1.7 2.5L 4AR-FXE发动机
1.7.1 系统概述
4AR-FXE发动机为直列4缸、2.5L、16气门DOHC发动机。发动机采用了智能可变气门正时（VVT-i）系统、直接点火系统（DIS）和智能电子节气门控制系统（ETCS-i）。这些控制功能可以提高发动机性能、改善燃油经济性并实现清洁排放。该款发动机装备于2015款全新凯美瑞混合动力车型上。
发动机控制系统对下列系统进行高精度的整体控制，以获得高性能、强动力、高燃油效率并减少排放。
①顺序多点燃油喷射（SFI）。
②电子点火提前（ESA）。
③智能电子节气门控制系统（ETCS-i）。
④智能可变气门正时（VVT-i）。
⑤燃油泵控制。
⑥空调切断控制。
⑦冷却风扇控制。
⑧水泵控制。
⑨空燃比传感器和氧传感器加热器控制。
⑩失效保护。
诊断。
4AR-FXE发动机控制系统的主要组件见表1-24。
表1-24 发动机控制系统的主要组件（4AR-FXE）
4AR-FXE发动机的控制系统具有表1-25所示特征。
表1-25 发动机的控制系统特征（4AR-FXE）
1.7.2 混合动力控制系统功能与原理
（1）系统主要组件
混合动力系统的主要组件具有表1-26所示功能。
表1-26 混合动力系统的主要组件功能（4AR-FXE）
（2）系统控制模式
①控制列表。
混合动力系统的控制功能见表1-27。
表1-27 混合动力系统的控制功能（4AR-FXE）
①带动态雷达巡航控制系统的车型。
②激活混合动力系统（READY-on状态）。踩下制动踏板时按下电源开关，可激活混合动力系统。此时，READY指示灯闪烁，直至完成系统检查。READY指示灯亮起时，混合动力系统已启动，车辆可以行驶。
即使驾驶员将电源开关转到ON（READY），有时动力管理控制ECU也不会启动发动机。仅在发动机冷却液温度、SOC、HV蓄电池温度和电气负载等条件要求启动发动机时，发动机才会启动。
行驶后，驾驶员停止车辆并将换挡杆切换到P位置时，动力管理控制ECU使发动机继续运转。在SOC、HV蓄电池温度和电气负载达到规定水平后，发动机将停止。
注意：驾驶过程中不得不停止混合动力系统时，按住电源开关约2s或3s或更长时间或者连续按下电源开关3次或更多次可强行停止该系统。此时，电源将转到ON（ACC）。
③EV行驶模式。
EV行驶模式可降低车辆噪声，如进入或离开车库时，同时减少车库内产生的废气量。驾驶员操作EV行驶模式开关（模式选择开关总成）时，如果满足工作条件，则动力管理控制ECU仅使用MG2驱动车辆。
满足所有工作条件时，按下EV行驶模式开关（模式选择开关总成）可使车辆进入EV行驶模式，EV模式指示灯将亮起。如果未满足任一工作条件而按下EV行驶模式开关（模式选择开关总成），则多信息显示屏上将显示信息以告知驾驶员EV行驶模式开关（模式选择开关总成）操作被拒绝，无法进入EV行驶模式。
车辆在EV行驶模式下行驶时，如果未满足任一工作条件，则EV模式指示灯将闪烁3次且蜂鸣器鸣响以告知驾驶员EV行驶模式即将取消。EV行驶模式自动取消后，将再显示一条信息，以指示EV行驶模式已取消。
满足所有所需条件（部分条件下表已列出）时，可使用EV行驶模式。
工作条件：a.混合动力系统温度不高（车外气温高时或车辆爬坡行驶或高速行驶后，混合动力系统温度会升高）；b.混合动力系统温度不低（车外气温低且车辆长时间未使用时，混合动力系统温度会降低）；c.发动机冷却液温度约为20℃（68℉）或更高；d.SOC为50%或更高；e.车速为45km/h（28mph）或更低（发动机暖机状态）；f.车速为30km/h（19mph）或更低（发动机冷机状态）；g.加速踏板踩下量为特定值或更低；h.除霜器关闭；i.巡航控制系统未工作。
提示：：EV行驶模式期间的可连续行驶里程根据HV蓄电池的SOC和行驶条件（如路面和山坡）的不同而不同。但是，通常在数百米（数百码）和约2km（1.2mile）之间。
④ECO模式控制。
ECO模式过程中，动力管理控制ECU通过缓慢产生原动力（与加速踏板操作相比）来优化燃油经济性和行驶性能，动力输出特性见图1-38。同时，通过优化空调性能来支持环保驾驶。
图1-38 原动力输出特性
⑤混合动力车辆控制。
动力管理控制ECU利用来自加速踏板传感器总成的信号检测加速踏板踩下角度，并检测换挡杆位置传感器的换挡杆位置信号。动力管理控制ECU通过MGECU接收来自MG1和MG2解析器的转速信号。动力管理控制ECU根据此信息确定车辆行驶状态，并对MG1、MG2和发动机的原动力进行优化控制。此外，动力管理控制ECU优化控制MG1、MG2和发动机的输出功率和扭矩，从而实现低油耗和清洁排放。
动力管理控制ECU根据计算出的目标原动力并结合HV蓄电池的SOC和温度来计算发动机原动力。目标原动力减去发动机原动力所得的值即为MG2原动力。原动力计算控制系统图见图1-39。
图1-39 原动力计算流程
ECM根据接收来自动力管理控制ECU的目标发动机转速和所需发动机原动力对发动机进行控制。此外，动力管理控制ECU合理运行MG1和MG2，以提供所需的MG1发电力和所需的MG2原动力。
⑥SOC控制。
动力管理控制ECU根据蓄电池电流传感器检测的充电/放电安培数计算HV蓄电池的SOC。动力管理控制ECU根据计算出的SOC持续执行充电/放电控制，以使SOC保持在目标范围内。
车辆行驶过程中，HV蓄电池经过反复的充电/放电循环，在加速过程中由MG2放电，在减速过程中由再生制动充电。
SOC过低时，动力管理控制ECU提高发动机用于运转MG1（对HV蓄电池充电）的动力输出。
蓄电池智能单元将HV蓄电池的相关信号（电压、电流和温度）转换为数字信号，并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。动力管理控制ECU通过计算确定SOC时需要这些信号。SOC控制系统见图1-40。
图1-40 SOC控制系统
⑦发动机控制。
ECM接收动力管理控制ECU发出的目标发动机转速和所需的发动机原动力，并控制ETCS-i、燃油喷射量、点火正时和VVT-i。
ECM将发动机工作状态传输至动力管理控制ECU。
接收到动力管理控制ECU根据基本混合动力车辆控制的发动机停止信号后，ECM将停止发动机。发动机控制系统见图1-41。
图1-41 发动机控制系统
⑧MG1和MG2主控制。
由发动机驱动的MG1产生高压电，以驱动MG2并为HV蓄电池充电。而且，还可作为起动机来启动发动机。
MG2由MG1和HV蓄电池的电能驱动，产生驱动轮原动力。
制动期间（再生制动协同控制）或未踩下加速踏板时（能量再生），MG2产生高压电为HV蓄电池充电。
选择空挡（N）时，MG1和MG2基本关闭。为停止提供原动力，需要停止驱动MG1和MG2，因为MG1和MG2与驱动轮是机械连接的。
MG ECU根据接收来自动力管理控制ECU的信号控制智能动力模块（IPM）内的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。IGBT用于切换各电机发电机的U、V和W相。根据电机发电机作为电机或发电机，IGBT在ON和OFF间切换，控制各电机发电机。
图1-42描述了电机发电机用作电机时的基本控制。IPM内的IGBT在ON和OFF间切换，为电机发电机提供三相交流。为了产生由动力管理控制ECU计算的所需电机发电机的原动力，MG ECU使IGBT在ON和OFF间切换以控制电机发电机的转速。
图1-42 电机发电机控制系统图（一）
图1-43描述了电机发电机用作发电机时的基本控制。由车轮驱动的电机发电机的3个相依次产生的电流用于对HV蓄电池充电或驱动另一电机发电机。
图1-43 电机发电机控制系统图（二）
⑨逆变器控制。
逆变器将来自HV蓄电池的直流转换为交流提供给MG1和MG2，反之亦然。此外，逆变器将MG1产生的电能提供给MG2。然而，MG1产生的电流在逆变器内转换为直流后，再被逆变器转换回交流供MG2使用。这是必要的，因为MG1输出的交流频率不适合控制MG2。
MG ECU根据接收来自动力管理控制ECU的信号控制IPM以切换MG1和MG2的三相交流。
动力管理控制ECU接收到来自MG ECU的过热、过电流或电压故障信号时，动力管理控制ECU将切断控制信号传输至MG ECU以断开IPM。逆变器控制系统见图1-44。
图1-44 逆变器控制
⑩增压转换器控制。
如图1-45所示，根据动力管理控制ECU通过MG ECU提供的信号，增压转换器将HV蓄电池公称电压直流244.8V增至最高电压直流650V。
图1-45 增压转换器控制
逆变器将MG1或MG2产生的交流转换为直流。根据动力管理控制ECU通过MG ECU提供的信号，增压转换器将产生的电压从直流650V（最高电压）降至约直流244.8V。
增压转换器包括带内置IGBT（执行切换控制）的增压IPM、存储电能并产生电动势的电抗器和将增压的高压电进行充电和放电的电容器。
增压转换器增压的流程如下所述，控制步骤见图1-46。
图1-46 增压控制步骤
a.步骤1：IGBT2接通使HV蓄电池电压（公称电压直流244.8V）为电抗器充电，从而使电抗器存储了电能。
b.步骤2：IGBT2断开使电抗器产生电动势（电流持续从电抗器流出）。该电动势使电压增至最高电压直流650V。在电抗器产生的电动势的作用下，电抗器中流出的电流以增压后的电压流入逆变器和电容器。
c.步骤3：IGBT2再次接通，使HV蓄电池的电压为电抗器充电。与此同时，通过释放电容器中存储的电能（最高电压直流650V），继续向逆变器提供电能。
MG1或MG2产生的用于为HV蓄电池充电的交流被逆变器转换为直流（最高电压直流650V）。然后，使用增压转换器将电压降至约直流244.8V。这个操作是利用占空比控制使IGBT1在ON和OFF间切换，间歇性地中断由逆变器提供给电抗器的电能来完成，其增压转换控制系统见图1-47。
图1-47 增压转换控制
DC-DC转换器控制。
如图1-48所示，DC-DC转换器将HV蓄电池的公称电压直流244.8V降至约直流14V，从而为电气组件供电，并为辅助蓄电池再充电。
图1-48 DC-DC转换器控制
为调节DC-DC转换器的输出电压，动力管理控制ECU根据辅助蓄电池温度传感器信号将输出电压请求信号传输至DC-DC转换器。
系统主继电器控制。
动力管理控制ECU控制系统主继电器以连接和断开HV蓄电池的高压电路。动力管理控制ECU还利用系统主继电器的工作正时监视继电器触点的工作情况。
共采用3个继电器以确保正常工作，1个用于正极侧（SMRB），2个用于负极侧（SMRP、SMRG），继电器控制线路如图1-49所示。
图1-49 系统主继电器控制
混合动力系统切换至READY-on状态时，动力管理控制ECU依次接通SMRB和SMRP，并通过预充电电阻器施加电流。随后，接通SMRG并绕过预充电电阻器施加电流。然后，断开SMRP。由于受控电流以这种方式首先经过预充电电阻器，从而保护了电路中的触点，避免其因涌流而受损，继电器控制原理见图1-50。
图1-50 继电器控制原理（一）
如图1-51所示，混合动力系统切换至READY-on状态以外的状态时，动力管理控制ECU首先断开SMRG。接下来，在确定SMRG是否正常工作后，断开SMRB。然后，在确定SMRB是否正常工作后，接通SMRP，然后断开。这样，动力管理控制ECU便可确认相应的继电器已正确断开。
图1-51 继电器控制原理（二）
带转换器的逆变器总成的冷却系统控制。
动力管理控制ECU接收来自带转换器的逆变器总成的温度传感器、MG1温度传感器和MG2温度传感器的信号。然后，动力管理控制ECU使用占空比控制以3个级别驱动逆变器水泵总成，以冷却带转换器的逆变器总成、MG1和MG2。
HV冷却液温度超过特定值后，动力管理控制ECU将散热器风扇驱动请求信号传输至ECM。作为对此信号的响应，ECM驱动散热器风扇以抑制HV冷却液温度升高，从而确保冷却带转换器的逆变器总成、MG1和MG2。
MG ECU将温度传感器信号转换为数字信号，并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。冷却系统控制见图1-52。
图1-52 冷却系统控制
HV蓄电池冷却系统控制。
动力管理控制ECU接收来自HV蓄电池温度传感器和HV蓄电池进气温度传感器的信号。然后，动力管理控制ECU使用占空比控制对蓄电池冷却鼓风机总成进行无级驱动，以使HV蓄电池的温度保持在规定范围内。
空调系统运行并降低车厢温度时，如果HV蓄电池温度在规定范围内，且仍有上升空间，则动力管理控制ECU关闭蓄电池冷却鼓风机总成或将其设为低速。此控制的目的是优先降低车厢温度。如果未执行此控制，则来自车厢的用于蓄电池冷却总成的空气将减慢空调系统冷却车厢的速度。
蓄电池智能单元将HV蓄电池的相关信号（电压、电流和温度）转换为数字信号，并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。同时，蓄电池智能单元检测执行冷却系统控制所需的鼓风机转速反馈频率并将其传输至动力管理控制ECU，蓄电池冷却控制原理见图1-53。
图1-53 蓄电池冷却控制
再生制动协同控制。
驾驶员踩下制动踏板时，防滑控制ECU根据制动调节器压力和制动踏板行程计算所需总制动力。
计算出所需总制动力后，防滑控制ECU将再生制动力请求发送至动力管理控制ECU。动力管理控制ECU回复实际再生制动量（再生制动控制值）。
动力管理控制ECU利用MG2产生负扭矩（减速力），从而进行再生制动。
防滑控制ECU控制制动执行器电磁阀并产生制动分泵压力。产生的压力是从所需总制动力中减去实际再生制动控制值后剩余的值。再生制动协同控制原理见图1-54。
图1-54 再生制动协同控制
1.7.3 混合动力发动机电控系统维修数据
（1）发动机电控系统部件位置
4AR-FXE发动机电控系统部件位置如图1-55～图1-58所示。
图1-55 4AR-FXE发动机电控系统部件（一）（2015款凯美瑞混合动力版）
1—燃油泵；2—集成继电器；3—质量空气流量计；4—清污阀；5—ECM；6—发动机室继电器盒和接线盒总成；7—EFIMAIN继电器-EFIMAIN2继电器-IG2继电器；8—ENGW/PMP继电器；9—C/OPN继电器
图1-56 4AR-FXE发动机电控系统部件（二）（2015款凯美瑞混合动力版）
1—空燃比传感器（1号传感器）；2—发动机冷却液温度传感器；3—点火线圈总成；4—凸轮轴位置传感器
图1-57 4AR-FXE发动机电控系统部件（三）（2015款凯美瑞混合动力版）
1—凸轮轴机油控制阀；2—曲轴位置传感器；3—喷油器；4—加热式氧传感器（2号传感器）；5—爆震传感器；6—节气门体；7—发动机水泵总成；8—歧管绝对压力传感器
图1-58 4AR-FXE发动机电控系统部件（四）（2015款凯美瑞混合动力版）
1—组合仪表；2—动力管理控制ECU； 3—DLC3
（2）混合动力控制系统部件位置
2015款丰田凯美瑞HEV车型混合动力控制系统部件位置如图1-59～图1-63所示。
图1-59 混合动力控制系统部件位置（一）
1—加速踏板传感器总成；2—空气囊传感器总成；3—环保模式开关（环保开关总成）；4—EV行驶模式开关（模式选择开关总成）；5—动力管理控制ECU；6—组合仪表总成；7—DLC3； 8—空调放大器总成
图1-60 混合动力控制系统部件位置（二）
1—逆变器水泵总成；2—发动机室2号继电器盒；3—带转换器的逆变器总成；4—ECM；5—带电机的压缩机总成； 6—混合动力车辆传动桥总成；7—发动机室继电器盒和接线盒总成；8—4号地板导线；9—HV蓄电池； 10—热敏电阻总成；11—辅助蓄电池
图1-61 混合动力控制系统部件位置（三）
1—发动机室2号继电器盒；2—PMIGCT熔丝；3—INV熔丝；4—INVW/PMPRLY熔丝；5—DC/DCIGCT熔丝；6—IGCT—MAIN熔丝；7—INVW/PMP熔丝；8—IGCT继电器；9—INVW/PMP继电器；10—发动机室继电器盒和接线盒总成；11—AM2熔丝；12—DC/DC-S熔丝；13—IG2-MAIN熔丝；14—熔断丝盒总成-DC/DC熔丝-R/B2号熔丝
图1-62 混合动力控制系统部件位置（四）
1—换挡杆位置传感器；2—带转换器的逆变器总成；3—连接器盖总成；4—逆变器上盖；5—低电压连接器；6—发动机室3号线束；7—发电机（MG1）电缆连接；8—电机（MG2）电缆连接；9—混合动力车辆传动桥总成；10—电机电缆；11—发电机电缆；12—发电机解析器；13—发电机温度传感器；14—电机温度传感器； 15—电机解析器
图1-63 混合动力控制系统部件位置（五）
1—维修塞把手；2—蓄电池智能单元；3—混合动力蓄电池接线盒总成；4—SMRG；5—SMRB； 6—预充电电阻器；7—SMRP；8—电流传感器；9—蓄电池冷却鼓风机总成
（3）发动机电脑端子信息
4AR-FXE发动机电脑端子信息见表1-28。
表1-28 发动机电脑端子信息（4AR-FXE）
（4）混合动力管理系统电脑端子
①检测发动机电脑
4AR-FXE发动机电脑端子信息见表1-29。
表1-29 发动机电脑端子信息（4AR-FXE）
由于带转换器的逆变器总成使用防水连接器，因此无法直接检查电压和波形。所示的标准电压读数和波形仅供参考。
②检测带转换器的逆变器总成端子。
带转换器的逆变器总成端子信息见表1-30。
表1-30 带转换器的逆变器总成端子信息（4AR-FXE）
1.7.4 混合动力发动机电控系统故障诊断
（1）发动机电控系统故障代码表
4AR-FXE发动机电控系统故障代码见表1-31。
表1-31 发动机电控系统故障代码（4AR-FXE）
①检测到催化器损坏缺火时，MIL闪烁。
（2）混合动力控制系统故障代码
混合动力控制系统故障代码见表1-32。
表1-32 混合动力控制系统故障代码（4AR-FXE）
