發動機空燃比失常故障的排查思路

◆文/上海　李明誠

發動機空燃比失常故障的排查思路

◆文/上海李明誠

李明誠

(本刊編委會委員)

1964年大學本科畢業，長期從事汽車拖拉機教學、研究和新技術推廣工作，曾受聘擔任江西省講師團成員、汽車維修技工學校教師。1988年獲得高級工程師職稱，1996年獲得行業“全國優秀科普工作者”稱號，1990年、1993年和1994年分別由同濟大學出版社、東南大學出版社出版教材3本。

一、空燃比的基本概念

所謂空燃比 (A/F)是指：進入汽缸中的空氣和燃油的質量比值。汽油發動機的理想空燃比為14.7：1，是指進入汽缸的空氣質量為14.7kg、燃油質量為1.0kg時，汽缸內的混合汽可以充分燃燒。

閉環控制是指控制系統通過實時監測燃油量、進氣量、排氣溫度、排氣中的氧含量、發動機負載、發動機轉速等運行參數，并按照控制圖(MAP)，去調整噴油時間(噴油脈寬)，從而調節發動機的實時空燃比。ECU對空燃比的控制分為兩種，一是短期燃油修正(STFT)；二是長期燃油修正(LTFT)。

短期燃油修正值會根據氧傳感器信號變化而快速變化，對燃油供應進行細調節；長期燃油修正值會根據短期燃油修正值的變化趨勢而變化，對燃油供應進行粗調節。

發動機ECU控制空燃比的范圍為0～25.5，閉環控制時控制范圍為14.2～14.7。空燃比較低表明混合汽濃，空燃比較高表明進入汽缸的空氣較多，混合汽稀，發動機控制系統對燃油的修正原理如圖1所示。

ECU對空燃比的修正值用“±%”表示，理想的空燃比修正值為0。若為負值，表示ECU正在控制減少噴油量，將混合汽調稀，以改變混合汽過濃的狀況；若為正值，表示ECU正在控制增加噴油量，以調節混合汽過稀的狀況。長期燃油修正值范圍為±20%～±25%，而修正值的正常范圍為-10%～10%。在進氣系統無泄漏的情況下，如果長期燃油修正值大于10%，說明燃油壓力不足。

圖2　日產陽光寬帶式氧傳感器

圖1　燃油修正原理圖

發動機的空燃比一直處在動態變化之中，其原因如下：

1.氧傳感器的反饋結果。氧傳感器(圖2)不斷地將廢氣中的氧含量信號反饋給ECU，ECU不斷地調整噴油脈寬。如果汽缸內的空燃比變化速率很快，氧傳感器輸出的信號電壓變化速率也會加快。此時，ECU被迫快速地做出調整，從而導致發動機加速后喘振，甚至ECU會認為氧傳感器損壞，將故障指示燈點亮。

2.發動機積炭的影響。發動機進氣道內的積炭類似于活性炭，它既可以吸附汽油，又可以釋放汽油。在冷車時積炭吸附汽油，造成混合汽過稀；在熱車后，這些被吸附的汽油分子又被蒸發出來，造成混合汽過濃。隨著加速、減速的變換，積炭在不停的吸收或釋放著汽油，造成ECU調制的空燃比與實際空燃比產生誤差。

二、混合汽過濃故障排查

1. 典型混合汽過濃故障

⑴排氣管被燒紅(圖3)。一輛上海大眾POLO勁取轎車，發生排氣管燒紅(氧傳感器安裝位置)。經過仔細檢查，發現連接三通閥閥體與節氣門體下側進氣腔處真空軟管脫落，使節氣門后部漏氣，造成進氣管的真空度下降、進氣歧管絕對壓力傳感器信號電壓變大。此時，ECU便指令增大噴油量，導致進入汽缸的混合汽燃燒不徹底，產生的廢氣中含有大量未燃混合汽，這些廢氣在三元催化轉化器中轉化為CO2和H2O，同時釋放了大量熱量，造成排氣溫度過高，最終引起排氣管燒紅的現象。將脫落的真空軟管插好，故障被排除。

圖3　排氣歧管燒紅

⑵排氣管汽油味濃重。它是由于進入汽缸內的混合汽過濃，而又沒有完全燃燒，便從排氣管釋放出來所導致。此時，氧傳感器會檢測到廢氣中的氧含量較高，ECU會誤認為混合汽過稀，加大噴油脈寬，使進入汽缸的混合汽更濃，如此惡性循環致使汽油味濃重。

在實際維修當中，對于經常聞到汽油味較濃的汽車，往往更換活性碳罐(圖4)便能解決問題。

例如豐田雅力士轎車，由于其碳罐安裝在燃油箱內頂部，如果將燃油箱加滿，開裂的碳罐將會浸泡在燃油中，液態燃油進入碳罐，隨后再進入進氣管，致使混合汽過濃、發動機易熄火、汽油味濃重。

圖4　被堵塞的活性炭碳罐

2.混合汽過濃的原因

⑴進油量過多，例如燃油壓力過高、噴油器滴漏、噴油過多等故障。

⑵進氣量過少，例如進氣道堵塞、配氣相位不正確、排氣管堵塞(測量排氣背壓或者進氣管真空度)。

⑶點火能量不足，例如點火線圈或火花塞工作不良。

⑷排氣管漏氣，例如在安裝氧傳感器之處漏氣，外界的空氣由此進入，導致排氣管內的氧含量過高，使氧傳感器誤反饋混合汽較稀信號，進而使發動機ECU指令增加噴油量，造成混合汽過濃。

3.混合汽濃度的檢測方法

在點火系統正常的情況下，拆下火花塞，觀察火花塞頭部的顏色，如果火花塞頭部有黑色積炭(圖5)，說明混合汽過濃(棕褐色為正常)，或者查看空燃比的修正值，如果為正值且偏大，說明混合汽過濃。

圖5　火花塞電極顏色不正常

4.混合汽過濃的幾種情形

⑴數據流顯示混合汽怠速時過濃，中速(2 500r/min)時正常，原因一般為燃油壓力過高，因為怠速時需要較少的噴油量。

⑵數據流顯示怠速時正常，中速(2 500r/min)時混合汽過濃，原因一般為空氣濾清器堵塞，因為中速時比怠速時需要較多的空氣。

⑶數據流顯示混合汽在怠速和中速(2 500r/min)時均過濃，原因一般為點火能量不足，氧傳感器或者其他傳感器失常。

三.混合汽過稀的故障排查

如果發動機混合汽偏稀(即空燃比過大)，雖然三元催化轉化器對CO和HC的轉化率略有提高，但是NOx的轉化率會急劇下降，因此發動機必須保持最佳的空燃比。混合汽過稀故障現象多為啟動困難、怠速抖動、發動機故障指示燈點亮。

1. 混合汽過稀的故障現象

⑴排氣管放炮。一輛奔馳S350轎車，發生排氣管放炮現象，故障碼和數據流都顯示混合汽過稀。在一般情況下，混合汽過稀會引起進氣管回火，混合汽過濃才會引起排氣管放炮。但是，事物的演變總是遵循“由量變到質變”這一規律。例如燃油壓力過低引起的啟動困難，本來是混合汽過稀的情況，但是拆下火花塞檢查，發現電極是濕的，說明“淹缸”了，給人一種混合汽過濃的印象。這輛奔馳S350轎車放炮，是由于混合汽過稀，導致某個汽缸不工作，但是混合汽仍然不斷地進入該汽缸，然后進入排氣管，甚至在排氣管內燃燒，出現放炮現象。更換電動燃油泵，消除了混合汽過稀的根源，故障排除。

⑵點火系統擊穿電壓較高。如果噴油器堵塞，會導致單位時間內噴油量減少，汽缸內可燃混合汽的濃度減小，使火花塞產生電火花的擊穿環境變差。由于過稀的混合汽較難發生電離，只有提高點火器的次級電壓，才能形成有效的擊穿火花。為使較稀的混合汽能持續燃燒，所以火花塞的“燃燒電壓”隨之升高(圖6)。

圖6　電子點火初級波形圖

2.混合汽偏稀的原因

包括進氣過多、噴油偏少、缸壓不足、點火失常、傳感器輸入信號有誤等。對于行駛里程在50 000km以內的汽車，可以不考慮缸壓不足問題。建議按照“氧傳感器信號分析→進氣系統泄漏測試→燃油噴射系統拆檢”這一流程進行排查，因為檢測燃油噴射量的復雜程度遠大于進氣系統，所以需要放在后面進行。

排查進氣系統是否漏氣，不能只檢查進氣管和進氣歧管，還必須檢查進氣門、曲軸箱強制通風管、活性碳罐進氣管、廢氣再循環系統以及廢氣渦輪增壓系統等裝置。如果上述部位都不存在漏氣現象，就應當檢查噴油器是否堵塞了，它是引起混合汽過稀的常見原因之一。

發動機混合汽過稀的具體原因可由以下3種情況來闡述：①怠速時混合汽過稀，中速(2 500r/min)時正常，原因一般是節氣門后方漏氣。一輛一汽大眾邁騰1.8TSI轎車，發動機故障燈報警、怠速不穩、抖動厲害。讀取數據流，怠速時的空氣流量為1.7g/s(正常值為2.1g/s)，節氣門開度值1.2%(正常值為3.9%)。鑒于空氣流量較低、節氣門的開度偏小，說明有額外的空氣進入進氣道。經過反復檢查，發現曲軸箱強制通風系統內的油霧分離器的調壓閥膜片卡滯，造成大氣與曲軸箱相通，導致額外的空氣進入進氣歧管；②怠速時正常，中速(2 500r/min)時混合汽過稀，原因一般是供油不暢，例如燃油濾清器堵塞等。如果燃油濾清器沒有堵塞，再檢查電動燃油泵的性能是否不良、引起供油壓力不足，導致混合汽過稀；③怠速和中速(2 500r/min)時混合汽均過稀，原因一般是噴油器堵塞，或者是電動燃油泵工作不良引起燃油壓力不足。

3.混合汽偏稀的檢測方法

連接故障診斷儀，對噴油器進行“主動測試”，通過人為增加或減少噴油量去改變空燃比，然后檢查氧傳感器輸出信號，觀察是否有變化，如果沒有變化，說明氧傳感器失效。注意：在“主動測試”條件下，發動機ECU的短期燃油修正會終止(變為0)，此時無法對空燃比做出修正。

四、啟動時空燃比失常的排查

1.將點火開關“接通—關閉—接通”，循環幾次，中間停頓2s，如果發動機能順利啟動，說明燃油泵的保持油壓過低(即所謂油泵“不存油”)，引起噴油量偏少、混合汽過稀。

2.稍微踩加速踏板，如果發動機容易啟動了，說明故障原因是進氣道臟污，阻礙了進氣，引起混合汽過濃。

3.如果需要連續多次啟動才能著車，說明混合汽過稀，原因是積炭吸附了燃油、啟動信號缺失或者冷卻液溫度信號失準等。

4.如果懷疑發動機不能啟動的原因是混合汽偏濃，可以試著將加速踏板踩到底，利用ECU程序中的“超速斷油”功能，減少噴油。如果此時發動機能啟動，說明混合汽確實偏濃。另外，如果不將加速踏板踩到底就不能啟動，需要考慮燃油蒸汽是否回收過度，引起了混合汽過濃的現象。

5.拆開進氣管的連接 (圖7)，向進氣管內噴入化油器清洗劑，如果發動機能夠啟動，說明混合汽過稀。也可以堵住部分進氣口，然后做加速試驗，如果加速性能變好，說明混合汽偏稀；如果加速性能惡化了，說明混合汽偏濃。

五、空燃比失常排查技巧

1. 空燃比失常的原因主要是油路和氣路兩個方面，實踐中多見于油路故障，而油路故障很多是由積炭引起的。因此，可以向燃油箱加注除炭清洗劑。為了更加快捷、有效，可以拆卸進氣歧管，人工向內噴射進氣系統清洗液(圖8)，以清除進氣道和氣門桿上的積炭。

圖8　上海通用汽車進氣系統清洗液

2.如果汽油發動機出現怠速抖動，說明混合汽過稀或者過濃。在怠速工況下，發動機需要比較濃的混合汽，如果在節氣門后方有未經計量的空氣被吸入進氣道，就加大了空燃比，使混合汽變稀，將影響怠速的正常運轉。對于這種故障，應該首先檢查進氣歧管(包括其密封墊)是否漏氣。這是因為進氣歧管漏氣會影響電控單元測量進氣量的精確度，使空燃比失調，從而導致汽油機怠速抖動。

3.表面現象為混合汽過濃，但本質是混合汽過稀。例如：當發動機ECU通過氧傳感器探知混合汽過稀，會增加噴油脈寬，但是調節量最多±25%。如果混合汽仍然過稀，則難以維持正常的燃燒，大量未燃的混合汽被排放出來，沒有做功，因而怠速下降。當發動機ECU檢測到怠速降低，會加大節氣門的開度，增加進氣量，此時增加進氣量顯然無濟于事，因為進氣量本來就比較多，關鍵是要消除混合汽過稀的根源。

表1　空燃比失常故障碼

4.車輛行駛過程中，如果發動機低速不聳高速聳，說明混合汽過稀，高速不聳低速聳，說明混合汽過濃；如果緩加速不聳急加速聳，說明混合汽過稀，急加速不聳緩加速聳，說明混合汽過濃；如果平路不聳上坡聳，說明混合汽過稀，上坡不聳平路聳，說明混合汽過濃，以上是定性分析法。

5.要注意甄別啟動時的汽油味，在冷啟動時，發動機ECU會加濃混合汽，所以單純在冷啟動時聞到汽油味，可能是正常現象。對于安裝了二次空氣泵的汽車，它只在啟動時工作1min，所以在冷啟動以外的時間聞到汽油味，并不是二次空氣系統引起的故障。

6.空燃比偶發性失常的排查

⑴如果汽車顛簸(過溝坎、強烈震動)后容易熄火，其故障原因是：進氣波紋管破裂，在顛簸時大量空氣從裂紋處漏入，這部分空氣未經空氣流量計計量，造成混合汽過稀，所以容易熄火。

⑵偶發性加速聳車，甚至熄火，熄火后啟動困難，需要長時間將加速踏板踩到底(斷油)才能啟動，這種故障的原因往往是噴油器漏油。

六、“空燃比調整超限”故障分析

在維修實踐中，有時發動機故障燈點亮，并且讀到混合汽調節超過調整值上限或下限的故障碼(表1)，即所謂“混合汽既過濃又過稀”，其原因可能是：電控系統失常、積炭的影響、正時不準、缸壓不正確、點火能量不足、清洗匹配不當等。

如果讀到故障碼P0171(含義為汽缸列1過稀)，可以確定為混合汽過稀。該故障碼的生成條件是： ECU接收到氧傳感器的信號電壓過低，并伴隨較高的長期燃油修正值。產生這個故障碼可能原因有：氧傳感器故障、線路故障、燃油壓力過低、噴油器堵塞、空氣流量傳感器故障、進氣管路漏氣等。

對于空燃比控制超上限的故障碼(圖9)，可能的故障原因有：空氣流量傳感器之后的進氣道泄漏、PCV系統泄漏、氧傳感器故障、排氣管泄漏(氧傳感器附近)、廢氣再循環系統泄漏、空氣流量傳感器太臟、噴油器阻塞、燃油泵油壓偏低等。

圖9　中華H320轎車的故障碼

在馬自達維修手冊上，故障碼“P2187”的解釋是：在閉環控制狀態下，空燃比調整值超過上限，簡言之，就是混合汽過稀(圖10)。產生該故障碼的可能原因有：進氣系統泄露、噴油器堵塞等。

圖10　馬自達6的故障碼