常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司（213022） 高惠民

空燃比修正指數(shù)在汽車故障診斷中的應(yīng)用

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1 概述

一臺(tái)工作良好的發(fā)動(dòng)機(jī)，離不開良好的氣缸壓縮力、足夠的點(diǎn)火能量、正確的點(diǎn)火正時(shí)及合理比例的空氣與燃油的混合氣。先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，應(yīng)使用者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率的要求，在上述發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作四要素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬件和軟件相應(yīng)程序的設(shè)計(jì)。以轉(zhuǎn)矩控制為目標(biāo)策略，通過各種傳感器獲取加速踏板位移量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸充氣量、冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、空燃比、車速等信息，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工況所需要的氣缸循環(huán)充氣量和與之對(duì)應(yīng)的噴油量、最佳點(diǎn)火正時(shí)，確定這些參數(shù)后，控制電子節(jié)氣門執(zhí)行器、噴油器、點(diǎn)火線圈，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)各種負(fù)荷工況轉(zhuǎn)矩下的最佳排放和燃油消耗值。然而，再先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，都離不開發(fā)動(dòng)機(jī)前饋控制（根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的循環(huán)空氣充量，確定基本噴油量和基本點(diǎn)火提前角）及反饋控制（根據(jù)λ傳感器信號(hào)，進(jìn)行A/F的修正）的基本原理。本文用豐田皇冠車3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的PID（參數(shù)識(shí)別）數(shù)據(jù)和出現(xiàn)故障時(shí)的PID數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，說明空燃比修正指數(shù)在汽車故障診斷中的應(yīng)用。

2 噴油脈寬與燃油修正指數(shù)

圖1所示為根據(jù)空氣流量傳感器（AFM）和曲軸位置傳感器（CKPS）測量的發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下氣缸循環(huán)充氣量和轉(zhuǎn)速參數(shù)信號(hào)繪制的發(fā)動(dòng)機(jī)充氣量和轉(zhuǎn)速關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元按照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，每個(gè)氣缸循環(huán)充氣量和目標(biāo)A/F（14.7∶1），確定了不考慮任何補(bǔ)償因素在內(nèi)的基本噴油量，在PID數(shù)據(jù)中用噴油脈寬表示。發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)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(fā)動(dòng)機(jī)工況突變或故障保護(hù)模式情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元采用程序中噴油脈譜圖（充氣量和轉(zhuǎn)速的函數(shù)）來確定基本噴油量，然后，依據(jù)該工況時(shí)的冷卻液溫度、進(jìn)氣溫度、系統(tǒng)電壓、節(jié)氣門開度等因素對(duì)基本噴油量（噴油脈寬）進(jìn)行補(bǔ)償，這種控制方式叫做沒有反饋控制的開環(huán)控制。但是，為了精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下混合氣的空燃比（A/F），要求對(duì)被控系統(tǒng)能閉環(huán)運(yùn)行，這時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元不只是計(jì)算基本噴油量和補(bǔ)償噴油量，同時(shí)也按實(shí)際燃燒的結(jié)果值，通過λ傳感器（A/FS或O2S）的輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)反饋混合氣的空燃比（A/F），并且與目標(biāo)A/F進(jìn)行比較，計(jì)算、補(bǔ)償因進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)其他原因引起誤差的A/F偏離值，隨之產(chǎn)生與λ傳感器相對(duì)應(yīng)的短效燃油修正指數(shù)（Short FT），把A/F修整到目標(biāo)A/F（14.7：1）附近（圖2）。如果此時(shí)短效燃油修正指數(shù)偏離超過修正范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)倍增短效燃油修正量的長效燃油修正指數(shù)（Long FT），將短效燃油修正指數(shù)改變到接近于0，以保持三元催化轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換效率。補(bǔ)償后的實(shí)際噴油量由基本噴油量和各種補(bǔ)償噴油量組成，其公式如下：

圖1 豐田皇冠車3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)充氣量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

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

基本噴油量（ms）=每個(gè)氣缸循環(huán)充氣量/目標(biāo)空燃比（14.7）/噴油器流量。

為進(jìn)一步理解上述原理、計(jì)算公式的運(yùn)用，圖3所示為實(shí)測的3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 263 r/min、負(fù)荷為30%時(shí)計(jì)算的噴油量（噴油脈寬）。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)運(yùn)行中混合氣變稀結(jié)果的分析

表1～表4例舉了3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，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(hào)偏小和燃油壓力降低時(shí)的PID數(shù)值。這3類故障都會(huì)造成混合氣變稀的結(jié)果，我們可以從PID數(shù)據(jù)中噴油脈寬和燃油修正指數(shù)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(shí)際噴油脈寬與理論計(jì)算得到的噴油脈寬的差值率。這個(gè)較大的差值說明，由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在故障，A/F傳感器輸出電壓大于3.29 V的目標(biāo)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(shù)超出15%的正常范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元瞬時(shí)來不及對(duì)噴油脈寬進(jìn)行加濃補(bǔ)償，以達(dá)到工況所需的噴油量。所以發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，會(huì)感到怠速抖動(dòng)（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(shù)曲線狀態(tài)在4例故障中的差異。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，節(jié)氣門開度較小，進(jìn)氣歧管內(nèi)絕對(duì)壓

圖2 λ傳感器（O2S）濃/稀信號(hào)與短效燃油修正指數(shù)控制曲線

圖3 豐田3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 263 r/min、負(fù)荷為30%時(shí)計(jì)算的噴油量

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU

總?cè)加托拚笖?shù)-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(jì)（AFM）

A/F傳感器噴油器力低（真空度高）。這時(shí)，如果有一部分空氣未被空氣流量傳感器檢測到，直接從節(jié)氣門后方被吸到進(jìn)氣歧管內(nèi)，而發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元還是以空氣流量傳感器檢測到的充氣量來計(jì)算基本噴油量，就會(huì)造成混合氣過稀，短效燃油修正指數(shù)增大。但是，隨著節(jié)氣門開度加大，節(jié)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(jìn)氣歧管內(nèi)的實(shí)際循環(huán)充氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元并以此來計(jì)算基本噴油量，因此混合氣過稀的A/F偏大量會(huì)減小，短效燃油修正指數(shù)也相應(yīng)減小。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣漏氣（真空泄漏），燃油修正指數(shù)曲線隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加（負(fù)荷加大）呈下降狀態(tài)。

表1 3GR發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的PID數(shù)值

表2 3GR發(fā)動(dòng)機(jī)真空泄漏故障的PID數(shù)值（真空度為50 kPa）

表3 3GR發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量傳感器被異物遮住計(jì)量值偏小故障的PID數(shù)值

表4 3GR發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力降低故障的PID數(shù)值（燃油壓力為150 kPa）

圖4 豐田皇冠車3GR-FE發(fā)動(dòng)機(jī)4例故障總?cè)加托拚笖?shù)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(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的全部工況過程內(nèi)，進(jìn)氣歧管充氣量的計(jì)量受到限制，檢測到的充氣量小于實(shí)際充氣量，因而，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)會(huì)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(shù)曲線呈水平狀態(tài)?？諝饬髁總鞲衅鳈z測特性出現(xiàn)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(duì)進(jìn)入進(jìn)氣歧管的空氣經(jīng)過過濾，但其中還存在著微觀的有相對(duì)濕度的塵埃，會(huì)積累在空氣流量傳感器檢測元件上。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在較稀的混合氣工況下運(yùn)行，造成發(fā)動(dòng)機(jī)充氣氣流在進(jìn)氣歧管內(nèi)逆向流動(dòng)（俗稱“回火”）。逆向流動(dòng)的氣流中含有積炭顆粒，也會(huì)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(huì)使空氣流量傳感器在怠速時(shí)檢測的充氣量值偏大，而在加速負(fù)荷時(shí)檢測的充氣量值偏小，出現(xiàn)圖5所示的空氣流量傳感器被污染，怠速工況呈“負(fù)”的燃油修正指數(shù)曲線，加速工況呈“正”的較大的燃油修正指數(shù)曲線狀態(tài)。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，氣缸循環(huán)充氣量減少，燃油噴射量只要維持發(fā)動(dòng)機(jī)克服本身摩擦力不輸出轉(zhuǎn)矩的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，當(dāng)燃油壓力降低，基本噴油量減少，對(duì)混合氣的A/F影響較小。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速升高，氣缸循環(huán)充氣量加大，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制噴油器噴油脈寬加長，增加基本噴油量，這時(shí)如果燃油壓力降低，使噴油器噴射速率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩急劇減小，混合氣過稀，A/F變大，燃油修正指數(shù)曲線呈迅速上升狀態(tài)。

綜上所述，當(dāng)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況變壞時(shí)，可以利用故障檢測儀錄制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的PID數(shù)值，計(jì)算、分析噴油脈寬和燃油修正指數(shù)變化狀態(tài)，這對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性及準(zhǔn)確確認(rèn)故障部位具有十分重要的作用，對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)典型故障的燃油修正指數(shù)變化范圍

2016-07-04）