淺談電噴發(fā)動機(jī)空燃比的特性

梁億健

【摘 要】本文簡明扼要的闡述了電噴發(fā)動機(jī)空燃比形成的特性，并且還列舉一個維修案例淺析電噴發(fā)動機(jī)空燃比的故障特性。

【關(guān)鍵詞】空燃比；電噴發(fā)動機(jī)；故障特性；化油器

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人們生活質(zhì)素的不斷提高，私家車的需求量在不斷增大。從而導(dǎo)致我們生活的環(huán)境質(zhì)量也在逐漸下降，石油能源也造成了緊張。所以從2000年開始，我國制造的汽車必須是帶有電噴發(fā)動機(jī)的車型，因為電噴發(fā)動機(jī)可減少破壞生態(tài)環(huán)境，降低能源消耗。這主要?dú)w功于電噴發(fā)動機(jī)空燃比的形成特性，所以本人認(rèn)為發(fā)動機(jī)是汽車的“心臟”，而空燃比又是發(fā)動機(jī)運(yùn)行中一個至關(guān)重要的“大動脈輸血管”，如果空燃比不正常，發(fā)動機(jī)是無法正常運(yùn)行。因此，我就從空燃比的形成和空燃比的故障兩方面淺談電噴發(fā)動機(jī)空燃比的特性。

1 空燃比的簡述

1.1 空燃比的概念

空燃比是指進(jìn)入氣缸燃燒的空氣的質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比，用A/F表示。使1kg汽油完全燃燒理論上需要14.7kg空氣，此時A/F為14.7，稱為理論空燃比?？杖急鹊拇笮≈渲l(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性﹑動力性和廢氣中污染物的含量。

1.2 空燃比對發(fā)動機(jī)動力性﹑經(jīng)濟(jì)性的影響

空燃比對發(fā)動機(jī)動力性﹑經(jīng)濟(jì)性的影響見圖1所示，當(dāng)空燃比約為12.5時，由于其燃燒速發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，故發(fā)動機(jī)的動力性最好，所以稱其為功率空燃比。當(dāng)空燃比為16時，由于混合氣較稀，有利于汽油完全燃燒，并可降低發(fā)動機(jī)油耗。此時發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性最好，所以又是稱其為經(jīng)濟(jì)空燃比。

1.3 空燃比對發(fā)動機(jī)排放的影響

發(fā)動機(jī)排放中有害氣體濃度與空燃比有密切關(guān)系，從圖2可看出排氣中CO的濃度大致上取決于空燃比。當(dāng)混合氣較稀，空燃比在16以上時，空燃比的變化對CO的影響不大，而當(dāng)空燃比小于16時，隨著空燃比的減小，CO的濃度便急劇增加。

HC排放主要取決與燃燒過程中未燃混合氣的多少，HC排放在空燃比為17時具有最佳值空燃比。偏離17時HC排放加大。發(fā)動機(jī)排出的氮氧化物，除少量NO2外，大量是NO，其生成條件是高溫富氧。當(dāng)混合氣空燃比為15.5～16時，NO濃度最高，空燃比增大或減小，NO濃度會逐漸降低。由以上分析可以看出CO、HC、NOX隨A/F變化的規(guī)律也是不一致的，有時是截然相反的。另外排放指標(biāo)與動力性經(jīng)濟(jì)性之間也有矛盾，所以空燃比控制要兼顧各種因素的影響。

1.4 發(fā)動機(jī)不同工況對空燃比的要求

由于不同的運(yùn)行工況對發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性﹑動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的要求側(cè)重點不同，所以對混合氣的空燃比的要求也有所不同。

（1）穩(wěn)定工況大致可分為怠速﹑小負(fù)荷﹑中等負(fù)荷﹑大負(fù)荷及全負(fù)荷幾種情況。怠速工況發(fā)動機(jī)空負(fù)荷運(yùn)行，廢氣稀釋作用大，為保證混合氣正常燃燒，必須供給很濃的混合氣，如圖3所示A點；小負(fù)荷時隨節(jié)氣門開大，稀釋作用減小，空燃比沿圖3中AB線段逐漸變大；中等負(fù)荷時要求供給發(fā)動機(jī)稀混合氣，以獲得最佳燃油經(jīng)濟(jì)性，這種工況如圖3所示BC段，空燃比約為16～17；在大負(fù)荷時，要求逐漸加濃混合氣滿足功率要求，如圖3中CD線段實際上節(jié)氣門全開前所有部分負(fù)荷工況都應(yīng)供給經(jīng)濟(jì)混合氣，只是在全負(fù)荷時節(jié)氣門已全開，為獲得最大功率，必須加濃供給功率混合氣，空燃比為13，如圖3中D點，從大負(fù)荷過渡到全負(fù)荷，混合氣逐漸加濃。

（2）過渡工況要求的空燃比。汽車實際行駛中發(fā)動機(jī)經(jīng)常處于非穩(wěn)態(tài)的過渡工況，負(fù)荷或轉(zhuǎn)速隨時間不斷變化，如冷啟動﹑暖機(jī)﹑加減速等工況。冷車起動時為保證冷起動順利，混合氣空燃比要減?。慌瘷C(jī)階段也要求濃混合氣；直到發(fā)動機(jī)達(dá)到正常溫度以正?；旌蠚夥€(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；加﹑減速時，加﹑減速瞬間要適當(dāng)加濃（切斷）混合氣以獲得良好的加﹑減速過渡性。

綜上所述，汽車發(fā)動機(jī)對空燃比的要求非常嚴(yán)格，特別是過渡工況空燃比影響因素之多，變化范圍之大，是難以想象的，只有采用微機(jī)控制空燃比才能滿足其要求。

2 空燃比的形成

首先講述化油器式發(fā)動機(jī)空燃比的形成，從圖4（a）中可看出，它是利用空氣流經(jīng)節(jié)氣門上方喉管處產(chǎn)生的真空度，將燃油從浮子室中連續(xù)吸出且進(jìn)行混合，形成一定空燃比混合氣被吸人氣缸內(nèi)燃燒作功，使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于化油器的結(jié)構(gòu)比較簡單，早期一直用于汽油發(fā)動機(jī)。近年來，為了滿足燃料動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性不斷提高的要求，采用了各種化油器輔助補(bǔ)償裝置，已使化油器成為一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，并且向氣缸充氣和空燃比混合氣的分配并不理想，影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性的提高，對達(dá)到排放要求很不利。所以為了替代化油器，開發(fā)了EFI（即Electronic Fuel Injection，電子燃油噴射）系統(tǒng)。把它裝在發(fā)動機(jī)上，變成現(xiàn)在的電噴發(fā)動機(jī)。這個系統(tǒng)是利用多種傳感器檢測發(fā)動機(jī)狀態(tài)，經(jīng)過計算機(jī)的判斷計算，使發(fā)動機(jī)在各種工況下均能獲得合適的空燃比，所以可有效地提高和改善發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到排氣凈化的目的。

既然知道了，從早期化油器式發(fā)動機(jī)如何演變成現(xiàn)代電噴發(fā)動機(jī)。那就開始講述電噴發(fā)動機(jī)空燃比的形成，從圖4（b）中可看出，它是根據(jù)直接或間接測量的空氣進(jìn)氣量，確定燃燒所需的汽油量，并通過控制噴油器開啟時間來進(jìn)行精確配制，使一定量的汽油以一定壓力燃油通過噴油器噴射到發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道或氣缸內(nèi)，并與相應(yīng)空氣形成一定空燃比可燃混合氣。

3 空燃比的故障特性

從以上可知道，電噴發(fā)動機(jī)空燃比的故障特性肯定與化油器式發(fā)動機(jī)不同，那就先簡單介紹化油器式發(fā)動機(jī)空燃比的故障特性，由此來進(jìn)入電噴發(fā)動機(jī)空燃比故障特性的淺析。

化油器式發(fā)動機(jī)空燃比的故障特性可以從它空燃比的形成來講述，故障特性主要是由一些重要部件造成，如化油器（喉管、噴管、浮子、針閥、各種量孔、節(jié)氣門等各種輔助補(bǔ)償裝置）、空氣濾清器、供油系的各部件。從故障特性知道化油器個頭不大，但內(nèi)部綜合了這么多的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)就變得由為復(fù)雜。為保證化油器能經(jīng)常地正常工作，所以對它的定期維護(hù)保養(yǎng)是非常重要的。

而電噴發(fā)動機(jī)空燃比的故障特性又如何呢？首先從它電控方面分析，電噴系統(tǒng)的基本原理是通過位于各部位的傳感器，將所采集到的信息反饋輸入到一個微電腦（ECU）中進(jìn)行處理，并由它發(fā)出指令來控制混合氣中空氣與燃油的比例，使所供給一定空燃比的混合氣能適應(yīng)發(fā)動機(jī)在各種工況的需要。因而從電噴系統(tǒng)的基本原理可了解有以下電控元件影響電噴發(fā)動機(jī)的空燃比。

空氣流量傳感器：它安裝在空氣濾清器與節(jié)氣門體之間的進(jìn)氣道上，用來測量進(jìn)入發(fā)動機(jī)汽缸的空氣量，并將進(jìn)氣量轉(zhuǎn)換成電信號輸送給ECU，ECU根據(jù)該信號和內(nèi)存的空燃比進(jìn)行比較計算，以確定即時的供給發(fā)動機(jī)噴油量和點火正時的角度。

進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器：它安裝在節(jié)氣門的后方，其功用是通過檢測發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化時進(jìn)氣歧管內(nèi)的絕對壓力，并將其變化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號輸送給發(fā)動機(jī)電子控制器ECU，ECU作為基本噴油量的依據(jù)。

進(jìn)氣溫度傳感器：檢測吸入發(fā)動機(jī)的空氣溫度，轉(zhuǎn)換成電信號送給ECU，ECU作為修正噴油量的依據(jù)。

水溫度傳感器：安裝在發(fā)動機(jī)節(jié)溫器出水口附近，檢測發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度，轉(zhuǎn)換成電信號送給ECU，ECU作為控制供油加濃量、點火正時和怠速的依據(jù)

節(jié)氣門位置傳感器：安裝在節(jié)氣門軸上，與駕駛員加速踏板聯(lián)動。它是將節(jié)氣門的開度轉(zhuǎn)換為電信號輸送給ECU，作為ECU判斷發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況的依據(jù)，并通過改變進(jìn)氣道截面積，控制發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況。

怠速空氣控制閥：它位于節(jié)氣門體上，根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷的不同來控制發(fā)動機(jī)通過的空氣量，使發(fā)動機(jī)能怠速轉(zhuǎn)速防止熄火。

大氣壓力傳感器：它安裝在ECU內(nèi)，用來測量大氣壓力，大氣壓力此信號用于對噴油量進(jìn)行修正。

電控燃油泵：它安裝在油箱內(nèi)，受ECU控制，向發(fā)動機(jī)提供一定壓力的燃油。

噴油器：它安裝在各缸的進(jìn)氣歧管上，受ECU控制，打開噴油孔，噴射出一定壓力霧狀的燃油。

廢氣再循環(huán)控制（EGR）閥：受ECU控制，在發(fā)動機(jī)工作時將一部分廢氣引入進(jìn)氣管，并與新鮮空氣混合后吸入氣缸內(nèi)再次進(jìn)行燃燒。

氧傳感器：它安裝在排氣管上，用來檢測排氣中氧分子的濃度。排氣中氧氣分子的濃度取決于混合氣的空燃比：當(dāng)混合氣濃于理論值（即空燃比小于14.7：1）時，在燃燒過程中氧分子被全部耗盡，排氣中沒有氧分子；當(dāng)混合氣稀于理論值（即空燃比大于14.7：1）時，在燃燒過程中氧分子未能全部耗盡，排氣中含有氧分子?；旌蠚庠较?，排氣中的氧分子濃度就越大。因此，氧傳感器發(fā)出的信號間接地反映了混合氣空燃比的高低。ECU按氧傳感器的反饋信號，對噴油量的計算結(jié)果進(jìn)行修正，使混合氣的空燃比更接近于理論空燃比。這種用氧傳感器控制空燃比的方式叫電噴系統(tǒng)閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的空燃比應(yīng)當(dāng)控制在理論空燃比附近的很窄范圍內(nèi)，因此，對于特殊運(yùn)行工況（如啟動、加速及全負(fù)荷等需要加濃混合氣的工況）仍需采用開環(huán)控制。對于幾種特殊工況，電腦將根據(jù)工況信號，按事先設(shè)定的程序控制電磁噴油器增加噴油量，使混合氣加濃，從而提高發(fā)動機(jī)的工作性能。由此可見，汽車燃油噴射式發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)采用的控制方式，實際上是開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的混合控制方式。

從以上各元件安裝位置和功用的敘述，可知道如果元件損壞或它相連線束有問題，將會影響電噴發(fā)動機(jī)空燃比，這些故障基本都有故障碼顯示，一般維修人員都容易查找。但有一些影響空燃比的故障，是沒有故障碼顯示，就比較難查找故障原因，下面就列舉維修實例進(jìn)行分析。

我在維修工作中遇到一輛96款豐田佳美，發(fā)動機(jī)型號為SXV10，裝備5S-FE型4缸多點噴射發(fā)動機(jī)。它的故障現(xiàn)象是，發(fā)動機(jī)在怠速、中高速運(yùn)轉(zhuǎn)正常。只是在節(jié)氣門開大的初始階段，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，即車輛行駛中，每踏一次油門踏板，車輛就發(fā)生一次闖動。進(jìn)廠前更換過火花塞，做過免拆清洗，故障依舊，故障燈不亮。

進(jìn)行故障診斷排除，先調(diào)故障碼，故障碼為正常閃爍，說明電控系統(tǒng)正常。再檢查點火系統(tǒng)，火花塞正常，高壓線也正常。用點火正時燈檢查，將卡頭分別卡到各線上，怠速時觀察正時燈閃亮情況，各缸點火正常，加速發(fā)動機(jī)抖動時無斷火現(xiàn)象，點火提前角也正常。當(dāng)拔下進(jìn)氣管上的某個真空軟管時，怠速轉(zhuǎn)速提高，由于拔掉真空軟管放進(jìn)一些新鮮空氣時，燃燒狀況改善。于是決定拆洗節(jié)氣門體和怠速閥，當(dāng)拆下節(jié)氣門體后，發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門兩側(cè)有較厚膠質(zhì)積聚，厚度近1mm。清洗節(jié)氣門體和怠速閥后，裝回試車，故障排除。

故障排除后，對故障進(jìn)行分析，認(rèn)為由于是在節(jié)氣門開啟初期，雖然節(jié)氣門開度已經(jīng)增大，但因兩側(cè)被積炭堵塞，空氣流量不能隨節(jié)氣門開大而立即增大；然后此時節(jié)氣門位置傳感器卻已把節(jié)氣門開度信號傳給ECU，隨即增加了噴油量，因此，在節(jié)氣門開啟初始階段空燃比失調(diào)。由于混合氣過濃，燃燒不完全，致使發(fā)動機(jī)動力輸出失常而出現(xiàn)抖動，直到節(jié)氣門開度增大到越過積炭部位后，才逐漸恢復(fù)正常。

經(jīng)過對維修實例淺析，得出電噴發(fā)動機(jī)空燃比的故障特性是，不但有電控方面的原因，也有電控系統(tǒng)檢測不到機(jī)械方面的原因，那就需要維修人員仔細(xì)查找了。

4 結(jié)束語

綜合全文所述，可以知道電噴發(fā)動機(jī)空燃比的特性是不同于化油器式發(fā)動機(jī)的，化油器式發(fā)動機(jī)的空燃比是由機(jī)械方面控制的，而電噴發(fā)動機(jī)空燃比是由電控系統(tǒng)為主，機(jī)械方面為輔來進(jìn)行控制的。所以電噴發(fā)動機(jī)在各種工況下均能獲得合適的空燃比，可有效地提高和改善發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到排氣凈化的目的。但出現(xiàn)故障后就需要維修人員仔細(xì)查找了。上述的一些粗淺體會，供同行們參考，希望能得到大家的認(rèn)同。

[責(zé)任編輯：王楠]