1ZR发动机故障排除

课题名称：1ZR发动机故障排除
一、实训目标
通过本课题的学习，应能掌握1ZR电控发动机的故障排除方法。

二、实训设备
丰田1ZR电控发动机实验台、解码器、万用表、示波器
三、实训任务
任务1 1ZR发动机电控系统的结构与原理
任务2 故障的检测方法及现象分析
任务3 发动机故障的自诊断与故障代码
任务4 智能型气门正时系统（VVT-I）
任务1、电控系统的结构与原理
发动机电控系统由传感器与控制开关、电子控制单元、执行器三部分组成。

传感器包括空气流量传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门体、油门踏板位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、离合器踏板开关、氧传感器和爆震传感器等。

电子控制单元ECU采集的控制开关信号主要有点火开关信号、起动开关信号、电源电压信号、空调开关信号和空档安全开关信号等。

执行器主要有电动燃油泵（油泵继电器）、电磁喷油器、清污VSV、凸轮轴正时机油阀。

卡罗拉1ZR-FE发动机电控原理图1-1：
图1-1发动机电控系统
传感器是一种信号转换装置，安装在发动机的各个部位，其功能是检测发动机运行状态的电量参数、物理参数和化学参数等，并将这些参数转换成计算机能识别的电信号输入ECU。

1ZR-FE发动机的传感器有空气流量传感器，曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门体、油门踏板位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、离合器踏板开关、氧传感器和爆震传感器等。

将这些传感器信号输入电控单元，用于在发动机整个工作范围内控制最优燃油喷射量、喷射时间，以减少废气排放并提高发动机功率和燃油经济性。

1.热丝式空气流量计
（1）工作原理：在热丝式空气流量传感器中，采用恒温差电路实现流
量的检测。

发热元件电阻和温度补偿电阻分别在电路的两个璧上。

当发热
元件的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡，并具有电流放大作用的控制电路控制加热电流（50- 120mA）保持发热元件温度与温度补偿电阻温度之差保持恒定。

当空气气流流经发热元件使其受到冷却时，发热元件温度降低，阻值减小，电桥电压失去平衡，控制电路将增大供给发热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻120℃。

电流增量的大小取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量。

当电桥电流增大时，取样电阻上的电压就会升高，从而将空气量的变化转变为电压信号的变化。

信号电压输入ECU后，ECU便可根据信号电压的高低计算出空气质量流量的大小。

（2）信号作用：发动机电控单元利用该测量值计算喷油时间和点火时间。

（3）信号失效：信号失效时，发动机电控单元用一个固定值来替代。

2.曲轴位置传感器
（1）曲轴位置传感器又称为发动机转速或曲轴转角传感器，位于缸体上。

它是一个电磁感应式，信号盘由36个齿和2个齿轮（两个大齿），齿缺相距180°，作为确定曲轴位置的参考标记。

（2）信号作用：采集发动机曲轴转动角度和发动机转速信号，并将信号输入ECU，以便确定和控制喷油时刻与点火时刻。

（3）信号失效：信号失效时，发动机熄火。

（4）快速启动识别：为了让发动机快速启动，发动机电控单元计算来自霍尔传感器的发动机转速传感器信号。

并利用来自霍尔传感器的信号识别各缸。

曲轴传感器轮上由两个齿缺，当曲轴转过半圈时，发动机电控单元就会获得一个相关信号。

通过此方式，发动机电控单元在初期就可识别
相关各缸的曲轴位置并控制相应的电磁阀来进行喷射循环。

3.凸轮轴位置传感器
（1）凸轮轴位置传感器又称为汽缸判别传感器和相位传感器，安装在凸轮轴齿轮下面的齿形皮带导向轮上，监测安装在凸轮轴齿轮上的7个凸齿位置。

（2）信号作用：采集配置凸轮轴的位置信号，并将信号传入ECU，以便ECU识别1缸压缩上止点，从而进行顺序喷油控制、点火控制和爆震控制。

（3）信号失效：信号失效时，发动机电控单元利用发动机转速传感器产生的信号作为替代信号。

（4）发动机启动时各缸的识别：发动机启动时，发动机电控单元应知道哪缸处于压缩冲程，以便激励相应的喷油电磁阀。

发动机电控单元计算由非接触性磁阻产生的信号确定凸轮轴位置。

4、节气门体
（1）信号作用：发动机不同工况需要的进气量有加速踏板传感器、节气门控制模块和电子式气门体组成的进气调节系统进行调节。

踏板传感器传感器安装在加速踏板上，电子式气门体有节气门位置传感器、执行机构和节气门组成。

电子式加速踏板传感器将加速踏板的位置信号传送到电子控制器ECU内部的节气门控制模块，有节气门控制模块中处理程序计算出节气门开度的大小之后，再驱动直流电机调整节气门进气通道的开启面积来控制进气量，从而满足发动机不同工况对进气量的需求。

这种进气调节系统具有进气量控制精度高，能够实现低排放控制的优点。

还可通过控制模块驱动节气门来调节发动机怠速时的进气量。

因此，不需要旁通进气道
和怠速调节器。

（2）信号失效：加速不良，发动机故障指示灯亮。

5.油门踏板位置传感器
（1）信号作用：识别加速踏板位置，计算喷油量。

（2）信号失效：信号失效时，发动机电控单元不能识别加速踏板位置。

发动机在高怠速下运转，以便驾驶员将车开到附近的服务站。

（3）怠速开关和强制降挡开关集成在加速踏板位置传感器内（在脚踏板壳体内）。

6.冷却液温度传感器
（1）冷却液温度传感器是负温度系数热敏电阻（NTC），其安装在缸盖的冷却液接头上，将当前冷却液温度信号传送给发动机电控单元。

（2）信号作用：将发动机冷却液温度信号变换为电信号输入发动机电控单元（ECU），以便ECU修正喷油时间和点火时间，使发动机处于最佳工作状态。

（3）信号失效：信号失效时，发动机电控单元利用来自燃油温度传感器信号修正喷油量。

7.进气温度传感器
（1）信号作用：将进气温度信号变换为电信号输入发动机电控单元（ECU），以便（ECU）修正喷油量。

（2）信号失效：信号失效时，就会导致热起动困难、废气排放量增大。

8.离合器踏板开关
（1）离合器踏板开关安装在脚踏板上。

（2）信号作用：发动机电控单元利用该信号识别离合器是分离还是结
合，若分离，则喷油量短时减少，确保换挡平顺。

（3）信号失效：若信号失效，则换挡时会出现发动机熄火现象。

9.氧传感器
（1）信号作用：通过检测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号并将空燃比信号转变为电信号输入发动机ECU。

ECU根据氧传感器信号对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制，从而将过量空气系数控制在1.0左右，使发动机获得最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油的目的。

（2）信号失效：若信号失效，则尾气排放不良。

10.爆震传感器
（1）信号作用：将发动机爆震信号转换为电信号输入发动机ECU，以便ECU通过修正点火提前角来消除爆震。

（2）信号失效:若信号失效，发动机输出功率降低，加速发闷。

任务2、故障的检测方法及现象分析
1、元件的故障检测方法
（一）油门位置传感器的故障检测
将点火开关转至ON位置，检测发动机ECU的VPA2与EPA2间的电压，节气门全闭时，电压应为0.3-1V；节气门全开时，电压为2.7-5.2V。

关闭发动机，检测油门位置传感器端子1与2间的电阻应为4.5-5.9Ω，端子3与5间的电阻应为8-10.2Ω。

（二）空气流量传感器的故障检测
将点火开关转至ON位置，不启动发动机，用万用表的直流电压档检测空气流量计连接器端子VG与E2间的电压，应为9至14V。

启动发动机，发动机怠速时，检测发动机和ECT ECU连接器E2G与E2间的电压，应为0.5至3V。

关闭点火开关，用万用表的电阻档测量空气流量计5端子与发动机ECU间的电阻，应为1Ω或小于1Ω，检测空气流量计端子4与发动机ECU间的电阻，应为1Ω或小于1Ω，否则说明线路被设置断路的故障。

（三）水温传感器的故障检测
将点火开关转至ON位置，检测发动机ECU的THW与E2间的电压，水温为20℃时，电压应为0.5-3.4V；水温为60℃时，电压应为0.2-1V；关闭点火开关，检测水温传感器端子间的电阻，水温为20℃时，电阻应为2-3K Ω；水温为80℃时，电阻应为0.2-0.4KΩ。

（四）进气温度传感器的故障检测
将点火开关转至ON位置，检测发动机ECU的THA与E2间的电压，进气温度为20℃时，电压应为0.5-3.4V,进气温度为60℃时,电压应为0.2-1V。

（五）喷油器的故障检测
将点火开关转至ON位置，用万用表直流电压档检测发动机ECU的端子和接地之间的电压为9-14V,启动发动机，怠速工况时，为脉冲电压，若无则说明线路被设断路故障。

（六）点火系统的故障检测
将点火开关转至ON位，用万用表的直流电压档测量发动机ECU的端子IGF与接地之间的电压，标准值为4.5-5.5V；检测发动机ECU的端子IGT 与接地之间的电压0.1-2.5V脉动电压，不符合标准值说明有断路故障设置。

（七）曲轴位置传感器的故障检测
将点火开关转至ON位，启动发动机，用万用表的交流电压档检测曲轴位置传感器，如果无输出电压，说明曲轴位置传感器1端子与ECU的端子断路。

关闭点火开关，用万用表的电阻挡检测曲轴位置传感器两端子之间的冷态电阻值为1.63-2.74KΩ、热态时为2.06-3.23KΩ,否则说明NE传感器故障。

关闭点火开关，检测发动机ECU端子和NE传感器端子1之间的电阻，应不大于1Ω，否则说明有断路故障设置。

（八）进气、排气凸轮轴位置传感器的故障检测
将点火开关转至ON位，启动发动机，用万用表的交流电压挡检测凸轮轴位置传感器（也可用示波器检测波形图2-1），若无输出脉冲电压，说明凸轮轴位置传感器1端子与ECU的进气端子断路，或磁阻元件发生故障。

图2-1 波形图
（九）氧传感器的故障检测
将点火开关转至ON位置，检测发动机的ECU的HT与E1间的电压，应为9-14V。

发动机运转到转速为2500r/min,预热氧传感器约90S，测量氧传感器的输出电压，应在小于0.4和大于0.55V间反复交替变化。

关闭点火开关，检测ECU的端子与氧传感器的OX1A间的电阻，应为1Ω或更小。

检测氧传感器的连接端子HT与+B间的电阻，20℃时应为11-16Ω。

检测氧传感器端子3与发动机ECU的E27-3间的电阻，应为1MΩ或更大。

2、故障现象分析
（一）点火线路点火信号(IGT)和反馈信号(IGF)断路故障
图2-2点火线圈
原理和作用：点火系统采用无分电器单独点火方式，每个汽缸都配有一个点火线圈，并安装在火花塞上方。

在点火控制中，设置有与点火线圈相同数目的大功率三极管，分别控制每个线圈次级绕组电流的接通与切断。

点火控制器根据电控单元ECU输出的点火控制信号IGT，按点火顺序轮流触发功率三极管导通与截止，从而控制每个点火线圈轮流产生高压电，再通过高压线截至输送到每缸火花塞电极间隙上跳火点燃混合气。

同时点火器也向发动机ECU输送一个作为安全保护措施的点火确认信（IGF）。

单独点火的优点是省去了高压线，点火能量损耗进一步减少；此外，所有高压部件都可安装在发动机汽缸盖上的金属屏蔽罩内，点火系对无线电的干扰可大幅度降低。

故障现象分析：IGT故障开关断开，ECU发出的点火信号不能送到点火器，点火线圈不工作，发动机缺缸工作或不能启动。

IGF故障开关断开，点火器点火完成信号不能送回ECU，ECU收不到点火反馈信号，停止向点火器发送点火信号。

（二）喷油器断路故障
图2-3喷油器
故障现象分析：当故障开关断开时，1端子与ECU之间断路会导致ECU 不能控制电磁阀线圈搭铁，发动机启动困难、工作不稳、容易熄火、加速无力、怠速抖动。

（三）凸轮轴位置传感器断路故障
图2-4凸轮轴位置传感器
原理和作用：凸轮轴位置传感器为磁阻元件式，向ECU提供G2+信号，其由信号板和耦合线圈组成。

G2+信号板在它的外圆周上有一个齿，信号板装在凸轮轴上。

当凸轮轴旋转时，信号板上的凸部和耦合线圈上的气口变化，在磁场中引起波动并在耦合线圈中产生一个电动势。

当凸轮轴位置传感器发生断路故障将不能检测活塞上止点位置，使点火和喷油提前角无法确定。

故障现象分析：当故障开关断开，ECU不能识别一缸压缩上止点，不能进行喷油、点火和爆震控制，发动机出现无法启动、工作不稳、怠速不稳并且容易熄火的现象。

（四）VSV真空电磁阀线路断路故障
图2-5清污VSV
故障现象分析：当故障开关断开，ECU不能控制VSV阀的占空比，碳罐与进气歧管之间的管路堵塞，油箱压力增高，发动机热态启动困难，燃油消耗量变大。

（五）氧传感器线路断路故障
图2-6氧传感器
原理和作用：向ECU输入空燃比的反馈信号，进行喷油量的闭环控制。

在闭环控制过程中，当实际空燃比比理论空燃比小（混合气浓）时，氧传感器向ECU输入的是高电压信号（0.75至0.95）。

此时ECU将减少喷油量，空燃比增大。

当空燃比增大到理论空燃比14.7:1时，氧传感器输出电压信号将突变下降至0.1V左右。

此信号输入ECU后，ECU立即控制增加喷油量，空燃比又开始减小。

只要空燃比刚减到理论空燃比以下时，氧传感器输出电压信号又突变，上升至0.75V以上，反馈给ECU后，ECU又将控制减小喷油量。

如此反复，就能将空燃比精确地控制在理论空燃比14.7：1附近一个极小的范围内。

故障现象分析：当故障开关断开，发动机任何工况都只能采用开环控制，由于ECU不能调节混合气浓度，所以发动机不能工作在最佳状态，并且出现怠速不稳、耗油量增大、加速不良、废气排放过高的现象。

（六）空气流量传感器断路和模拟故障
图2-7空气流量传感器
原理和作用：空气流量传感器为热线式，将检测到的信号输入ECU用以计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间。

进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。

故障现象分析：当故障开关断开时，ECU接受不到来自空气流量计的信号，会造成发动机启动困难、性能失常、油耗增加、易爆震、加速发闷、回火、放炮和怠速不稳的现象，当将故障开关打到模拟位置时，改变信号电压会改变喷油量和点火正时，这时发动机的转速会发生波动。

（七）进气温度传感器断路和模拟故障
原理和作用：感温介质为负温度系数的热敏电阻，温度变化电阻值改变，输入ECU的电压改变，主要用于控制喷油修正量。

故障现象分析：当故障开关扳到断开位置时，ECU便无法判别试时进气温度和修正喷油量，例如当进气温度传感器短路时（电阻为0），ECU便误判为温度过高而发出减少喷油的指令，当传感器开路时，ECU便误判为温度过低而发出增加喷油的指令，发动机会出现起动困难、性能不佳、怠
速不稳、容易熄火、油耗增大、混合气过浓的现象，扳到模拟位置时，模拟电压调低时，喷油量增大，排放不好，模拟电压调高时，喷油量减小，发动机出现加速无力的现象。

（八）冷却液温度传感器断路和模拟故障
图2-8冷却液温度传感器
原理和作用：用于检测冷却液的温度并向ECU输出对应的电信号。

ECU 根据THW信号便可判别出发动机处于冷起动、暖机或热机状态，如是冷起动或暖机状态，便会发出增加喷油量的指令，若温度过高（发动机过热），则会发出故障保护指令，将冷却液的温度信号设定计划为一个值，维持基本喷油量。

将冷却液温度传感器信号设置为可模拟信号，在故障开关打在最上端为正常，在中间端为断路故障，在最下端为模拟状态。

当故障开关设置为模拟时，可通过旋转模拟旋钮改变水温传感器输入到ECU的电压，能实时的模拟水温传感器在不同发动机温度状态下的电压，并可观察到发动机工况的变化，若配合点火正时灯，还可观察到同一转速下不同发动机温度所引起的点火提前角的变化。

故障现象分析：当故障开关为断路设置时，ECU会认为水温停留在一固定（失效保护）值，使点火提前角减少一个修正信号、喷油器喷油增量发生变化，并使冷启动时基本喷油量无法确定。

会造成冷车或热车启动困难，燃油消耗和排放增加，怠速转速波动。

（九）曲轴位置传感器(NE)断路故障
原理和作用：曲轴位置传感器为耦合线圈型，由一个信号板和耦合线圈组成。

NE信号板有34个齿并装在曲轴上，NE信号传感器在发动机每转一圈时，产生34个信号。

发动机ECU由G2+信号检测出标准曲轴角度，由NE信号检测曲轴实际角度和发动机转速。

将检测到的信号输入ECU作为点火和燃油喷射的主控制信号。

故障现象分析：当故障开关断开，发动机ECU接受不到转速信号，不能控制断路继电器的搭铁点搭铁，喷油器无电压、燃油泵不工作，点火线圈不点火，发动机将不能够启动。

图2-9曲轴位置传感器
（十）EKNK爆震传感器线路断路故障
图2-10爆震传感器
原理和作用：爆震传感器利用压电晶体的压电效应，把爆震传到汽缸体上的机械振动转换成电信号输入ECU，ECU把爆震传感器输出的信号进行滤波处理并判定有无爆震及爆震强度的强弱，推迟点火时间。

爆震强，推迟点火提前角度大；爆震弱，推迟的角度小。

每次调整都以一固定的角度递减，直到爆震消失为止。

而后又以一固定的角度提前，当发动机再次出现爆震时ECU又使点火提前角再次推迟，调整过程如此反复进行。

故障现象分析：当故障开关断开，爆震信号不能传送到ECU,点火时刻只能采用开环控制，点火提前角不能被修正，发动机工作不稳，加速时产生爆震，点火正时不正确，加速时略感发闷。

（十一）节气门位置传感器断路和模拟故障
原理和作用：节气门位置传感器采用非接触型，安装于节气门体的霍尔集成电路将磁通量的适时变化情况转换为电信号传输至发动机ECU,显示节气门的受力大小，霍尔集成电路包括用于主信号和副信号的电路，将节
气门开度转换为两种不同特性的电信号，并传输至发动机ECU。

可实现最佳节气门控制，节气门控制电动机采用响应极好的且耗电最小的直流电动机。

为调节节气门开度，发动机ECU对节气门控制电动机的电流方向和电流强度进行占空比控制，将节气门打开的角度转换成电压信号送到ECU，以便在节气门不同开度状态时控制喷油量。

在故障开关打在最上端为正常，在中间端为断路故障，在最下端为模拟状态。

图2-11节气门位置传感器
故障现象分析：当VTA端处于断路工况时，ECU收到高于4.8V电压，当处于模拟工况时，可通过旋转旋钮调节输入ECU的电压，使电压在0.1V 至5V之间变化，当电压调至小于0.2V时，则为短路故障，不管是断路还是短路，输入ECU的电压都超出正常范围，ECU都会认为节气门发生故障。

这时发动机启动困难、怠速不稳、发动机性能不佳、容易熄火，尤其是车辆在怠速情况下，混合气中CO过高；正常行驶时踩下加速踏板，感到加速无力；严重时，将有可能导致排气管冒黑烟及放炮。

（十二）油门踏板位置传感器断路与模拟故障
图2-12油门踏板位置传感器
非接触型油门踏板位置传感器使用一个霍尔集成电路，用来产生精确的信号，甚至在极端的车辆运行条件下，也能正常工作。

油门踏板位置传感器的磁极固定在加速踏板臂的托架上，它围绕霍尔集成电路旋转，旋转量与作用在加速踏板上的作用力大小一致。

霍尔集成电路将磁场磁通量的变化转换为电信号，并将它作为加速踏板的位置信号传给ECU。

图7-12所示为油门踏板位置传感器与ECU连接电路。

霍尔集成电路包含两个分电路，一个是VPA用于产生主信号，另一个是VPA2用于产生次信号。

霍尔集成电路将加速踏板的位置变化转换为电压信号，并把信号传送给ECU，电压在0-5V之间变化，主信号与次信号的特性不同。

VPA信号用于表示加速踏板的实际开度，ECU利用它控制发动机。

VPA2信号用于表示VPA电路的工作状态，ECU利用它检测加速踏板位置传感器。

任务3、发动机故障的自诊断与故障代码
1卡罗拉发动机故障的自诊断
（1）进行故障自诊断的条件：
①点火开关打开，发动机怠速运转，换档杆放在“P”档上；
②汽车供电电压正常；
③保险丝完好；
④电脑ECU接地连接点接触良好；
（2）用故障阅读仪进行检测
①关闭点火开关，将诊断仪连接到3号故障诊断连接器（DLC3）上，将点火开关和故障测试仪转到ON位置，按故障测试仪上的提示进行操作，即可读取故障码。

②用发动机警告灯（CHK ENG）读取。

将点火开关转到ON位置，用跨接线连接DLC3（图8-1）端子4（CG）和13（TC）,这时可通过发动机警告灯的闪亮情况读取故障码。

图3-1 DLC3端子
（3）故障码的清除
①用故障测试仪清除。

将故障测试仪与DLC3相连，按故障测试仪上的提示进行操作，即可清除故障码。

②不用故障测试仪清除。

脱开蓄电池负极端子或拔出EFI保险丝，也可清除故障码。

8.2故障代码
续表
任务4、智能型气门正时系统（VVT-I）
卡罗拉可变气门正时VVT-I 系统包括ECU、传感器、凸轮轴正时机油控制阀和VVT 控制器。

ECU储存了最佳气门正时参数值、曲轴位置传感器、空气流量传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算,计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据ECM 指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后保持不变等信号指令选择输送至VVT-I控制器的不同油道上。

VVT-I控制器通过凸轮轴正时机油控制阀总成的机油压力调节凸轮轴转角，使凸轮轴和曲轴之间的相对位置达到最佳，从而使各种行驶条件下的发动机转矩增加,使燃油经济性得到改善、废气排放量减少。

下面我们来详细的了解一下它的控制。

（一）系统组成
图4-1 VVT-I正时控制器的内部结构
VVT-I系统控制器由与进气凸轮轴耦合的叶片和从动正时链的壳体组成。

与进气凸轮轴上的提前或滞后油路传送机油压力，使VVT-I控制器实行控制。

主正时链驱动进气侧的VVT-I控制器外壳的链轮，外壳上的另一链轮驱动副正时链，并同时驱动排气侧VVT-I控制器外壳。

VVT-I控制器（图4-1）的内部结构主要由控制器外壳、叶轮、锁销、叶轮回位弹簧、端盖及螺栓等组成。

叶轮与凸轮轴是固定的，即为“硬连接”，而控制器外壳与叶轮之间不是硬连接，它们之间可以有相对运动。

这一相对运动是由气门正时提前室和滞后室的容积决定，显然容积改变即改变了叶轮与控制器外壳之间的相对角度，也就改变了气门的配气相位。

因此，当提前室容积增大，滞后室容积减小，叶轮相对于控制器外壳的转动方向与外壳的转动方向相同，则凸轮轴的相位也就提早，反之亦然。

当发动机停止时进气凸轮轴多处在滞后状态，以确保启动性。

如果在启动发动机时液压没有传递至VVT-I控制器，就会对发动机VVT-I系统造成损坏。

此时，锁销可以对系统进行保护（图4-2）。