電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)及其真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

◆文/河南 王良斌

電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)及其真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

◆文/河南 王良斌

本文將闡述電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其主要部件的功能。此外，文章還將詳細(xì)剖析進(jìn)氣系統(tǒng)各段真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

一、電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)

1.L型系統(tǒng)和D型系統(tǒng)

現(xiàn)代汽車(chē)電控發(fā)動(dòng)機(jī)利用活塞快速騰位形成真空吸力，利用大氣壓力(增壓發(fā)動(dòng)機(jī)外加壓力大于一個(gè)大氣壓)的推進(jìn)作用，將空氣泵吸送入汽缸，完成吸氣過(guò)程?？諝庠诹鬟^(guò)進(jìn)氣管道過(guò)程中，必須克服進(jìn)氣管道結(jié)構(gòu)構(gòu)件和功能部件所形成的重重阻力，并且需要在極有限的時(shí)間內(nèi)形成較高的速度，盡可能多地沖入汽缸。與此同時(shí)，相關(guān)功能部件需要對(duì)進(jìn)入的空氣進(jìn)行清潔、計(jì)量和數(shù)量控制。

空氣濾清器對(duì)進(jìn)入的空氣完成清潔。進(jìn)入空氣量的控制由節(jié)氣門(mén)及其旁通道上的怠速控制裝置(電子節(jié)氣門(mén)沒(méi)有旁通道)來(lái)完成?？諝饬康挠?jì)量有直接和間接兩種方法。直接法是利用空氣流量傳感器(AFS)直接測(cè)定出空氣流量從而進(jìn)行燃油定量，稱為L(zhǎng)型電控發(fā)動(dòng)機(jī)，其電控系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)型系統(tǒng)，如圖1所示。間接法是通過(guò)進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器(MAP)測(cè)定出進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間接地確定吸入的空氣量從而進(jìn)行燃油定量，稱為D型電控發(fā)動(dòng)機(jī)，其電控系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為D型系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 L型電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖2 D型電控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖

2.空氣濾清器

空氣沖過(guò)空氣濾清器濾芯微孔氣隙，過(guò)濾掉懸浮于空氣中的顆粒雜質(zhì)，減少汽缸、活塞、活塞環(huán)、氣門(mén)和氣門(mén)座的早期磨損，同時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)上功能部件的測(cè)量和控制精度也需要較為干凈的空氣作保證，潔凈的空氣還使得進(jìn)氣管道長(zhǎng)期保持干凈、通暢和有效。

3.進(jìn)氣溫度傳感器

進(jìn)氣溫度傳感器內(nèi)有一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，該電阻與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)內(nèi)的一個(gè)固定電阻相串聯(lián)組成分壓電路，ECU給分壓電路提供5V電源。進(jìn)氣溫度上升/下降，熱敏電阻阻值則下降/上升，熱敏電阻上的電壓也隨之下降/上升。熱敏電阻上的電壓與進(jìn)氣溫度高低具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此ECU根據(jù)熱敏電阻上電壓便可推知進(jìn)氣溫度高低。

D型系統(tǒng)和體積流量型AFS確定空氣量需要用進(jìn)氣溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行校正。進(jìn)氣溫度傳感器通常安裝在空氣濾清器之后的軟管上，也有一些集成于AFS內(nèi)或MAP內(nèi)的，還有一些設(shè)置在空氣濾清器殼體上的。

4.空氣流量傳感器(AFS)

AFS通常設(shè)置在空氣濾清器之后，節(jié)氣門(mén)之前。當(dāng)空氣高速流過(guò)AFS時(shí)，AFS將空氣流量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(電壓或頻率)送入ECU，ECU的燃油定量控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)定的空氣流量再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和汽缸數(shù)，算出每缸每循環(huán)吸入的空氣量，之后通過(guò)控制噴油器的噴油脈寬配以相應(yīng)的每循環(huán)燃油量，完成混合汽空燃比的配置(A/F)。AFS信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷信息，主要用于燃油定量和點(diǎn)火正時(shí)控制。

熱線式和熱模式AFS可以直接測(cè)定質(zhì)量空氣流量，直接用于A/F配置，同時(shí)測(cè)量結(jié)果不受空氣壓力影響，且流動(dòng)阻力小、測(cè)量精度高、性能優(yōu)，得到了廣泛應(yīng)用。葉片式和卡門(mén)旋渦式AFS測(cè)定的是體積空氣流量，測(cè)出體積空氣流量后，必須乘以空氣密度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量空氣流量才能用于A/F配置，而空氣密度與溫度和壓力有關(guān)，進(jìn)氣溫度和壓力還需要相應(yīng)的傳感器測(cè)定，這些中間環(huán)節(jié)都會(huì)帶來(lái)誤差，影響最終精度。葉片式和卡門(mén)旋渦式AFS用于早期電控發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)已淘汰。

5.進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力傳感器(MAP)

在早期發(fā)動(dòng)機(jī)上，MAP通常做成一個(gè)元件裝在ECU上或設(shè)置在進(jìn)氣歧管附近的缸蓋或缸體上，用真空軟管與進(jìn)氣歧管相連接?，F(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)直接將MAP裝在進(jìn)氣歧管上，省去真空軟管避免可能出現(xiàn)的真空泄漏，這樣的設(shè)計(jì)最為合理。

每缸每循環(huán)吸入的空氣量與進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有確定的函數(shù)關(guān)系，預(yù)先通過(guò)試驗(yàn)得出既定發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的函數(shù)關(guān)系，將此函數(shù)關(guān)系預(yù)存入ECU，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)測(cè)定的進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)號(hào)入座查出相對(duì)應(yīng)的每缸每循環(huán)吸入的空氣量，再根據(jù)當(dāng)下的進(jìn)氣溫度進(jìn)行校正，然后通過(guò)控制噴油器的噴油脈寬配以相應(yīng)的每循環(huán)燃油量，完成A/F的配置。MAP信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷信息，作為負(fù)荷信息除了主要用于燃油定量和點(diǎn)火正時(shí)控制外，有的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)還用于故障自診斷系統(tǒng)和廢氣再循環(huán)(EGR)的反饋信號(hào)。

6.節(jié)氣門(mén)體組件

節(jié)氣門(mén)體組件是進(jìn)氣系統(tǒng)的重要部件，它除了要完成進(jìn)氣量控制和怠速控制外，還要把控制進(jìn)氣量的進(jìn)程轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給ECU。節(jié)氣門(mén)體組件上設(shè)置有節(jié)氣門(mén)、節(jié)氣門(mén)位置傳感器(TPS)以及怠速控制裝置。汽車(chē)行駛過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率來(lái)滿足汽車(chē)行駛負(fù)荷變化的要求，通過(guò)改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的大小控制吸入的空氣量，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與行駛負(fù)荷的即時(shí)匹配。

節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的大小由TPS測(cè)定。TPS是一種轉(zhuǎn)角電位計(jì)，電位計(jì)軸與節(jié)氣門(mén)軸等量轉(zhuǎn)動(dòng)，將節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角(開(kāi)度)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送給ECU，為ECU提供負(fù)荷范圍(全負(fù)荷、部分負(fù)荷、怠速)信息，ECU還可以由此生成過(guò)度工況變化（加速工況的急或緩、減速工況的急或緩）信息。TPS信號(hào)既是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信息，又是汽車(chē)工況信息。

TPS信息主要用于過(guò)度工況時(shí)燃油定量控制、點(diǎn)火正時(shí)控制的優(yōu)化。TPS信息作為負(fù)荷信息之一，當(dāng)電控系統(tǒng)其他負(fù)荷信息傳感器(AFS或MAP)出現(xiàn)故障時(shí)，TPS信息替代負(fù)荷信息，維持汽車(chē)的基本運(yùn)行。另外，TPS信號(hào)還是自動(dòng)變速器換擋規(guī)律的主控制信號(hào)之一。

二、進(jìn)氣系統(tǒng)真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

對(duì)于自然吸氣多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，各缸活塞在吸氣行程快速騰位，加上進(jìn)氣系統(tǒng)不通暢，空氣不能在有限時(shí)間內(nèi)完全補(bǔ)充騰位，進(jìn)氣系統(tǒng)的真空環(huán)境就是這樣形成。

空氣濾清器對(duì)空氣流有阻力，空氣濾清器之后已形成一定的真空度，節(jié)氣門(mén)對(duì)空氣流的阻擋更大，節(jié)氣門(mén)之后的真空度就更高，進(jìn)氣門(mén)對(duì)空氣流的阻擋最大，汽缸內(nèi)的真空度最高。進(jìn)氣系統(tǒng)的真空度就是這樣順流而上步步高。通常如果沒(méi)有特別說(shuō)明，發(fā)動(dòng)機(jī)真空度指的是節(jié)氣門(mén)之后進(jìn)氣門(mén)之前這一段內(nèi)的真空度，即進(jìn)氣歧管真空度。本文所述進(jìn)氣系統(tǒng)真空泄漏指的是整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)，包括汽缸。

凡是進(jìn)入汽缸內(nèi)的空氣，必須是經(jīng)過(guò)空氣濾清器濾清、AFS或MAP計(jì)量和節(jié)氣門(mén)控制三個(gè)環(huán)節(jié)才“合法”，缺少任一環(huán)節(jié)而進(jìn)入汽缸內(nèi)的空氣或氣體都為“非法”氣體。至于EGR系統(tǒng)、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)(PCV)系統(tǒng)、燃油蒸發(fā)排放控制(EVAP)系統(tǒng)引入進(jìn)氣系統(tǒng)的氣體，已納入ECU控制系統(tǒng)予以補(bǔ)償，另當(dāng)別論，不在此列。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)用中，因進(jìn)氣管道破裂、真空軟管破損、密封件老化等問(wèn)題，導(dǎo)致部分氣體不經(jīng)濾清或不經(jīng)計(jì)量或不受控制甚至直入汽缸，種種進(jìn)氣系統(tǒng)真空泄漏，都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重者會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法工作。進(jìn)氣系統(tǒng)真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響的程度，因泄漏部位和泄漏量以及發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)類型而異。

為了論述方便，如圖1、圖2所標(biāo)注，將進(jìn)氣系統(tǒng)分為A、B、C、D四段。空氣濾清器之后到AFS為A段，AFS之后到節(jié)氣門(mén)為B段，節(jié)氣門(mén)之后到進(jìn)氣門(mén)為C段，進(jìn)氣門(mén)之后到活塞平面之上為D段。顯然，D型系統(tǒng)沒(méi)有B段，只有A、C、D三段。

1.A段真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

A段真空泄漏，“非法”氣體既受節(jié)氣門(mén)控制又經(jīng)AFS或MAP計(jì)量，對(duì)L型系統(tǒng)和D型系統(tǒng)(空氣濾清器之后到節(jié)氣門(mén)為A段)的影響是相同的。在前期不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生明顯故障性影響，長(zhǎng)期運(yùn)行危害極大。其危害體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

一方面，未經(jīng)濾清的空氣攜帶著粉塵被吸入進(jìn)氣系統(tǒng)，污染節(jié)氣門(mén)和燃燒室，加快汽缸磨損，加速排氣道阻塞，如三元器阻塞。顯然，這是一個(gè)漸行漸變由量變到質(zhì)變的過(guò)程。前期可能悄無(wú)聲息，無(wú)異?，F(xiàn)象，隨著日積月累，節(jié)氣門(mén)被異物覆蓋，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度與TPS信號(hào)嚴(yán)重失調(diào)，燃燒室異物占位使實(shí)際壓縮比大于設(shè)計(jì)壓縮比，汽缸密封性下降，三元器堵塞?？梢?jiàn)，無(wú)論哪一條，發(fā)動(dòng)機(jī)都無(wú)法正常運(yùn)行。B、C、D段真空泄漏也會(huì)帶來(lái)如此危害。

另一方面，這部分“非法”氣體不經(jīng)空濾器的濾阻而輕易進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，因其沒(méi)有受到既定必要的阻力，從理論上講，一定會(huì)打破發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原有的最佳平衡控制點(diǎn)，通常A/F閉環(huán)控制系統(tǒng)能予以補(bǔ)償，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行影響很小。有案例表明，當(dāng)A段真空泄漏達(dá)到一程度時(shí)，有的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生怠速周期性抖動(dòng)，其他啟動(dòng)、加速、運(yùn)行工況都正常。

2.B段真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

對(duì)于L型系統(tǒng)，“非法”氣體未經(jīng)AFS計(jì)量但受節(jié)氣門(mén)控制。B段真空泄漏，AFS信號(hào)對(duì)應(yīng)的空氣流量相對(duì)當(dāng)下B段的實(shí)際真空度為小。目前，ECU對(duì)此AFS信號(hào)為小的失真信號(hào)，未設(shè)置診斷及補(bǔ)償機(jī)制，ECU對(duì)此毫無(wú)所知，仍以AFS為小的失真信號(hào)按既定程序予以燃油定量。顯然，A/F配制過(guò)稀。若真空泄漏量小，A/F閉環(huán)控制系統(tǒng)能予以補(bǔ)償，若真空泄漏量較大，出了A/F閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，就不能將過(guò)稀的A/F調(diào)回來(lái)。過(guò)稀的A/F導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)、加速無(wú)力、起步熄火、回火等故障。自診斷系統(tǒng)有故障碼生成，通常報(bào)A/F過(guò)稀、AFS信號(hào)不良等故障碼。

3.C段真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

對(duì)L型系統(tǒng)，C段真空泄漏，非法氣體既不受節(jié)氣門(mén)控制又未經(jīng)AFS計(jì)量。直接導(dǎo)致A/F過(guò)稀，其危害如前所述。對(duì)D型系統(tǒng)，C段真空泄漏，非法氣體不受節(jié)氣門(mén)控制但經(jīng)MAP計(jì)量，與節(jié)氣門(mén)之前真空泄漏相比，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)更為嚴(yán)重的危害，其危害體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

一方面，TPS和MAP信號(hào)失去原有既定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從根本上破壞了ECU的基本控制，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)偏離最佳點(diǎn)運(yùn)行，表現(xiàn)為動(dòng)力下降、油耗上升等不危及汽車(chē)行駛的較為隱性故障。

另一方面，怠速失控。“非法”氣體未被怠速控制系統(tǒng)控制(以下簡(jiǎn)稱為怠控系統(tǒng))，而被MAP正常計(jì)量，ECU對(duì)于MAP為大的失真信號(hào)毫不知情，仍以MAP為大的失真信號(hào)按既定程序予以燃油定量。顯然，A/F配制本身無(wú)可挑剔，但混合汽量的增大，使怠速升高。若真空泄漏量小，怠控系統(tǒng)可調(diào)回正常怠速。隨著真空泄漏量增大，怠控系統(tǒng)調(diào)到最小仍調(diào)不回來(lái)，怠速繼續(xù)升高。若ECU無(wú)減速斷油功能，怠速隨真空泄漏量增大而繼續(xù)升高以致于出現(xiàn)飛車(chē)現(xiàn)象。若ECU有減速斷油功能，當(dāng)?shù)∷偕叩綌嘤娃D(zhuǎn)速時(shí)，怠速因斷油而下降，當(dāng)?shù)∷傧陆档交謴?fù)供油轉(zhuǎn)速時(shí)，怠速因供油而上升，如此循環(huán)，產(chǎn)生游車(chē)現(xiàn)象。

4.D段真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

D段真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響最致命?！胺欠ā睔怏w無(wú)濾清、無(wú)計(jì)量、無(wú)控制直接侵入汽缸，其途徑有三。其一，活塞與汽缸間隙處。活塞環(huán)和汽缸嚴(yán)重磨損、活塞環(huán)粘結(jié)以及拉缸，都會(huì)造成在吸氣行程，曲軸箱內(nèi)氣體被直接吸入汽缸；其二，汽缸墊密封處。汽缸墊松動(dòng)、燒損、沖損，都會(huì)造成吸氣行程空氣被直接吸入汽缸；其三，排氣門(mén)密封面。排氣門(mén)密封面因積碳、嚴(yán)重磨損等，都會(huì)造成吸氣行程廢氣回流被吸入汽缸。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況一旦惡化到如此程度，就根本無(wú)法運(yùn)行。

三、結(jié)語(yǔ)

1.建立進(jìn)氣系統(tǒng)大物理空間的概念。自空氣濾清器入口一路順流而下直至燃燒室為縱向空間，橫向空間為取用發(fā)動(dòng)機(jī)真空度的那些真空軟管管道，真空軟管走到何處，則橫向空間就延伸到何處。

2.縱向空間真空泄漏主要部位。管道破裂或破損、管道連接處、進(jìn)氣歧管與缸蓋結(jié)合面、汽缸墊密封面、活塞與汽缸摩擦面。

3.橫向空間真空泄漏情況。真空軟管無(wú)論延伸到哪里必須是條“死胡同”，通常其盡頭連接真空?qǐng)?zhí)行器(裝置)。真空軟管和真空?qǐng)?zhí)行器膜片破損導(dǎo)致真空泄漏較為常見(jiàn)。另外，PCV、EGR和EVAP三個(gè)系統(tǒng)都有管道與進(jìn)氣歧管相連接，三個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)相關(guān)故障或真空管道破損都會(huì)導(dǎo)致真空泄漏。

4.發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，凡是進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣或其他氣體，都必須是發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)先設(shè)計(jì)的，即ECU可以控制的。否則，都是本文所探討的進(jìn)氣系統(tǒng)真空泄漏或“非法”氣體。

5.進(jìn)氣系統(tǒng)真空泄漏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要影響。對(duì)L型系統(tǒng)，使A/F過(guò)稀，主要故障現(xiàn)象：怠速不穩(wěn)，加速無(wú)力，起步時(shí)易熄火。對(duì)D型系統(tǒng)，A/F配制無(wú)誤，混合汽量與怠速工況不匹配，主要故障現(xiàn)象：怠速過(guò)高或怠速游車(chē)。

(作者王良斌工作單位：焦作大學(xué))