　　第四章汽油机燃料供给系

　　第四章汽油机燃料供给系 • 第一节　燃料供给系基本知识 • 第二节　汽油供给系统 • 第三节　空气供给与废气排出系统 • 第四节　电子控制系统 • 第五节　汽油发动机缸内直喷技术返回

第一节　燃料供给系基本知识 • 一、汽油 • 汽油是从石油中提炼出来的密度小而且又易于挥发的液体燃料。其主要性能指标为蒸发性、抗爆性和热值。 • 汽油中必须含有足够比例的高蒸发性的成分，以得到良好的冷启动性能，其蒸发性的大小影响发动机正常工作。当温度较高时，蒸发性过高的汽油易在油路中蒸发形成“气阻”；当温度较低时，蒸发性过低的汽油会有一部分不能蒸发、燃烧，并滞留在气缸壁上，不仅使燃油消耗量增加，而且会稀释润滑油，导致气缸加快磨损，影响发动机寿命。汽油的抗爆性是指汽油在气缸中避免产生爆燃的能力。“爆燃” 是一种非正常燃烧，与发动机的温度、压缩比、燃油特性等有关，在压缩行程终了时产生。它将造成发动机过热、排气冒烟、功率下降、油耗增加，并伴有明显的敲缸声，甚至损坏机件。下一页返回

第一节　燃料供给系基本知识 • 二、可燃混合气成分及其形成 • １可燃混合气成分 • 可燃混合气是指燃料与空气的混合物。对汽油机而言就是汽油与空气混合形成的混合气。 • 目前可燃混合气浓度的表示方法有过量空气系数和空燃比。中国采用过量空气系数，欧美采用空燃比。 • 过量空气系数是指燃烧１ｋｇ燃料实际供给的空气质量与理论上１ｋｇ燃料完全燃烧所需的空气质量之比，用α表示。α＝１的可燃混合气定义为理论混合气；α＜１为浓混合气；α＞１为稀混合气。上一页下一页返回

第一节　燃料供给系基本知识 • ２可燃混合气的形成 • 液体汽油必须在蒸发为气态后才能与空气均匀混合。要使混合气在很短的时间内形成（０.０１～０.０２ｓ），必须先将燃料雾化成极微小的油滴，以增大蒸发面积。对于普通电喷发动机而言，汽油是通过发动机控制单元控制喷油器电磁阀开启，将一定压力的燃油以雾状喷入靠近进气门的进气歧管内，当发动机处于进气行程时，在气缸内产生真空，新鲜空气与汽油的混合气被吸入发动机气缸内。而汽油缸内直喷发动机则是通过发动机控制单元控制喷油器电磁阀开启，将一定压力的燃油以雾状直接喷射到气缸内，燃油在气缸内混合形成可燃混合气。上一页下一页返回

第一节　燃料供给系基本知识 • 三、可燃混合气成分对发动机性能的影响 • （１）理论混合气。当α＝１时，从理论上讲，气缸内空气与燃料充分混合后正好完全燃烧。但实际上，由于气缸内还存在废气、混合气混合不均匀等原因，使气缸内理论混合气不能完全燃烧。 • （２）稀混合气。当α＞１时，气缸内有足够的空气使燃料完全燃烧，当α＝１.０５～１.１５时，燃料消耗率最低，经济性最好，称燃料消耗率最低时对应的可燃混合气为经济混合气。当α更大时，由于空气过量，燃烧速度减少，热损失增加，发动机功率降低，出现进气管回火现象。上一页下一页返回

第一节　燃料供给系基本知识 • （３）浓混合气。当α＜１时，气缸内可燃混合气中的汽油分子较多，使燃烧速度加快，发动机功率增大，称发动机输出最大功率时的可燃混合气为功率混合气，α一般为０.８５～０.９５。如果混合气太浓，将使燃烧不完全，产生大量一氧化碳，同时在燃烧室内产生积炭，并发生排气管放炮和冒黑烟现象，导致发动机功率下降，燃油消耗率显著增加。 • 四、发动机各工况对可燃混合气成分的要求 • 汽车的行驶工况随载荷、车速、路况等因素经常变化，各种工况对混合气浓度的要求如下。 • （１）启动工况。它属于过渡工况。由于发动机处于冷机状态（特别是北方冬天）及发动机转速较低，燃油不易汽化，造成气缸内实际产生的混合气浓度过低，不易启动，需要多喷入燃油，使发动机顺利启动。要求混合气浓度为α＝０.２～０.６。上一页下一页返回

第一节　燃料供给系基本知识 • （２）暖机工况。它属于过渡工况。发动机启动后，随着发动机温度逐渐上升，汽油的蒸发和汽化条件逐步转好，这时应逐步减少供油量使α值逐步增大，但仍属于浓混合气范围。 • （３）怠速及小负荷工况。发动机在怠速工况时，节气门处于接近关闭位置，吸入的空气量少，且汽油蒸发雾化效果差，应提供较浓的混合气，一般α＝０.７～０.９。 • （４）中负荷工况。它是行车中最常用的工况，要求在中负荷工况燃油经济性最好，因此α＝０.９～１１。 • （５）全负荷工况。节气门全开时，为了使发动机发出最大的功率，应使α＝０.８５～０.９５。上一页下一页返回

第一节　燃料供给系基本知识 • （６）加速工况。节气门开度突然加大，使吸入的空气量急剧增加，气缸内可燃混合气的浓度瞬间变稀，影响汽车加速性能，因此，在汽车加速过程中应增加喷油量。 • 五、汽油机燃料供给系的基本组成 • 汽油机燃料供给系主要由汽油供给系统、空气供给与废气排出系统、电子控制系统等几部分组成，如图４－１所示。上一页返回

第二节　汽油供给系统 • 一、汽油供给系统的组成及工作原理 • 汽油供给系统的作用是供给发动机燃烧过程所需的燃油，汽油供给装置的组成如图４－２所示。汽油由电动汽油泵从油箱中泵出，经汽油滤清器滤去杂质后，被送到燃油导轨，通过燃油导轨上的燃油压力调节器调整喷油压力，喷油器根据发动机控制单元的喷油指令，开启喷油器内的电磁阀，将适量的汽油喷入进气歧管内。一般的汽油喷射压力为２５０～３００ｋＰａ。下一页返回

第二节　汽油供给系统 • 二、各部件的结构及工作原理 • １汽油箱 • 汽油箱是用来贮存汽油的，其容积大小与车型和发动机排量有关。其形状随车型不同而各异，这主要是为了适应在车上的布置安装。传统的汽油箱采用薄钢板冲压焊接制成，现代轿车的油箱多数采用耐油硬塑料制成。汽油箱的结构如图４－３所示，一般油箱盖上设计有重力阀、通风阀。重力阀的作用是依靠其自重，在正常情况下允许空气进入油箱以消除负压，当车辆倾斜４５°或翻车时，此阀自动将通风口关闭，以防止汽油漏出，发生火灾。上一页下一页返回

第二节　汽油供给系统 • ２电动汽油泵 • 电动汽油泵的作用是向发动机输送充足的燃油并维持足够的压力，以保证在所有工况下有效地喷射。根据电动汽油泵的安装位置其可分为内置式和外置式两种。内置式是将电动汽油泵安装在汽油箱内，外置式是电动汽油泵安装在汽油箱外。现在绝大多数轿车采用内置式电动汽油泵。电动汽油泵的结构如图４－４所示。上一页下一页返回

第二节　汽油供给系统 • ３汽油滤清器 • 汽油滤清器的作用是将汽油中的氧化铁、粉尘等杂质滤去，防止燃油系统堵塞，减少机件的磨损，确保发动机稳定工作，提高可靠性。汽油滤清器的结构如图４－６所示。滤芯一般由滤纸制造，可滤去０.０１ｍｍ的杂质。汽油滤清器安装在汽油泵的出口一侧，它是一次性使用的。上一页下一页返回

第二节　汽油供给系统 • ４燃油压力调节器 • 燃油压力调节器一般安装在燃油导轨上，其作用是根据进气歧管内的绝对压力的变化来调节系统油压（燃油总管油压），保持喷油器的喷油绝对压力恒定，使喷油器的燃油喷射量只取决于喷油器的开启时间。一般系统油压在２５０～３００ｋＰａ。燃油压力调节器的结构如图４－７所示，它有金属壳体，其内部由橡胶膜片分为弹簧室和燃油室两部分。弹簧室内有一个带预紧力的螺旋弹簧，它作用在膜片上。在膜片上安装一个阀，控制回油。另外，还通过一根真空管与进气歧管相连。上一页下一页返回

第二节　汽油供给系统 • ５喷油器 • 喷油器是供油系统中非常重要的部件。它是一个电磁阀，由发动机控制单元控制。电磁喷油器按喷油口形式分轴针式、球阀式和片阀式３种；按用途分为单点式和多点式。 • 如图４－８所示为轴针式电磁喷油器的结构。当电磁线圈无电流时，针阀在弹簧的作用下处于关闭状态。当发动机控制单元发出喷油脉冲信号时，电磁线圈产生电磁吸力，打开针阀（针阀上升约０.１ｍｍ），压力燃油通过针阀与阀座之间的间隙喷出，进入进气管。上一页返回

第三节　空气供给与废气排出系统 • 一、主要部件结构与工作原理 • １空气滤清器 • 空气滤清器的主要作用是过滤流向进气道的空气，防止空气中的灰尘进入气缸，减少气缸、活塞、活塞环等零件的磨损，延长发动的使用寿命。空气滤清器常用的种类有纸质干式空气滤清器和油浴式空气滤清器。其中纸质干式空气滤清器的应用最多，如图４－１１所示，它是采用树脂处理的纸质滤芯，其优点是滤清效率高，且与负荷无关，结构简单。 • ２进、排气歧管 • 进气歧管的作用是将可燃混合气或新鲜空气送到各个气缸；而排气歧管则是汇集各缸的废气，经排气消声器排出。进气歧管多数由铝合金或铸铁制造，有些也采用复合塑料制作，如图４－１２所示。下一页返回

第三节　空气供给与废气排出系统 • ３排气消声器 • 排气消声器的作用是降低排气噪声，并消除废气中的火星及火焰。 • 排气消声器有吸收、反射两种基本的消声方式，如图４－１４所示。吸收式消声器是通过废气在玻璃纤维、钢纤维和石棉等吸音材料上的摩擦而减少其能量。反射式消声器则是由多个串联的谐调腔与长度不同的多孔反射管相互连接在一起组成的，废气在其中经过多次反射、碰撞、膨胀、冷却而降低压力，减轻振动。上一页下一页返回

第三节　空气供给与废气排出系统 • 二、可变进气系统 • 可变进气系统是通过进气系统的调节作用，提高发动机的充气效率，以获得最佳的输出功率。在进气过程中，当进气门刚打开时，在进气门口处产生一定的真空，形成负的压力波，这种负压力波沿进气管以音速传递到进气管的入口，然后反射，形成正的压力波，又返回到进气门端，如果在进气终了时，这种正的压力波波峰恰好达到进气门端，则进气压力升高，充气效率增加，反之，如果波谷恰好达到进气门端，则进气压力减少，充气效率降低。人们希望在发动机的转速范围内，这种正压力波与进气脉冲最佳匹配，从而使得进气终了时的正压力波的波峰恰好达到进气门端。这种增压技术被人们称为谐波增压。上一页下一页返回

第三节　空气供给与废气排出系统 • 三、废气涡轮增压系统 • 废气涡轮增压是指利用发动机排出的高温高压废气能量，驱动涡轮做高速旋转，带动同轴上的压缩机，对燃烧所需的空气进行预压缩，这样，在发动机排量和转速不变的情况下，就增加了流入发动机的空气量，提高了进气效率，因而可提高发动机的功率。废气涡轮增压系统的基本组成及工作原理如图４－１７所示。它包括同轴的涡轮与压气机叶轮。涡轮与压气机叶轮上有很多叶片，从气缸排出的废气直接进入涡轮，并推动涡轮旋转，带动压气机叶轮旋转，把吸入的空气增压，送入气缸。由于利用高温废气进行增压，涡轮增压器的温度较高，经压缩的空气也温度较高，使进气密度减少，对提高进气效率不利，因此，需要在压缩空气出口到进气管之间安装冷却器，冷却压缩空气，提高其密度。上一页下一页返回

第三节　空气供给与废气排出系统 • 解决方法：一是采用在涡轮增压器上加一个旁通支路；二是采用可调叶片式涡轮增压系统。 • 图４－１８所示是在涡轮增压器上加一个旁通支路。当发动机转速低时，控制阀Ｎ７５控制旁通支路关闭；当发动机转速较高时，进气压力增大，控制压力箱逐步打开旁通支路，减少通过废气涡轮的废气量，从而降低废气涡轮的转速。 • 图４－１９所示是可调叶片式废气涡轮增压系统。它能够在发动机整个范围内调整进气增压的压力。当发动机转速低时，叶片开度减少，减少废气流通截面，使废气流速增加，提高废气涡轮转速，增加进气压力；当发动机转速高时，叶片开度增大，增加废气流通截面，使废气流速降低，维持废气涡轮转速在正常范围内，保证进气压力的稳定。上一页返回

第四节　电子控制系统 • 一、传感器 • １空气流量计 • 空气流量计为热膜式，型号为ＨＦＭ５。它安装在空气滤清器和进气软管之间，其结构如图４－２２所示。它主要由防护网、感知空气流量计的热膜、进行进气温度修正的温度补偿电阻、控制热膜电流并产生输出信号的控制线路板以及空气流量计壳体组成。热膜式空气流量计的传感元件如图４－２３所示。下一页返回

第四节　电子控制系统 • ２发动机转速传感器 • 发动机转速传感器是一个磁感应传感器。它采集曲轴转角位置和发动机转速信号。其工作原理如图４－２６所示。在曲轴上有一个靶轮，靶轮上有６０个齿，传感器对它进行扫描。当靶轮经过传感器时，产生一个变电压信号，其频率随发动机转速的变化而变化，控制单元根据交变电压的频率识别发动机的转速。在靶轮上有一处缺两个齿，感应传感器扫描到该处，１缸活塞处于上止点前７２°，它是作为控制单元识别曲轴转角位置的基准标记。发动机转速传感器感应出的信号如图４－２７所示。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • ３霍尔传感器 • 霍尔传感器（相位传感器）安装在缸盖右侧，进气凸轮轴后端。它是一个电子开关，利用霍尔原理工作，结构如图４－２８所示。霍尔传感器的隔板上有一个霍尔窗口，凸轮轴每转一周（曲轴转７２０°）产生一个信号，该信号出现在１缸压缩行程的上止点前７２°。控制单元根据此信号可识别１缸压缩行程的上止点位置，用于顺序喷油和爆震选择控制。如果霍尔传感器的信号中断，它没有替代功能，发动机控制单元不能区分１缸和４缸。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • ４进气温度传感器 • 进气温度传感器是一个负温度系数（ＮＴＣ）电阻，即温度升高阻值下降。它安装在进气管上体，如图４－２９所示。进气温度传感器将进气温度转变成电信号，送给控制单元，用于各种控制功能的修正。如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知进气温度，会导致热启动困难，排放升高等故障。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • ５冷却水温度传感器 • 冷却水温度传感器也是一个ＮＴＣ电阻，它与水温表传感器Ｇ２装在一个壳体里，直接与发动机冷却水接触，如图４－３０所示。该信号是一个较重要的修正信号。如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知冷却水温度，将会导致发动机冷热启动困难，油耗增加，怠速自适应差，排放升高等故障。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • ６λ传感器 • λ传感器就是所说的氧传感器，它安装在排气管谐振腔内，如图４－３１所示。λ传感器用于检测发动机的燃烧状况，向控制单元提供修正喷油量的电信号，从而实现燃油喷射的闭环控制。氧传感器由氧化锆陶瓷及其表面覆盖的多孔性铂膜制成，其内侧与大气相通，外侧与排出废气接触。废气中的残余含氧量与大气中含氧量的浓差，能在氧化锆陶瓷表面产生电位差，此电位差能体现出废气中的氧含量，反映出混合气的浓稀，控制单元根据此信号对喷油量进行调节。 • ７爆震传感器 • 爆震传感器的结构如图４－３２所示。该车采用两个爆震传感器，分别安装在缸体进气侧１缸和２缸、３缸和４缸之间。当发动机发生爆震时，气缸中产生的爆震信号传递到爆震传感器的压电陶瓷，在其上产生一个电压信号，控制单元根据这个电压信号识别出爆震缸，并推迟该缸的点火。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • 二、执行元件 • １节流阀体 • 节流阀体也称节气门控制单元，它采用整式结构，其结构如图４－３３所示，主要由怠速开关、怠速节气门电位计、节气门电位计以及怠速电机组成。这种整体式结构取消了节气门的旁通通道，怠速调节直接在节气门上进行。它的最大优点是减少了部件数目，减少了漏气的可能性，避免了一些故障的发生。怠速开关、怠速节气门电位计、节气门电位计向控制单元提供节气门当前的位置信息，属于传感器部分；怠速电机是执行元件。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • 在怠速范围内，控制单元根据各种信息，通过控制怠速电机来调节怠速时节气门的开度，具体功能有：怠速时，怠速电机根据发动机的负荷和温度来控制节气门开大或关小，使发动机总工作在最佳怠速状态；当快速松开油门踏板时，怠速电机可使节气门缓慢回位，直至到达所要求的怠速转速为止，起到了节气门缓冲器的作用；若电子控制怠速失效，节气门将保持在一个确定位置，控制单元对此不起作用。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • ２喷油嘴 • 喷油嘴装在进气门上方的进气管下体上，每一个气缸都装有一个喷油嘴，它是由电磁元件控制的。电控单元发出指令信号，可将喷油嘴头部的针阀打开，在把精确配剂的一定量燃油喷入进气门前，并与吸入进气歧管内的空气混合，混合后的可燃混合气进入气缸内点火燃烧。 • ３点火线圈及终端能量输出极点火系中的主要部件是点火线圈及终端能量输出极（末级功率）。点火线圈及终端能量输出极装在一个壳体里，固定在气缸体上，如图４－３４所示。在点火线圈的壳体上有各缸排序标识Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，分别对应的缸号为１、２、３、４。１、４缸共用一个点火线圈，２、３缸共用一个点火线圈，双火花点火线圈如图４－３５所示。终端能量输出极根据控制单元指令控制点火线圈初级绕组的通电和断电。从而在点火线圈次级产生点火高压。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • ４附加信号 • 发动机控制单元要管理多个信息，它通过信号线与控制器或系统部件相连，如图４－３６所示。通过这些附加信号与汽车上其他系统部件之间相互交换信息。 • （１）发动机转速。 • 控制单元从发动机转速传感器获得发动机转速信号，并传递给转速表。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • （２）空调压缩机信号。 • 控制单元通过空调继电器与空调压缩机相联系。空调压缩机信号是双向传递的，一方面它可以向控制单元提供压缩机接通信息，由发动机控制单元控制节气门控制单元提高怠速转速；另一方面在发动机处于急加速到全负荷、应急运行、冷却水温度过高等工况时，控制单元将切断空调压缩机工作。 • （３）车速信号。 • 控制单元从车速表上获得行驶速度信号，利用该信号由节气门控制单元进行怠速稳定控制。上一页下一页返回

第四节　电子控制系统 • 三、控制单元 • 控制单元负责对发动机控制系统进行管理。它不仅控制燃油喷射系统，同时还具有点火控制、怠速控制、油箱通风控制、自诊断和备用控制等多种功能。具体功能如下。 • （１）给传感器提供基准电压，将所需输出的信息转变成控制单元所能接收的信号。 • （２）接收传感器或其他装置输入的各种信息。 • （３）进行存储、计算、分析处理信息；存储该车的特征参数；计算出输出值；存储运算中的数据；存储故障信息。 • （４）运算分析。根据信息参数求出执行命令数值，并将输出信息与标准值比较。 • （５）输出执行命令。把弱信号变为强的执行命令。 • （６）自我修正功能（自适应功能）。上一页返回

第五节　汽油发动机缸内直喷技术 • 一、ＦＳＩ的特点 • １燃油消耗低 • ＦＳＩ发动机缸内直接喷射形成的高压雾化混合气相对于传统的缸外喷射发动机可减少大约２０％的燃油消耗，对减少二氧化碳的排放也会有很大作用。 • ２热效率高 • 由于分层充气模式的燃烧只发生在火花塞附近，所以缸壁上的热损耗是很少的，提高了热效率。 • ３废气再循环率高 • 强制分层充气可使废气再循环率高达３５％，可有效地对排放进行控制。下一页返回

第五节　汽油发动机缸内直喷技术 • ４压缩比高 • 吸入的空气通过燃油在燃烧室直接喷射雾化而冷却下来，降低了爆震的可能性，可提高压缩比。 • ５优化超速切断效果 • 在变速器转速恢复到低于发动机转速的过程中，气缸壁不会沉积燃油，燃油基本上被完全转化成可用能量，即使在恢复转速较低时，发动机也能稳定运行。 • 二、ＦＳＩ燃油系统的组成 • 如图４－３８所示是奥迪轿车ＦＳＩ燃油系统的组成。上一页下一页返回

第五节　汽油发动机缸内直喷技术 • １燃油供给系统 • （１）低压油路。 • 低压油路主要由电子燃油泵及压力调节装置组成，产生压力为０３５ＭＰａ的燃油并供给发动机驱动的高压泵。 • （２）高压油路。 • 高压部分主要由高压油泵、油轨、压力控制阀等组成。将油压从０３５ＭＰａ升高到１２ＭＰａ，并使油轨的压力波动最小，向各喷油器供油。上一页下一页返回

第五节　汽油发动机缸内直喷技术 • ２控制系统 • 发动机进行负荷计算时，控制单元所需获取的传感器信号主要有以下内容。 • （１）环境压力通过一个安装在发动机控制单元内的高度传感器传递。 • （２）所吸入空气的温度通过一个安装在节气门前的传感器传递。 • （３）节气门的位置。 • （４）进气管中的压力和温度通过进气管上的双传感器传递。 • （５）废气再循环阀的气门位置。 • （６）充气运动阀门的位置。 • （７）进气凸轮轴的位置。上一页下一页返回

第五节　汽油发动机缸内直喷技术 • 三、ＴＦＳＩ技术 • １排气系统 • 由于受到空间大小的限制，所以开发出一个涡轮室与排气歧管一体的模块式结构，如图４－３９所示。其中包含有排气歧管和涡轮壳体，这种模块式结构既可以用在纵向布置的各种驱动形式上，也可以用于横向布置的各种驱动形式上。这种模块式结构的重要功能是方便拆装排气歧管以及连接靠近发动机的催化净化器。上一页下一页返回

第五节　汽油发动机缸内直喷技术 • ２ＴＦＳＩ燃油供给系统 • ＴＦＳＩ燃油系统的组成如图４－４０所示。 • （１）低压系统。 • 由电动燃油泵给高压泵供油，低压燃油系统的油压范围可以达到５０～５００ｋＰａ。在冷、热启动时低压燃油系统的油压可以达到６５０ｋＰａ。 • （２）高压系统。 • 高压系统的组成如图４－４１所示。由高压泵产生高压，燃油压力为５～１１ＭＰａ（取决于负荷和转速）。高压燃油经燃油压力调节器，燃油分配管输送到４个高压喷油阀上。上一页返回

图4一1燃料供给系统的组成 返回

图4一2汽油供给装置的组成 返回

图4 -3带附件的汽油箱 返回

图4一4电动汽油泵的结构 返回

图4一6汽油滤清器 返回

图4一7燃油压力调节器的结构 返回

图4一8车由针式电磁喷油器 返回

图4一11空气滤清器 返回

图4一12进气歧管 返回

图4一14排气消声器 返回

图4一17废气涡轮增压系统的基本组成及工作原理图4一17废气涡轮增压系统的基本组成及工作原理返回

图4一18旁通支路式废气涡轮增压系统 返回

图4一19可调叶片式废气涡轮增压系统 返回

第四章 汽油机燃料供给系