發(fā)動機電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與維修2章汽油機對燃料供給與控制的基本要求

第2章汽油機對燃料供給與控制的根本要求主講：朱明高級技師.經(jīng)濟師,工程師高級技能專業(yè)教師汽車維修工高級考評員〔一〕教學(xué)內(nèi)容

〔二〕考試重點汽油機的燃料供給方式及其對應(yīng)的可燃混合氣性質(zhì)與功率調(diào)節(jié)方式如表2—1所示。汽油機的燃料供給方式第1種供油方式(化油器供油)自20世紀(jì)初就被普遍應(yīng)用，并在幾十年間不斷完善，但由于其固有的一些缺陷限制了車用汽油機性能更大幅度的提高，近二十幾年來已逐漸地被第2種供油方式(電子控制向進氣管或進氣道噴油)所取代。采用第3、4兩種燃料供給方式的稀燃汽油機，在節(jié)能方面有很大優(yōu)勢，但目前尚處于研究階段，一些關(guān)鍵問題尤其是NOx排放較多的問題還有待解決。汽油機的燃料供給方式.第1種供油方式(化油器供油)第2種供油方式(電子控制向進氣管或進氣道噴油)*.汽油機功率的調(diào)節(jié).汽油機功率的調(diào)節(jié)：以均質(zhì)可燃混合氣為工質(zhì)的汽油機來說，其依靠節(jié)氣門改變吸入空氣量來實現(xiàn)，而燃料供給系的根本任務(wù)就是控制供給的汽油量，使之能與發(fā)動機吸入空氣量相適應(yīng)，以形成空燃比適當(dāng)?shù)目扇蓟旌蠚?。?jié)氣門開大小汽油量多少+氣油空燃比適當(dāng)可燃混合氣==功率調(diào)節(jié)空燃比影響.1空燃比對于汽油機的動力性、燃料經(jīng)濟性和有害排放物數(shù)量，以及怠速穩(wěn)定性、加減速圓滑性、冷機啟動難易等運行性能都有很大影響。2.發(fā)動機不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷工況和過渡工況所適宜的空燃比值是不同的，而且同一工況在不同的運行條件下(燃料理化性質(zhì)、環(huán)境溫度、蓄電池電壓、發(fā)動機磨損程度等)所適宜的空燃比值也不同。3.汽油機的燃料供給系應(yīng)能隨著節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速的變化控制燃料量的變化，使各種工況能以各自適宜的空燃比運行，并且最好還能自動適應(yīng)運行條件的變化，以保證發(fā)動機的總體性能最正確。汽油機的怠速工況控制.發(fā)動機對燃料供給與控制的要求什么是空燃比？過量空氣系數(shù)〔相對空燃比〕空燃比，是混合氣中空氣與燃料之間的質(zhì)量的比例，記作α。從理論上說，每克燃料完全燃燒所需的最少的空氣克數(shù)，叫做理論空燃比，汽油為14.7。α>14.7的混合氣叫做稀混合氣；α<14.7的混合氣叫做濃混合氣；過量空氣系數(shù)，指實際供給燃料燃燒的空氣量與理論空氣量之比。，記作Φa。Φa<1時，表示濃混合氣；Φa>1時，表示為稀混合氣；一、空燃比對汽油機穩(wěn)定工況性能的影響2.1空燃比對汽油機穩(wěn)定工況性能的影響P211、在定轉(zhuǎn)速下，同一功率可以用不同的節(jié)氣門開度和混合氣濃度的組合來獲得，某一節(jié)氣門開度和混合氣濃度組合獲得的功率可以用其他較大的節(jié)氣門開度和較稀的混合氣濃度組合來獲得。定轉(zhuǎn)速混合氣調(diào)整特性：最經(jīng)濟混合氣濃度和節(jié)氣門全開時的最大功率混合氣濃度：2、假設(shè)最經(jīng)濟組合來供油，那么在節(jié)氣門全開時發(fā)動機的功率要比發(fā)動機最大功率低。1、當(dāng)轉(zhuǎn)速n一定時，最經(jīng)濟Φa隨發(fā)動機單位時間吸氣量的減少而減少；2、當(dāng)單位時間吸氣量一定時，最經(jīng)濟Φa隨著n的升高而變小。2．1．1空燃比對動力性能和燃料經(jīng)濟性能的影響

圖2-1所示是汽油機的定轉(zhuǎn)速混合氣調(diào)整特性。

p9汽油機的定轉(zhuǎn)速混合氣調(diào)整特性汽油機的定轉(zhuǎn)速混合氣調(diào)整特性2)由圖看出，在定轉(zhuǎn)速下同一功率可以用不同的節(jié)氣門開度θ和混合氣濃度Φa的組合來獲得(例如圖中c、d兩點)。實際上，在定轉(zhuǎn)速下θ的大小表示混合氣量的多少，用某一(θ，Φa)組合獲得的功率改用其他較大的θ和較稀的混合氣組合自然也可能獲得。汽油機的定轉(zhuǎn)速混合氣調(diào)整特性3)對同一(n，Pe)工況而言，燃料消耗最少的(θ，Φa)組合必定落在這些定轉(zhuǎn)速(n)定油門開度(θ)混合氣調(diào)整特性的包絡(luò)線上(圖中的實線)。圖看出，如果就按照該包絡(luò)線所對應(yīng)的各最經(jīng)濟的(θ，Φa)組合來供油，那么在節(jié)氣門全開時發(fā)動機的功率就低于它可能到達的最大值，即圖中a點的功率小于b點，后者對應(yīng)的混合氣濃度Φa值為最大功率的Φa最經(jīng)濟混合氣濃度和節(jié)氣門全開時的最大功率混合氣濃度p9如果在不同的轉(zhuǎn)速下測取上述混合氣調(diào)整特性，并將所得的各轉(zhuǎn)速下的最經(jīng)濟混合氣濃度

Φa(下文記作Φa，bmix。)和最大功率Φa·(下文記作Φa，pmax)畫在同一個以單位時間吸氣量Ga為橫坐標(biāo)的圖上，可得到如圖2-2所示的曲線組。最經(jīng)濟混合氣濃度和節(jié)氣門全開時的最大功率混合氣濃度吸氣量濃度Φa2．1．2空燃比對排放性能的影響2.2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求P10穩(wěn)定工況空燃比控制要求：1、在節(jié)氣門全開和接近全開時供給較濃的混合氣，保證獲得較大的功率；2、在節(jié)氣門局部開啟時，供給較稀的經(jīng)濟混合氣(理論空燃比混合氣)，保證燃油經(jīng)濟性(排放環(huán)保性)；2．2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求

如圖2-4所示。汽油機各穩(wěn)定轉(zhuǎn)速負(fù)荷工況以什么樣的空燃比運行最為有利，必須綜合考慮到各方面的要求才能合理確定。

2．2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求在汽油機排放問題還沒有引起足夠重視、沒有法規(guī)嚴(yán)格限制的年代，主要考慮的是汽油機的動力性和燃料經(jīng)濟性。合理的穩(wěn)定工況空燃比的控制要求：1.在節(jié)氣門全開和接近全開時供給相對空燃比為Φa.Pmax或接近于Φa.Pmax的較濃混合氣，以保證外特性上各點功率到達可能的最大值或者只比最大可能值低2％一3％(少許兼顧be)，以滿足汽車加速、爬坡、高速超車等情況下的功率需要；2.在節(jié)氣門局部開啟時，供給相對空燃比為Φa.bmin的最經(jīng)濟混合氣，使汽車發(fā)動機多數(shù)運行工況的燃油消耗率盡可能的低。2．2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求2．2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求電子控制汽油噴射系統(tǒng)(EFI系統(tǒng))的空燃比控制精度高，并能自動適應(yīng)一些使用條件下的變化而調(diào)整空燃比，各缸混合氣分配均勻性在多點噴油時也有改善，使汽油機局部負(fù)荷工況以最經(jīng)濟混合氣運行的可能。2．2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求20世紀(jì)80年代中期以后，環(huán)境保護問題突出，各國法定的排放限額降低，采用三效催化轉(zhuǎn)化器，而這就要求在局部負(fù)荷工況采用空燃比反響閉環(huán)控制，把空燃比限制在化學(xué)計量比附近的一個狹窄范圍內(nèi)以確保排氣凈化。只是在節(jié)氣門全開和接近全開時才用Φa等于或接近于Φa.Pmax，的濃混合氣以充分發(fā)揮發(fā)動機的功率潛力。由于節(jié)氣門全開工況在市區(qū)內(nèi)汽車運行中所占時間比例小，這時用濃混合氣對發(fā)動機排放總量的影響不大。2．2空燃比對汽油機穩(wěn)定工況控制的要求汽油機對穩(wěn)定運行工況的空燃比控制要求大體上可歸納如表2-2所示。實際確定目標(biāo)空燃比時，需要考慮，例如高負(fù)荷工況還要考慮催化器載體是否過熱，如果載體溫度有超過850~C的可能，應(yīng)采用比Φa.Pmax更小的空燃比以保護催化器。2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求P121、進氣量：怠速進氣通路面積在運行中以保持一定的怠速轉(zhuǎn)速為目標(biāo)而自動增減；2、空燃比：化油器空燃比Φa在0.8左右，開環(huán)控制Φa略小于1，閉環(huán)控制Φa約等于1；3、怠速轉(zhuǎn)速：根據(jù)不同情況設(shè)置上下兩個目標(biāo)值。一般情況下以低轉(zhuǎn)速800r—900r/min為控制目標(biāo)，當(dāng)汽車附件負(fù)荷增大時，以高轉(zhuǎn)速1000r—1100r/min為控制目標(biāo)。2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求熱機怠速運行工況：城市汽車停車，離合器別離或者自動變速器放在空擋，發(fā)動機只維持自身(連帶自動變速器的變矩器泵輪)以及發(fā)電機、空調(diào)壓縮機、動力轉(zhuǎn)向泵等汽車附件運轉(zhuǎn)，即熱機怠速工況的燃油消耗和排放在汽車總的耗油量和排放量中占有相當(dāng)大的比例。當(dāng)汽車重新起步加速時，發(fā)動機能否迅速平穩(wěn)地從熱機怠速工況過渡到所需要的轉(zhuǎn)速負(fù)荷工況，對汽車的駕駛舒適性至關(guān)重要。2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求怠速時駕駛員不接觸加速踏板，節(jié)氣門關(guān)閉到一個最小開度位置，或者全閉而讓空氣經(jīng)過一個旁通空氣道流入進氣管。*改變節(jié)氣門最小開度位置或改變旁通空氣道的通路面積，可以改變怠速進氣量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系Ga=f(n)，而單位時間怠速混合氣量和相應(yīng)的混合氣濃度那么根本上決定了發(fā)動機的指示功率pi。對應(yīng)于某一節(jié)氣門最小開度或某一旁通空氣道通路面積的指示功率曲線P=f(n)與發(fā)動機自身及所帶汽車附件消耗功率Pm=f(n)曲線的交點就決定了怠速轉(zhuǎn)速，如圖2—5所示。2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求。2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求排放成為人們首要關(guān)注的問題，汽油機的熱機怠速工況必須能接近于化學(xué)計量比的空燃比運行，并且要保持很高的怠速穩(wěn)定性。電控汽油噴射系統(tǒng)為實現(xiàn)這些要求提供了條件其次，電控噴油系統(tǒng)能實行怠速轉(zhuǎn)速的反響閉環(huán)控制。1.當(dāng)熱機怠速轉(zhuǎn)速低于或高于設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速值時，能相應(yīng)地自動加大或減小怠速進氣通路面積，從而加大或減小只以適應(yīng)Pm的變化而維持怠速轉(zhuǎn)速根本穩(wěn)定(波動小于+50r／min)。2.電控噴油系統(tǒng)通常都設(shè)定兩個怠速轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，800r／min～900r／min為低怠速，1000r／min～1100r／min為高怠速：當(dāng)汽車附件負(fù)荷突然增大(如接入空調(diào)壓縮機、動力轉(zhuǎn)向泵等)，以及汽車自動變速器由空擋改為前進擋或倒擋使曲軸輸出端受載時，怠速轉(zhuǎn)速目標(biāo)值即自動改變?yōu)楦咧?，使怠速進氣通路迅速加大，可防止轉(zhuǎn)速瞬時降幅過大；當(dāng)使用的汽車電器增多(如電動冷卻風(fēng)扇、前后燈、刮水器等)，使蓄電池電壓下降較多時，也改為高怠速以迅速充電。。2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求汽油機對熱機怠速工況進氣量和空燃比的控制要求如表2-3所示2.3空燃比對汽油機怠速工況進氣量控制的要求在冷機啟動以后的暖機過程中發(fā)動機也是怠速運行，但怠速暖機工況與上述熱機怠速工況不同，怠速暖機工況是一種動態(tài)的過渡工況，發(fā)動機從冷態(tài)不斷升溫，在此期間怠速進氣量和空燃比的控制要求完全不同于熱機怠速工況。2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求P14加速、減速、冷機啟動和暖機都是變工況過程，也叫過渡工況。1、加速時：按照比穩(wěn)定狀況下更濃的空燃比進行噴油，保證加速的迅速響應(yīng)性；2、減速時：減低節(jié)氣門關(guān)閉速度〔化油器〕或加大怠速旁通道，甚至可以停止供油，保證燃油經(jīng)濟性和排放環(huán)保性；3、冷機啟動：按照很小的空燃比〔Φa<0.2〕供油，并適當(dāng)增大進氣量，保證順利啟動；4、暖機：隨著機器的暖化減少進氣量和供油量，使之順利進入熱機怠速狀態(tài)。2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求P14

在加大節(jié)氣門開度使發(fā)動機加速和關(guān)小節(jié)氣門以減速的過程中，發(fā)動機吸氣量會隨著節(jié)氣門開度的變化而立即發(fā)生變化，但進汽缸的燃料量卻不能立即相應(yīng)改變。原因有兩點：1.從化油器吸出的汽油量因油流慣性大于空氣而落后于吸氣量的變化，從電控噴油器噴出的油量由于獲得變油量的信息滯后也會落后于吸氣量的變化；2.由于在進氣管壁上凝聚油膜的影響。采用化油器供油或采用一個中央噴油器在節(jié)氣門前噴油(單點噴油)時，后一方面的影響是主要的。2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求

從化油器出油口吸出或從節(jié)氣門前中央噴油器噴出的汽油，并不是全部蒸發(fā)、全部進入進氣管氣流中隨空氣一起進入汽缸的，而是只有小局部汽油顆粒進入氣流，大量汽油那么落到進氣管壁上，形成油膜，沿管壁運動直至進氣門，如圖2—6所示。油膜運動的速度比氣流慢得多(約為1：50)，在其流動過程中受管壁加熱和氣流吹拂，從油膜外表不斷蒸發(fā)出汽油蒸氣進入氣流。發(fā)動機吸進的汽油包括3局部：1.從化油器或中央噴油器出來后直接進入氣流的油粒及其蒸氣，2.從附壁油膜蒸發(fā)的油蒸氣，3.在進氣門處還殘留的為數(shù)很少的油膜。在同一單位時間內(nèi)吸進汽缸的燃油量不等于化油器或中央噴油器的出油量。2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求

當(dāng)發(fā)動機工況穩(wěn)定時，進氣管內(nèi)氣流速度、氣體壓力與溫度、管壁溫度等均穩(wěn)定，油膜沿進氣管全長的分布情況、蒸發(fā)速率等也都穩(wěn)定不變，這時在同一單位時間內(nèi)被吸進汽缸的燃油總量化油器或中央噴油器的供油量保持平衡。在工況變動時，這兩種燃油量是不一致的。1.當(dāng)節(jié)氣門急速翻開時2.當(dāng)關(guān)閉節(jié)氣門使車輛減速時3.冷機啟動時，2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求

2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求

當(dāng)關(guān)閉節(jié)氣門使車輛減速時，進氣量急減，進氣管內(nèi)氣壓急降而管壁溫度降低緩慢，油膜蒸發(fā)更快，吸進汽缸的燃料量也會在一個短時期內(nèi)多于供油系統(tǒng)給油量，使缸內(nèi)混合氣變濃，CO和未燃HC排放增多，車輛也不能平穩(wěn)減速。在減速時宜：1.用化油器時：利用阻尼器使節(jié)氣門關(guān)閉較慢2.電控噴油時：特別加大怠速旁通空氣道的通路面積，以延緩進氣量的減少而防止缸內(nèi)混合氣過濃。3.電控噴油的汽油機在高速運行中突然關(guān)閉節(jié)氣門時，還宜索性停止噴油，讓汽車依其慣性滑行而拖動發(fā)動機，等發(fā)動機轉(zhuǎn)速降到稍高于怠速轉(zhuǎn)速時再恢復(fù)供油，這樣對節(jié)省燃料和降低排放最有利。2.4變工況過程中對空燃比和進氣量的控制要求

汽缸內(nèi)壓力的曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖2-7所示。P16A：不點火B(yǎng)：點火過早C：點火適當(dāng)D：點火過遲A：不點火B(yǎng)：點火過早C：點火適當(dāng)D：點火過遲2.6混合氣分配的均勻性P18混合氣分配的不均勻程度以各缸混合氣量的最大差值與平均值的百分比來衡量?；旌蠚鉂舛确峙洳痪鶆虻脑颍?、進氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計；2、燃料供給裝置類型；3、供油組件的差異。2.6混合氣分配的均勻性2.6混合氣分配的均勻性混合氣量分配的不均勻程度主要決定于進氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以4缸機為例，如果4個缸的排氣管是獨立而且等長的，那么各排氣管內(nèi)不穩(wěn)定流動情況一致，各缸進氣開始時的缸內(nèi)壓力根本一致。在此條件下：1.如果采用如圖2-12c所示的各缸獨立而等長的進氣管結(jié)構(gòu)，那么各進氣管內(nèi)的流動情況根本一致，混合氣量的分配就比較均勻。2.如果采用如圖2-12a或圖2—12b所示的相鄰兩缸共用一個進氣支管的結(jié)構(gòu)，那么同一支管的兩個汽缸的進氣量就不會相同。2.6混合氣分配的均勻性混合氣濃度的分配不均勻與燃料供給裝置的類型有關(guān)。以4缸機為例，如果采用化油器或中央噴油器供油，那么可能引起混合氣濃度分配不均勻的原因主要有以下兩方面：1.當(dāng)相鄰兩缸共用一個進氣支管時(圖2-12a或圖2-12b)，在兩個缸都不進氣的間歇期間支管壁上的油膜繼續(xù)蒸發(fā)，在支管中聚集的燃料蒸氣會被先吸氣的汽缸吸入。因此：按1-3-4-2順序工作時，2缸所得混合氣比1缸濃，3缸比4缸濃；按1-2-4-3順序工作時，那么正相反，1缸混合氣比2缸濃，4缸比3缸濃；2.6混合氣分配的均勻性混合氣濃度的分配不均勻與燃料供給裝置的類型有關(guān)。以4缸機為例，如果采用化油器或中央噴油器供油，那么可能引起混合氣濃度分配不均勻的原因主要有以下兩方面：2.如果節(jié)氣門軸線不平行于發(fā)動機汽缸中心線平面，而是如圖2-6中所示那樣與之垂直，或者進氣管中有一些不對稱布置的凸臺，那么1、2兩缸進氣管中的油膜以及汽流攜帶油粒的情況就與3、4兩缸進氣管中的油流情況不一樣，使1、2缸的混合氣濃度不同于3、4缸。2.6混合氣分配的均勻性混合氣濃度的分配不均勻與燃料供給裝置的類型有關(guān)。當(dāng)采用多點噴油系統(tǒng)時，每一汽缸會有一個噴油器在其進氣門開啟之前向進氣門附近噴油。由于從噴油到進氣所經(jīng)歷的時間對各汽缸都一樣，因此前述引起混合氣濃度不均的第1種原因已不存在，第2種原因也不存在，3.但是各個噴油器流量特性的差異(同一噴油持續(xù)期內(nèi)噴油量不一致)以及各缸吸氣量不一樣，也會造成混合氣濃度分配有所不均。相對于化油器供油和單點噴油來說，多點噴油配合各缸獨立而等長的進氣管是最有利于分配均勻的。2.6混合氣分配的均勻性減少油膜凝聚和提高蒸發(fā)速率都可以改善混合氣濃度分配均勻性。使燃料出了化油器或中央噴油器后即迅速“霧化〞，即分散成許多細(xì)小油粒(平均粒徑約0．1mm一0．2mm，能<0．1mm更好)。主要措施是：1.使燃料在出化油器或噴油器之前即與少許空氣混合成“泡沫〞，出來后再被高速氣流分散；2.選擇適當(dāng)?shù)倪M氣管截面尺寸，保持足夠的氣流速度，以利于攜帶油粒和加速燃料蒸發(fā)。3.進氣管截面宜取方形以加大油膜的面積容積比，管道轉(zhuǎn)彎處不要圓角，甚至可設(shè)置圖2-6所示的導(dǎo)流板，以利于油膜的吹散。4.在油膜集中的地方(如節(jié)氣門下方管壁)，通常利用排氣加熱進氣管壁，并設(shè)有手動轉(zhuǎn)換閥，在夏季或發(fā)動機走熱之后遮擋排氣，以免過分加熟?？傊喔讬C各缸所得混合氣量和混合氣濃度的均勻性與進氣管系設(shè)計、燃料供給系類型及供油組件設(shè)計都有關(guān)系。2．7三效催化轉(zhuǎn)化器及其對空燃比控制的要求P202．7三效催化轉(zhuǎn)化器及其對空燃比控制的要求一旦一個地區(qū)或國家開始實施較嚴(yán)格的排放法規(guī)(類似于美國1984午、歐共體1992年以后的法規(guī))，只靠機內(nèi)凈化措施和氧化型催化轉(zhuǎn)化器不能滿足排放要求，那么必須采用三效催化轉(zhuǎn)化器。三效催化轉(zhuǎn)化器的典型結(jié)構(gòu)和根本功能如圖2—13所示。2.7三元催化轉(zhuǎn)化器與空燃比NOxHCCOCO2H2ON2

2．7三效催化轉(zhuǎn)化器及其對空燃比控制的要求由排氣管向大氣中排放的氣體物質(zhì)取決于三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，

混合氣的濃度(空燃比)和溫度是影響轉(zhuǎn)化效率的最主要因素，如圖2—14所示。

三元催化轉(zhuǎn)化器的工作條件：1、混合氣的濃度圍繞著理論空燃比時濃時稀地波動；2、工作溫度要到達250°以上才能高效地轉(zhuǎn)化廢氣；三元催化轉(zhuǎn)化器空燃比特性三元催化轉(zhuǎn)化器的工作2．7三效催化轉(zhuǎn)化器及其對空燃比控制的要求2．7三效催化轉(zhuǎn)化器及其對空燃比控制的要求催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率與混合氣空燃比的關(guān)系叫做催化器