浅析丰田RAV4电喷系统及其故障诊断方法

浅析丰田RAV4电喷系统及其故障诊断方法张立维北京祥龙博瑞汽车服务(集团)有限公司五分公司1.绪论随着汽车工业的发展，汽车电子技术、新能源技术以及检测与维修技术逐渐成为汽车技术发展得热点。自20世纪50年代汽车技术与电子技术开始结合以来，电子控制技术在汽车工业中的应用范围越来越广，尤其是近十年，电子控制在汽车工业中迅速发展，汽车电子控制系统提高了汽车的动力性、经济性、安全性、舒适性。随着汽车技术得发展，特别是电子控制技、计算机技术在汽车上的应用。世界各大汽车公司纷纷致力于开发新型节能发动机，缓解世界能源危机和环保问题日益突出。因此新型的电子燃油喷射系统得到日益发展，随着计算机工业得不断发展，汽车的控制系统趋向于智能化、信息化。VVT-i（智能可变气门正时）、DIS（直接点火）和ETSC-i（智能电控节气门）等电子控制系统使汽车具有更好的加速性能和优异的油耗水平，减少了污染物的排放。丰田RAV4配备了丰田1AZ 2.4升发动机，本论文将浅析丰田RAV4 2AZ 2.4升发动机电喷系统及其故障诊断方法。2.丰田RAV4电喷系统的基本组成和工作原理2.1电子燃油喷射系统的基本组成 丰田RAV4配备直列4缸、2.4升、双顶置凸轮轴、16气门、汽油发动机。其电子燃油喷射系统由传感器、电子控制单元和执行器组成。传感器包括：曲轴位置传感器、空气流量传感器、水温传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、加速踏板位置传感器、氧传感器、爆震传感器、VVT传感器、车速传感器。执行器包括：燃油泵、喷油器、带点火器的点火线圈、VVT执行器、电子控制节气门电机2.2丰田RAV4电喷系统的工作原理丰田RAV4电子燃油喷射系统采用空气流量计检测进气量，属于L型电子控制汽油喷射系统EFI（Electronic Fuel Injection System），用电子控制器控制执行机构喷油器，在合适的时刻供给发动机所需要的汽油量。当发动机运转时，ECU接收多种传感器送来的信息，对这些信息进行处理，并根据专门程序对发动机在各种工况下所需的汽油量进行计算，然后向喷油器发出指令，使喷油器在合适的时刻将汽油直接喷射到发动机的燃烧室，或喷入进气管，与空气混合后进入发动机的气缸。丰田RAV4电子控制汽油喷射系统的优点如下：1提高了发动机的输出功率和转矩。电控汽油喷射系统对进气系统进行了较大的改进设计，减小了进气阻力，提高了充气效率，在供油量相同的情况下，进一步提高了燃烧效率，使发动机的输出功率和转矩得以提高。2降低了汽油消耗。它具有各种各样的精确修正功能和高精度的空燃比控制性能，能提供各种工况下最适当的空燃比，且汽油是以一定压力下喷射的，其混合气雾化好，各缸供油均匀，汽油利用率提高，降低了汽油消耗。3减少了排放污染。它采用了闭环控制空燃比，燃烧效率提高，燃烧完全，又采用了废气再循环和三元催化转化等措施，进一步降低了发动机排放污染。4改善了使用性能。以ECU为控制中心的电子控制系统，使车辆在加、减速和低温起动的过渡过程中， 空燃比响应速度快，反应灵敏，发动机的使用性能得到提高。3丰田RAV4电喷系统各总成的结构和工作原理3.1电动汽油泵电动汽油泵的功用是将汽油从油箱中吸出，升压到规定值，然后通过管路送到发动机各缸的喷油器。电动汽油泵为了能利用汽油进行冷却，通常做成永磁式驱动电动机、泵体和外壳三部分。根据电动汽油泵的安装位置不同，电动汽油泵可分为内置式和外置式两种。内置汽油泵安装在汽油箱内，不发生气阻和漏油现象，对泵的自吸性能要求较低，工作噪声小，外置汽油泵安装在汽油箱之外的汽油管路中，容易布置，但噪声大，且易产生气泡形成气阻。根据电动汽油泵的泵体不同，电动汽油泵又可分为滚柱式、涡轮式、齿轮式和叶片式等。滚柱式电动汽油泵属外置式泵，涡轮式电动汽油泵属内置式泵，又称再生泵，是最常见的结构型式。如图21所示。叶片进油口叶轮叶轮马达安全阀单向阀出油口壳体燃油泵滤清器燃油BA图2-1 涡轮式电动汽油泵（A） 结构（B）工作原理3.2 喷油器喷油器的功用是根据ECU发送来的喷油脉冲信号，准确地计量汽油喷射量，将汽油在进气歧管或进气总管内喷射、雾化，并与空气混合形成可燃混合气。喷油器一般由进油管接头、接线端子、电磁线圈、衔铁、回位弹簧、针阀偶件等组成，如图2-2所示。喷油器通过绝缘垫圈安装在进气歧管或进气道附近的缸盖上，汽油经滤网进入喷油器内，当ECU发出喷油脉冲信号时，电磁线圈接通并产生磁场。这一磁场力吸动衔铁和针阀克服弹簧力而上行，阀口打开，高压汽油便从喷孔高速喷出，油束与空气撞击而雾化。当ECU将电路切断时，电磁线圈不通电，电磁吸力消失，弹簧将衔铁和针阀推回，关闭喷油口，停止喷射。喷油量的多少取决于喷油器针阀的升程、喷口截面积、喷射压差和喷油脉宽等。图2-2 喷油器的结构1.密封圈 2.轴针 3.针阀 4.衔铁 5.回位弹簧 6.电磁线圈 7.进油管接头 8.滤网3.3 燃油压力调节器 压力调节器将喷油器的燃油压力控制在324kPa(3.3kgf/cm2)，压力调节器能像燃油泵的单向阀一样，维持燃油管里的残余压力。丰田RAV4采用的燃油压力调节器与汽油滤清器一起安装在燃油箱里如图23所示。这种燃油调节方法是将燃油压力控制在一个恒定的压力值。当燃油压力超过压力调节器的弹簧的压力时，阀门开启，使燃油回流到燃油箱并调节压力。 阀至燃油箱燃油滤清器燃油压力调节器图2-3 燃油压力调节器3.4 脉动衰减器脉动衰减器吸收由于燃油喷射和燃油泵压缩而产生的微量的燃油压力脉动。 RAV4采用的输油管具有脉动衰减功能，不再采用传统的脉动衰减器内部管件会由于油压发生变形从而吸收燃油脉冲如图2-4所示脉动衰减功能 油压图24 脉动衰减器3.5 燃油滤清器/燃油泵滤清器RAV4燃油滤清器安装在燃油箱中。燃油滤清器能去除由燃油泵压缩的燃油中的灰尘和杂质。燃油泵滤清器在燃油进入燃油泵之前，去除燃油中的灰尘和杂质。如图2-5所示燃油泵滤清器燃油滤清器图2-5 燃油滤清器/燃油泵滤清器4.丰田RAV4电喷系统的控制特点4.1 ECM电源电路特点丰田RAV4电源采用ECM控制型。如图3-1的电源电路中，EFI主继电器的工作由发动机ECM控制。这种电路要求在断开点火开关后电源仍可在一段时间内为发动机提供电压。因此，EFI主继电器的打开和关闭由发动机ECM控制。当点火开关打开时，电源电压提供给发动机ECM的IG SW端子，发动机ECM的EFI主继电器控制电路发送信号给M-REL端子，来打开EFI主继电器。这个信号使线圈通电并闭合EFI主继电器的触点来提供电压给+B端子。发动机ECU钥匙未锁报警开关EFI主继电器E1+BBATTIGSWEFI点火开关 图3-1ECM电源电路4.2 RAV4VVT- i（智慧型可变气门正时系统）控制系统特点丰田RAV4发动机（2AZ-FE）采用双VVT-i控制系统，该系统的特点是利用油压来调整进排气凸轮轴转角气门正时进行优化，从而提高功率输出、改善燃料消耗率、和减少废气排放。4.2.1 VVT-i系统的特点： 在低温，低负荷低速时，或者在低负荷时 延迟气门正时可减少气门重叠，以减少排出的废气逆吹入进气侧，从而达到稳定怠速、提高燃料消耗率和启动性能。在中等负荷 ，或者在高负荷低-中速时 提前气门正时可增加气门重叠，提高内部EGR率使用和降低填充损失，从而改善了排放控制和燃料消耗率。此外，同时提前进气门的关闭时间可减少进气被逆吹回进气侧，改善了容积效率。在高负荷高速时提前气门正时可增加气门重叠，以增加EGR使用和降低填充损失，从而改善了排放控制和燃料消耗率。此外，同时提前进气门的关闭时间可减少进气被逆吹回进气侧，改善了容积效率。此外，使用凸轮轴位置传感器的反馈控制被用于将实际进气的气门正时维持在目标气门正时里。 4.2.2 VVT-i系统的原理凸轮轴正时机油控制阀是根据发动机ECM输出的电流量，来选择流向VVT-i控制器的通道。VVT-i控制器应用油压使进气凸轮轴旋转到提前，延迟或保持气门正时所该当位置。 发动机ECM根据发动机转速、进气量、节气门位置和冷却液温度来计算出各种运行条件下的最佳气门正时，以便控制凸轮轴正时机油控制阀此外，发动机ECM使用凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器传出的信号用来计算实际气门正时，并进行反馈控制以达到阀的目标气门正时。 提前：由发动机ECM所控制的凸轮轴正时机油控制阀的所放置的位置，油压作用于气门正时提前侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的提前方向旋转。 延迟：由发动机ECM所控制的凸轮轴正时机油控制阀的所放置的位置，油压作用于气门正时延迟侧的叶片室，使进气凸轮轴向气门正时的延迟方向旋转。 保持：发动机ECM根据具体的运作参数进行处理，并计算出目标气门正时角度，当达到目标气门正时以后，凸轮轴正时机油控阀通过关闭油道来保持油压，从而保持现在的气门正时的状态。4.3 丰田RAV4ETCS-i（智能电子节气门控制系统）控制系统的特点丰田RAV4采用非线性控制电子节气门控制系统（ETCS-i），该系统是发动机ECM根据加速踏板的踩压量的大小控制对流向节气门控制电机得电流方向和强度进行占空比控制以达到最佳角度值。此外，加速踏板的踩压量是由加速踏板位置传感器所检测。节气门的开启角度是由节气门位置传感器所检测。 4.3.1 节气门体的结构和工作节气门体包括节气门检测节气门开度状态的节气门位置传感器打开或关闭节气门的节气门控制马达使节气门返回固定位置的回位弹簧。节气门控制马达采用了反应灵敏度高耗能少的直流马达。发动机ECM控制流向节气门控制马达的电流量的大小和方向，使马达转动或维持，和通过减速齿轮打开或关闭节气门，节气门的实际开启角由节气门位置传感器检测并反馈给发动机ECM。4.3.2 ETCS-i（智能电子节气门控制系统）控制系统失效保护控制节气门位置传感器包括主系统和辅助系统两个系统的传感器电路。如果其中一个出现故障，发动机ECM能够检测到两个传感器电路中有一个的反常电压，发动机ECM就切断节气门控制马达的电流，然后转换到跛行模式（故障慢行模式）。这时，由回位弹簧开启到固定的节气门开启度，并且喷射量和喷射时间是由加速踏板信号的来控制。虽然发动机的输出功率受到很大限制，但是车辆仍能行驶。当发动机ECM检测到节气门控制马达系统出现故障时，所采用的控制方法和节气门位置传感器出现故障时采用的控制方法相同。加速踏板位置传感器包含有主系统和辅助系统两个系统的传感器电路。如果其中一个出现故障，发动机ECM能够检测到由于两个传感器电路之间的信号出现差别而产生的反常电压。发动机ECM就转换到跛行模式（故障慢行模式）。在跛行模式（故障慢行模式）控制中，使用剩余的一条线路来计算加速踏板的开启角度并且车辆是在节气门开启角度大于正常值的有限条件下行驶。此外，如果两个电路都出现故障，则发动机ECM将节气门置于怠速状态。在这个时候，车辆只能在怠速范围内运行4.3.3 ETCS-i（智能电子节气门控制系统）其它控制l 怠速控制控制这种控制使节气门处于关闭一端时也能以保持在理想的怠速。l 换档减震动控制 这种控制是为了减少自动变速器变速换档时的震动，它借助于ECT（电子控制传动装置）的控制，减小了节气门的开启角度同时也降低了发动机的扭矩。l TRAC（牵引力控制）的节气门控制 如果车轮出现过度打滑现象，作为TRAC系统的一部分，来自防滑控制ECM的请求信号将会关闭节气门以至于及减小功率，来提高车辆平稳性和获得驱动力。l VSC（车辆稳定性控制）的协调控制 这种控制是利用防滑控制ECM的综合控制来控制节气门的开启角度以达到最大效率地利用VSC系统控制效果。l 巡航控制 在常规的巡航控制中，巡航控制ECM是通过巡航控制执行器和拉索来实施节气门的开启和关闭，但是配有ETCS-i，或在发动机ECM里内含着巡航控制ECM，可通过节气门控制马达来直接控制节气门的开启角度，执行巡航控制运作。 4.4 电子点火控制系统丰田RAV4采用DIS(直接点火系统)，该系统无需使用分电器，DIS可以提高点火正时得精确性，减少高压损失、提高点火系统的整体可靠性。DIS是一套独立点火系统，各缸内均有一个点火线圈（带点火器）4.4.1 DIS直接点火系统由下列元件构成： l 曲轴位置传感器（NE）探测曲轴角度位置（发动机转速）。 l 凸轮位置传感器（G）辨认气缸而和行程，并探测凸轮轴正时。 l 爆震传感器（KNK）探测发动机的爆震。 l 节气门位置传感器（VTA）探测节气门的开启角。 l 空气流量计（VG/PIM）探测进气量。l 水温传感器（THW）探测发动机冷却液温度。 l 带点火器的点火线圈在最佳正时时，接通和关断初级线圈电流。向发动机ECM发送IGF信号。 l 发动机ECM根据多个传感器发出的信号，产生IGT信号，并将此信号送往带点火器的点火线圈。 l 火花塞产生电火花，引燃空气-燃油混合气。RAV4采用加长、薄电极型铱金火花塞。改火花塞使容纳火花塞的气缸盖部位制的更厚。因而，可以将水套延伸到燃烧室附近，从而提高了冷却性能。 4.4.2 以下是根据使用点火器和点火线圈合为一体的2ZR-FE发动机DIS系统的运行例子。如图32所示 发动机的ECM接收多个传感器发送来的信号，计算出最佳点火正时。发动机ECM往整体式点火线圈体发送IGT信号。IGT信号将按点火顺序（1-3-4-2）送往各个点火器。流往点火线圈的初级电流被快速切断。在点火线圈内产生高电压电流。当初级电流超过预定值时，IGF信号被反馈回发动机ECM。在次级线圈中产生的高电压电流流往火花塞，完成点火。火花塞#1火花塞#4火花塞#3火花塞#2+BIGFIGT4IGT3IGT2IGT1节气门位置传感器凸轮轴位置传感器曲轴位置传感器ECU水温传感器 空气流量计爆燃传感器图32 DIS系统4.5 燃油泵控制丰田RAV4燃油控制系统具有一下特点：当发生正面或侧面碰撞气囊展开时，采用燃油切断控制以停止燃油泵。在此系统中，发动机ECM检测到来自气囊传感器总成的气囊展开信号，并关闭断路继电器。激活燃油切断控制后，将点火开关从OFF切换至ON可以取消燃油切断控制，并可重新启动发动机。4. 6 RAV4EFI（电子燃油喷射系统）的修正控制4.6.1 起动加浓基本喷射时间不能根据进入的空气量来计算。因为在起动时发动机转速较低而进入的空气量的变化较大。而且，起动时的燃油喷射时间要由冷液却液温度来决定。 冷却液温度由水温传感器来检测。水温越低，燃油的雾化性越差。因此，需增加喷射时间来得到较浓得空气-燃油混合气。4.6.2 预热加浓发动机ECM在冷机时，因为此时燃油不容易雾化，所以，燃油的喷射量就需增加。当温度较低时，需增加燃油喷射时间，来获得较浓得空气-燃油混合气，从而达到较好的行车性。最大校正量是常温下的两倍。4.6.3 空燃比反馈校正当发动机负载或发动机转速没有较大的波动，如发动机预热后的怠速或以恒定速度行驶时，是根据气缸内进入空气量的多少而供给燃油量（空燃比接近理论的空燃比值。） 4.6.4 加速加浓突然加速时，空燃比变小，特别是在加速的开始阶段。因为当踩下加速器踏板时开始加速过程，这时会出现燃料供应滞后于进入气缸内的空气快速变化量。由于这个原因，则需延长燃料喷射时间，根据进入的空气量而增加喷射量以防止空气和燃料混合气偏稀。加速加浓的大小取决节气门开启角度的变化速度。加速校正在加速开始阶段会大量增加，增加到上限值后又会逐渐减小。此外，加速越快，燃料喷射量的增加越大。4.6.5 燃油切断在减速过程中，为了减少有害气体的排放和增强发动机的制动效果，根据减速的具体条件可停止燃料供应操作。停止燃料喷射的有效的方法是切断燃料供应控制。减速状态取决于节气门的开度和发动机转速。当节气门关闭和发动机转速高时，它就断定车辆在减速。4.6.6 功率加浓发动机在高负载情况下，比如当爬陡峭的山路时，很难使吸进的空气和喷射的燃油充分混合。燃烧时，进气空气并非全部使用，一些进气空气被残留。因此，燃烧过程中就需要喷射比理论空燃比多的燃油以使空气充分燃烧而增加功率。高负载是由节气门位置传感器的开启，发动机转速和进气质量来确定的。 进气质量越高或发动机转速越高，比率的增加量越大。此外，当节气门的开启角度等于或大于预定值时该量还会增加。增加量的校正从大约10% 到 30%。4.6.7 进气温度校正空气密度随空气温度的变化而变化。因此，需要作一个校正：即根据进入气缸中的空气温度来增加或减少燃料的量，以优化发动机当前条件下所需的混合比例。 进气温度由温度传感器探测。 发动机ECM 将空气温度设定为标准值20(68)。当空气温度高于或低于标准值时，就会确定一个校正量。 进气温度低，密度增加，因而校正量也增加。进气温度高，密度降低，因而校正量也减少。 校正量增加或减少接近10%。5.丰田RAV4电子控制系统故障诊断流程方法5.1 丰田RAV4电喷系统常见故障l 尾气排放不合格，排气管冒黑烟l 发动机故障灯点亮l 发动机无法起动l 发动机可以起动但起动困难l 发动机怠速过低l 发动机怠速过高l 发动机怠速运转不平稳、抖动l 发动机动力下降，加速不良l 车辆行驶中发动机熄火l 负载时发动机失速l 发动机加速回火l 发动机爆震l 燃油消耗过高5.2 丰田RAV4电喷系统常见故障诊断方法以上常见故障诊断流程主要由五个步骤构成。如果检查车辆时不按照必要的程序操作，则故障很可能变得复杂，最后很可能由于他错误的推测而采取不相干的维修程序。为了避免发生这种情况，在故障诊断时应正确按照以下五个步骤来执行。步骤1：验证和重现故障症状。验证和重现故障症状是故障诊断的第一步。故障诊断中最重要的一个因素是正确地观察用户所指出的实际故障（症状）并以此做出不带任何偏见的、正确的判断。为了重现故障症状，维修员应该询问用户这种症状在什么条件下出现。例如车子行驶的时间、地点、车辆的负荷、乘坐人员数等。询问得结果有助于技师排除故障。步骤2：判定这种症状是不是故障当用户对车的故障提出抱怨时，这种抱怨可能是由很多原因造成的。然而并不是用户所说的所有症状都是故障，但这些症状很可能与车辆特性有关。如果维修员花大量时间去修理一辆实际上并无故障的车，不仅仅浪费了宝贵的时间，而且会失去用户的信任。步骤3：推测故障发生的原因推测故障发生的原因应当在维修员所确定的故障症状基础上系统地进行。技师可以根据车辆的状况和ECM的相关数据进行故障排除。步骤4：检查可疑部位找出故障产生原因。故障诊断是在通过验证（检查）所获取数据的基础上，逐渐寻找故障真正原因的一个反复过程。技师可以通过施加振动、加热和/或致冷、淋水、施加电负荷等方法进行故障重现。步骤5：避免类似故障再次发生。只有当故障顺利排除，并消除了用户担心类似故障再次发生的心理才意味着此次修理大功告成。6 结束语以上是针对丰田RAV4电子燃油喷射系统的简单介绍，随着科技的不断发展使电子燃油喷射系统有着突飞猛进的改进。随着人们对环境影响因素的认识将涌现出更多汽车研发人员，在不久得将来将会出现更加环保的新能源型汽车。15