2008年广汽丰田凯美瑞三元催化器堵塞
作者：林深
来源：《汽车维修与保养》 2018年第7期
    故障现象
    一辆2008年生产的第六代广汽丰田凯美瑞，搭载2AZ型发动机(排量2.4L)，自动变速器型号为U250E，行驶里程超过200 000km，平时主要作为企业公务用车，因加速无力而送修。
    故障诊断与排除
    技师接车后试车，发现踩下加速踏板，发动机转速与车速不能及时提升。调取发动机ECU数据，发现升挡时的“计算负荷”(CALC Load)达到56%，明显表现出加速时发动机动力不足的症状。导致发动机加速动力不足的原因有很多，如：泵气功能损失、燃油与空气混合比不正确、点火正时错误、点火能量不足等，但根据电喷汽油发动机喷油控制和点火控制来看，最基本的要素是发动机转速和进气量MAF(或进气绝对压力MAP)。
    第六代广汽丰田凯美瑞采用的热线式空气流量计监测进气量的，进气量的多少直接控制着基本喷油量，
也决定了发动机输出的扭矩和功率。
    对于发动机加速无力的故障现象，采用测量大负荷时的进气量来判断是否因进气量不足而造成发动机加速无力，是一种有效的诊断手段。具体的测试方法是：事先连接智能诊断仪IT-II，选择菜单Powertrain/Engine/Data List，并将记录时间设置为大于1min；启动发动机，并预热发动机到正常工作温度(85℃)；选择一段空旷的路面，变速器置于“L”挡，将车辆加速踏板猛踩到底，使节气门处于接近全开状态行驶，并保持一段时间。如此反复操作2~3次。
    通过对故障车进行最大负荷进气量测试发现，发动机转速表显示的最高转速大约只有5 000r/min，测试的数据流如图1所示。
    “发动机转速最高4 807r/min，进气量61.68g/s，计算负荷54.5%”。如果按节气门全开，2.4L排量发动机在4 807r/min时，根据公式“最大进气量=发动机转速÷2÷60×发动机排量×空气密度”，计算出该车理论最大进气量应在115g/s左右，再乘以80%的充气系数，进气量应在92g/s左右。而借助IT-II诊断仪监测到该车的实际进气量只有61.68g/s，很显然进气量不足。
    导致发动机进气量不足的常见原因有：进气受阻、排气不畅、空气流量计检测错误。从发动机ECU数据流来看，该车的长期和短期燃油修正值均在正常范围内(短效修正Short FT#1-0.04%；长效修正Long FT#1- 4.65%)，由此可以排除空气流量计的检测错误。
广汽丰田    接着检查进气管道(包括空气滤清器)，也未发现有堵塞现象，继续检查排气是否畅通。拆下三元催化器上的A/F传感器，在A/F传感器安装孔上连接排气背压表，然后将发动机转速提高到2 000~2 500r/min，此时排气背压表显示在0.02~0.025MPa范围内抖动(图2)。正常情况下排气背压应小于0.008MPa，说明排气背压过高，三元催化器及排气管有堵塞。用内窥镜通过A/F传感器安装孔检查发现三元催化器已经有大面积堵塞。由此，基本可以判定该故障车加速无力是由三元催化器堵塞所造成的。
    更换三元催化器，并重新做发动机大负荷进气量测试，发动机最高转速能达到6 000r/min以上。测试的数据流显示：发动机转速5 006r/min时进气量达到了86.34g/s，“计算负荷”也提高到71.76%(图3)。排气背压测试，发动机转速处于2 000~2 500r/min时，排气背压表指针基本保持在“0”位置。上路测试，该车发动机加速恢复正常。至此，故障被彻底排除。
    维修小结
    本案例中，为了验证发动机进气量不足是否是由三元催化器堵塞造成的，维修技师通过公式计算出发动机5 000r/min时的理论进气量，然后乘以进气系数0.8，再与路试中监测到的实际进气量进行比对，这种验证方法具有一定的代表性和实用性。进气量不正确，可能的原因有：空气吸入受到限制、正时皮带跳齿，排气受到限制或者空气流量传感器损坏。诊断中，如果燃油控制正常，空气流量传感器不能正确测量进气量，那么燃油控制修正值将会超出正常范围。如果燃油修正值在正常范围内，而实际进气量明显偏低，就必须考虑进气及排气系统的泵气问题。
   
   
   
    专家点评
    焦建刚
    总观本篇文章，表现出了作者对发动机管理系统的工作原理有比较深刻的研究。尤其是对于进气量与发动机功率输出、以及发动机负荷之间的关系有比较深入的了解。整个故障的诊断、检测、分析过程非常全面、细致。
    如果要说有哪些不足，我认为，最主要是没有把节气门开度、进气量以及发动机负荷之间的关系解释清楚。先交流下负荷率的概念。负荷率其实是一个在某特定发动机转速下，扭矩的百分比相对概念。它的定义是：在相同发动机转速下，部分节气门下输出的扭矩与节气门全开时输出的最大扭矩之比。
    对于汽油机来讲，可通俗地表达为：在某个发动机转速下，部分节气门开度下的进气量与节气门全开
时的进气量也可以代表负荷率。原因在于汽油燃烧系统一般看作是空燃比为1的均质燃烧系统，其扭矩输出模式为进气量调节。丰田或本田等日系车企更倾向于使用进气量来描述负荷率，而欧美车企则更多采用扭矩来描述负荷率。
    在实际数据流分析中，我们发现，如果发动机工作正常，节气门的开度与实际进气量是成正比的。正常情况下，也可以用节气门开度与负荷率的大小来表示发动机的工作状态，尤其是对于作者所述的这个故障案例。我们明显看到，故障时，发动机的节气门开度达到了80%，发动机负荷为54.50%，而此时的进气量61.68g/s，还是按照作者提供的公式进行计算，61.68÷115%=53.63%，我们计算出的发动机负荷与检测仪上显示的发动机计算负荷54.50%已经非常接近了。这一方面说明了该车是使用了进气量作为负荷率的计算方法。另外，根据此时的负荷率与节气门开度的关系，可以看出发动机的实际进气量小于当时节气门开度的要求，出现了不匹配的情况。
    当解决了排气管堵塞情况后，我们再根据正常的数据来分析，可以发现，节气门开度78%，计算的负荷71.76%，此时的进气量86.34g/s。根据公式可以算出符合86.34÷115%=75.07%，与检测仪显示的发动机计算负荷71.76%比较接近，与实际的节气门开度75%也基本接近。
    以上分析是基于汽缸内混合汽正常燃烧进行的分析，这只是发动机故障中的一小部分。实际工作中，我们还会遇到类似汽缸内混合汽燃烧不完全导致的发动机功率、扭矩下降问题所导致的发动机负荷过高的问题。由于篇幅所限，这里不再赘述。