故障现象:一辆雷克萨斯RX200T轿车,行驶里程为2万多公里,客户致电反映在行驶途中突然出现发动机严重抖动,加速无力的情况,且发动机故障灯异常点亮,由于抖动比较严重,于是让客户先将车辆靠边停车,没过一会车辆自动熄火。尝试启动发动机后,抖动消失,但是车速刚刚上来点,再踩下油门踏板的时候,发动机再次出现抖动,为了保证行驶的安全性,决定先将车辆脱至我店进行检查故障原因。
故障确认:车辆到店后,使用诊断电脑进入发动机系统,查看其相关故障代码,如图:
故障代码为1缸出现失火的情况,保存其故障代码和定格数据,尝试删除其故障代码,发现可以正常删除。再次启动车辆,发现车辆可以正常启动,但是车辆出现严重的抖动情况,发动机怠速不稳定,大概抖动持续20秒左右后,抖动消失。发动机转速稳定,尝试行驶车辆,发现当转速超过2500转左右的时候,车辆再次出现抖动的情况,且发动机故障灯再次点亮,查看其故障代码依然为P030100。
分析可能的原因:1 发动机线束短路或者断路 2真空软管连接3点火系统 4喷油嘴总成(进气口喷射)5 喷油器总成(直接喷射)6 燃油压力 7质量空气流量计分总成 8 发动机冷却液温度传感器 9 压缩压力 10 气门正时 11PCV阀和软管 12 进气系统 13 EGR阀总成 14 ECM
查看其故障代码的停帧数据,其Misfire Count Cylinder #1(1缸缺火次数)为78次,Vehicle Speed(车速)为37码,Engine Speed(发动机转速)为2855转,Injection Mode(喷射方式)为Direct(直喷),Coolant Temperature(水温)为88度, Short FT Bank1(短期燃油修正)为14%,Long FT Bank 1(长期燃油修正)为9%,Fuel Cut Elapsed Time(燃油切断经过的时间)为0秒。从以上数据可以判断出,在故障出现的时候,是在暖机的状态下,只有第一缸存在缺火,其他3个缸无任何缺火的情况,另外燃油喷射的状态是在缸内直喷状态下,短期燃油修正和长期燃油修正都在正负20%之内,说明并不是混合气过浓或者过稀导致的。另外燃油切换经过的时间为0秒,说明缸压过低的可能性比较低(特别是气门摇臂分总成脱落的情况)。
考虑到1缸出现缺火,决定先检查第一缸的点火线圈和火花塞,拆下火花塞,检查其陶瓷部分良好无裂痕,点火线圈外观也无任何损伤,为了判断是否是点火线圈和火花塞的问题,并于其他缸进行对调,然后进行路试,发现故障依旧,故障代码依旧显示为1缸缺火。将车辆再次行驶到店内,难道点火线圈的线路存在问题?决定先进行跳火试验,发现1缸跳火正常。
由于故障可以再现,决定先再现故障现象,找到故障出现时的相关必要条件,可以更好更快的解决故障,另外从停帧数据来分析和判断,在故障出现时,可能需要满足车辆在暖车状态,发动机在高转速且缸内直喷的状态下,才会出现失火的情况。接着启动车辆后,在怠速状态下,发动机没有出现任何抖动的现象,接着慢慢踩下油门踏板,直到发动机转速超过2500转以后,发动机变开始抖动起来,而且非常严重,说明故障的出现必须是在高转速下才会发生,接着进入数据流查看,在怠速状态下,发动机数据流良好,1缸无任何缺火的情况,慢慢踩下油门踏板,在发动机转速达到2500转以上的时候,抖动变出现了,查看数据流,发现1缸失火的次数也在不断变化,说明故障当前存在。
为什么在发动机转速超过2500转的时候,发动机就会出现失火的情况呢?考虑到该款车辆搭载了丰田的D4-S(双喷射系统)技术, 可以在进行3种喷射方式,分别为进气道喷射,混合喷射和缸内直喷,根据其水温状态和发动机的负荷自动控制其喷射方式。在非行驶状态下,当发动机的转速超过2500转的时候,就会采用缸内直喷,而此时失火就会出现。
搞清楚这点,使用诊断电脑进入发动机系统,进行主动测试,在车辆启动后处于怠速暖车的情况下,执行喷射方法的改变,将其喷射方式转换成直喷状态,如图:
从Injection Mode(喷射模式)的状态为Direct(直喷)和Injection Time Cylinder #1 us D4 (1缸缸内喷射持续时间)在不断变化,从这2点数据可以分析出当前喷射模式确实处于缸内直喷的状态,且看到Misfire Count #1(1缸缺火次数)一直在变化,接着切换喷射模式到进气口喷射,发动机恢复正常,无任何抖动,查看1缸缺火次数一直为零,说明只要切换到进气口喷射就不存在问题。找到异常点后,决定重点检查缸内直喷系统,考虑到在切入到缸内直喷后,只有1缸存在缺火情况,而其他3个缸并没有出现异常,另外对比目标高压燃油压力数值(Target Fuel Pressure High )和实际高压燃油压力传感器(High Fuel Pressure Sensor)的反馈数值来判断,高压燃油压力无任何异常,从以上的波形图上也可以观察出来,说明高压燃油泵包括以及高压燃油压力传感器都无任何异常。
接着就重点检查1缸缸内直喷喷油嘴,拆下后检查其外观,无任何损伤,测量其电阻也在正常范围之内,但从以上分析判断就是1缸的缸内直喷喷油嘴有故障,进行保修更换后,再次试车故障排除。在冷车启动后,抖动现象也消失,路试车辆,车辆动力恢复正常,发动机故障灯也未再点亮。
总结:那为什么更换了1缸缸内直喷喷油嘴后,在冷车启动后,抖动现象也消失了呢?于是对该车的混合喷射系统进行了一定的深入研究。
D4-S双喷射系统其实就是在D4缸内直喷的基础上多了一组进气管喷油嘴,在不同的发动机转速和不同的发动机负载下下进行协调控制,可以有效的进行单独进气管喷射,进气管和缸内直喷一起工作,以及缸内直喷工作。在冷车时,实现混合喷射,当一列催化器温度达到400度时,切换至进气口喷射,而从催化器温度从很低至400度所用了极短的时间,大大的缩短了热车的时间,实际看过数据流只是用了20秒左右的时间。在怠速和低负荷时采用进气口喷射,在中负荷时采用混合喷射,在大负荷时采用缸内直喷。这样的配合既解决了缸内喷射发动机低转速、低负荷下容易积碳的问题,又提高了发动机在高负荷下的动力输出效率,且歧管喷油可以混合得更加充分,而且可以清洗气道,避免气道、气门积碳及活塞顶部积碳的形成,减少氮氧化物排放等问题,而且歧管喷射和缸内喷射的混合喷射模式,可以调配出两种不同浓度的油气混合物,进一步提升燃油利用效率。对于D4缸内直喷来说,也有自己的先天不足,严重的进气道积碳,排放超标,以及怠速热车时间长,低负荷下混合效率低等问题,且单独采用缸内直喷对燃油使用也会严格的要求,相比较D4-S,可以使用低标号燃油。采取D4-S可实现动力和扭矩的提高,以及良好的燃油经济性。
冷车D4-S控制
1冷启动是采用混合喷射,
2进气口喷射在排气行程(气门叠开以前)
3直接喷射是在压缩行程的后半程(点火以前)
4点火时间滞后以提升排气温度
5空燃比在15-16
6燃烧温度上升使得TWC 迅速热起
中低负载下D4-S控制
1进气口喷射是在膨胀/排气/进气三个行程,进气时进气口喷射和缸内直喷同时喷油。
2直接喷射只在进气行程的前半程。
3空燃比为12-15(理论空燃比控制)
4直接和进气口两者分担的百分比由负荷和转速决定。
5稳定的燃烧可以获得较高的燃油经济性和排放清洁度
高负荷负载下D4-S控制。
高负荷时, 在进气行程由直接喷嘴单独喷油,采取的是均质燃烧。
怠速或者低负载下D4-S控制
是在进气行程由进气口喷油嘴单独喷油。
D4-S采用直接喷射 4 行程汽油发动机高级版 (D-4S) 系统,该系统采用直接燃油喷射和进气口燃油喷射。自燃油箱总成燃油泵(低压)流入的燃油输送至低压燃油系统和高压燃油系统。输送至低压燃油系统的燃油从喷油器总成(进气口喷射)喷入进气口。输送至高压燃油系统的燃油经燃油泵总成(高压)加压并从喷油器总成(直接喷射)喷入燃烧室。该系统可提高发动机性能、改善燃油经济性并实现清洁排放。
直接喷射系统主要由燃油泵总成(高压)、燃油输油管(直接喷射)和喷油器总成(直接喷射)组成。在此系统中,ECM 根据来自各传感器的信号控制燃油泵总成(高压)和喷油器总成(直接喷射),从而优化控制燃油压力、喷油量和喷油正时。
进气口喷射系统主要由燃油泵(低压)、燃油输油管(进气口喷射)和喷油器总成(进气口喷射)组成。在此系统中,ECM 根据来自各传感器的信号控制喷油器总成(进气口喷射),从而优化控制喷油量和正时。
d.
低压燃油系统采用安装在燃油吸油管总成中的燃油压力传感器(低压)和减压阀总成,以执行可变燃油压力控制。 通过降低燃油泵(低压)的功耗实现了低油耗,从而可根据行驶状况优化控制燃油压力。
通过安装在燃油泵总成(高压)中的溢流控制阀(SCV),执行高压燃油系统的燃油压力控制。
发动机处于低负载至中等负载范围内时,使用直接喷射方式或进气口喷射方式或组合使用这两种方式,并通过实现均质混合气和稳定的燃烧,提高了燃油经济性并实现了低排放。 此外,仅在发动机处于高负载范围内时使用直接喷射方式。 因此,由于冷却了进气,减少了爆震并提高了加注效果,在实现高压缩率的同时还提高了发动机输出性能。
压缩行程期间,在发动机冷起动后立即从喷油器总成(直接喷射)喷出燃油,同时由于喷油器总成(进气口喷射)的燃油喷射,燃烧室内的混合气为均质状态。 因此,火花塞周围的混合气分层以在点火正时期间实现较大的延迟角,升高了废气温度并可快速加热催化剂。
燃油泵(高压)
*1 |
溢流控制阀 |
*2 |
滚子式挺柱(燃油泵挺柱总成) |
*3 |
喷油器总成(直接喷射) |
*4 |
燃油输油管(直接喷射) |
*5 |
燃油压力传感器(高压) |
*6 |
燃油箱总成 |
*7 |
减压阀总成 |
*8 |
燃油泵滤清器 |
*9 |
燃油泵(低压) |
*10 |
主燃油阀总成 |
*11 |
燃油泵总成(高压) |
*12 |
燃油压力脉动阻尼器 |
*13 |
柱塞 |
*14 |
单向阀 |
*15 |
减压阀 |
*16 |
凸轮轴(驱动燃油泵的凸轮总成(高压)) |
*a |
高压燃油系统(至燃油输油管(直接喷射)) |
*b |
低压燃油系统(自燃油箱总成) |
*c |
至燃油输油管(进气口喷射) |
*d |
高压燃油系统管 |
燃油泵总成(高压)通过气缸盖罩分总成安装在凸轮轴轴承盖上,并通过安装在进气凸轮轴(凸轮轴)上的凸轮驱动。高压燃油泵其主要组成为溢流阀,柱塞,单向阀,减压阀。通过柱塞的垂直移动对燃油进行加压,并由发动机ECU对溢流阀进行正时控制,从而有效的控制燃油压力,使其在4-20MPA的工作范围内工作(此压力范围可以推动单向阀使燃油供给),并通过其燃油压力传感器(高压)进行反馈控制,将燃油压力控制在目标值。而当燃油压力过大时,其通过内部的减压阀打开从而控制压力。下图为高压泵的具体工作原理。
当采用D4-S喷射系统后,当系统出现混合气过稀或者过浓以及缺火的故障代码时,其诊断思路不同于一般的缸内直喷或者是进气道喷射的诊断思路,因为无法根据情况准确地确定是进气口喷射还是直接喷射存在故障,在此情况下,进行主动测试(控制喷射模式)以确定哪个喷射系统存在故障。根据故障现象以及数据流分析来判断到底是哪方面出现了问题。需要注意的是在未行驶时,在P档位或者在N档位,无论发动机处于何种转速下,只会呈现2种喷射方式,在低于2500转时,采用进气口喷射,而高于2500转时采用直接喷射,并不会采取混合喷射。只有在行驶时,在一定条件下才会进行混合喷射,结合故障出现时的停帧数据和当前数据来分析,能够很直白的了解故障出现时所采取的喷射方式,能够更好更快的解决故障。