发动机空燃比失常故障的排查思路

◆文/上海　李明诚

发动机空燃比失常故障的排查思路

◆文/上海李明诚

李明诚

(本刊编委会委员)

1964年大学本科毕业，长期从事汽车拖拉机教学、研究和新技术推广工作，曾受聘担任江西省讲师团成员、汽车维修技工学校教师。1988年获得高级工程师职称，1996年获得行业“全国优秀科普工作者”称号，1990年、1993年和1994年分别由同济大学出版社、东南大学出版社出版教材3本。

一、空燃比的基本概念

所谓空燃比 (A/F)是指：进入汽缸中的空气和燃油的质量比值。汽油发动机的理想空燃比为14.7：1，是指进入汽缸的空气质量为14.7kg、燃油质量为1.0kg时，汽缸内的混合汽可以充分燃烧。

闭环控制是指控制系统通过实时监测燃油量、进气量、排气温度、排气中的氧含量、发动机负载、发动机转速等运行参数，并按照控制图(MAP)，去调整喷油时间(喷油脉宽)，从而调节发动机的实时空燃比。ECU对空燃比的控制分为两种，一是短期燃油修正(STFT)；二是长期燃油修正(LTFT)。

短期燃油修正值会根据氧传感器信号变化而快速变化，对燃油供应进行细调节；长期燃油修正值会根据短期燃油修正值的变化趋势而变化，对燃油供应进行粗调节。

发动机ECU控制空燃比的范围为0～25.5，闭环控制时控制范围为14.2～14.7。空燃比较低表明混合汽浓，空燃比较高表明进入汽缸的空气较多，混合汽稀，发动机控制系统对燃油的修正原理如图1所示。

ECU对空燃比的修正值用“±%”表示，理想的空燃比修正值为0。若为负值，表示ECU正在控制减少喷油量，将混合汽调稀，以改变混合汽过浓的状况；若为正值，表示ECU正在控制增加喷油量，以调节混合汽过稀的状况。长期燃油修正值范围为±20%～±25%，而修正值的正常范围为-10%～10%。在进气系统无泄漏的情况下，如果长期燃油修正值大于10%，说明燃油压力不足。

图2　日产阳光宽带式氧传感器

图1　燃油修正原理图

发动机的空燃比一直处在动态变化之中，其原因如下：

1.氧传感器的反馈结果。氧传感器(图2)不断地将废气中的氧含量信号反馈给ECU，ECU不断地调整喷油脉宽。如果汽缸内的空燃比变化速率很快，氧传感器输出的信号电压变化速率也会加快。此时，ECU被迫快速地做出调整，从而导致发动机加速后喘振，甚至ECU会认为氧传感器损坏，将故障指示灯点亮。

2.发动机积炭的影响。发动机进气道内的积炭类似于活性炭，它既可以吸附汽油，又可以释放汽油。在冷车时积炭吸附汽油，造成混合汽过稀；在热车后，这些被吸附的汽油分子又被蒸发出来，造成混合汽过浓。随着加速、减速的变换，积炭在不停的吸收或释放着汽油，造成ECU调制的空燃比与实际空燃比产生误差。

二、混合汽过浓故障排查

1. 典型混合汽过浓故障

⑴排气管被烧红(图3)。一辆上海大众POLO劲取轿车，发生排气管烧红(氧传感器安装位置)。经过仔细检查，发现连接三通阀阀体与节气门体下侧进气腔处真空软管脱落，使节气门后部漏气，造成进气管的真空度下降、进气歧管绝对压力传感器信号电压变大。此时，ECU便指令增大喷油量，导致进入汽缸的混合汽燃烧不彻底，产生的废气中含有大量未燃混合汽，这些废气在三元催化转化器中转化为CO2和H2O，同时释放了大量热量，造成排气温度过高，最终引起排气管烧红的现象。将脱落的真空软管插好，故障被排除。

图3　排气歧管烧红

⑵排气管汽油味浓重。它是由于进入汽缸内的混合汽过浓，而又没有完全燃烧，便从排气管释放出来所导致。此时，氧传感器会检测到废气中的氧含量较高，ECU会误认为混合汽过稀，加大喷油脉宽，使进入汽缸的混合汽更浓，如此恶性循环致使汽油味浓重。

在实际维修当中，对于经常闻到汽油味较浓的汽车，往往更换活性碳罐(图4)便能解决问题。

例如丰田雅力士轿车，由于其碳罐安装在燃油箱内顶部，如果将燃油箱加满，开裂的碳罐将会浸泡在燃油中，液态燃油进入碳罐，随后再进入进气管，致使混合汽过浓、发动机易熄火、汽油味浓重。

图4　被堵塞的活性炭碳罐

2.混合汽过浓的原因

⑴进油量过多，例如燃油压力过高、喷油器滴漏、喷油过多等故障。

⑵进气量过少，例如进气道堵塞、配气相位不正确、排气管堵塞(测量排气背压或者进气管真空度)。

⑶点火能量不足，例如点火线圈或火花塞工作不良。

⑷排气管漏气，例如在安装氧传感器之处漏气，外界的空气由此进入，导致排气管内的氧含量过高，使氧传感器误反馈混合汽较稀信号，进而使发动机ECU指令增加喷油量，造成混合汽过浓。

3.混合汽浓度的检测方法

在点火系统正常的情况下，拆下火花塞，观察火花塞头部的颜色，如果火花塞头部有黑色积炭(图5)，说明混合汽过浓(棕褐色为正常)，或者查看空燃比的修正值，如果为正值且偏大，说明混合汽过浓。

图5　火花塞电极颜色不正常

4.混合汽过浓的几种情形

⑴数据流显示混合汽怠速时过浓，中速(2 500r/min)时正常，原因一般为燃油压力过高，因为怠速时需要较少的喷油量。

⑵数据流显示怠速时正常，中速(2 500r/min)时混合汽过浓，原因一般为空气滤清器堵塞，因为中速时比怠速时需要较多的空气。

⑶数据流显示混合汽在怠速和中速(2 500r/min)时均过浓，原因一般为点火能量不足，氧传感器或者其他传感器失常。

三.混合汽过稀的故障排查

如果发动机混合汽偏稀(即空燃比过大)，虽然三元催化转化器对CO和HC的转化率略有提高，但是NOx的转化率会急剧下降，因此发动机必须保持最佳的空燃比。混合汽过稀故障现象多为启动困难、怠速抖动、发动机故障指示灯点亮。

1. 混合汽过稀的故障现象

⑴排气管放炮。一辆奔驰S350轿车，发生排气管放炮现象，故障码和数据流都显示混合汽过稀。在一般情况下，混合汽过稀会引起进气管回火，混合汽过浓才会引起排气管放炮。但是，事物的演变总是遵循“由量变到质变”这一规律。例如燃油压力过低引起的启动困难，本来是混合汽过稀的情况，但是拆下火花塞检查，发现电极是湿的，说明“淹缸”了，给人一种混合汽过浓的印象。这辆奔驰S350轿车放炮，是由于混合汽过稀，导致某个汽缸不工作，但是混合汽仍然不断地进入该汽缸，然后进入排气管，甚至在排气管内燃烧，出现放炮现象。更换电动燃油泵，消除了混合汽过稀的根源，故障排除。

⑵点火系统击穿电压较高。如果喷油器堵塞，会导致单位时间内喷油量减少，汽缸内可燃混合汽的浓度减小，使火花塞产生电火花的击穿环境变差。由于过稀的混合汽较难发生电离，只有提高点火器的次级电压，才能形成有效的击穿火花。为使较稀的混合汽能持续燃烧，所以火花塞的“燃烧电压”随之升高(图6)。

图6　电子点火初级波形图

2.混合汽偏稀的原因

包括进气过多、喷油偏少、缸压不足、点火失常、传感器输入信号有误等。对于行驶里程在50 000km以内的汽车，可以不考虑缸压不足问题。建议按照“氧传感器信号分析→进气系统泄漏测试→燃油喷射系统拆检”这一流程进行排查，因为检测燃油喷射量的复杂程度远大于进气系统，所以需要放在后面进行。

排查进气系统是否漏气，不能只检查进气管和进气歧管，还必须检查进气门、曲轴箱强制通风管、活性碳罐进气管、废气再循环系统以及废气涡轮增压系统等装置。如果上述部位都不存在漏气现象，就应当检查喷油器是否堵塞了，它是引起混合汽过稀的常见原因之一。

发动机混合汽过稀的具体原因可由以下3种情况来阐述：①怠速时混合汽过稀，中速(2 500r/min)时正常，原因一般是节气门后方漏气。一辆一汽大众迈腾1.8TSI轿车，发动机故障灯报警、怠速不稳、抖动厉害。读取数据流，怠速时的空气流量为1.7g/s(正常值为2.1g/s)，节气门开度值1.2%(正常值为3.9%)。鉴于空气流量较低、节气门的开度偏小，说明有额外的空气进入进气道。经过反复检查，发现曲轴箱强制通风系统内的油雾分离器的调压阀膜片卡滞，造成大气与曲轴箱相通，导致额外的空气进入进气歧管；②怠速时正常，中速(2 500r/min)时混合汽过稀，原因一般是供油不畅，例如燃油滤清器堵塞等。如果燃油滤清器没有堵塞，再检查电动燃油泵的性能是否不良、引起供油压力不足，导致混合汽过稀；③怠速和中速(2 500r/min)时混合汽均过稀，原因一般是喷油器堵塞，或者是电动燃油泵工作不良引起燃油压力不足。

3.混合汽偏稀的检测方法

连接故障诊断仪，对喷油器进行“主动测试”，通过人为增加或减少喷油量去改变空燃比，然后检查氧传感器输出信号，观察是否有变化，如果没有变化，说明氧传感器失效。注意：在“主动测试”条件下，发动机ECU的短期燃油修正会终止(变为0)，此时无法对空燃比做出修正。

四、启动时空燃比失常的排查

1.将点火开关“接通—关闭—接通”，循环几次，中间停顿2s，如果发动机能顺利启动，说明燃油泵的保持油压过低(即所谓油泵“不存油”)，引起喷油量偏少、混合汽过稀。

2.稍微踩加速踏板，如果发动机容易启动了，说明故障原因是进气道脏污，阻碍了进气，引起混合汽过浓。

3.如果需要连续多次启动才能着车，说明混合汽过稀，原因是积炭吸附了燃油、启动信号缺失或者冷却液温度信号失准等。

4.如果怀疑发动机不能启动的原因是混合汽偏浓，可以试着将加速踏板踩到底，利用ECU程序中的“超速断油”功能，减少喷油。如果此时发动机能启动，说明混合汽确实偏浓。另外，如果不将加速踏板踩到底就不能启动，需要考虑燃油蒸汽是否回收过度，引起了混合汽过浓的现象。

5.拆开进气管的连接 (图7)，向进气管内喷入化油器清洗剂，如果发动机能够启动，说明混合汽过稀。也可以堵住部分进气口，然后做加速试验，如果加速性能变好，说明混合汽偏稀；如果加速性能恶化了，说明混合汽偏浓。

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气路两个方面，实践中多见于油路故障，而油路故障很多是由积炭引起的。因此，可以向燃油箱加注除炭清洗剂。为了更加快捷、有效，可以拆卸进气歧管，人工向内喷射进气系统清洗液(图8)，以清除进气道和气门杆上的积炭。

图8　上海通用汽车进气系统清洗液

2.如果汽油发动机出现怠速抖动，说明混合汽过稀或者过浓。在怠速工况下，发动机需要比较浓的混合汽，如果在节气门后方有未经计量的空气被吸入进气道，就加大了空燃比，使混合汽变稀，将影响怠速的正常运转。对于这种故障，应该首先检查进气歧管(包括其密封垫)是否漏气。这是因为进气歧管漏气会影响电控单元测量进气量的精确度，使空燃比失调，从而导致汽油机怠速抖动。

3.表面现象为混合汽过浓，但本质是混合汽过稀。例如：当发动机ECU通过氧传感器探知混合汽过稀，会增加喷油脉宽，但是调节量最多±25%。如果混合汽仍然过稀，则难以维持正常的燃烧，大量未燃的混合汽被排放出来，没有做功，因而怠速下降。当发动机ECU检测到怠速降低，会加大节气门的开度，增加进气量，此时增加进气量显然无济于事，因为进气量本来就比较多，关键是要消除混合汽过稀的根源。

表1　空燃比失常故障码

4.车辆行驶过程中，如果发动机低速不耸高速耸，说明混合汽过稀，高速不耸低速耸，说明混合汽过浓；如果缓加速不耸急加速耸，说明混合汽过稀，急加速不耸缓加速耸，说明混合汽过浓；如果平路不耸上坡耸，说明混合汽过稀，上坡不耸平路耸，说明混合汽过浓，以上是定性分析法。

5.要注意甄别启动时的汽油味，在冷启动时，发动机ECU会加浓混合汽，所以单纯在冷启动时闻到汽油味，可能是正常现象。对于安装了二次空气泵的汽车，它只在启动时工作1min，所以在冷启动以外的时间闻到汽油味，并不是二次空气系统引起的故障。

6.空燃比偶发性失常的排查

⑴如果汽车颠簸(过沟坎、强烈震动)后容易熄火，其故障原因是：进气波纹管破裂，在颠簸时大量空气从裂纹处漏入，这部分空气未经空气流量计计量，造成混合汽过稀，所以容易熄火。

⑵偶发性加速耸车，甚至熄火，熄火后启动困难，需要长时间将加速踏板踩到底(断油)才能启动，这种故障的原因往往是喷油器漏油。

六、“空燃比调整超限”故障分析

在维修实践中，有时发动机故障灯点亮，并且读到混合汽调节超过调整值上限或下限的故障码(表1)，即所谓“混合汽既过浓又过稀”，其原因可能是：电控系统失常、积炭的影响、正时不准、缸压不正确、点火能量不足、清洗匹配不当等。

如果读到故障码P0171(含义为汽缸列1过稀)，可以确定为混合汽过稀。该故障码的生成条件是： ECU接收到氧传感器的信号电压过低，并伴随较高的长期燃油修正值。产生这个故障码可能原因有：氧传感器故障、线路故障、燃油压力过低、喷油器堵塞、空气流量传感器故障、进气管路漏气等。

对于空燃比控制超上限的故障码(图9)，可能的故障原因有：空气流量传感器之后的进气道泄漏、PCV系统泄漏、氧传感器故障、排气管泄漏(氧传感器附近)、废气再循环系统泄漏、空气流量传感器太脏、喷油器阻塞、燃油泵油压偏低等。

图9　中华H320轿车的故障码

在马自达维修手册上，故障码“P2187”的解释是：在闭环控制状态下，空燃比调整值超过上限，简言之，就是混合汽过稀(图10)。产生该故障码的可能原因有：进气系统泄露、喷油器堵塞等。

图10　马自达6的故障码