探析歧管噴射汽油發(fā)動機的燃油供給系統(tǒng)

黃河交通學院 王良斌

目前，電控汽油噴射發(fā)動機采用的燃油噴射方式有歧管噴射、缸內直噴及混合噴射。不管采用哪種燃油噴射方式，首先必須對供給的燃油施以壓力、濾清、壓力調節(jié)等預處理，通過燃油供給系統(tǒng)完成。本文所述的歧管噴射汽油發(fā)動機的燃油供給系統(tǒng)，同樣適合于缸內直噴發(fā)動機及混合噴射發(fā)動機的燃油供給系統(tǒng)。

燃油泵、燃油濾清器和燃油壓力調節(jié)器（以下簡稱“油壓調節(jié)器”）是燃油供給系統(tǒng)的主要部件。其中油壓調節(jié)器至關重要，它不僅與噴油器的噴油定量控制相關，而且隨著其安裝位置的改變，燃油系統(tǒng)也發(fā)生了根本性的變化且更加趨于完善。

1 油壓調節(jié)器

1.1 構造和工作原理

油壓調節(jié)器的構造如圖1所示，依據(jù)油壓調節(jié)器的原理，畫出圖2所示的工作原理示意。分析圖2可知，膜片將油壓調節(jié)器的腔體分隔為上、下2個腔，上腔是參照氣體腔，引入?yún)⒄諝怏w，內有彈簧通過彈簧座體預壓在膜片上，膜片上方承受彈簧壓力和參照氣體壓力2個力的作用；下腔是燃油腔，里面充滿來自燃油泵的燃油，膜片下方承受燃油壓力。膜片正中被彈簧座體和回油閥芯所夾持連為一體?；赜涂冢ㄅc殼體固結為一體）伸入燃油腔且對中回油閥芯而形成回油閥座，閥芯和閥座構成回油閥。柔性的膜片（周邊被上下殼體所滾壓且氣密不漏）由橡膠-纖維材料制成，在上述3個力的相互作用下，產(chǎn)生凹凸形變，帶動回油閥芯上下位移。膜片上凸，回油閥芯上移，回油閥開啟，燃油通過回油口泄流回燃油箱，使得燃油壓力降低；膜片下凹，回油閥芯下移，回油閥關閉，燃油不能泄流回燃油箱，使得燃油壓力升高。發(fā)動機熄火，參照氣體壓力為大氣壓力，大氣壓力和彈簧的預壓力克服燃油壓力，回油閥關閉，使得油軌內燃油保持一定的壓力（即為殘壓）直至下一次起動。

圖1 油壓力調節(jié)器的構造

圖2 油壓調節(jié)器的工作原理示意

1.2 功用和安裝位置

從燃油泵到噴油器的整個密閉燃油管腔，噴油器開啟，則燃油壓力降低；噴油器關閉，則燃油壓力升高。另外，燃油泵轉速降低，則燃油壓力降低；燃油泵轉速升高，則燃油壓力升高。噴油器的開閉時間由發(fā)動機負荷確定，燃油泵轉速的高低則取決于供電電壓的高低。發(fā)動機負荷隨機而變，供電電壓也會出現(xiàn)波動，因此，產(chǎn)生的燃油壓力也會隨機波動，不利于噴油器的噴油定量控制。油壓調節(jié)器相當于是密閉燃油管腔上的一個燃油泄流通道，通過膜片的凹凸形變開啟或關閉泄流通道，衰減燃油壓力的波動，同時調節(jié)燃油壓力，從而滿足噴油器的噴油定量控制要求，這是燃油系統(tǒng)的核心技術要求。另外，針對油壓調節(jié)器的安裝位置，則經(jīng)歷了從燃油供給系統(tǒng)末端（靠近噴油器側）到燃油供給系統(tǒng)起始端（靠近燃油泵側）的演變過程，因此，將燃油系統(tǒng)分為有回油燃油系統(tǒng)和無回油燃油系統(tǒng)2種形式。

2 有回油燃油系統(tǒng)

如圖3所示，油壓調節(jié)器安裝在燃油供給系統(tǒng)的末端，燃油泵將燃油源源不斷地泵入到油軌，后僅有少量的燃油（取決于發(fā)動機負荷）通過噴油器噴入到進氣歧管內，大量的燃油則通過油壓調節(jié)器又泄流回燃油箱，故將其命名為有回油燃油系統(tǒng)。

2.1 油壓調節(jié)原理

發(fā)動機運行期間，油壓調節(jié)器內彈簧的變形量很小，故將彈簧壓力可視為恒定不變，回油閥的開啟或關閉則取決于燃油壓力（P1）與參照氣體壓力（P2，即進氣歧管絕對壓力）的壓力差（△P），即△P=P1-P2。令回油閥最初處于關閉狀態(tài)，后因發(fā)動機負荷減小，節(jié)氣門開度就要隨之減小，進氣歧管絕對壓力也要隨之降低，△P逐漸增加直至膜片往上凸起，即回油閥開啟，燃油壓力降低；隨后因發(fā)動機負荷增大，節(jié)氣門開度就要隨之增大，進氣歧管絕對壓力增高，△P逐漸減小直至膜片向下凹陷，即回油閥關閉，燃油壓力增高。以上因發(fā)動機負荷變化而引發(fā)的一串連鎖變化過程，燃油壓力總是正向隨動于進氣歧管絕對壓力，使△P保持恒定。

圖3 有回油燃油系統(tǒng)的工作示意

2.2 △P恒定特性分析

僅憑燃油壓力正向隨動于進氣歧管絕對壓力，就籠統(tǒng)地得出△P恒定的結論顯然是不夠的。

發(fā)動機運行期間，進氣歧管絕對壓力為負壓（在自然吸氣發(fā)動機上），故△P總為正值，也就是說△P總是力圖頂起膜片使回油閥開啟，而彈簧的彈力（F）總是力圖下壓膜片使回油閥關閉。根據(jù)膜片的有效面積（S）將△P（單位為kPa）轉換成頂起力△F，即△F=△P×S。F與△F兩者相對抗而平衡，始終處于互為進退相協(xié)的動平衡狀態(tài)，其結果使回油閥以一定的頻率開啟或關閉，且回油閥究竟是開啟還是關閉則取決于F和△F兩者的大小。顯然，只要F變化則△F就不會恒定。根據(jù)胡克定律，在回油閥開啟或關閉過程中，F(xiàn)是線性變化的，因此，△F也隨之線性變化，即△P并非恒定。

由于油壓調節(jié)器內的回油閥為片狀閥，片狀閥的流量與開度無關。只要閥芯離開閥座形成間隙，即回油閥完全開啟，具有一定壓力的燃油經(jīng)過該間隙從周邊徑向被壓入回油管，此時，回油流量與其間隙大小無關，微小的間隙即可滿足燃油壓力正向隨動于進氣歧管絕對壓力變化要求，即彈簧的微小變形即可達到油壓調節(jié)器的技術要求。正是基于彈簧的微小變形，△P才可視為恒定。因此，△P并非絕對恒定，而是基于彈簧微小變形的準恒定。

3 無回油燃油系統(tǒng)

如圖4所示，油壓調節(jié)器安裝在燃油箱內的燃油泵總成上，通過油壓調節(jié)器泄流回的燃油直接流入燃油箱。如圖5所示，在某些車型上將燃油濾清器和油壓調節(jié)器集成為一體，并安裝在燃油箱外的不遠處，油壓調節(jié)器泄流回的燃油只需經(jīng)過很短的回油管即可流入燃油箱。無回油燃油系統(tǒng)因不需要長距離的回油管而得名。

4 有回油燃油系統(tǒng)和無回油燃油系統(tǒng)的噴油定量控制

單缸噴油器每次循環(huán)工作過程中的噴油量取決于噴油脈寬（噴油持續(xù)時間）和噴油速率（噴油器單位時間內的噴油量）。因此，理論上講，通過控制噴油脈寬、噴油速率都可以完成噴油定量控制。通常為了便于控制，使其中一個參數(shù)保持恒定，改變另一個參數(shù)進而實現(xiàn)噴油定量控制。對于計算機來說，控制噴油脈寬比控制噴油速率更為方便。早些年的汽油機電控噴油系統(tǒng)設法使噴油速率保持不變，這便是有回油燃油系統(tǒng)。在有回油燃油系統(tǒng)中，油壓調節(jié)器以泄流的方式使△P保持恒定。噴油器噴口端置身于進氣歧管內，進油端燃油直接源于油軌，故△P恒定，即噴油器內、外的壓力差恒定，進而使得噴油器的噴油速率保持恒定。對于既定的噴油器來說，噴油速率保持恒定，噴油量僅與噴油脈寬相關，發(fā)動機控制單元通過控制噴油脈寬進而實現(xiàn)噴油定量控制。

在無回油燃油系統(tǒng)中，油壓調節(jié)器的參照氣體為大氣壓力，因此，燃油壓力不再正向隨動于進氣歧管絕對壓力的變化，而是保持恒定。發(fā)動機負荷隨機而變，噴油器的內、外壓力差也隨之而變，其噴油速率也將隨發(fā)動機負荷大小而改變。因此，無回油燃油系統(tǒng)是與噴油器的非恒定噴油速率聯(lián)系在一起的。因此，對于無回油燃油系統(tǒng)來說，不能簡單地說是通過改變噴油脈寬還是改變噴油速率來實現(xiàn)噴油定量控制的，發(fā)動機控制單元以某一恒定噴油速率為基礎，根據(jù)進氣歧管絕對壓力（取決于發(fā)動機負荷與轉速）的變化，對噴油脈寬進行修正（修正系數(shù)以特性場的形式預存于發(fā)動機控制單元內），以此來補償因進氣歧管絕對壓力的變動而給噴油量帶來的影響。

圖4 油壓調節(jié)器置于燃油箱內的無回油燃油系統(tǒng)

圖5 油壓調節(jié)器置于燃油箱外的無回油燃油系統(tǒng)

5 有回油燃油系統(tǒng)和無回油燃油系統(tǒng)的優(yōu)勢比較

兩相比較，有回油燃油系統(tǒng)唯一比較占優(yōu)的是，循環(huán)流動的燃油不斷地將油軌處的熱量帶走，同時，噴油器也得到了相應的冷卻，這對降低燃油管路熱阻、提高發(fā)動機熱起動的可靠性及噴油器的噴油量是大為有利的。無回油燃油系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下3個方面：一是不需要長距離的回油管，材料消耗明顯減少，更為重要的是消除了因使用長距離回油管而有可能帶來的安全隱患；二是滿足了國Ⅳ以上燃油蒸發(fā)排放污染物法規(guī)要求，而有回油燃油系統(tǒng)則不能滿足；三是噴油定量控制精度得到提升。

6 結束語

早些年的汽油機電控噴油系統(tǒng)普遍采用的是有回油燃油系統(tǒng)，能夠滿足當時的排放法規(guī)要求。隨著計算機控制技術的發(fā)展和排放法規(guī)愈加嚴格，目前的汽油機電控噴油系統(tǒng)無一例外地采用更為先進的無回油燃油系統(tǒng)。2種燃油系統(tǒng)都是通過控制噴油脈寬進而實現(xiàn)噴油定量控制，在有回油燃油系統(tǒng)中，依靠油壓調節(jié)器（機械裝置）來確保噴油器恒定的噴油速率，其噴油定量控制精度不高，還得需要空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)予以補償；而在無回油燃油系統(tǒng)中，非恒定的噴油速率產(chǎn)生的噴油量誤差由軟件通過修正系數(shù)予以補償，從而使得噴油定量控制精度得到提升。因此，對于機電系統(tǒng)的控制精度而言，依賴于機械裝置的控制精度總是有限的，通過計算機軟件及其控制參數(shù)則可以極大地提高控制精度。