2012款雷克薩斯GS350行駛時發動機抖動

◆文/江蘇 田銳

故障現象

一輛2012款雷克薩斯 GS350，搭載2GR-FSE型3.5L的D-4S發動機及A760H型6AT自動變速器，行駛里程為104 507km。據車主反映，該車平日多用于市內出行，偶爾會跑高速，近日行駛中出現發動機抖動嚴重、加速不暢并伴有排氣管放炮、尾氣重且車輛經短期停放和長期停放后均啟動困難(熄火后立即啟動正常)等異常情況。另外，組合儀表上有多個故障燈點亮。

故障診斷與排除

接車后啟動發動機，以驗證故障現象。經檢查發現，該車組合儀表上的發動機故障燈、主警告燈均點亮，組合儀表信息顯示欄提示“檢查PCS系統”(圖1)。打開發動機艙蓋，發動機在怠速工況下運轉不良、抖動嚴重。嘗試在P擋發動機無負載的工況下瞬時急加速，發現發動機加速響應性差，并伴有喘振、排氣管放炮、尾氣味道過重等異常情況。

圖1 故障車組合儀表上的故障報警燈

使用雷克薩斯GTS專用診斷儀對該故障車進行健康檢查，發現發動機控制單元中存有三個待定故障碼(圖2)：P0300-檢測到汽缸發生隨機/多次缺火；P0301-檢測到1號汽缸缺火；P0303-檢測到3號汽缸缺火。

圖2 故障車發動機控制單元中故障信息

汽缸缺火故障碼的診斷控制策略是：當發動機發生缺火時，極高濃度的碳氫化合物(HC)進入廢氣中會導致廢氣排放量的增加，也可使三元催化轉換器(TWC)的溫度升高。為了避免廢氣排放量的增加以及高溫造成的三元催化轉換器(TWC)的損壞，ECM將監測發動機的缺火數。當三元催化轉換器(TWC)的溫度達到熱衰退點時，ECM會使MIL閃爍。診斷監視策略是：發動機ECM使用凸輪軸位置傳感器和曲軸位置傳感器監測缺火情況。凸輪軸位置傳感器用于識別缺火的汽缸，而曲軸位置傳感器用于測量曲軸轉速的變化。通過曲軸位置傳感器和凸輪位置傳感器，檢測每個汽缸壓縮上止點附近的發動機角速度的變化，由ECM判斷每個汽缸有無缺火。當曲軸轉速變化超過預定閾值時，將統計缺火數，如果缺火數超過了閾值并有可能導致排放惡化，ECM將點亮發動機故障燈并設定故障碼。對此，有兩種診斷判定方法：排放惡化程度缺火檢測和三元催化轉換器超溫缺火檢測。

排放惡化程度缺火檢測是用來判定發動機每運轉1 000r所有汽缸的缺火率。超過排放惡化判斷的缺火率(3%以上)出現4次，視為監測到異常的情況下(雙邏輯行程檢測)，ECM點亮發動機故障燈并設定故障碼。該狀態下雖然不能凈化排放廢氣，但對三元催化轉換器的影響小。

三元催化轉換器超溫缺火檢測是用來判定發動機每運轉200r每個汽缸的缺火率。當引起三元催化轉換器熱劣化的缺火率(72%以上)出現3次，視為監測到發生危險缺火的情況下(雙邏輯行程檢測)，ECM控制發動機故障燈實時閃爍并設定故障碼。該狀態下不僅不能凈化排放廢氣，還會影響三元催化轉換器。

缺火率是用“缺火次數”除以“點火次數”所得的數值。假設：1號汽缸在發動機運轉200r的過程中缺火10次，其缺火率為10%(發動機每運轉2r點火1次，運轉200r的點火次數為100次，10/100=10%)。

缺火檢測極限是當發動機轉速變化大并超過缺火檢測閾值時，開始統計缺火數。缺火極限是在判定發動機缺火前測量發動機轉速變化相對于閾值的增大程度，即：缺火極限=(缺火檢測閾值-最大發動機轉速變化)/缺火檢測閾值×100%。例如：未判定發動機缺火時，缺火極限=68%，判定發動機缺火時，缺火極限=-128%～0%。數值越大表示判定發動機缺火前發動機轉速的變化極限越大。

由于故障車上的故障碼為待定碼，且未存儲凍結幀數據，按照免拆診斷、由簡入繁的原則，在保證車輛原始故障狀態下使用雷克薩斯GTS專用診斷儀，讀取車輛發動機系統數據流后再對其進行深入分析。如圖3所示，發動機怠速(732r/min)、空氣流量計(MAF)數據為4.15mg/s、冷卻液溫度為85℃的暖機怠速工況下，歧管噴射噴油器(噴油脈寬為2 071μs)與缸內直噴噴油器(噴油脈寬為805μs、噴油正時為進氣行程活塞上止點下行曲軸轉角33.2°)處于均質燃燒的模式下協同工作。當前高壓油軌的目標油壓為4MPa，高壓油軌的實際油壓為3.96MPa，1列1號空燃比傳感器信號電壓為0(過濃)，1列2號氧傳感器信號電壓為0.525V，1列空燃比閉環反饋校正為-20.313%(減稀)，1列空燃比自適應學習校正為-15.625%(減稀)，1列燃油總修正值為-20.313%-15.625%=-35.938%(減稀)，2列1號空燃比傳感器信號電壓為3.337V，2列2號氧傳感器信號電壓為0.835V，2列空燃比閉環反饋校正為-1.563%，2列空燃比自適應學習校正為-3.907%，2列燃油總修正值為-1.563%-3.907%=-5.47%，1缸在100次點火次數中的缺火次數為88次(缺火率88%)，3缸在100次點火次數中的缺火次數為87次(缺火率87%)，在3 000次點火次數中所有汽缸缺火次數為255次(缺火率8.5%)，缺火檢測極限為-50%(判定發動機缺火)。

圖3 故障狀態下故障車的發動機數據流

對上述發動機數據流進行分析，發現了可疑點：1列1號空燃比傳感器信號電壓始終顯示為0(過濃)，1列空燃比閉環反饋校正及1列空燃比自適應學習校正均長期處于減稀狀態。1缸、3缸的缺火率遠超排放惡化程度(3%以上)和三元催化轉換器超溫(72%以上)的限值，由此觸發ECM點亮發動機MIL并設定故障碼。

結合故障車的癥狀“尾氣重、加速不暢并伴有排氣管放炮”，初步推測是由于1列混合汽過濃，導致1列汽缸在燃燒過程中沒有適當的氧氣提供助燃，待1列混合汽中的氧氣消耗殆盡時，剩下的混合汽無法被火花塞點燃，CO、HC的生成量大大增加，進而導致在做功沖程中原本應當爆發出的固有能量被大大削減，從而大大降低了推動活塞下行的驅動力，最終被ECM判定為1缸、3缸缺火。

為了驗證上述推測，使用雷克薩斯GTS專用診斷儀對D-4S的空燃比進行主動測試。如圖4、5、6、7所示，分別對歧管噴射噴油器和缸內直噴噴油器的噴油脈寬進行加濃(+25%)及減稀(-12.5%)的作動測試。通過測試發現，當執行減稀(-12.5%)作動時，無論歧管噴射模式，還是缸內直噴模式，1列1號空燃比傳感器及1列2號氧傳感器的信號電壓一直處于過濃狀態。

圖4 歧管噴射模式下的噴油脈寬減稀作動

圖5 歧管噴射模式下的噴油脈寬加濃作動

圖6 缸內直噴噴射模式下的噴油脈寬減稀作動

圖7 缸內直噴噴射模式下的噴油脈寬加濃作動

到底是1列混合汽過濃屬實，還是1列前空燃比傳感器和后氧傳感器的內部故障導致的信號偏差？為了進一步佐證上述推論，拆下6個缸的火花塞進行檢查，如圖8所示，將拆下且做好各缸標記的火花塞放置一排。檢查發現1、3、5缸火花塞的中心電極及接地電極表面呈異常烏黑的燃燒狀態，而2、4、6缸火花塞的中心電極及接地電極表面的燃燒狀態正常。由此驗證了導致1缸、3缸缺火的直接原因是1列混合汽過濃引起的燃燒不良所致，由此也間接排除了1列1號空燃比傳感器及1列2號氧傳感器的內部故障所引起的信號偏差。這與之前在執行了減稀(-12.5%)作動后，1列混合汽仍然顯示過濃的狀態相吻合。

圖8 故障車上的火花塞

鑒于1列燃油總修正值為-35.938%，分析故障車發動機混合汽過濃的可能原因如表1所示。

表1 故障車發動機混合汽過濃的可能原因

使用雷克薩斯GTS專用診斷儀，并結合維修手冊指定工況下對應數據流的正常讀取，首先快速排除了MAF傳感器和THW傳感器的故障。對發動機外部的燃油供給管路進行檢查，確認除歧管噴射噴油器及缸內直噴噴油器以外，沒有額外的HC流入。對歧管噴射噴油器及缸內直噴噴油器的泄漏進行確認，將燃油壓力表串聯到低壓燃油泵至低壓油軌的油路中，原地啟動發動機，在P擋、怠速、無負載的工況下多次反復輕踩后松開油門踏板，待怠速穩定后觀察燃油壓力表，數值顯示為400kPa(標準范圍為196～588kPa)，由此排除低壓燃油泵及壓力調節器卡滯的可能性。

使用雷克薩斯GTS專用診斷儀，讀取高壓油軌中燃油壓力目標值及實際值，對照維修手冊，確定顯示數值均在正常閾值范圍后，關閉發動機，并快速將啟動按鈕置于IG-ON模式，再次使用雷克薩斯GTS專用診斷儀讀取此刻高壓油軌中燃油壓力目標值及實際值(圖9)。通過波形可以看出，故障車的高壓油軌油壓能夠保持穩定，由此排除缸內直噴噴油器的泄漏。

圖9 高壓油軌壓力保壓測試

最后，在對故障車低壓燃油泵至低壓油軌的油壓及歧管噴射噴油器的泄露進行確認的過程中，筆者發現了端倪。按照維修手冊作業標準，在發動機正常熄火后，低壓燃油壓力須在當前壓力下保持5min，并在30min內壓力不低于147kPa。然而，在不到5min的時間內，故障車發動機的低壓燃油壓力就下降至0，結合該車故障癥狀“經短期停放和長期停放后啟動困難(熄火后立即啟動正常)”，推測歧管噴射噴油器存在泄露的可能。

為佐證這一推論，將低壓油軌連同6個歧管噴射噴油器一并拆下(圖10)，經查發現1、3、5缸的歧管噴射噴油器噴油孔存在大量油跡。為使泄漏變得更直觀，將做好標記的各缸歧管噴射噴油器重新裝復至低壓油軌，再將低壓油軌的油管連接器接至低壓燃油泵油路中。在確保安全的前提下，將啟動按鈕置于IG-ON模式下，使用雷克薩斯 GTS專用診斷儀對低壓燃油泵進行主動測試(圖11)發現1、3、5缸的歧管噴射噴油器噴油孔均存在關閉不嚴、燃油泄露的情況，其中1、5缸的燃油泄露更為嚴重，與之前1、3、5缸的火花塞表面不良的燃燒狀態一一對應。

圖10 故障車1、3、5缸歧管噴射噴油器

圖11 主動測試低壓燃油泵

至此，該車的故障根源已水落石出。發動機1、3、5缸歧管噴射噴油器的針閥關閉不嚴，引起燃油泄漏是導致1列混合汽始終過濃的罪魁禍首，這也是導致發動機1、3缸缺火的真正元兇。

更換1、3、5缸歧管噴射噴油器后，使用雷克薩斯GTS專用診斷儀，讀取怠速空燃比反饋工況下的1、2列空燃比傳感器、氧傳感器及燃油長短校正數據流(圖12)，各項數值均處于正常范圍內，發動機運轉良好，無缺火現象，路試20km左右，車輛行駛平順、加速有力，該車故障被徹底排除。

圖12 故障排除后發動機的數據流

維修小結

過濃或過稀的混合汽經壓縮點火后，因不完全燃燒，均會造成缸內缺火，且生成大量CO或HC。過量的CO或HC不僅會加劇尾氣排放的惡化，還會引起三元催化轉換器超溫、熱衰退損壞。為防止燃燒的進一步惡化， ECM根據診斷控制策略，將對缺火汽缸的噴油器執行斷油控制，并點亮發動機報警燈、設定故障碼。

在診斷這類故障時，首先必須掌握缺火判定的檢測基理，其次對造成當前缺火故障混合汽的濃、稀狀態必須定性，同時借助雷克薩斯GTS專用診斷儀對發動機的相關數據流進行分析，只有這樣才能更好地對故障成因進行追根溯源，從而科學高效、快速準確地鎖定故障真因。