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發動機的燃油系統

2010-12-24 13:06:49    

 

汽油機所用的燃料是汽油,在進入氣缸之前,汽油和空氣已形成可燃混合氣。可燃混合氣進入氣缸內被壓縮,在接近壓縮終了時點火燃燒而膨脹作功。可見汽油機進入氣缸的是可燃混合氣,壓縮的也是可燃混合氣,燃燒作功后將廢氣排出。因此汽油供給系的任務是根據發動機的不同情況的要求,配制出一定數量和濃度的可燃混合氣,供入氣缸,最后還要把燃燒后的廢氣排出氣缸。

 

 

汽油及其使用性能

汽油是汽油機的燃料。汽油是石油制品,它是多種烴的混合物,其主要化學成分是碳(C)和氫(H)。汽油使用性能的好壞對發動機的動力性、經濟性、可靠性和使用壽命都有很大的影響。因此,車用汽油需要滿足許多要求。

 

化油器式發動機燃油系統

一、燃油系統的功用及組成   
    燃油系統的功用是根據發動機運轉工況的需要,向發動機供給一定數量的、清潔的、霧化良好的汽油,以便與一定數量的空氣混合形成可燃混合氣。同時,燃油系統還需要儲存相當數量的汽油,以保證汽車有相當遠的續駛里程。化油器式發動機燃油系統中最重要的部件是化油器,它是實現燃油系統功用、完成可燃混合氣配制的主要裝置。此外,燃油系統還包括汽油箱、汽油濾清器、汽油泵、油氣分離器、油管和燃油表等輔助裝置。 

    二、可燃混合氣的形成過程   
    汽車發動機的可燃混合氣形成時間很短,從進氣過程開始算起到壓縮過程結束為止,總共也只有0.01~0.02s的時間。要在這樣短的時間內形成均勻的可燃混合氣,關鍵在于汽油的霧化和蒸發。所謂霧化就是將汽油分散成細小的油滴或油霧。良好的霧化可以大大增加汽油的蒸發表面積,從而提高汽油的蒸發速度。另外,混合氣中汽油與空氣的比例應符合發動機運轉工況的需要。因此,混合氣形成過程就是汽油霧化、蒸發以及與空氣配比和混合的過程。 

 

 

三、發動機運轉工況對可燃混合氣成分的要求

(一)可燃混合氣成分的表示法 可燃混合氣中空氣與燃油的比例稱為可燃混合氣成分或可燃混合氣濃度,通常用過量空氣系數和空燃比表示。 1.過量空氣系數 燃燒1kg燃油實際供給的空氣質量與完全燃燒1kg燃油的化學計量空氣質量之比為過量空氣系數,記作 φa。  φa=1的可燃混合氣稱為理論混合氣;φa<1的稱為濃混合氣;φa>1的則稱為稀混合氣。 2.空燃比 可燃混合氣中空氣質量與燃油質量之比為空燃比,記作 σ 。  按照化學反應方程式的當量關系,可求出1kg汽油完全燃燒所需空氣質量即化學計量空氣質量約為14.8kg。顯然,σ=14.8的可燃混合氣為理論混合氣;σ<14.8的為濃混合氣;σ>14.8的為稀混合氣。空燃比σ=14.8稱為理論空燃比或化學計量空燃比。


    (二)發動機運轉工況對可燃混合氣成分的要求及化油器特性 隨著汽車行駛速度和牽引功率的不斷變化,汽車發動機的轉速和負荷也在很大范圍內頻繁變動。為適應發動機工況的這種變化,可燃混合氣成分應該隨發動機轉速和負荷作相應的調整。


1.冷起動
    發動機在冷起動時,因溫度低汽油不容易蒸發汽化,再加上起動時轉速低(50~100r/min),空氣流過化油器的速度很低,汽油霧化不良,致使進入氣缸的混合氣中汽油蒸氣太少,混合氣過稀,不能著火燃燒。為使發動機能夠順利起動,要求化油器供給 φa 約為0.2~0.6的濃混合氣,以使進入氣缸的混合氣在火焰傳播界限之內。


2.怠速
    怠速是指發動機對外無功率輸出的工況。這時可燃混合氣燃燒后對活塞所作的功全部用來克服發動機內部的阻力,使發動機以低轉速穩定運轉。目前,汽油機的怠速轉速為700~900r/min。在怠速工況,節氣門接近關閉,吸入氣缸內的混合氣數量很少。在這種情況下氣缸內的殘余廢氣量相對增多,混合氣被廢氣嚴重稀釋,使燃燒速度減慢甚至熄火。為此要求供給 φa=0.6~0.8的濃混合氣,以補償廢氣的稀釋作用。


3.小負荷 
    小負荷工況時,節氣門開度在25%以內。隨著進入氣缸內的混合氣數量的增多,汽油霧化和蒸發的條件有所改善,殘余廢氣對混合氣的稀釋作用相對減弱。因此,應該供給 φa=0.7~0.9的混合氣。雖然,比怠速工況供給的混合氣稍稀,但仍為濃混合氣,這是為了保證汽油機小負荷工況的穩定性。 


4.中等負荷 
    中等負荷工況節氣門的開度在25%~85%范圍內。汽車發動機大部分時間在中等負荷下工作,因此應 該供給 φa=1.05~1.15的經濟混合氣,以保證發動機有較好的燃油經濟性。從小負荷到中等負荷,隨著負荷的增加,節氣門逐漸開大,混合氣逐漸變稀。 


5.大負荷和全負荷 
    發動機在大負荷或全負荷工作時,節氣門接近或達到全開位置。這時需要發動機發出最大功率以克服較大的外界阻力或加速行駛。為此應該供給 φa=0.85~0.95的功率混合氣。從中等負荷轉入大負荷時,混合氣由經濟混合比加濃到功率混合比。


6.加速 
    汽車在行駛過程中,有時需要在短時間內迅速提高車速。為此,駕駛員要猛踩加速踏板,使節氣門突然開大,以期迅速增加發動機功率。這時雖然空氣流量迅速增加,但是由于汽油的密度比空氣密度大得多,即汽油的流動慣性遠大于空氣的流動慣性,致使汽油流量的增加比空氣流量的增加滯后一段時間。另外,節氣門開大,進氣歧管的壓力增加,不利于汽油的蒸發汽化。因此,在節氣門突然開大時,將會出現混合氣瞬時變稀的現象。這不僅不能使發動機功率增加、汽車加速,反而有可能造成發動機熄火。 為了避免發生此種現象,保證汽車有良好的加速性能,在節氣門突然開大空氣流量迅速增加的同時,由化油器中附設的特殊裝置瞬時快速地供給一定數量的汽油,使變稀的混合氣得到重新加濃。 綜上所述,對于經常在中等負荷下工作的汽車發動機,為了保持其正常的運轉,從小負荷到中等負荷要求化油器能隨著負荷的增加,供給由濃逐漸變稀的混合氣,直到供給經濟混合氣,以保證發動機工作的經濟性。從大負荷到全負荷階段,又要求混合氣由稀變濃,最后加濃到功率混合氣,以保證發動機發出最大功率。滿足上述要求的化油器特性稱為理想化油器特性,即為理想化油器特性。

 

 

四、現代化油器的基本結構及附加裝置

化油器的功用是在發動機任何轉速、任何負荷、任何大氣狀況下,向發動機供給一定數量且成分符合發動機工況要求的可燃混合氣。借助化油器的各工作系統及一些附加裝置來實現這一功能。


(一)基本結構 
    1.浮子系統 浮子系統是存儲汽油并使浮子室內的油面保持恒定的裝置。它由浮子室、浮子和進油針閥等組成。

 

 

2.怠速系統 怠速系統的功用是向在怠速工況工作的發動機供給濃混合氣。發動機在怠速時,轉速很低,節氣門接近關閉,流過化油器喉管的空氣量很少,流速也很低。這時喉管真空度很小,不足以將汽油從主噴管吸出。因此,發動機在怠速工況工作時須由另外設置的怠速系統供油。


    3.主供油系統 主供油系統的功用是在怠速以外的所有工況都起供油作用。在發動機從小負荷到大負荷時,使 σ 隨節氣門開大而增大 φα↑,混合氣由濃變稀,φα 由0.8→1.1其原理是降低主量孔處真空度。

 

 

4.主供油系統與怠速系統的相互作用 從主量孔后吸油的怠速系統稱非獨立怠速系統, 而把直接從浮子室吸油的怠速系統稱為獨立怠速系統。在非獨立系統中,由于主供油系統與怠速系統的油路相通,因此,一個系統將對另一個系統的工作產生影響。影響之一是延遲了主供油系統開始供油的時刻,因為在怠速系統供油時,主供油系統油井中的汽油由于流向怠速系統而使油井中的液面下降。在主供油系統供油之前,只有在較大的節氣門開度或較大的喉管真空度下,才能使油井中的液面回升,所以主供油系統的供油時間因此而遲后。第二個影響是當節氣門開度足夠大或喉管真空度足夠大時,怠速油道中的汽油流向主供油系統。在怠速油道中的汽油被吸空之后,空氣經怠速空氣量孔、怠速噴口和過渡噴口進入油井和主噴管。這一現象稱為怠速反流。當發生怠速反流時,由于進一步降低了主量孔后的真空度,使主供油系統供油量減少,造成混合氣過稀。  
 

 

5.加濃系統 當發動機由中等負荷轉入大負荷或全負荷工作時,通過加濃系統額外地供給部分燃油,使混合氣由經濟混合氣加濃到功率混合氣,以保證發動機發出最大功率,滿足理想化油器特性在大負荷段的加濃要求。加濃系統按其控制方法的不同分為機械式和真空式兩種。

 

 

6.加速系統 加速系統又稱加速泵。其功用是當節氣門急速開大時將一定數量的汽油一次噴入喉管,維持一定的混合氣成分,以滿足汽車加速的需要。加速泵有活塞式和膜片式兩種。活塞式加速泵因為結構簡單、傳動容易而應用較廣泛。


    7.起動系 起動系統的功用是在發動機冷起動時,供給足夠多的汽油,以使進入氣缸內的混合氣中有充足的汽油蒸氣,保證其成分在火焰傳播界限之內,實現發動機的順利起動。最常用的起動系統是在化油器入口處裝設一個阻風門。起動時,將阻風門關閉,并使節氣門處于小開度位置。當發動機被起動機拖轉時,在阻風門后方產生極大的真空度,使主供油系統和怠速系統同時供油,這時通過阻風門邊緣的縫隙流入的空氣量很少,致使混合氣極濃。
 

 

(二)附加裝置 化油器在降低汽車尾氣中有害排放物方面起著重要的作用。為了適應日益嚴格的排放法規,一方面要提高化油器的制造精度,以實現對混合氣成分的精確調整和控制;另一方面則需在化油器上加裝附加裝置,以減少在變工況時有害物質的排放量。


    1.怠速截止電磁閥 將怠速轉速提高之后,通常使用較稀的怠速混合氣并推遲點火時刻。這項措施有效地減少了CO、HC和NOx的排放量,但卻提高了發動機的溫度,使表面點火傾向增加。所謂表面點火是一種不正常燃燒現象,這里是指在關閉了點火開關之后,燃燒室內的熾熱表面將氣缸內的混合氣點燃,使發動機不能停轉。不過,這種現象可能只在部分氣缸內發生,也可能在同一氣缸內間斷地發生,這就使HC的排放量不但不會減少反而急劇增加,而且還將引起發動機振動和噪聲。

 

 

2.強制怠速截止電磁閥 汽車下坡或滑行時,節氣門接近關閉,發動機被汽車傳動系拖動高速運轉,這種工況稱為強制怠速。在強制怠速工況,節氣門后的真空度很大,汽油及管壁上的油膜蒸發較快,致使混合氣成分較濃。另外,由于進氣歧管真空度高,在進排氣門重疊時期部分廢氣被吸入進氣歧管,并隨新鮮混合氣一起進入氣缸,造成氣缸內殘余廢氣量增多,致使燃燒緩慢。以上兩個因素使強制怠速工況的CO和HC排放量增加。為了改善強制怠速工況的排放性,同時也為了節油的需要,通常采用主量孔截止電磁閥和進油管截止電磁閥,同時切斷主量孔和進油管的供油。  


    3.熱怠速補償閥 在炎熱季節,當汽車由高速行駛轉為低速行駛時,發動機罩下的溫度上升,化油器周圍的溫度很高,浮子室內的汽油大量蒸發。汽油蒸氣經浮子室平衡管進入進氣管,使混合氣過濃,造成燃燒不完全,CO的排放量增加。如果汽車在大負荷高速行駛后停車,則大量汽油蒸氣充塞進氣管,再起動時,吸入氣缸的幾乎都是汽油蒸發,造成發動機熱起動困難。

 

 

4.節氣門緩沖器 當汽車急減速時,駕駛員急松加速踏板,節氣門迅速關閉到怠速位置。這時,發動機在汽車傳動系的拖動下仍保持著較高的轉速,因而使節氣門后的真空度急劇增大,致使混合氣過濃,甚至超出火焰傳播界限而不能著火燃燒,導致排氣中HC的含量增加。為此在化油器上裝置節氣門緩沖器,以改善汽車急減速時的排放性。

 

 

五、輔助裝置 
    (一)汽油箱 汽油箱的功用是儲存汽油。其數目、容量、形狀及安裝位置均隨車型而異。汽油箱的容量應使汽車的續駛里程達300~600km。汽油箱由鋼板或塑料制造。在汽油箱上還裝有油面指示表傳感器、出油開關和放油螺塞等。汽油箱內通常有擋油板,為的是減輕汽車行駛時汽油的振蕩。

  
    (二)汽油濾清器 汽油從汽油箱進入汽油泵之前,先經過汽油濾清器除去其中的雜質和水分,以減少汽油泵和化油器等部件的故障。濾芯多用多孔陶瓷或微孔濾紙制造。陶瓷濾芯結構簡單,不消耗金屬,濾清效果較好,但濾芯不易清洗干凈,使用壽命短。紙質濾芯濾清效果好,結果簡單,使用方便。現代轎車發動機多采用一次性使用、不可拆式紙質濾芯汽油濾清器,一般每行駛30000km整體更換一次。 

 

 

(三)汽油泵 汽油泵的功用是將汽油從汽油箱吸出,經油管和汽油濾清器泵入化油器浮子室。汽車上采用的汽油泵有機械驅動式和電動式兩種。 

 

1.機械驅動式汽油泵 機械驅動式汽油泵由發動機配氣機構凸輪軸或中間軸上的偏心輪驅動。不同型號的汽油泵,其結構和工作原理基本相同。
 

 

2.電動式汽油泵 電動汽油泵的優點是安裝位置不受發動機結構的限制,可以安裝在遠離機體、排氣管等高溫機件而且通風良好的地方,這有利于降低油管中汽油的溫度,減小產生汽阻的可能性。電動汽油泵可以在發動機起動前先行工作,使化油器和管路中充滿汽油,以利發動機起動。在汽車下坡滑行時,可以將電動汽油泵電路開關斷開,停止向化油器供油,有利于節油。

 

 

電子控制汽油噴射系統
    一、汽油噴射系統的分類
    汽油噴射式發動機的燃油系統簡稱汽油噴射系統,它是在恒定的壓力下,利用噴油器將一定數量的汽油直接噴入氣缸或進氣管道內的汽油機燃油供給裝置。與化油器相比,汽油噴射系統具有下列優點: 
        1)能根據發動機工況的變化供給最佳空燃比的混合氣; 
        2)供入各氣缸內的混合氣,其空燃比相同,數量相等; 
        3)由于進氣管道中沒有狹窄的喉管,因此進氣阻力小,充氣性能好。


    因此,汽油噴射式發動機具有較高的動力性和經濟性,良好的排放性。此外,發動機的振動有所減輕,汽車的加速性也有顯著改善。  車用汽油噴射系統有多種類型,可按不同方法進行分類: 
        1)按汽油噴射系統的控制方法分為機械控制式、電子控制式及機電混合控制式3種。近十年來電子控制汽油噴射系統(以下簡稱電控汽油噴射系統)得到了迅速而又充分的發展,成本大幅度下降,使用可靠性和可維修性都達到了相當高的水平。 
        2)按噴射部位的不同可分為缸內噴射和缸外噴射兩種。缸內噴射是通過安裝在氣缸蓋上的噴油器,將汽油直接噴入氣缸內。這種噴射系統需要較高的噴射壓力,約3~5MPa。因而噴油器的結構和布置都比較復雜,目前極少應用。缸外噴射系統是將噴油器安裝在進氣管或進氣歧管上,以0.20~0.35MPa的噴射壓力將汽油噴入進氣管或進氣道內。

 

 

缸外噴射系統分進氣管噴射和進氣道噴射。進氣管噴射系統的噴油器安裝在節氣門體上,而節氣門體安裝在進氣歧管的上部,相當于化油器式發動機安裝化油器的位置。因此,進氣管噴射又稱節氣門體噴射(TBI)。由于一臺發動機只裝有1或2個噴油器在節氣門體上,所以又稱這種噴射方式為單點噴射(SPI)。 

      3)按噴射的連續性將汽油噴射系統分為連續噴射式和間歇噴射式。連續噴射是指在發動機工作期間,噴油器連續不斷地向進氣道內噴油,且大部分汽油是在進氣門關閉時噴射的。這種噴射方式大多用于機械控制式或機電混合控制式汽油噴射系統。間歇式噴射是指在發動機工作期間,汽油被間歇地噴入進氣道內。電控汽油噴射系統都采用間歇噴射方式。間歇噴射還可按各缸噴射時間分為同時噴射、分組噴射和按序噴射等三種形式。 

 

 

二、電控汽油噴射系統的基本類型 
    電控汽油噴射系統(EFI系統)是以電控單元(ECU)為控制中心,并利用安裝在發動機上的各種傳感器測出發動機的各種運行參數,再按照電腦中預存的控制程序精確地控制噴油器的噴油量,使發動機在各種工況下都能獲得最佳空燃比的可燃混合氣。目前,各類汽車上所采用的電控汽油噴射系統在結構上往往有較大的差別,在控制原理及工作過程方面也各具特點。

 

 

(一)波許D型(D葉特朗尼克)汽油噴射系統 D型汽油噴射系統是最早應用在汽車發動機上的電控多點間歇式汽油噴射系統,其基本特點是以進氣管壓力和發動機轉速作為基本控制參數,用來控制噴油器的基本噴油量。 汽油箱內的汽油被電動汽油泵吸出并加壓至0.35MPa左右,經汽油濾清器濾除雜質后被送至燃油分配管。燃油分配管與安裝在各缸進氣歧管上的噴油器相通。在燃油分配管的末端裝有油壓調節器,用來調節油壓使其保持穩定,多余的汽油經回油管返回汽油箱。

  
    (二)波許L型(L-葉特朗尼克)汽油噴射系統 L型汽油噴射系統是在D型汽油噴射系統的基礎上,在20世紀70年代發展起來的多點間歇式汽油噴射系統。其構造和工作原理與D型基本相同,只是L型汽油噴射系統采用翼片式空氣流量計直接測量發動機的進氣量,并以發動機的進氣量和發動機轉速作為基本控制參數,從而提高了噴油量的控制精度。

 

 

(三)波許LH型(LH-葉特朗尼克)汽油噴射系統 LH型汽油噴射系統是L型汽油噴射系統的變型產品,兩者的結構與工作原理基本相同,不同之處是LH型采用熱線式空氣流量計,而L型采用翼片式空氣流量計。熱線式空氣流量計無運動部件,進氣阻力小,信號反應快,測量精度高。另外,LH型汽油噴射系統的電控裝置采用大規模數字集成電路,運算速度快,控制范圍廣,功能更加完善。 


    (四)波許M型(莫特朗尼克)汽油噴射系統 M型汽油噴射系統將L型汽油噴射系統與電子點火系統結合起來,用一個由大規模集成電路組成的數字式微型計算機同時對這兩個系統進行控制,從而實現了汽油噴射與點火的最佳配合,進一步改善了發動機的起動性、怠速穩定性、加速性、經濟性和排放性。
           

 

(五)節氣門體汽油噴射系統 節氣門體汽油噴射系統是單點噴射系統。與上述多點噴射系統不同,單點噴射系統只用一個或兩個安裝在節氣門體上的噴油器,將汽油噴入節氣門前方的進氣管內,并與吸入的空氣混合形成混合氣,再通過進氣歧管分配至各氣缸。單點噴射系統的工作原理與多點噴射系統相似。電控單元根據發動機的進氣量或進氣管壓力以及曲軸位置傳感器、節氣門位置傳感器、發動機溫度傳感器及進氣溫度傳感器等測得的發動機運行參數,計算出噴油量,在各缸進氣行程開始之前進行噴油,并通過噴油持續時間的長短控制噴油量。單點汽油噴射系統的噴油器距進氣門較遠,噴入的汽油有足夠的時間與空氣混合形成均勻的可燃混合氣。因此對噴油的霧化質量要求不高,可采用較低的噴射壓力。


三、電控汽油噴射系統主要組件的構造和工作原理 

波許公司設計生產的幾種電子控制汽油噴射系統已被廣泛地用于各國生產的汽車上。此外還有一些國家也研制開發了多種汽油噴射系統。盡管電子控制汽油噴射系統多種多樣,但就其組成和工作原理而言卻大同小異。主要的區別是電控單元的控制方式、控制范圍和控制程序不盡相同,所用傳感器和執行元件的構造也有所差別。各類電子控制汽油噴射系統均可視為由燃油供給系統、進氣系統和控制系統三部分組成。  


    (一)燃油供給系統主要組件的構造與工作原理 電控汽油噴射系統的燃油供給系統由汽油箱、電動汽油泵、汽油濾清器、燃油分配管、油壓調節器、噴油器、冷起動噴嘴和輸油管等組成,有的還設有油壓脈動緩沖器。 

1.電動汽油泵
    在電控汽油噴射系統中應用的電動汽油泵通常有兩種類型,即滾柱式電動汽油泵和葉片式電動汽油泵。

 

 

2.燃油分配管 
    燃油分配管,也被稱作"共軌",其功用是將汽油均勻、等壓地輸送給各缸噴油器。由于它的容積較大,故有儲油蓄壓、減緩油壓脈動的作用。

 

 

3.噴油器   
    噴油器的功用是按照電控單元的指令將一定數量的汽油適時地噴入進氣道或進氣管內,并與其中的空氣混合形成可燃混合氣。噴油器的通電、斷電由電控單元控制。電控單元以電脈沖的形式向噴油器輸出控制電流。當電脈沖從零升起時,噴油器因通電而開啟;電脈沖回落到零時,噴油器又因斷電而關閉。電脈沖從升起到回落所持續的時間稱為脈沖寬度。若電控單元輸出的脈沖寬度短,則噴油持續時間短,噴油量少;若電控單元輸出的脈沖寬度長,則噴油持續時間長,噴油量多。一般噴油器針閥升程約為0.1mm,而噴油持續時間在2~10ms范圍內。 


    4.油壓調節器

油壓調節器的功用是使燃油供給系統的壓力與進氣管壓力之差即噴油壓力保持恒定。因為噴油器的噴油量除取決于噴油持續時間外,還與噴油壓力有關。在相同的噴油持續時間內,噴油壓力越大,噴油量越多,反之亦然。所以只有保持噴油壓力恒定不變,才能使噴油量在各種負荷下都只惟一地取決于噴油持續時間或電脈沖寬度,以實現電控單元對噴油量的精確控制。 
   

 

5.油壓脈動緩沖器

當汽油泵泵油、噴油器噴射及油壓調節器的回油平面閥開閉時,都將引起燃油管路中油壓的脈動和脈動噪聲。燃油壓力脈動太大使油壓調節器的工作失常。油壓脈動緩沖器的作用就是減小燃油管路中油壓的脈動和脈動噪聲,并能在發動機停機后保持油路中有一定的壓力,以利于發動機重新起動。 


    6.冷起動噴嘴及熱時間開關

冷起動噴嘴的功用是當發動機低溫起動時,向進氣管噴入一定數量附加的汽油,以加濃混合氣。冷起動噴嘴也是一個電磁閥,故又稱冷起動閥。冷起動噴嘴的開啟和持續噴油的時間取決于發動機的溫度,并由熱時間開關控制。冷起動噴嘴安裝在進氣管上,熱時間開關裝在機體上并與冷卻液接觸。

 

(二)空氣系統主要組件的構造與工作原理
    各類電控汽油噴射系統的空氣系統主要包括空氣流量計、補充空氣閥、怠速控制閥、節氣門及空氣濾清器等。 

1.空氣流量計 空氣流量計的功用是測量進入發動機的空氣流量,并將測量的結果轉換為電信號傳輸給電控單元。空氣流量計有多種形式,如翼片式、熱線式、熱膜式和渦流式等。


    1)翼片式空氣流量計 當發動機怠速工作時,節氣門接近關閉,只有少量空氣進入發動機。流過主流道的空氣推動翼片偏轉很小的角度,同時與翼片同軸的電位計則輸出一個微弱的電壓信號給電控單元,電控單元便向噴油器輸出短脈沖寬度的電脈沖。這時流過旁通空氣道的空氣未經空氣流量計計量,因此不影響噴油量,但卻使混合氣變稀,使CO的排放量減少。當發動機在高速大負荷運轉時,節氣門接近全開,吸入的空氣量較多且全部流過主流道,空氣推動翼片偏轉較大的角度,電位計則輸出較強的電壓信號,電控單元相應地輸出長脈沖寬度的電脈沖。

   
    2)熱線式空氣流量計 當空氣流過熱線式空氣流量計時,鉑熱線向空氣散熱,溫度降低,鉑熱線的電阻減小,使電橋失去平衡。這時混合電路將自動增加供給鉑熱線的電流,以使其恢復原來的溫度和電阻值,直至電橋恢復平衡。流過鉑熱線的空氣流量越大,混合電路供給鉑熱線的加熱電流也越大,即加熱電流是空氣流量的單值函數。加熱電流通過精密電阻產生的電壓降作為電壓輸出信號傳輸給電控單元,電壓降的大小即是對空氣流量的度量。溫度補償電阻的阻值也隨進氣溫度的變化而變化,起到一個參照標準的作用,用來消除進氣溫度的變化對空氣流量測量結果的影響。一般將鉑熱線通電加熱到高于溫度補償電阻溫度100℃。

 

 

3)熱膜式空氣流量計 其測量原理與熱線式空氣流量計相同,它是利用熱膜與空氣之間的熱傳遞現象來測量空氣流量的。熱膜是由鉑金屬片固定在樹脂薄膜上而構成的。用熱膜代替熱線提高了空氣流量計的可靠性和耐用性,并且熱膜不會被空氣中的灰塵沾附。 


    4)卡門渦流式空氣流量計 它是利用卡門渦流理論來測量空氣流量的裝置。在流量計進氣道的正中央有一個流線形或三角形的立柱,稱作渦源體。當均勻的氣流流過渦源體時,在渦源體下游的氣流中會產生一列不對稱卻十分規則的空氣漩渦,即所謂卡門渦流。據卡門渦流理論,此漩渦移動的速度與空氣流速成正比,即在單位時間內流過渦源體下游某點的漩渦數量與空氣流速成正比。因此,通過測量單位時間內流過的漩渦數量便可計算出空氣流速和流量。
 

 

2.進氣管壓力(MAP)傳感器計 波許D型汽油噴射系統不設空氣流量計,而是利用進氣管壓力傳感器測量節氣門后進氣管內的絕對壓力,并以此作為電控單元計算噴油量的主要參數。在發動機工作時,節氣門開大,進氣量增多,進氣管壓力相應增加。因此,進氣管壓力的大小反映了進氣量的多少。常見的進氣管壓力傳感器有膜盒式和應變儀式兩種。


    1)膜盒式進氣管壓力傳感器 在傳感器中有一個密封的彈性金屬膜盒,內部保持真空,外部與進氣管相通。當進氣管壓力發生變化時,膜盒或收縮或膨脹,并帶動銜鐵在感應線圈中移動,從而在感應線圈中產生感應電壓,將此電壓信號傳輸給電控單元用來控制噴油量。


    2)應變儀式進氣管壓力傳感器 物體因承受應力而變形時,由于長度發生變化,其電阻值也將隨之改變。應變儀式進氣管壓力傳感器就是根據這一原理設計的。傳感器的主要元件是一個很薄的硅片,四周較厚,中間最薄。硅片上下兩面各有一層二氧化硅薄膜。沿硅片四周有4個傳感電阻。在硅片的四角各有1個金屬塊,通過導線與傳感電阻相連。

 

 

3.補充空氣閥 補充空氣閥是實現發動機快怠速的裝置。當發動機冷起動時,部分空氣經補充空氣閥進入發動機,使發動機的進氣量增加。由于這部分空氣是經過空氣流量計計量過的,因此噴油量將相應地有所增加,從而提高了怠速轉速,縮短了暖車時間。

 

 

4.怠速控制閥 在節氣門體汽油噴射系統中,節氣門體上裝有步進電機式怠速控制閥。其功用是自動調節發動機的怠速轉速,使發動機在設定的怠速轉速下穩定運轉。在使用空調器或轉向助力器的汽車上,電控單元通過怠速控制閥自動提高怠速轉速,以防止發動機因負荷加大而熄火。

 

三)控制系統主要組件的構造與工作原理
    電控汽油噴射系統中的控制系統由電控單元、各種傳感器、執行器,以及連接它們的控制電路所組成。不同類型的電控汽油噴射系統的控制功能、控制方式和控制電路的布置不完全一樣,但基本原理相似。


1.傳感器 
    1)發動機溫度傳感器 因為發動機的溫度用冷卻液的溫度表征,所以發動機溫度傳感器又稱冷卻液溫度傳感器。它安裝在發動機機體或氣缸蓋上,與冷卻液接觸,用來檢測發動機循環冷卻液的溫度,并將檢測結果傳輸給電控單元以便修正噴油量。發動機溫度傳感器內部是一個半導體熱敏電阻。冷卻液溫度越低,熱敏電阻的阻值越大,反之亦然。傳感器的兩根導線都和電控單元連接,其中一根為搭鐵線。


    2)進氣溫度傳感器 進氣溫度傳感器通常安裝在空氣流量計上,用來測量進氣溫度,并將溫度變化的信息傳輸給電控單元作為修正噴油量的依據之一。進氣溫度傳感器內部也是一個熱敏電阻,其電阻溫度特性、構造、工作原理以及與電控單元的連接方式均與發動機溫度傳感器相同。

 

 

3)節氣門位置傳感器 節氣門位置傳感器安裝在節氣門軸上,與節氣門聯動。其功用是將節氣門的位置或開度轉換成電信號傳輸給電控單元,作為電控單元判定發動機運行工況的依據。節氣門位置傳感器有開關型和線性輸出型兩種。 開關型節氣門位置傳感器內有兩個觸點,分別為怠速觸點和全負荷觸點。與節氣門同軸的接觸凸輪控制兩個觸點的閉合或斷開。當發動機在怠速時,節氣門接近關閉,怠速觸點閉合,這時電控單元將指令噴油器增加噴油量以加濃混合氣。全負荷時,節氣門全開,接觸凸輪使全負荷觸點閉合,這時電控單元將輸出脈沖寬度最長的電脈沖,以實現全負荷加濃。

 

 

線性輸出型節氣門位置傳感器是一個線性電位計,由節氣門軸帶動電位計的滑動觸點。當節氣門開度不同時,電位計輸出的電壓也不同,從而將節氣門由全閉到全開的各種開度轉換為大小不等的電壓信號傳輸給電控單元,使其精確地判定發動機的運行工況。

 

 

4)曲軸位置傳感器 曲軸位置傳感器通常安裝在分電器內,用來檢測發動機轉速、曲軸轉角以及作為控制點火和噴射信號源的第一缸和各缸壓縮行程上止點信號。 光電式曲軸位置傳感器。由發光二極管、光敏三極管、轉盤等組成,并安裝在分電器底板上。兩對發光二極管和光敏三極管組成信號發生器。在轉盤的邊緣均勻地開有360個小細縫和6個大細縫。當轉盤隨分電器軸轉動時,發光二極管通過細縫射向光敏三極管的光線使光敏三極管導通,光線被轉盤遮斷時,光敏三極管截止,由此產生脈沖信號。分電器每轉一轉,輸出360個相間1°的脈沖信號(相當于2°曲軸轉角)和6個相間60°的脈沖信號(相當于120°曲軸轉角)。光電式曲軸位置傳感器輸出矩形脈沖信號,適合與電腔單元的數字系統配用。  磁脈沖式曲軸位置傳感器。由安裝在分電器軸上的兩個信號轉子和安裝在分電器底板上的三個傳感線圈組成。信號轉子隨同分電器軸一起轉動。當信號轉子的凸齒接近傳感線圈時,由于傳感線圈內磁通量增加而感生正電壓;當凸齒離開傳感線圈時,由于磁通量減少而感生負電壓。即一個凸齒每轉過傳感線圈一次,便在其中產生一個交流電壓信號或稱電脈沖信號。  霍爾效應式曲軸位置傳感器。這種傳感器由霍爾元件、永久磁鐵和帶缺口的轉子組成。霍爾元件是帶有集成電路的半導體基片。當把霍爾元件置于磁場中并通以電流,且使電流方向與磁場方向垂直,這時霍爾元件將在垂直于電流及磁場的方向產生霍爾電壓,這一現象稱作霍爾效應。改變磁場強度可以改變霍爾電壓的大小,磁場消失霍爾電壓為零。霍爾效應式曲軸位置傳感器輸出的信號是矩形脈沖,適用于電控單元的數字系統,且其信號電壓的大小與發動機轉速無關,在發動機低速狀態下仍可獲得很高的檢測精度。

  
    5)氧傳感器 氧傳感器是電子控制汽油噴射系統進行反饋控制的傳感器,安裝在排氣管上,反饋控制也稱閉環控制。在這種控制方式中,利用氧傳感器檢測排氣中氧分子的濃度,并將其轉換成電壓信號輸入電控單元。排氣中氧分子的濃度與進入發動機的混合氣成分有關。當混合氣太稀時,排氣中氧分子的濃度較高,氧傳感器便產生一個低電壓信號;當混合氣太濃時,排氣中氧分子的濃度低,氧傳感器將產生一個高電壓信號。電控單元根據氧傳感器的反饋信號,不斷地修正噴油量,使混合氣成分始終保持在最佳范圍內。通常氧傳感器和三元催化轉換器同時使用,由于后者只有在混合氣的空燃比接近理論空燃比的狹小范圍內凈化效果才最好,因此,在這種情況下,電控單元必須根據氧傳感器的反饋信號,控制混合氣的空燃比更接近于理論空燃比。目前應用最多的是氧化鋯氧傳感器。

  
    6)爆震傳感器 爆震傳感器作為點火定時控制的反饋元件用來檢測發動機的爆燃強度,借以實現點火定時的閉環控制,以便有效地抑制發動機爆燃的發生。通常使用的爆震傳感器安裝在發動機的機體上,它能將發動機發生爆燃而引起的機體振動信號轉換為電壓信號,且當機體的振動頻率與傳感器的固有振動頻率一致而發生共振時,傳感器將輸出最大電壓信號。ECU將根據此最大電壓信號判定發動機是否發生爆燃。爆震傳感器有多種,其中應用最早的當屬磁致伸縮式爆震傳感器,它主要由磁心、永久磁鐵及感應線圈等組成。當機體振動時,磁心受振偏移,使感應線圈內的磁通量發生變化,而在感應線圈內產生感生電動勢。


2.電控單元

電控單元是電子控制單元(ECU)的簡稱。電控單元的功用是根據其內存的程序和數據對空氣流量計及各種傳感器輸入的信息進行運算、處理、判斷,然后輸出指令,向噴油器提供一定寬度的電脈沖信號以控制噴油量。電控單元由微型計算機、輸入、輸出及控制電路等組成。



四、電控汽油噴射系統實例

(一)桑塔納2000GSi型轎車的電控汽油噴射系 

桑塔納2000GSi型轎車的AJR發動機裝用德國波許公司的莫特良尼克M3.8.2型電控順序多點汽油噴射系統。
    M3.8.2型電控汽油噴射系統采用熱膜式空氣流量計,其輸出的信號是電控單元用來計算點火時刻和噴油量的主要參數之一。在使用過程中,如果空氣流量計的信號中斷,電控單元將根據發動機轉速、節氣門位置及進氣溫度等信號計算出一個替代值。


    系統中的節氣門控制裝置由怠速開關、怠速節氣門電位計、節氣門電位計及怠速電機等組成。節氣門電位計直接與節氣門軸連接,向電控單元提供節氣門位置信號。怠速節氣門電位計向電控單元提供怠速時的節氣門位置。怠速開關在整個怠速期間處于閉合狀態,電控單元根據此信號識別出怠速工況。如果此信號中斷,電控單元將根據節氣門電位計及怠速節氣門電位計所提供的信號來判定發動機是否處于怠速狀態。怠速電機受控于電控單元,按照電控單元的指令,在怠速調節范圍內通過齒輪傳動來調節節氣門的開度。

M3.8.2電控系統同時控制汽油噴射及點火定時,以實現兩者的最佳配合。借助各種傳感器,該系統可以實現下列控制功能。 


1.點火定時的控制
    電控單元根據發動機的轉速和進氣量從存儲在ROM中的點火特性脈譜圖中確定基本點火提前角、再按照發動機溫度、進氣溫度、節氣門位置、怠速開關和有無爆燃等信號,對基本點火提前角進行修正,最終確定出最佳點火提前角。


2.爆燃控制
    M3.8.2電控系統采用雙爆震傳感器,能更有效地監控發動機爆燃。當電控單元根據爆震傳感器的信號識別出某氣缸發生爆燃時,便將該氣缸的點火時刻向后推遲。如果爆震傳感器信號中斷,則各缸點火提前角均向后推遲約15°曲軸轉角,這時發動機性能將明顯下降。


3.噴油量控制
    電控單元根據發動機的轉速和進氣量確定基本噴油量,再根據節氣門電位計、怠速節氣門電位計、怠速開關、發動機溫度傳感器、進氣溫度傳感器和氧傳感器等信號進行修正,確定出最佳噴油量。然后根據點火基準算出各缸的噴油時刻,并按照1342的發動機工作順序向各缸進氣門前噴射。


4.汽油蒸發控制系統的控制
    汽油蒸發控制系統的作用是將汽油箱內蒸發的汽油蒸氣引入到氣缸內燒掉,以防止其排入大氣中對環境造成污染。在M3.8.2電控系統中,電控單元通過控制汽油蒸氣回收控制電磁閥的開閉頻率來調節由汽油蒸發控制系統進入氣缸內的汽油蒸氣數量。當電磁閥開啟時,炭罐中的汽油蒸氣被吸入到進氣歧管中;當電磁閥關閉時,汽油蒸氣被炭罐內的活性炭氣吸附。


5.電動汽油泵的控制
    在發動機起動時,電控單元根據曲軸位置傳感器輸出的轉角信號,使汽油泵繼電器動作,向汽油泵、空氣流量計和氧傳感器的加熱裝置供電。若曲軸位置傳感器的信號中斷,汽油泵繼電器不動作,發動機不能起動。


(二)本田雅閣2.4i-VTEC型轎車的電控汽油噴射系統

本田雅閣2.4i-VTEC型轎車的K24A4發動機裝備程序控制燃油噴射(PGM-FI)系統。該系統由動力系統控制模塊(PCM)進行控制。

PGMFI系統的控制功能有: 

1.噴油量和噴油定時的控制
    PCM根據發動機轉速和進氣管絕對壓力傳感器的信號,從存儲器中讀取基本噴油定時與基本噴油持續時間等數據,然后再根據進氣溫度傳感器、節氣門位置傳感器和氧傳感器輸入的信號對其進行修正,并通過控制各噴油器的搭鐵回路來控制噴油時刻和噴油持續時間。


2.怠速控制
    發動機怠速時,PCM根據空調器開關、自動變速器檔位開關、制動開關、發動機溫度傳感器和動力轉向開關等信號所確定的目標轉速與發動機的實際怠速轉速進行比較,并通過調節供給電控補充空氣閥的電流強度,來調節怠速空氣通道的面積,改變其空氣流量,以使發動機的怠速保持在目標轉速上。


3.點火定時控制
    PCM根據發動機轉速和進氣管絕對壓力傳感器的信號,從存儲器中讀取基本點火定時數據,再根據節氣門傳感器、發動機溫度傳感器、空調器開關和起動開關等信號,對基本點火定時進行修正,并通過點火控制模塊(ICM)來實現最佳點火定時控制。當爆震傳感器檢測到發動機發生爆燃時,點火定時將會自動推遲。


4.起動控制
    在起動發動機時,PCM在得到起動開關的起動信號后,將通過延長各噴油器的噴油持續時間來增加噴油量,以獲得發動機起動時所需的濃混合氣。


5.減速斷油與限速斷油控制
    在汽車行駛中,如果駕駛員快速松開加速踏板(節氣門全閉)減速時,PCM將切斷噴油器控制電路,使噴油器停止噴油。當發動機轉速超過設定的轉速時,PCM將不管節氣門的位置如何都會立即切斷噴油器控制電路,噴油器停止噴油,以避免發動機超速運轉。


6.失效保護
    當傳感器或電路出現故障時,PCM將自動按原設定的程序和數據控制發動機繼續運轉,但這時汽車的性能將有所下降。


7.備用控制
    當PCM本身出現故障時,控制系統將接通獨立于系統之外的備用控制電路,并用固定不變的信號控制發動機進入應急運轉狀態,使汽車得以開回車庫或去維修站。此外,PGM-FI系統還具有電動汽油泵控制、汽油蒸發控制系統的控制、空調壓縮機控制及故障自診斷等功能。

 

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