汽车发动机原理课件：汽油机电控汽油喷射系统概述

使发动机能够正常运转，必须为其提供连续的可燃混合气，通过直接或间接测量进入发动机的空气量，并按规定的空燃比计量燃油的供给量，这一过程称为燃油配制，汽油机的燃油配制形式，根据汽油的供给方式可分为化油器式和燃油喷射式两种，这两种装置均是依据节气门开度和发动机转速计量进气量，然后根据进气量供给适当空燃比的混合气进入汽缸。如图4-14所示为化油器供油燃油配制，化油器式发动机的燃油配制过程是利用空气流经节气门上方喉管处产生的真空度将燃油由从浮子室中连续吸出且进行混合后，再被吸入汽缸内燃烧做功，使发动机运转，在这里，空气流量取决于喉管的形状和尺寸，对于一定结构参数的化油器，汽油流量则取决于喉管的真空度。如图4-15所示为燃油喷射供油，燃油喷射控制系统则是根据直接或间接测量的空气进气量确定燃烧所需的汽油量，并通过控制喷油器开启时间来进行精确配制，使一定量的汽油以一定压力通过喷油器喷射到发动机的进气道或汽缸内与相应空气形成可燃混合气。化油器的结构比较简单，一直用于汽油发动机，传统的化油器供给系统是通过主供油装置及一些辅助供油装置来实现混合气浓度控制的，其缺点是对发动机运行状态的适应性、响应速度和控制的精确性方面难以满足要求，尤其在加速、冷起动等过渡工况下，难以在满足车辆的动力性能的同时兼顾经济性和排放性，难以满足日趋严格的汽车排放法规的要求ꎮ随着汽车技术的发展，电子燃油喷射系统已经取代传统的化油器供给系统。一、汽油发动机对可燃混合气体的要求１.空燃比对发动机性能的影响空气和燃油的混合比，即空气质量与燃油质量比称为空燃比，通常用α表示，汽油完全燃烧并生成CO2、H2O时的空燃比称为理论空燃比，理论空燃比约为14.7，在实际的发动机燃烧过程中，燃烧1kg燃油所消耗的空气不一定就是理论所要求的空气量，它与发动机的结构和使用工况密切相关，实际所供空气量可能大于或小于理论空气量。空燃比与火焰温度、发动机输出功率、发动机油耗率的关系如图4-16所示，在空燃比为13.5~14.0时，燃烧火焰温度出现最高值，这种空燃比称为功率空燃比，当混合气的空燃比为16左右时，燃油燃烧完全，发动机的油耗率最低，这种空燃比称为经济空燃比。燃烧后排出的排气成分除CO2和H2O外，还有空气中没有参与燃烧的NOX剩余的O2、未燃烧和未完全燃烧的HC、燃烧不完全的CO及高温富氧条件下燃烧生成的NOX。由此可见，发动机的性能与空燃比有着密切的关系，但影响的程度和变化规律各不相同。所以，如何精确控制混合气的空燃比是比较复杂而又非常重要的问题。２.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，现分述如下。１)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。(1)怠速和小负荷工况，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。对于化油器配制混合气方式，进气管内的真空度很大，在进气门开启时，汽缸内的压力可能高于进气管压力，废气膨胀进入进气管内，在进气行程中，把这些废气和新混合气同时吸入汽缸，结果汽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，就需要供给较浓的混合气。对于电控燃油喷射混合气配制方式，如果采用开环控制，配制的混合气与化油器式相似，如果采用闭环控制方式，在怠速和小负荷工况时，混合气一般控制在理论空燃比。(２)中等负荷工况，汽车发动机的大部分工作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，废气稀释影响已不复存在，如果为了获得最佳经济性，则采用开环控制方式，空燃比控制在17左右，为了获得最佳排放，并获得较好的经济性，空燃比控制在理论空燃比附近。(３)大负荷和全负荷工况，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增大而逐渐地加浓混合气以满足发动机功率的要求，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或者使用理论混合气来达到降低排放的目的。２)过渡工况对混合气的要求汽车在运行中的主要过渡工况可分为冷起动、暖机、加速和减速等几种，分述如下。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较浓的混合气。暖机过程中，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，汽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。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，部分汽油颗粒沉积在进气管壁上，形成厚油膜，这样会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。二、电控汽油喷射供给系统的类型１.按喷射位置分类根据汽油的喷射位置，汽油喷射系统可分为缸内喷射和进气管喷射两大类，进气管喷射又进一步分为单点喷射和多点喷射。(１)缸内喷射，缸内喷射是将喷油器安装于缸盖上直接向汽缸内喷油，因此需要较高的喷油压力(3.0~4.0MPa)，由于喷油压力较高，故对供油系统的要求较高，成本也相应较高。(2)进气管喷射，进气管喷射又分为单点喷射和多点喷射，单点喷射系统是把喷油器安装在化油器所在的节气门段，它是用一个喷油器将燃油喷入进气流，形成混合气进入进气歧管，再分配到各缸中，如图4-17ａ)所示。

多点喷射系统是在每缸进气口处装有一只喷油器，由电控单元(ECU)控制进行顺序喷射或分组喷射，汽油直接喷射到各缸的进气门前方，再与空气一起进入汽缸形成混合气，多点喷射系统是目前最普遍的喷射系统，如图4-17ｂ)所示。２.按喷射控制装置分类按喷射控制装置的形式，汽油喷射系统分为机械式(机电式)和电控式两种，机械式燃油的计量是通过机械传动与液压传动实现的，电控式燃料的计量是由电控单元(ECU)与电磁喷油器实现的。３.按喷射方式分类按喷射方式，汽油喷射系统可分为连续喷射和间歇喷射两种。连续喷射是指在发动机整个工作过程中连续喷射燃油，连续喷射是燃油喷到进气道内，而且大部分的燃油是在进气门关闭时喷射的，因此大部分的燃油是在进气道内蒸发的。由于连续喷射系统无需考虑发动机的工作顺序，故控制系统结构较为简单，一般多应用于机械式或机电结合式燃油喷射系统中。间歇喷射又称为脉冲喷射，间歇喷射是每缸每次喷射都有一个限定的持续时间，由于间歇喷射方式的控制精度较高，故被现代发动机广泛采用，间歇喷射按喷油时序又可细分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种形式。４.按空气流量测量方法分类按空气流量的测量方法，汽油喷射系统可分为三种，第一种是直接测量空气质量流量的方式，称为质量流量控制的汽油喷射系统，第二种是根据进气管压力和发动机转速，推算吸入的空气量，并计算燃油流量的速度密度方式，称为速度密度控制的汽油喷射系统，第三种是根据节气门开度和发动机转速，推算吸入的空气量并计算燃油流量的节流速度方式，称为节流速度控制的汽油喷射系统。三、化油器供油系统与汽油喷射供油系统的比较概括起来，与化油器相比，汽油喷射具有下列优点:(１)可以实现对混合气空燃比进行精确控制，最终实现排放污染物降低。(２)由于进气系统不需要喉管，减少了进气阻力，加上不需要对进气管加热来促进燃油的蒸发，所以充气效率高，动力性提高。(3)由于进气温度低，使得爆震燃烧得到了有效控制，从而有可能采取较高的压缩比，这样提高了发动机的热效率，改善了经济性。(4)保证各缸混合比的均匀性问题比较容易解决，相对发动机可以使用辛烷值低的燃料。(5)发动机冷起动性能和加速性能良好，过渡圆滑，减速断油控制方便。四、几种电子控制燃油喷射系统的结构原理１.D型电控汽油喷射系统D型电控汽油喷射系统是根据进气管压力和发动机转速推算每循环吸入汽缸的空气量，再根据推算的空气量计算出需要喷射的燃料量，由ECU控制喷油器的工作，由于进气管压力和空气流量呈非线性关系，且管内空气压力波动，所以影响进气量的测量精度，如图4-18所示为D型电控喷射系统的简图。２.L型电控汽油喷射系统L型电控汽油喷射系统是根据空气流量计直接测量进气管的空气量，根据发动机转速计算出每循环的进气量，从而得到每循环需要喷射的燃料量，控制喷油器工作，由于空气量为直接测量，所以测量准确程度高于