空燃比详细解答PPT课件

空燃比的意义 1 关于混合气的几个问题 燃烧速度最快的混合气浓度是多少 最经济的混合气浓度是多少 何谓过浓混合气 何谓过稀混合气 发动机控制的核心问题是什么 燃油喷射时间就是实际喷油量吗 2 理论空燃比的概念 空气 燃油理论上理想的质量比为14 7 1 称作理论空燃比 燃油完全燃烧的质量关系为14 7kg空气比1kg燃油 与此对应的容积比为9500L空气比1L燃油 14 7 1 3 过量空气系数 理论上使燃油完全燃烧 所需的空气量等于理论空气量 实际上 供给的空气量总是大于或小于理论空气量 为了评定发动机工作过程中所用空气数量的多寡 常引入过量空气系数的概念 发动机工作过程中 燃烧1kg燃油实际供给的空气量L与理论空气量LO之比 称为过量空气系数 弗爱 4 燃烧速度最快的混合气 过量空气系数 at 0 85 0 95时 火焰传播速度最大 此时燃烧速度最快 可在短时间内使气缸压力和温度达到最大值 散热损失小 做功最多 由于此时供给的燃料量比完全燃烧时所需的燃料稍多 在空气量一定的情况下 提高了对氧的利用程度 使燃烧产物的分子数增多 燃气压力提高 因此 发动机发出最大功率 称这种混合气为最大功率混合气 5 过浓混合气 当过量空气系数 at 0 85时 称为过浓混合气 此时 由于火焰传播速度降低 功率减少 由于缺氧 燃烧不完全 热效率降低 耗油率增加 发动机怠速或低负荷运转时 节气门开度小 进入气缸的新鲜混合气量少 残余废气相对较多 可能引起断火现象 如果在发动机在中等负荷下 也供给过浓混合气 由于火焰传播速度低 燃烧速度减慢 混合气在大容积下燃烧 发动机易过热 排气温度增高 高温废气中未完全燃烧的成分在排气管口与空气相遇 剧烈氧化 形成排气管放炮现象 当 at 0 4 0 5时 由于严重缺氧 火焰不能传播 混合气不能燃烧 6 最经济混合气 当过量空气系数 at 1 05 1 15时 火焰传播速度仍很高 且此时空气相对充足 燃油能完全燃烧 所以热效率最高 有效耗油率最低 此浓度混合气称为最经济混合气 7 过稀混合气 当过量空气系数 at 1 15时 称为过稀混合气 此时火焰传播速度降低很多 燃烧缓慢 使燃烧过程进行到排气行程终了 补燃增多 使发动机功率下降 油耗增多 由于燃烧过程的时间延长 在排气行程终了进气门已开启 含氧过剩的高温废气可以点燃进气管内新气 造成进气管回火 当 at 1 3 1 4时 由于燃料热值过低 混合气不能传播 造成缺火或停车现象 此混合气浓度为火焰传播的下限 8 正常混合气 为保证发动机稳定可靠地工作 有利的混合气成分一般在 at 0 85 1 2范围内 9 发动机各种工况对混合气的要求 发动机在实际运行过程中 其工况在工作范围内是不断变化的 且在工况变化时 发动机对可燃混合气空燃比的要求也是不同的 一 稳定工况 二 过渡工况 10 一 稳定工况对混合气的要求 发动机的稳定工况是指发动机已经完全预热 进入正常运转 且在一定时间内转速和负荷没有突然变化的情况 稳定工况又可分为怠速 小负荷 中等负荷 大负荷和全负荷等几种 11 怠速工况 怠速工况是指发动机对外无功率输出且以最低稳定转速运转 此时 混合气燃烧后所做的功 只用于克服发动机内部的阻力 并使发动机保持最低转速稳定运转 在怠速工况下 节气门处于关闭状态 因而进气管内的真空度很大 在进气门开启时 气缸内的压力可能高于进气管压力 废气膨胀进入进气管内 在进气冲程中 把这些废气和新混合气同时吸入气缸 结果气缸内的混合气含有比例较大的废气 为保证这种经废气稀释过的混合气能正常燃烧 就必须供给很浓的混合气 12 小负荷工况 如图中A点开始 随节气门开度增大 稀释将逐渐减弱 所以小负荷工况下要求混合气如图AB段所示 也就是说 发动机在小负荷运行时 供给混合气也应加浓 但加浓的程度随负荷的增加而减小 13 中等负荷工况 汽车发动机的大部分时间都处在中等负荷状态 在中等负荷运行时 节气门已有足够的开度 废气稀释影响已经不复存在 因此要求供给发动机稀的混合气 以获得最佳的燃油经济性 如图BC段 空燃比约为16 17 14 大负荷工况 在大负荷时 节气门开度已超过3 4 此时应随着节气门开度的加大而逐渐地加浓混合气以满足发动机功率的要求 如图中的CD段 但实际上 在节气门尚未全开之前 如果需要获得更大的转矩 只要把节气门进一步开大就能实现 没有必要使用功率空燃比来提高功率 而应当继续使用经济混合气来达到省油的目的 因此 在节气门全开之前所有的部分负荷工况都按经济混合气配制 只是在全负荷工况时 节气门已经全开 此时为了获得该工况下的最大功率必须供给功率混合气 如图中D点 在从大负荷过渡到全负荷工况的过程中 混合气的加浓也应该是逐渐变化的 15 二 过渡工况对混合气的要求 汽车在运行中的过渡工况可分为以下三种形式 冷起动暖机加速和减速 16 冷起动 冷车起动时 由于发动机的转速和燃烧室壁面温度低 空气流速慢 导致汽油蒸发和雾化条件不好 因此要求发动机供给很浓的混合气 为保证冷起动顺利 要求供给的混合气空燃比达2 1才能在气缸中产生可燃混合气 17 暖机 暖车过程中 尽管发动机温度随着转速的提升也在逐步上升 但发动机温度仍然较低 气缸内的废气相对较多 混合气受到稀释 对燃烧不利 为保持发动机稳定的运行也要求浓的混合气 暖车的加浓程度 应在暖车过程中逐渐减小 一直到发动机能以正常的混合气在稳定工况下运转为止 18 加速和减速 汽车在加速时 节气门突然开大 进气管压力随之增加 由于液体燃料流动的惯性和进气管压力增大后燃料蒸发量减少 大量的汽油颗粒沉淀在进气管壁上 形成厚油膜 这样造成实际混合气成分瞬间被稀释 使发动机转速下降 为防止这种现象发生 要喷入进气管附加燃料 才能获得良好的加速性能 汽车急减速时 驾驶员迅速松开加速踏板 节气门突然关闭 此时由于惯性作用 发动机仍保持很高的转速 因为进气管真空度急剧升高 进气管内压力降低 促使附着在进气管壁上燃油加速气化 造成混合气过浓 为避免这一情况发生 在发动机减速时 供给的燃料应减少 19 加速和减速 汽车在加速时 节气门突然开大 进气管压力随之增加 由于液体燃料流动的惯性和进气管压力增大后燃料蒸发量减少 大量的汽油颗粒沉淀在进气管壁上 形成厚油膜 这样造成实际混合气成分瞬间被稀释 使发动机转速下降 为防止这种现象发生 要喷入进气管附加燃料 才能获得良好的加速性能 汽车急减速时 驾驶员迅速松开加速踏板 节气门突然关闭 此时由于惯性作用 发动机仍保持很高的转速 因为进气管真空度急剧升高 进气管内压力降低 促使附着在进气管壁上燃油加速气化 造成混合气过浓 为避免这一情况发生 在发动机减速时 供给的燃料应减少 20 环保混合气 理论空燃比 前面 我们大家看到了在不同工况下 对混合气的需求是有所不同的 而其各工况工作的条件 也是受历史条件限制的 我们大家看到的关于各工况混合气状况分析也是建立在传统发动机原理的基础之上 传统发动机 受限于当时的生产技术条件及科研水平 尤其是电子计算机控制技术的发展相对比较落后 而进入21世纪后 汽车技术有了一个突飞猛进的跳跃式发展 大量新技术 新结构不断出现 尤其是在发动机方面 VVT可变配气相位技术 电子气门升程控制等 电子节气门控制 缸内直喷技术 分层燃烧技术等等新技术的采用 带来了一系列完全不同控制理念 这就导致我们常规所学习 了解的发动机原理有了很大不同 尤其是在关于汽油发动机核心部分 空燃比 控制方面 发生了非常大的变化 我们平时提到的多种工况混合气理念与现在的发动机工作原理产生了很大的不同 所以 就需要我们在了解传统发动机原理的基础上 根据现代汽车的变化作出相应的变化 否则 在针对现代车辆的维修过程中 就无法作出正确的分析 21 怠速工况时的混合气控制 相对于传统发动机 我们大家可以知道 由于VVT可变配气正时控制的出现 使得凸轮轴的角度 由原来的不可变动 形成了今天的可以随发动机工况变化而改变 这其中 最大的变化 就是怠速时进排气门重叠角度的变化 由原来的大约20 60 曲轴转角 变成了重叠角度为0 由于进排气门重叠的情况不再出现 所以 就不存在进气冲程中的废气稀释问题 因此 对于混合气的需求就不再要求供给很浓的混合气 因此 在采用VVT可变配气正时系统的发动机上 在发动机达到正常工作温度后 即进入闭环控制 采用 1的混合气喷入气缸参加工作 这样 通过技术上的提升 可以大大降低怠速时的燃油消耗量 同时 对于怠速时的排放控制也有着极大的好处 22 减少 消除 气门重叠角 减少废气进入进气侧 23 如前所述 传统发动机由怠速工况向小负荷工况转换时 虽然受气门重叠角的影响造成的废气稀释越来越小 但其制约作用依旧存在 混合气呈现随负荷增加 逐渐向高空燃比变化的过程 直至其值接近中等负荷时的16 17 1 经济混合气区域 但我们大家可以看到 在采用可变配气正时的发动机上 气门重叠角度 依然保持与怠速时的0 相同 这样 在轻载 小负荷工况时 依然不需要供给浓的混合气 这样 发动机还是使用的是 1的混合气 从而在小负荷工况时 起到节省燃油的作用 小负荷时的混合气控制 24 中等负荷工况时混合气控制 中等负荷时 传统发动机采用所谓空燃比为16 17 1的经济混合气 以达到节省燃油的目的 但是从废气排放的角度来看 经济混合气却不适应环保法规的要求 同时 如果要保持较高的空燃比 对于三元催化器的要求也进一步提高 25 增大气门重叠角 增大内部EGR率 减少泵气损失 中等负荷时的气门重叠角 26 时刻需要牢记 追根诉源 发动机的核心问题 其实就是针对进入汽缸的空气量所作出的决策 这其中最核心的控制是燃油喷射量的计算 以及最佳点火时刻的确定 一切皆源于空气 27 发动机汽缸容积 对于一部排量一定的发动机来讲 其汽缸容积是一定的 也就是说 发动机在进气行程 每一次从上止点到下止点之间走过的冲程一定 进入汽缸的空气量一定 以四缸发动机为例 也就是说 发动机每两转 都有四次进气发生 而一个完整工作循环进入的空气总量 假设节气门全开 充气系数为1时 就是一个汽缸的工作容积 4 四冲程发FLASH zt4 swf动机 28 举个例子 我们请10个人来吃饭 假设每个人的饭量是一样的 我们准备的食物 当然要准备10份客饭 准备8份 9份 那肯定有人要饿肚子 准备11或12份 那就要产生浪费 同样的道理 进入汽缸的空气如果是15 我们用1份的燃油去进行工作 混合气就偏稀 进入汽缸的空气如果是14 我们用1份燃油 那当然是混合气偏浓了 也就是说 对于排量一定的发动机 当我们知道当地的大气压 空气的温度 空气的密度 我们就应该可以算出发动机每一循环的实际进气质量了 29 基本燃油喷射量 也许 还有很多人对于电子燃油喷射的基本燃油喷射量的计算方法不是很明白 实际燃油喷射量 基本燃油喷射量 修正系数 电压校正基本燃油喷射量取决于发动机转速以及进气量信号 上面的提法 任意一本书中 都是这样注名 可是为什么如此呢 一般书中没有详细的答案 所以一般的读者 技术人员很难明白 教给学生的老师 也是依葫芦画瓢 照本宣科 30 其实 问题的答案就在进入汽缸的空气量的计算方法上 虽然汽缸的容积不变 但由于发动机转速不同 节气门开度不同 导致每分钟进入汽缸的空气量是不同的 所以 如果想精确地控制进入汽缸的燃油量 就必须知道发动机转速和每秒准确地进气量 如果 我们大家知道了每一循环的实际的进气量 再乘以发动机转速 我们就得到每分钟进入汽缸的总的空气总量 31 那么 当我们知道了发动机转速后 怎么计算总进气量呢 由于发动机曲轴旋转两圈 所有汽缸完成一个工作循环 当发动机转速为800rpm时 要产生400次的工作循环 所以 答案当然是用400去乘以每一循环的实际进气量了 同样 发动机转速为2000rpm时 就要用1000去乘了 发动机电脑通过空气流量传感器得知实际的进气量后 就相应地要喷射同等对应的燃油来保持完全燃烧 现在 我们是不是知道了为什么要按照发动机转速和进气量信号来计算基本燃油喷射量了吧 对于博世Mono Jetronic系统来说 是通过测量节气门转角 和发动机转速n 运用间接方式确定空气充量 其实 对于普通发动机来说 只要排气量一定 发动机工况稳定时 每秒进入汽缸的空气质量几乎很少有差距 这也是我们大家看不同发动机数据流时 能看到的相同点之一 32 以L型电控系统为例 发动机ECU根据空气流量传感器检测不同发动机转速下的每秒的进气质量 然后 通过一定的运算 就可以得到每个喷油器每秒的喷油时间 接下来我们看一看 电脑是如何根据进气质量来计算实际燃油喷射量的 33 丰田PREVIA发动机数据流 喷油时间 34 喷油时间的计算 35 现在揭晓答案 36 上表中 由于发动机曲轴旋转两圈 每个汽缸完成一个工作循环 这样 将发动机转速除以2 就可以得到一个汽缸在一分钟内完成的循环数量 由于任一循环中都包含一个进气冲程 这样 我们只要除以60秒 再乘以发动机的汽缸数量 就可以得到每秒种的进气冲程总数量 然后 根据发动机空气流量传感器的进气质量 就可以算出每个冲程进入的空气量 将此值除以理论空燃比14 7 就可以得到每冲程需要的燃油质量 将需要的燃油质量除以喷油器的单位时间喷油量 就可以得到需要的喷油脉宽 37 喷油器数据计算 喷油器的标准数值 我们可以通过下面的方法得到 根据厂家提供的对2AZ FE发动机喷油器的测试数据是 喷油器15秒喷油量为70 73cm3 取其平均值为每秒4 76ml s 以93号汽油密度0 725g ml 得到单位喷油时间为0 00345g ms 或3 45mg ms 参考 汽油容积 v m p因季节气候不同 汽油的密度会有略微变化 平均如下 90号汽油的平均密度为0 72g ml 93号汽油的密度为0 725g ml 97号汽油的密度为0 737g ml 20号柴油的密度为0 83g ml 38 节气门转角与进气充量的关系 一般情况下 我们可以近似地这样考虑 即近似地将节气门开度值与进气充量等同起来 当节气门开度为10 时 认为进气量也近似为10 依次类推 得到如下结果 39 除了采用上述方法进行计算外 我们还可以采用另外一种方法来进行粗略计算 如上图博世Mono Jetronic系统发动机脉谱图所示 是通过测量节气门转角 和发动机转速n 利用发动机转速与节气门转角之间的相互函数关系 通过实验得到相对空气充量 40 发动机负荷法计算喷油量 以上面的排气量为2 4L的2AZ FE发动机为例 不考虑外界温度的变化影响 以标准空气状态下的空气密度1 293kg m3 可以得到全负荷时 进气质量为m v p 2 4 1 293 3 1032g 所需要的燃油总质量为0 211g 每缸需要的燃油质量是0 0527g 以喷油器单位时间喷油量0 00345g ms来计算 则喷油器喷油时间为15 27ms 加上0 2ms的针阀开启时间 则实际喷油器通电时间为15 47ms 由于发动机的负荷与节气门开度值均在19 左右 我们可以近似地认为 此时每冲程的进气量就是理论值的19 这样 我们我们可以用15 27ms乘以19 得到每进气冲程的喷油量值为2 9ms 如果再加上0 2ms的针阀开启时间 则此值为3 1ms 41 发动机负荷法计算喷油量 42 以上两种关于进气量与喷油量的计算 都是利用理想值进行的推算 这与发动机实际工作时的情况 还有所区别 但总的来说 已经非常接近实际值了 对于我们加深对空气与燃油之间关系的深入理解很有帮助 在实际发动机控制系统中 ECU考虑的因素 还要包括海拔高度 进气温度 冷却液温度 节气门开度等等 以上情况是在发动机转速比较稳定 节气门开度一定时得到的 但实际情况是 在很多时候 节气门的开度与发动机负荷信号有时会相差较大 比如发动机加速过程中以及减速过程中 都会有较大差异 但是我们在这里要说明的一个重要的问题 也就是我们要重点关注的 就是发动机的核心问题 即进气量决定了喷油量 这一点是永远是不变的 即使加速时 混合气瞬间过浓 但一旦发动机工况稳定了 电脑仍然是围绕理论空燃比来进行控制 在燃油反馈作用下 将 值控制在0 97 1 02之间 43 测试题 根据以下数据计算出表格中喷油器数据 44 喷油时间与燃油修正系数的关系 当发动机转速一定 进气量一定时 喷油时间与燃油修正系数之间存在以下关系 实际喷油时间 每冲程喷油时间 长期燃油修正系数 短期燃油修正系数 45 喷油时间与燃油修正系数的关系 46 47 48 众所周知 在车辆维修中 我们经常见到由于喷油器堵塞导致发动机怠速不稳 加速不良 高速行驶无力的故障现象 喷油器堵塞与车辆高速无力的关系 49 喷油器堵塞导致车辆高速动力不足的原因 50 假设此时的混合气是理论空燃比 51 功率混合气为13 78 1 过量空气系数为0 937 52 分析 从数据流中 看到节气门开度67 计算的负荷已达到了79 57 这已经进入了大负荷工作阶段 所以 按照系统的燃油修正设定 此时的长期与短期燃油修正系数均固定在了4 65 此时的车速在143KM H 变速器处于4th档位 按照理论空燃比的数值 此时的喷油器脉宽在喷油器堵塞33 51 的情况下 应该是14 859ms 而ECU按照固定9 3 长 短期4 65 的修正系数增加喷油量时 应该喷12 37ms的燃油 而按照功率混合气的要求 按0 937的过量空气系数 此时的燃油喷射量也应在16 51ms 显然 此时的13 5ms的喷油量已经无法满足此时的功率混合气要求 这导致发动机的功率下降 因此 发动机ECU做出了降档的动作 如下图所示 档位降档到三档 53 发动机最大喷油量控制 对于发动机来说 其喷油器喷油特性一定 所以 发动机可以通过对喷油器通电时间的控制进行喷油量控制 发动机设计最高转速时 必须考虑其合适的点火 供油时刻 以及合适的供油量 以满足发动机最高转速时的工况 但是由于发动机工作时 随转速升高 每一工作循环所用的时间逐渐缩短 对于喷油器来说 要求在相对一定的时间内 要保证喷油器喷射足够的燃油 如果以发动机转速最高为8000rpm来计算 则发动机一个工作循环所用的时间为15ms 也就是说 即使喷油器始终持续喷射 也只有最大15ms的喷