发动机电控系统的结构与维修2章汽油机对燃料供给与控制的基本要求

第2章汽油机对燃料供给与控制的根本要求主讲：朱明高级技师.经济师,工程师高级技能专业教师汽车维修工高级考评员〔一〕教学内容

〔二〕考试重点汽油机的燃料供给方式及其对应的可燃混合气性质与功率调节方式如表2—1所示。汽油机的燃料供给方式第1种供油方式(化油器供油)自20世纪初就被普遍应用，并在几十年间不断完善，但由于其固有的一些缺陷限制了车用汽油机性能更大幅度的提高，近二十几年来已逐渐地被第2种供油方式(电子控制向进气管或进气道喷油)所取代。采用第3、4两种燃料供给方式的稀燃汽油机，在节能方面有很大优势，但目前尚处于研究阶段，一些关键问题尤其是NOx排放较多的问题还有待解决。汽油机的燃料供给方式.第1种供油方式(化油器供油)第2种供油方式(电子控制向进气管或进气道喷油)*.汽油机功率的调节.汽油机功率的调节：以均质可燃混合气为工质的汽油机来说，其依靠节气门改变吸入空气量来实现，而燃料供给系的根本任务就是控制供给的汽油量，使之能与发动机吸入空气量相适应，以形成空燃比适当的可燃混合气。节气门开大小汽油量多少+气油空燃比适当可燃混合气==功率调节空燃比影响.1空燃比对于汽油机的动力性、燃料经济性和有害排放物数量，以及怠速稳定性、加减速圆滑性、冷机启动难易等运行性能都有很大影响。2.发动机不同的转速、负荷工况和过渡工况所适宜的空燃比值是不同的，而且同一工况在不同的运行条件下(燃料理化性质、环境温度、蓄电池电压、发动机磨损程度等)所适宜的空燃比值也不同。3.汽油机的燃料供给系应能随着节气门开度和转速的变化控制燃料量的变化，使各种工况能以各自适宜的空燃比运行，并且最好还能自动适应运行条件的变化，以保证发动机的总体性能最正确。汽油机的怠速工况控制.发动机对燃料供给与控制的要求什么是空燃比？过量空气系数〔相对空燃比〕空燃比，是混合气中空气与燃料之间的质量的比例，记作α。从理论上说，每克燃料完全燃烧所需的最少的空气克数，叫做理论空燃比，汽油为14.7。α>14.7的混合气叫做稀混合气；α<14.7的混合气叫做浓混合气；过量空气系数，指实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比。，记作Φa。Φa<1时，表示浓混合气；Φa>1时，表示为稀混合气；一、空燃比对汽油机稳定工况性能的影响2.1空燃比对汽油机稳定工况性能的影响P211、在定转速下，同一功率可以用不同的节气门开度和混合气浓度的组合来获得，某一节气门开度和混合气浓度组合获得的功率可以用其他较大的节气门开度和较稀的混合气浓度组合来获得。定转速混合气调整特性：最经济混合气浓度和节气门全开时的最大功率混合气浓度：2、假设最经济组合来供油，那么在节气门全开时发动机的功率要比发动机最大功率低。1、当转速n一定时，最经济Φa随发动机单位时间吸气量的减少而减少；2、当单位时间吸气量一定时，最经济Φa随着n的升高而变小。2．1．1空燃比对动力性能和燃料经济性能的影响

图2-1所示是汽油机的定转速混合气调整特性。

p9汽油机的定转速混合气调整特性汽油机的定转速混合气调整特性2)由图看出，在定转速下同一功率可以用不同的节气门开度θ和混合气浓度Φa的组合来获得(例如图中c、d两点)。实际上，在定转速下θ的大小表示混合气量的多少，用某一(θ，Φa)组合获得的功率改用其他较大的θ和较稀的混合气组合自然也可能获得。汽油机的定转速混合气调整特性3)对同一(n，Pe)工况而言，燃料消耗最少的(θ，Φa)组合必定落在这些定转速(n)定油门开度(θ)混合气调整特性的包络线上(图中的实线)。图看出，如果就按照该包络线所对应的各最经济的(θ，Φa)组合来供油，那么在节气门全开时发动机的功率就低于它可能到达的最大值，即图中a点的功率小于b点，后者对应的混合气浓度Φa值为最大功率的Φa最经济混合气浓度和节气门全开时的最大功率混合气浓度p9如果在不同的转速下测取上述混合气调整特性，并将所得的各转速下的最经济混合气浓度

Φa(下文记作Φa，bmix。)和最大功率Φa·(下文记作Φa，pmax)画在同一个以单位时间吸气量Ga为横坐标的图上，可得到如图2-2所示的曲线组。最经济混合气浓度和节气门全开时的最大功率混合气浓度吸气量浓度Φa2．1．2空燃比对排放性能的影响2.2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求P10稳定工况空燃比控制要求：1、在节气门全开和接近全开时供给较浓的混合气，保证获得较大的功率；2、在节气门局部开启时，供给较稀的经济混合气(理论空燃比混合气)，保证燃油经济性(排放环保性)；2．2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求

如图2-4所示。汽油机各稳定转速负荷工况以什么样的空燃比运行最为有利，必须综合考虑到各方面的要求才能合理确定。

2．2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求在汽油机排放问题还没有引起足够重视、没有法规严格限制的年代，主要考虑的是汽油机的动力性和燃料经济性。合理的稳定工况空燃比的控制要求：1.在节气门全开和接近全开时供给相对空燃比为Φa.Pmax或接近于Φa.Pmax的较浓混合气，以保证外特性上各点功率到达可能的最大值或者只比最大可能值低2％一3％(少许兼顾be)，以满足汽车加速、爬坡、高速超车等情况下的功率需要；2.在节气门局部开启时，供给相对空燃比为Φa.bmin的最经济混合气，使汽车发动机多数运行工况的燃油消耗率尽可能的低。2．2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求2．2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求电子控制汽油喷射系统(EFI系统)的空燃比控制精度高，并能自动适应一些使用条件下的变化而调整空燃比，各缸混合气分配均匀性在多点喷油时也有改善，使汽油机局部负荷工况以最经济混合气运行的可能。2．2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求20世纪80年代中期以后，环境保护问题突出，各国法定的排放限额降低，采用三效催化转化器，而这就要求在局部负荷工况采用空燃比反响闭环控制，把空燃比限制在化学计量比附近的一个狭窄范围内以确保排气净化。只是在节气门全开和接近全开时才用Φa等于或接近于Φa.Pmax，的浓混合气以充分发挥发动机的功率潜力。由于节气门全开工况在市区内汽车运行中所占时间比例小，这时用浓混合气对发动机排放总量的影响不大。2．2空燃比对汽油机稳定工况控制的要求汽油机对稳定运行工况的空燃比控制要求大体上可归纳如表2-2所示。实际确定目标空燃比时，需要考虑，例如高负荷工况还要考虑催化器载体是否过热，如果载体温度有超过850~C的可能，应采用比Φa.Pmax更小的空燃比以保护催化器。2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求P121、进气量：怠速进气通路面积在运行中以保持一定的怠速转速为目标而自动增减；2、空燃比：化油器空燃比Φa在0.8左右，开环控制Φa略小于1，闭环控制Φa约等于1；3、怠速转速：根据不同情况设置上下两個目标值。一般情况下以低转速800r—900r/min为控制目标，当汽车附件负荷增大时，以高转速1000r—1100r/min为控制目标。2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求热机怠速运行工况：城市汽车停车，离合器别离或者自动变速器放在空挡，发动机只维持自身(连带自动变速器的变矩器泵轮)以及发电机、空调压缩机、动力转向泵等汽车附件运转，即热机怠速工况的燃油消耗和排放在汽车总的耗油量和排放量中占有相当大的比例。当汽车重新起步加速时，发动机能否迅速平稳地从热机怠速工况过渡到所需要的转速负荷工况，对汽车的驾驶舒适性至关重要。2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求怠速时驾驶员不接触加速踏板，节气门关闭到一个最小开度位置，或者全闭而让空气经过一个旁通空气道流入进气管。*改变节气门最小开度位置或改变旁通空气道的通路面积，可以改变怠速进气量随转速变化的关系Ga=f(n)，而单位时间怠速混合气量和相应的混合气浓度那么根本上决定了发动机的指示功率pi。对应于某一节气门最小开度或某一旁通空气道通路面积的指示功率曲线P=f(n)与发动机自身及所带汽车附件消耗功率Pm=f(n)曲线的交点就决定了怠速转速，如图2—5所示。2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求。2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求排放成为人们首要关注的问题，汽油机的热机怠速工况必须能接近于化学计量比的空燃比运行，并且要保持很高的怠速稳定性。电控汽油喷射系统为实现这些要求提供了条件其次，电控喷油系统能实行怠速转速的反响闭环控制。1.当热机怠速转速低于或高于设定的目标转速值时，能相应地自动加大或减小怠速进气通路面积，从而加大或减小只以适应Pm的变化而维持怠速转速根本稳定(波动小于+50r／min)。2.电控喷油系统通常都设定两个怠速转速目标值，800r／min～900r／min为低怠速，1000r／min～1100r／min为高怠速：当汽车附件负荷突然增大(如接入空调压缩机、动力转向泵等)，以及汽车自动变速器由空挡改为前进挡或倒挡使曲轴输出端受载时，怠速转速目标值即自动改变为高值，使怠速进气通路迅速加大，可防止转速瞬时降幅过大；当使用的汽车电器增多(如电动冷却风扇、前后灯、刮水器等)，使蓄电池电压下降较多时，也改为高怠速以迅速充电。。2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求汽油机对热机怠速工况进气量和空燃比的控制要求如表2-3所示2.3空燃比对汽油机怠速工况进气量控制的要求在冷机启动以后的暖机过程中发动机也是怠速运行，但怠速暖机工况与上述热机怠速工况不同，怠速暖机工况是一种动态的过渡工况，发动机从冷态不断升温，在此期间怠速进气量和空燃比的控制要求完全不同于热机怠速工况。2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求P14加速、减速、冷机启动和暖机都是变工况过程，也叫过渡工况。1、加速时：按照比稳定状况下更浓的空燃比进行喷油，保证加速的迅速响应性；2、减速时：减低节气门关闭速度〔化油器〕或加大怠速旁通道，甚至可以停止供油，保证燃油经济性和排放环保性；3、冷机启动：按照很小的空燃比〔Φa<0.2〕供油，并适当增大进气量，保证顺利启动；4、暖机：随着机器的暖化减少进气量和供油量，使之顺利进入热机怠速状态。2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求P14

在加大节气门开度使发动机加速和关小节气门以减速的过程中，发动机吸气量会随着节气门开度的变化而立即发生变化，但进汽缸的燃料量却不能立即相应改变。原因有两点：1.从化油器吸出的汽油量因油流惯性大于空气而落后于吸气量的变化，从电控喷油器喷出的油量由于获得变油量的信息滞后也会落后于吸气量的变化；2.由于在进气管壁上凝聚油膜的影响。采用化油器供油或采用一个中央喷油器在节气门前喷油(单点喷油)时，后一方面的影响是主要的。2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求

从化油器出油口吸出或从节气门前中央喷油器喷出的汽油，并不是全部蒸发、全部进入进气管气流中随空气一起进入汽缸的，而是只有小局部汽油颗粒进入气流，大量汽油那么落到进气管壁上，形成油膜，沿管壁运动直至进气门，如图2—6所示。油膜运动的速度比气流慢得多(约为1：50)，在其流动过程中受管壁加热和气流吹拂，从油膜外表不断蒸发出汽油蒸气进入气流。发动机吸进的汽油包括3局部：1.从化油器或中央喷油器出来后直接进入气流的油粒及其蒸气，2.从附壁油膜蒸发的油蒸气，3.在进气门处还残留的为数很少的油膜。在同一单位时间内吸进汽缸的燃油量不等于化油器或中央喷油器的出油量。2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求

当发动机工况稳定时，进气管内气流速度、气体压力与温度、管壁温度等均稳定，油膜沿进气管全长的分布情况、蒸发速率等也都稳定不变，这时在同一单位时间内被吸进汽缸的燃油总量化油器或中央喷油器的供油量保持平衡。在工况变动时，这两种燃油量是不一致的。1.当节气门急速翻开时2.当关闭节气门使车辆减速时3.冷机启动时，2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求

2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求

当关闭节气门使车辆减速时，进气量急减，进气管内气压急降而管壁温度降低缓慢，油膜蒸发更快，吸进汽缸的燃料量也会在一个短时期内多于供油系统给油量，使缸内混合气变浓，CO和未燃HC排放增多，车辆也不能平稳减速。在减速时宜：1.用化油器时：利用阻尼器使节气门关闭较慢2.电控喷油时：特别加大怠速旁通空气道的通路面积，以延缓进气量的减少而防止缸内混合气过浓。3.电控喷油的汽油机在高速运行中突然关闭节气门时，还宜索性停止喷油，让汽车依其惯性滑行而拖动发动机，等发动机转速降到稍高于怠速转速时再恢复供油，这样对节省燃料和降低排放最有利。2.4变工况过程中对空燃比和进气量的控制要求

汽缸内压力的曲轴转角变化曲线如图2-7所示。P16A：不点火B：点火过早C：点火适当D：点火过迟A：不点火B：点火过早C：点火适当D：点火过迟2.6混合气分配的均匀性P18混合气分配的不均匀程度以各缸混合气量的最大差值与平均值的百分比来衡量。混合气浓度分配不均匀的原因：1、进气管的结构设计；2、燃料供给装置类型；3、供油组件的差异。2.6混合气分配的均匀性2.6混合气分配的均匀性混合气量分配的不均匀程度主要决定于进气管的结构设计。以4缸机为例，如果4个缸的排气管是独立而且等长的，那么各排气管内不稳定流动情况一致，各缸进气开始时的缸内压力根本一致。在此条件下：1.如果采用如图2-12c所示的各缸独立而等长的进气管结构，那么各进气管内的流动情况根本一致，混合气量的分配就比较均匀。2.如果采用如图2-12a或图2—12b所示的相邻两缸共用一个进气支管的结构，那么同一支管的两个汽缸的进气量就不会相同。2.6混合气分配的均匀性混合气浓度的分配不均匀与燃料供给装置的类型有关。以4缸机为例，如果采用化油器或中央喷油器供油，那么可能引起混合气浓度分配不均匀的原因主要有以下两方面：1.当相邻两缸共用一个进气支管时(图2-12a或图2-12b)，在两个缸都不进气的间歇期间支管壁上的油膜继续蒸发，在支管中聚集的燃料蒸气会被先吸气的汽缸吸入。因此：按1-3-4-2顺序工作时，2缸所得混合气比1缸浓，3缸比4缸浓；按1-2-4-3顺序工作时，那么正相反，1缸混合气比2缸浓，4缸比3缸浓；2.6混合气分配的均匀性混合气浓度的分配不均匀与燃料供给装置的类型有关。以4缸机为例，如果采用化油器或中央喷油器供油，那么可能引起混合气浓度分配不均匀的原因主要有以下两方面：2.如果节气门轴线不平行于发动机汽缸中心线平面，而是如图2-6中所示那样与之垂直，或者进气管中有一些不对称布置的凸台，那么1、2两缸进气管中的油膜以及汽流携带油粒的情况就与3、4两缸进气管中的油流情况不一样，使1、2缸的混合气浓度不同于3、4缸。2.6混合气分配的均匀性混合气浓度的分配不均匀与燃料供给装置的类型有关。当采用多点喷油系统时，每一汽缸会有一个喷油器在其进气门开启之前向进气门附近喷油。由于从喷油到进气所经历的时间对各汽缸都一样，因此前述引起混合气浓度不均的第1种原因已不存在，第2种原因也不存在，3.但是各个喷油器流量特性的差异(同一喷油持续期内喷油量不一致)以及各缸吸气量不一样，也会造成混合气浓度分配有所不均。相对于化油器供油和单点喷油来说，多点喷油配合各缸独立而等长的进气管是最有利于分配均匀的。2.6混合气分配的均匀性减少油膜凝聚和提高蒸发速率都可以改善混合气浓度分配均匀性。使燃料出了化油器或中央喷油器后即迅速“雾化〞，即分散成许多细小油粒(平均粒径约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喷油器之前即与少许空气混合成“泡沫〞，出来后再被高速气流分散；2.选择适当的进气管截面尺寸，保持足够的气流速度，以利于携带油粒和加速燃料蒸发。3.进气管截面宜取方形以加大油膜的面积容积比，管道转弯处不要圆角，甚至可设置图2-6所示的导流板，以利于油膜的吹散。4.在油膜集中的地方(如节气门下方管壁)，通常利用排气加热进气管壁，并设有手动转换阀，在夏季或发动机走热之后遮挡排气，以免过分加熟。总之，多缸机各缸所得混合气量和混合气浓度的均匀性与进气管系设计、燃料供给系类型及供油组件设计都有关系。2．7三效催化转化器及其对空燃比控制的要求P202．7三效催化转化器及其对空燃比控制的要求一旦一个地区或国家开始实施较严格的排放法规(类似于美国1984午、欧共体1992年以后的法规)，只靠机内净化措施和氧化型催化转化器不能满足排放要求，那么必须采用三效催化转化器。三效催化转化器的典型结构和根本功能如图2—13所示。2.7三元催化转化器与空燃比NOxHCCOCO2H2ON2

2．7三效催化转化器及其对空燃比控制的要求由排气管向大气中排放的气体物质取决于三效催化转化器的转化效率，

混合气的浓度(空燃比)和温度是影响转化效率的最主要因素，如图2—14所示。

三元催化转化器的工作条件：1、混合气的浓度围绕着理论空燃比时浓时稀地波动；2、工作温度要到达250°以上才能高效地转化废气；三元催化转化器空燃比特性三元催化转化器的工作2．7三效催化转化器及其对空燃比控制的要求2．7三效催化转化器及其对空燃比控制的要求催化转化器的转化效率与混合气空燃比的关系叫做催化器