電控汽油發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流分析系列 正確理解發(fā)動機(jī)負(fù)荷的意義

◆文/山東 焦建剛

一、負(fù)荷率的概念

負(fù)荷率是一個在某特定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下扭矩的百分比相對概念，它的嚴(yán)格定義是指同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，部分節(jié)氣門下發(fā)出的扭矩與節(jié)氣門全開時發(fā)出的最大扭矩之比值。

對于汽油機(jī)來講，一個通俗的表達(dá)為：某個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，部分節(jié)氣門開度下的進(jìn)氣量與節(jié)氣門全開時的進(jìn)氣量，也可以代表負(fù)荷率。原因在于汽油燃燒系統(tǒng)一般看作是空燃比為1的均質(zhì)燃燒系統(tǒng)，其扭矩輸出模式為進(jìn)氣充量調(diào)節(jié)。Toyota或Honda等日企更傾向于使用進(jìn)氣量表達(dá)負(fù)荷率，而歐美更多采用扭矩表達(dá)負(fù)荷率。

節(jié)氣門開度與扭矩不呈線性關(guān)系，并不能準(zhǔn)確表達(dá)負(fù)荷率的概念。但仍有部分公司在開發(fā)試驗(yàn)中沿用這個概念，比如PSA及國內(nèi)一些企業(yè)。

對于柴油機(jī)來講，其燃燒系統(tǒng)工作原理是質(zhì)調(diào)，即在額定轉(zhuǎn)速以下，噴油量與扭矩輸出呈線性關(guān)系。因此某轉(zhuǎn)速下，部分油門開度下的噴油量與全油門時噴油量之比可以準(zhǔn)確表達(dá)負(fù)荷率的概念。但有一個例外，如果轉(zhuǎn)速超出額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)入超轉(zhuǎn)速區(qū)域(如在高怠速時)，噴入燃燒室的油全部用來克服發(fā)動機(jī)的摩攛功，對外輸出扭矩為零。這個時刻，發(fā)動機(jī)就沒有負(fù)荷。

但在實(shí)際的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流中，我們常見的發(fā)動機(jī)負(fù)荷參數(shù)，在某些情況下，與我們上面所述的負(fù)荷概念有所不同，甚至目前出現(xiàn)了大家錯認(rèn)為負(fù)荷概念是外界阻力的情況。一旦出現(xiàn)發(fā)動機(jī)負(fù)荷參數(shù)數(shù)值比較大的時候，就有技術(shù)人員用發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大，即發(fā)動機(jī)運(yùn)行阻力過大來形容此時發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。這主要是由于很多技術(shù)人員對負(fù)荷概念認(rèn)識不清所導(dǎo)致的。下面筆者簡單地對發(fā)動機(jī)負(fù)荷這一概念進(jìn)行分析，以增加一線技術(shù)人員對發(fā)動機(jī)負(fù)荷這一數(shù)據(jù)參數(shù)的深刻認(rèn)識。

在發(fā)動機(jī)負(fù)荷這一概念產(chǎn)生的初期，是用部分節(jié)氣門開度所產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)扭矩與節(jié)氣門全開時發(fā)出的最大扭矩之比來進(jìn)行定義的。在發(fā)動機(jī)研發(fā)階段用這個概念來進(jìn)行定義應(yīng)該是非常正確的。但用于實(shí)際運(yùn)行一定時間后的發(fā)動機(jī)，尤其是帶有故障的發(fā)動機(jī)來說，則很容易讓我們產(chǎn)生迷惑，這主要是由于發(fā)動機(jī)負(fù)荷參數(shù)的數(shù)據(jù)值在較大值時，并不是有同樣大的發(fā)動機(jī)扭矩輸出，這與常規(guī)意義上的負(fù)荷的概念出現(xiàn)了差異。發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大了，發(fā)動機(jī)的輸出功率、扭矩并沒有顯著增加，仍然與當(dāng)時的發(fā)動機(jī)運(yùn)行阻力相同。

比如當(dāng)發(fā)動機(jī)在怠速出現(xiàn)1缸失火故障時，由于1缸工作不良導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出扭矩下降，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速降低的情況。此時發(fā)動機(jī)ECM會啟動怠速轉(zhuǎn)速控制，通過開大節(jié)氣門，提高進(jìn)氣量、噴油量來彌補(bǔ)1缸失火導(dǎo)致的輸出扭矩下降情況，從而起到怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的作用。因此，從發(fā)動機(jī)負(fù)荷的角度看，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷數(shù)值是增大的，但發(fā)動機(jī)本身的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力并沒有發(fā)生變化。

二、發(fā)動機(jī)輸出扭矩與負(fù)載

我們先從發(fā)動機(jī)輸出扭矩與負(fù)載來進(jìn)行解釋。發(fā)動機(jī)受力分析的參考點(diǎn)是曲軸，發(fā)動機(jī)輸出扭矩F與負(fù)載扭矩f在曲軸上的合扭矩決定了曲軸轉(zhuǎn)速，即發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)輸出扭矩大于負(fù)載扭矩時，曲軸產(chǎn)生加速度，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高；反之則降低；相等時則恒定。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，發(fā)動機(jī)的輸出扭矩等于內(nèi)部負(fù)載扭矩，而當(dāng)前者小于后者時，發(fā)動機(jī)將會出現(xiàn)抖動甚至熄火。

車輛能夠穩(wěn)定或者加速行駛，其關(guān)鍵就在于發(fā)動機(jī)輸出的動力能夠滿足克服外界阻力，使車速保持一定或提高速度的能力。而外界阻力除發(fā)動機(jī)本身運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械阻力外，還包括空氣阻力、滾動阻力、坡道阻力、加速阻力等。

1.怠速工況及負(fù)荷

發(fā)動機(jī)怠速時，由于沒有對外的功率輸出，只需要克服本身機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力即可。這樣怠速時進(jìn)入汽缸的混合氣，只需要滿足燃燒后輸出的F作用力與機(jī)械阻力f相同，即能保證發(fā)動機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)(圖1)。

如果此時增加外界的負(fù)荷，如打開空調(diào)、轉(zhuǎn)動方向盤、打開大燈，都會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的負(fù)荷增大，怠速時進(jìn)入汽缸的混合氣所做的功(F驅(qū)動力)已不足以克服此f阻力。這將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。因此，發(fā)動機(jī)ECU會根據(jù)此外界負(fù)荷增加的情況增加進(jìn)氣量，以提高作用在活塞上方的F驅(qū)動力(圖2)。

怠速工況下，發(fā)動機(jī)沒有對外輸出扭矩。汽缸內(nèi)混合氣燃燒做功產(chǎn)生的扭矩只是用來維持活塞的吸氣、壓縮、做功、排氣行程，以及水泵和發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

平常提到的怠速實(shí)際上是指發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的最低怠速。習(xí)慣上維修人員常將不踩加速踏板或節(jié)氣門怠速觸點(diǎn)接通的狀態(tài)視為怠速，這偏離了怠速的外部負(fù)載扭矩為零的本質(zhì)屬性。如上面提到的空調(diào)開啟、轉(zhuǎn)向助力泵工作或帶擋滑行等。

即使未踩下加速踏板，只要外部負(fù)載扭矩不為零，仍然不能將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速視為怠速。相反，踩下加速踏板，無論發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有多高，只要外部負(fù)載扭矩為零，仍可將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速視為怠速。但此時的怠速應(yīng)該稱之為“高怠速”。

在實(shí)際維修作業(yè)中，維修人員常會采用急加速的方式來觀察發(fā)動機(jī)的扭矩輸出能力。這實(shí)際上是利用曲軸加速所產(chǎn)生的額外負(fù)荷來模擬發(fā)動機(jī)的外部負(fù)載扭矩。在這種情況下發(fā)動機(jī)外部負(fù)載扭矩雖然為零，但急加速時由于氣體運(yùn)動的慣性和摩擦力會通過活塞傳給曲軸，瞬間產(chǎn)生較大的內(nèi)部負(fù)載扭矩。維修人員把這個較大的瞬間內(nèi)部扭矩以外部負(fù)載扭矩來看待，這樣在某種程度上不必通過路試便可以間接地觀察到發(fā)動機(jī)扭矩增加的潛力。

但是由于該內(nèi)部扭矩增加的量有限，無法完全模擬發(fā)動機(jī)大負(fù)荷或全負(fù)荷工況下的外部負(fù)載，所以常會出現(xiàn)實(shí)際車輛加速無力或無高速，但原地空負(fù)荷急加速正常的情況。

發(fā)動機(jī)的怠速，指的是在沒有對外動力輸出時的最低平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。實(shí)際上為了控制尾氣排放、為了車輛起步時的平穩(wěn)性，通常意義上的怠速轉(zhuǎn)速已經(jīng)高于了實(shí)際理論意義上的怠速值，在傳統(tǒng)化油器的發(fā)動機(jī)上，我們見過400～500r/min左右的怠速，發(fā)動機(jī)一樣能夠穩(wěn)定的工作，但此時由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低，汽缸內(nèi)的混合氣量相對較少，燃燒速度較低，混合氣偏濃，尾氣排放的CO、HC化合物的生成量較高。所以常規(guī)發(fā)動機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速一般在700±50r/min。自動擋車輛怠速轉(zhuǎn)速在750±50r/min。

由于車輛在原地不動的過程中，可能會由于打開空調(diào)、打開前照燈等大負(fù)荷電器設(shè)備，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的負(fù)載增大。此時，如果發(fā)動機(jī)沒有進(jìn)行相應(yīng)的怠速轉(zhuǎn)速控制，增大進(jìn)氣量來補(bǔ)償外部附件帶來的運(yùn)轉(zhuǎn)阻力的話，就會由于發(fā)動機(jī)輸出扭矩小于負(fù)載的增加量，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度降低、出現(xiàn)發(fā)動機(jī)抖動甚至熄火的故障。

為了維持發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，當(dāng)打開空調(diào)、打開大負(fù)荷用電器時，需要及時向發(fā)動機(jī)控制電腦發(fā)出負(fù)載信號，甚至在某些車型中空調(diào)的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是受發(fā)動機(jī)電腦控制的，發(fā)動機(jī)電腦在發(fā)出允許壓縮機(jī)工作信號(或者直接控制壓縮機(jī)繼電器)的同時，通過增加進(jìn)氣量來提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大，這樣就起到了維持發(fā)動機(jī)怠速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。此時，我們從數(shù)據(jù)流中可以明顯看到發(fā)動機(jī)負(fù)荷數(shù)值增大的情況。

從數(shù)據(jù)流中可以看出，怠速時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為647r/min，進(jìn)氣量為1.65g/s，計算負(fù)荷數(shù)值為32.5%，打開空調(diào)后發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為861r/min，進(jìn)氣量為3.45g/s，發(fā)動機(jī)計算負(fù)荷數(shù)值變?yōu)?4.7%。

當(dāng)發(fā)動機(jī)由于某種情況出現(xiàn)空調(diào)開關(guān)信號，或電負(fù)荷信號、或者轉(zhuǎn)向助力信號無法輸入的情況，就可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法及時進(jìn)行怠速(負(fù)荷)補(bǔ)償，彌補(bǔ)功率的提升需求。此時，會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)怠速抖動的故障。

反之，如果出現(xiàn)上述信號異常輸入發(fā)動機(jī)電腦的情況，則可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速異常升高，怠速轉(zhuǎn)速過高，甚至出現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速忽高忽低的故障。此時觀察數(shù)據(jù)流，可以看到發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大的數(shù)據(jù)，另外，可以觀察到相應(yīng)負(fù)荷請求信號的接入。如轉(zhuǎn)向助力信號處于ON、電負(fù)荷為ON等。

比如，筆者曾檢修的一部天津夏利A+轎車，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速達(dá)到1000r/min居高不下的故障，維修站認(rèn)為是怠速電動機(jī)故障，更換后無法解決，經(jīng)筆者檢查后，發(fā)現(xiàn)怠速時，轉(zhuǎn)向助力信號始終處于ON的數(shù)據(jù)，拔下開關(guān)插頭，信號為OFF，怠速恢復(fù)正常，判定為轉(zhuǎn)向助力開關(guān)損壞所致。

如果發(fā)動機(jī)機(jī)械、點(diǎn)火、燃油系統(tǒng)發(fā)生故障，則會由于發(fā)動機(jī)功率、扭矩的降低，在一定節(jié)氣門開度下，輸出扭矩?zé)o法克服發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械阻力，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，出現(xiàn)抖動甚至熄火的故障。

2.發(fā)動機(jī)電腦補(bǔ)償方式

根據(jù)出現(xiàn)故障的部位或者原因的不同，發(fā)動機(jī)電腦進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞揭灿兴煌Ｒ?guī)而言，發(fā)動機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，就是增大進(jìn)氣量，增加噴油量，增加進(jìn)入汽缸的混合氣的數(shù)量，以起到增加發(fā)動機(jī)輸出扭矩的作用。從發(fā)動機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)看是處于增大的狀態(tài)。

以4缸發(fā)動機(jī)為例，如果其中任意一缸點(diǎn)火不良，則會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)一個做功行程中，總的扭矩輸出不足的情況。這就如同4人抬轎，其中一人偷懶就會出現(xiàn)轎子傾斜的情況。此時，勢必需要其余三人掌握好平衡。

而作為4缸發(fā)動機(jī)，其余3個汽缸就不得不承擔(dān)更大的載荷。雖然負(fù)荷增大，輸出扭矩卻與原來持平或者更大，這是因?yàn)槠溆?個汽缸不得不承擔(dān)不工作缸的摩擦阻力。

從進(jìn)氣量的控制方面看，雖然不工作汽缸不再對外輸出做功，但其依然要進(jìn)行“進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣”四個沖程的動作。而發(fā)動機(jī)ECU依然允許噴油器對其噴射燃油(目前采用失火檢測控制的發(fā)動機(jī)，會對失火汽缸進(jìn)行斷油控制，但是僅限于電腦檢測到點(diǎn)火線圈及其線路出現(xiàn)短路、斷路的情況)。

而相對于進(jìn)氣量來說，電腦仍舊保持相應(yīng)的噴油量，此時就會出現(xiàn)單缸噴油器燃油浪費(fèi)的情況，這導(dǎo)致尾氣中出現(xiàn)HC、O2同時過高的情況，這也會進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)動機(jī)電腦對此工況的失控，甚至?xí)霈F(xiàn)混合氣繼續(xù)加濃的情況。

原有的F=f時，發(fā)動機(jī)的輸出扭矩與發(fā)動機(jī)阻力相等，發(fā)動機(jī)能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。如果將發(fā)動機(jī)的各個汽缸輸出的動力分解，我們可以看到4缸發(fā)動機(jī)，是由F1、F2、F3、F4組成，此時的F=F1+F2+F3+F4=4F1，如果出現(xiàn)了其中的任一缸工作不良(比如1缸不良)，則會出現(xiàn)F=F2+F3+F4=3F1，此時驅(qū)動力F就會小于阻力f(F

此時的驅(qū)動力F=F2'+F3'+F4'=f，這樣本來有4個汽缸來完成的工作，在電腦控制下由3個工作良好的汽缸來完成，并且要承擔(dān)工作不良汽缸的機(jī)械阻力。因此，從發(fā)動機(jī)本身來說，就要增加額外的混合氣數(shù)量，繼而發(fā)動機(jī)的負(fù)荷就大于了正常值。

以之前在發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)流分析系列文章中提到的別克英朗為例，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到接近1000r/min，進(jìn)氣量達(dá)到8.96g/s，節(jié)氣門開度達(dá)到16.3%，噴油時間為5.81ms，發(fā)動機(jī)負(fù)荷為59.2%。出現(xiàn)發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速高于正常怠速，加速遲緩、動力不足的故障。其中的發(fā)動機(jī)負(fù)荷已經(jīng)超過了50%，但實(shí)際的發(fā)動機(jī)輸出扭矩則沒有明顯的大幅上升。其原因是由于此時的發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角已經(jīng)推遲到了-16.8°，過遲的點(diǎn)火時刻，使得發(fā)動機(jī)輸出功率大幅降低。

三、總結(jié)

通過以上介紹，大家了解到發(fā)動機(jī)負(fù)荷這一參數(shù)。在發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)中，我們應(yīng)當(dāng)以進(jìn)入汽缸的混合氣數(shù)量來進(jìn)行形容比較合適，而這一數(shù)量是相對于發(fā)動機(jī)節(jié)氣門全開時的進(jìn)氣量作為對比來得到的負(fù)荷百分比。我們還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷大，這并不代表發(fā)動機(jī)實(shí)際的輸出扭矩一定大。

當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)汽缸壓力低的情況時，怠速時的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量就會比正常時要高，噴油量也相應(yīng)增大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)也會增加。發(fā)動機(jī)點(diǎn)火不良導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降時，電腦也會通過增加進(jìn)氣量來彌補(bǔ)發(fā)動機(jī)扭矩的降低情況，此時發(fā)動機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)也會呈現(xiàn)增加的狀態(tài)。當(dāng)節(jié)氣門后方發(fā)生真空泄漏的情況時，由于過量的空氣進(jìn)入，也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)負(fù)荷數(shù)據(jù)增大的情況發(fā)生，而此時發(fā)動機(jī)的負(fù)載并沒有發(fā)生變化。

除此之外，在車輛運(yùn)行過程中，如動力傳遞系統(tǒng)出現(xiàn)阻力增大的情況，其額外的負(fù)載也將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大。如自動擋車輛出現(xiàn)液力變矩器內(nèi)部導(dǎo)輪打滑故障時，由于導(dǎo)輪的增力作用無法正常進(jìn)行，就會無形中使發(fā)動機(jī)的負(fù)載增加，使得發(fā)動機(jī)的負(fù)荷增大。

總之，對于發(fā)動機(jī)負(fù)荷這一重要參數(shù)，我們只有從其檢測的機(jī)理出發(fā)，才能充分利用其對車輛故障進(jìn)行分析判斷。