣流量傳感器逐步檢測到的是吸入進氣歧管內的實際循環充氣量，發動機控制單元并以此來計算基本噴油量，因此混合氣過稀的A/F偏大量會減小，短效燃油修正指數也相應減小。所以，發動機運行時進氣漏氣（真空泄漏），燃油修正指數曲線隨發動機轉速增加（負荷加大）呈下降狀態。

表1 3GR發動機正常工作的PID數值

表2 3GR發動機真空泄漏故障的PID數值（真空度為50 kPa）

表3 3GR發動機空氣流量傳感器被異物遮住計量值偏小故障的PID數值

表4 3GR發動機燃油壓力降低故障的PID數值（燃油壓力為150 kPa）

圖4 豐田皇冠車3GR-FE發動機4例故障總燃油修正指數曲線

2）空氣流量傳感器上檢測氣道被異物遮擋（如紙片、纖維物等），發動機在運行的全部工況過程內，進氣歧管充氣量的計量受到限制，檢測到的充氣量小于實際充氣量，因而，發動機減少了基本噴油量，造成混合氣的A/F偏大，短效燃油修正指數會立即增大。所以，空氣流量傳感器被異物遮擋后，燃油修正指數曲線呈水平狀態。空氣流量傳感器檢測特性出現偏離的另一種原因是空氣流量傳感器的檢測元件被污染。雖然空氣濾清器對進入進氣歧管的空氣經過過濾，但其中還存在著微觀的有相對濕度的塵埃，會積累在空氣流量傳感器檢測元件上。此外，由于發動機在較稀的混合氣工況下運行，造成發動機充氣氣流在進氣歧管內逆向流動（俗稱“回火”）。逆向流動的氣流中含有積炭顆粒，也會粘附在空氣流量傳感器檢測元件上。這些積炭和灰塵污染了空氣流量傳感器，會使空氣流量傳感器在怠速時檢測的充氣量值偏大，而在加速負荷時檢測的充氣量值偏小，出現圖5所示的空氣流量傳感器被污染，怠速工況呈“負”的燃油修正指數曲線，加速工況呈“正”的較大的燃油修正指數曲線狀態。

3）發動機怠速時，氣缸循環充氣量減少，燃油噴射量只要維持發動機克服本身摩擦力不輸出轉矩的運轉。所以，當燃油壓力降低，基本噴油量減少，對混合氣的A/F影響較小。但是，隨著發動機負荷增加，轉速升高，氣缸循環充氣量加大，發動機控制單元控制噴油器噴油脈寬加長，增加基本噴油量，這時如果燃油壓力降低，使噴油器噴射速率降低，發動機輸出轉矩急劇減小，混合氣過稀，A/F變大，燃油修正指數曲線呈迅速上升狀態。

綜上所述，當發現發動機運行工況變壞時，可以利用故障檢測儀錄制發動機運行的PID數值，計算、分析噴油脈寬和燃油修正指數變化狀態，這對提高發動機故障診斷的準確性及準確確認故障部位具有十分重要的作用，對于提高汽車維修中不解體檢測診斷的效率，無疑是行之有效的方法。

圖5 豐田皇冠車3GR-FE發動機典型故障的燃油修正指數變化范圍

2016-07-04）