汽油混合气的形成

5.3　汽油混合气的形成

5.3.1　混合气形成方式和基本要求

汽油机混合气的形成方式主要有化油器式和汽油喷射式两大类，后者又有进气管喷射和缸内直接喷射之分。

化油器式和进气管喷射式燃油供给系统在结构和供油方式上虽有不同，但他们都属于在汽缸外部形成混合气，都是依靠控制节气门开度来调节混合气量，即以负荷量调节方式形成混合气。

应用化油器形成混合气是历史较久的一种方式，其简单原理如图5－5所示。

图5－5　化油器式供油系统及可燃混合气形成示意图

1－空气滤清器　2－针阀　3－浮子　4－喷管　5－喉管　6－节气门　7－进气歧管　8－主量孔　9－浮子室　10－进气预热套管　11－进气门

化油器串接在空气滤清器和进气管之间，当进气过程进行时，空气流过化油器喉管5，由于喉管流通截面缩小，气流被加速，引起局部压力下降，形成了一定的真空度，其数值与流过喉管的空气流速大小有直接关系。此外，由于浮子室的上侧与大气相通，因此燃油在喉管与浮子室油面之间的压差作用下经主量孔8从喷管4喷出，在高速气流撞击下，形成大小不等的细油滴悬浮在气流中，在进气的路径上不断吸热蒸发，逐渐与空气形成均匀的可燃混合气。

由于化油器不能根据不同工况精确控制混合气的空燃比，油耗大，并由于排放污染严重等问题，近年来已逐渐被汽油喷射系统所取代，目前除了摩托车与部分小型通用汽油机外，在车用汽油机领域几乎不再采用。机械式汽油喷射使用也很少，目前的汽油喷射大部分是电子控制的。

电控汽油喷射系统和传统化油器混合气形成系统的原理有很大差别。电控汽油喷射系统采用的是直接配供的方法，即电脑根据实际循环进气量的多少，命令喷油器供给相应数量的汽油，以形成合适的混合气。

为满足车用汽油机动力、经济性的要求，不同工况时应使用不同浓度的混合气。汽油机在不同工况下对混合气浓度的基本要求是:

(1)在部分负荷范围运行时，从经济性要求出发，应当供给经济混合气;

(2)在大负荷或全负荷工况运行时，希望获得更大的功率以达到最大的动力性能，此时要求供给功率混合气;

(3)为保证怠速稳定及过度工况(启动和加速)的需要，应选择较浓些的混合气，如需要有怠速加浓、启动加浓和加速补偿加浓等;

(4)在带有三元催化转化器和氧传感器反馈的电控汽油喷射系统中，在从部分负荷到接近全负荷的大部分工况下，为保证三元催化转化器的正常工作，供给化学计量比φ_a= 1的混合气。

5.3.2　电控汽油喷射系统

1.电控汽油喷射系统的基本组成

电控汽油喷射系统由3个子系统组成:进气系统、燃油系统和电控系统。

(1)进气系统。进气系统为发动机提供形成可燃混合气所必需的空气。空气经空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气总管、进气歧管进入气缸。在有些系统中，当加速踏板完全松开时，节气门全闭，发动机在怠速工况下运行时，空气经旁通道直接进入气缸。有些系统是通过调整怠速螺钉来调节怠速转速，由辅助空气阀控制冷车快怠速的。绝大多数电控系统是由控制怠速控制阀调整怠速的。

(2)燃油系统。燃油系统的功能是向气缸提供燃烧进气需要的汽油量。汽油从油箱内由电动汽油泵吸出，经汽油滤清器后，由油压调节器调整燃油压力，再经输油管分配给各喷油器和冷启动喷油器，喷油器根据电脑发来的脉冲信号把适量汽油喷射到进气歧管中。

(3)电控系统。电控系统的功能是电脑根据传感器信号检测到的发动机运转状况和汽车运行工况确定喷油量，控制喷油器的开启时间。

检测发动机工况的传感器有空气流量计、水温传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器等。检测车辆运行状况的有车速传感器、空调开关等。

除上述控制系统之外，还有以下控制部位:主继电器(电脑电源)、断路继电器(油泵电源)、冷启动喷油器定时开关以及控制供给喷油器电流的电阻器等。

2.电控汽油喷射系统的分类

了解电控汽油喷射系统的分类，将有助于对电控汽油喷射系统工作原理的理解。电控汽油喷射系统可从不同的角度进行分类。

(1)按喷油的控制方式分类。按喷油的控制方式可将汽油喷射系统分为机械控制汽油喷射和电控汽油喷射。机械喷射系统即欧洲汽车广泛采用的博世K型喷射系统，在其基础上发展形成的博世KE型喷射系统，称为机械电控汽油喷射系统。博世KE型喷射系统保留了基本的博世K型系统器件，加装了一个电子液压调整器，以控制燃油分配柱塞上下室的不同压力，使原有系统增加了暖车加浓、加速加浓、全负荷加浓及减速断油等功能。因为最主要的控制功能与K型一致，所以也可以认为KE型电控汽油喷射系统仍属机械控制范畴。电控汽油喷射是由电脑根据不同工况计算出喷油量后，向喷油器发出电信号来控制燃油喷射的。

(2)按燃油的喷射部位分类。按汽油喷射的部位有缸内喷射与进气管喷射之分。前者类似于柴油机的燃油喷射，由于对喷油器有耐高温、高压的要求，以及发动机设计上喷油器的安装空间等一系列困难，很少采用。现有的电控汽油喷射系统都属于进气管喷射。进气管喷射又可分为单点喷射系统和多点喷射系统。

单点喷射系统简称SPI或SPFI，也称为节气门体喷射系统(TBI)，是将汽油喷射在进气总管内。这个部位就是化油器式发动机装置化油器的部位。单点喷射系统一般设有一个喷油器，对于缸数较多的机型可设两个喷油器交替工作，这样能减少喷油器的开启次数，延长喷油器使用寿命。单点喷射系统同样存在着与化油器类似的问题——各种工况下各缸混合气分配不均匀的现象。但由于单点喷射系统在空气和燃油的计量控制方面比化油器精确、稳定得多，而且成本较多点喷射系统低，所以应用仍然很广泛。

多点喷射系统(简称MPI)在每一缸装有一只喷油器(安装在各缸进气门前)，因而能保证各缸之间混合气浓度的一致性。由于该系统进气管道仅仅通过空气，而空气的流动性要比汽油颗粒的流动性好，因而进气管可以自由设计，尽量满足发动机最大负荷的要求，以求获得较高的转矩和功率。多点喷射系统的性能比单点喷射系统好，所以采用的车型多。但MPI比SPI元件多，结构复杂，价格高。

(3)按空气流量计的结构分类。电控汽油喷射系统最主要的传感器是空气流量计，因而人们也常用喷射系统所采用的空气流量计的不同结构形式来分类。按空气流量计的结构，现有的电控汽油喷射系统可分为K型、D型、L型3类。K型(包括KE型)喷射系统采用进气喉管中的气流感应板作为空气流量计，它输出的是与进气量成比例的位移信号而不是电信号，加之又与燃油分配器连成一体，故习惯上一般不将它独立地作为空气流量计来分类。现有的空气流量计可分为D型和I型两大类。

3.电控汽油喷射系统的工作原理

电控汽油喷射系统中，喷油器喷射到进气歧管中的汽油量是由喷油器喷孔的横断面面积及汽油的喷射压力和喷油持续时间来决定的。为了便于控制，在实际的喷油控制系统中，喷孔的横断面面积和喷油压力都是恒定的，汽油的喷射量只取决于喷油持续时间。喷油器的喷孔由电磁阀来开闭，电磁阀的开启时刻(喷油开始时刻)和开启延续时间(喷油持续时间)的长短由发动机的各种参数确定，传感器将发动机各种非电量的工况参数(如转速、负荷、发动机冷却水及进气温度、空气流量、曲轴转角、节气门开度等)转变为电信号，把这些信号送入发动机电脑，再经电脑转化为合适的电脉冲信号传到喷油器，控制喷油器打开时刻及延续时间的控制过程长短，使之准确地工作。

电控汽油喷射系统的工作过程即是对喷油时间的控制过程。装备电控汽油喷射系统的发动机具有良好的动力性、经济性，排放污染大为降低，这都源于空燃比的精确控制。而这种空燃比的控制是通过对汽油喷射时间的控制来实现的。

发动机电脑通过进气压力传感器(D型)或空气流量计(L型)的信号计量空气质量，并根据计算出的空气质量与目标空燃比比较即可确定每次燃烧所必需的燃料质量。目标空燃比即实际进入气缸的空气质量和燃烧所需要的燃料比值。根据空气质量和发动机转速计算出的喷油时间称为基本喷油持续时间。目标空燃比是在考虑了发动机的动力性、经济性、响应性、排气净化等之后决定的，它所要求的喷油时间与基本喷油时间有差异，发动机电脑在分析冷却水温度、进气温度、节气门开度等与发动机工况有关的参数信号后，对基本喷油持续时间进行修正，确定最佳喷油持续时间，使实际喷油持续时间接近由目标空燃比确定的喷油持续时间。喷油量的控制方式如下:

(1)启动时的喷油控制。启动时的基本喷油时间不是根据进气量(或歧管压力)和发动机转速计算确定的，这与发动机启动后控制不同。

在发动机启动时，转速波动大，无论D型系统中的歧管压力传感器，还是L型系统中的空气流量计，都不能精确地确定进气量及合适的喷油持续时间。因此，在启动时，电脑根据当时的冷却水温度来确定基本喷油时间，然后进行进气温度和蓄电池电压修正、得到启动时的喷油持续时间。

(2)启动后的喷油控制。D型电控汽油喷射系统的基本喷油持续时间，可由发动机转速信号和进气管绝对压力确定。

电脑根据发动机转速信号和进气管绝对压力确定喷油量，是以进气量与进气管压力成正比为前提的，这一前提只在理论上成立。实际工作中，进气脉动使充气效率变化。进气再循环的废气量的波动也影响进气量测量的准确度。故发功机电脑还必须根据发动机转速信号对喷油量进行修正。

L型电控汽油喷射系统的基本喷油时间由发动机转速和进气量确定。这个基本喷油时间是实际既定空燃比(一般为理论空燃比A/F=14.7)的喷射时间。

在确定基本喷油时间的同时，电脑根据从各种传感器获得的发动机运行工况信息，对基本喷油时间进行修正。

①启动后加浓:发动机完成启动后，点火开关由STA(启动)位置转到ON(接通点火)位置，或发动机转速已达到或超过预定值，电脑额外增加喷油量，使发动机保持稳定运行。喷油量的初始修正值根据冷却水温度确定，然后以一固定速度下降逐步达到正常。

②暖机加浓:发动机冷机时，燃油蒸发性差，为使发动机迅速进入最佳工作状态，必须供给浓混合气。在冷却水温度低时，电脑根据水温传感器信号相应增加喷射量，例如水温在－40℃时加浓量为正常喷射量的两倍。暖机加浓还出现在节气门位置传感器中的怠速触点信号接通或断开时。当怠速触点接通或断开时，根据发动机转速，电脑使喷油量有少量变化。

③进气温度修正:发动机进气密度随发动机的进气温度而变化。电脑根据进气温度传感器提供的信号，修正喷油持续时间，使空燃比满足要求。通常以20℃为进气温度信号的标准温度，低于20℃时空气密度大，电脑为增加喷油量作修正，使混合气不至于过稀;进气温度高于20℃时，空气密度减小，电脑使喷油量减少。以防混合气偏浓。喷油量增加减少的最大修正量约为10%。修正约在进气温度－20℃～60℃之间进行。

④大负荷加浓:发动机在大负荷工况下运转时，要求使用浓混合气以获得大功率。电脑根据发动机负荷增加喷油量。

发动机负荷状况可以根据节气门开度或进气量的大小确定，故电脑可根据绝对压力传感器、空气流量计、节气门位置传感器输送的信号判断发动机负荷状况，决定相应增加的燃油喷射量。大负荷的加浓量约为正常喷油量的10%～30%。有些发功机大负荷加浓量还与冷却水温度信号相关。

⑤过渡工况空燃比控制:发动机在过渡工况下运行时(即汽车加速或减速行驶时)，为获得良好的动力性、经济性、响应性，空燃比应相应变化，即需要适量调整喷油量。使ECU检测到相应工况的信号有:进气管绝对压力或进气量、发动机转速、车速、节气门位置、空挡启动开关和冷却水温度。

⑥怠速稳定性修正(只用于D型系统):在D型系统中，决定基本喷油时间的进气管压力，在过渡工况时，相对于发动机转速将产生滞后。而且进气容积越大，怠速时发动机转速越低，这种滞后时间越长，怠速就越不稳定。进气管压力变动，发动机转矩也变动。由于压力较转速滞后，转矩也较转速滞后，造成发动机转速上升时，转矩也上升;转速下降时，转矩也下降。为了提高发动机怠速运转的稳定性，ECU根据绝对压力和发动机转速对喷油量作修正。随压力增大或转速降低，增加喷油量;随压力减少或转速增高，减少喷油量。

(3)断油控制。发动机在高速下运行减速时，节气门完全关闭，为避免混合气过浓、燃油经济性和排放性能变坏，电脑控制喷油器停止喷油。当发动机转速降到某预定转速之下或节气门重新打开时，喷油器恢复喷油。当冷却水温度低或空调机工作需要增加输出功率时，重新恢复喷油时的转速较高。为避免发动机超速运行，发动机转速超过额定转速时，电脑控制喷油器停止喷油。某些汽车在运行速度超过限定值时也停止喷油。电脑根据节气门位置、发动机转速、冷却水温度、空调开关、制动灯开关及车速信号完成上述断油控制。

4.多点式电控汽油喷射系统

多点式电控汽油喷射系统中，凡采用MAP传感器通过测量进气管压力来确定进气量的系统，称为压力感应式电控汽油喷射系统;凡采用翼板式空气流量计、热线式空气流量计和卡门涡流式空气流量计来测量进气量的系统，称为流量感应式汽油喷射系统。

(1)多点压力感应式汽油喷射系统。博世D型系统是最早、最典型的多点压力感应式喷射系统。美国通用、福特、克莱斯勒，日本的丰田、本田、铃木等公司也有类似产品。图5－6为该系统的主要部件及功能。

图5－6　D型汽油喷射系统

汽油泵直接将汽油输送到喷油器，油压调节器保证喷射压力恒定。压力过高时，多余的汽油又流回汽油箱。喷油器将汽油喷入进气门之前的进气歧管里。每个气缸有一个喷油器。有些车型为了减少损耗，4缸发动机以两个喷油器为一组将其电路并联，6缸发动机以3个喷油器为一组并联。凸轮轴转一周完成一次分组喷油循环。全部喷油器承受一个大约为0.2MPa的恒定压力。每工作冲程供给气缸的汽油量用控制喷油器的开启持续时间来计量，由电脑供给控制脉冲信号，其持续时间由进气歧管压力、发动机转速及其他修正变量确定。这些修正变量由各种传感器进行检测，并产生电信号输入电脑。

(2)多点喷射流量感应式电控喷射系统:

①博世L型。博世L型电控喷射系统总体结构如图5－7所示。

图5－7　L型汽油喷射系统

L型流量感应式电控汽油喷射系统是在D型喷射的基础上结合直接空气量测定的优点开发的。

与D型喷射系统的分组喷射不同，L型采用同时喷射方式，即喷油器凸轮轴每转一周(曲轴转2圈)喷油两次，每次喷射量为所需燃油量的一半:第一次喷射燃油时进气门还是关闭的，第二次(吸气行程)时才开启，并且全部电气并联以减少损耗。

为了输送燃油和产生喷射压力，L型喷喷射系统使用了电动油泵。进入发动机的空气量由节气门的开度控制。为了得到正确的空燃比(14.7∶1)，使用电位计测量翼板式空气流量计的开度并输送信号给电脑。为了在任何工况下都获得最佳的空燃比，还要给电脑输入发动机温度、进气温度和节气门的怠速位置与满负荷位置等信号。附加空气阀(在冷态时开启)在冷启动和暖机过程中用来增加进入的空气量。空气流量计中的可调旁通气道(并联)能改变进气道截面，因此也能改变空燃比。在发动机暖机过程中，冷启动喷油器是开启的，补充的燃油可到达进气歧管中。冷启动喷油器由温度时间开关控制。

②博世LH型汽油喷射系统。博世LH型汽油喷射系统的总体结构如图5－8所示。

LH型汽油喷射系统的基础是L型汽油喷射系统，但以热线式空气流量计替代了机械检测的翼板式空气流量计。热线位于进气道中，可以用电加热到100℃，且可以控制在这一恒定温度上。吸入空气，热线要受到冷却。为了保持100℃的温度不变，加热电流强度要适应吸入的空气量。故可依据加热电流强度来测量吸入的空气量。

图5－8　LH型汽油喷射系统

电动汽油泵吸出燃油输送到喷油器，压力调节器保持喷油的压力不变，过剩的燃油流回到燃油箱。

喷油器采用间断式分组喷射，凸轮轴每旋转一周完成两次喷油，燃油喷射到进气门前方。

为了求得各种工况下的喷射油量，应给电脑输入空气质量、发动机转速、冷却液温度、节气门怠速位置、节气门全负荷位置等测量参数。

LH型汽油喷射系统无冷启动喷油器，发动机冷启动、暖机过程都要利用控制喷油器的开启持续时间和开启频率使喷油量适合发动机的负荷。

③博世M型汽油喷射系统。随着电子技术和数字控制技术的不断发展，电控汽油喷射系统都采用了大规模或超大规模集成电路组成的电脑及数字控制方式。与以往的模拟控制方式相比，其结构更简单，控制精度更高，功能更强。它除了控制汽油喷射系统外，还可以根据需要，将功能扩展到发动机的其他控制系统。

如图5－9所示，博世M型汽油喷射系统是在L型系统的基础上，结合电脑控制点火系统而形成的。该系统除了具有L型和LH型所具有的功能外，由于将点火提前角控制与喷油控制相结合，在启动、怠速、加速、全负荷等工况下，不但能实现喷油量自动调节，而且能自动将点火提前角调整至该工况下的最佳角度，实现最佳的动力性和经济性，并减少了有害物质的排放。

博世M型系统通常将曲轴位置传感器安装在发动机飞轮附近，因此点火提前角的控制更为精确。该系统的喷油量调节采用闭环控制方式，即由安装在排气管上的氧传感器检测废气中的氧含量，从而间接测量出混合气的浓度。电脑根据测得的信号对喷油量作出修正，使混合气浓度保持在最佳的范围内。

博世M型系统广泛应用在奔驰、宝马、奥迪等高级轿车的发动机上。

图5－9　M型汽油喷射系统

5.MONO型单点式电控汽油喷射系统

MONO型单点式电控汽油喷射系统如图5－10所示。它是在多点式电控汽油喷射系统基础上发展起来的。其工作原理与多点喷射系统相似，基本控制参数也是空气流量与转速，在有的系统上也有采用进气压力信号来计量进气量。

图5－10　M型汽油喷射系统

与多点式汽油喷射系统相比，它具有如下特点:

(1)用一个(有的系统为两个)喷油器集中喷射取代各缸进气歧管喷射，从而去掉了若干喷油器，简化了电脑中的电子线路。

(2)省去冷启动温度开关和冷启动喷油器。

(3)采用低压喷射(有的系统喷射压力低于0.1MPa)，不仅大大降低了电动汽油泵、电磁喷油器等精密零部件的制造成本，而且提高了电控汽油喷射系统工作的可靠性。

(4)性能比多点喷射系统略低，但仍优于电控化油器。MONO型系统的核心部件是中央喷射单元，它由节气门体、节气门等组成。由于燃油压力调节器、喷油器和进气温度传感器等部件都安装在节气门体上，故也称MONO型系统为节气门体汽油喷射系统或中央喷射系统。喷油器位于节气门体上方的进气总管中，从结构来看，它与电控化油器相似。