发动机的燃油系统.docx

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发动机的燃油系统

发动机的燃油系统

       汽油机所用的燃料是汽油，在进入气缸之前，汽油和空气已形成可燃混合气。

可燃混合气进入气缸内被压缩，在接近压缩终了时点火燃烧而膨胀作功。

可见汽油机进入气缸的是可燃混合气，压缩的也是可燃混合气，燃烧作功后将废气排出。

因此汽油供给系的任务是根据发动机的不同情况的要求，配制出一定数量和浓度的可燃混合气，供入气缸，最后还要把燃烧后的废气排出气缸。

汽油及其使用性能

       汽油是汽油机的燃料。

汽油是石油制品，它是多种烃的混合物，其主要化学成分是碳（C）和氢（H）。

汽油使用性能的好坏对发动机的动力性、经济性、可靠性和使用寿命都有很大的影响。

因此，车用汽油需要满足许多要求。

化油器式发动机燃油系统 

一、燃油系统的功用及组成　　

       燃油系统的功用是根据发动机运转工况的需要，向发动机供给一定数量的、清洁的、雾化良好的汽油，以便与一定数量的空气混合形成可燃混合气。

同时，燃油系统还需要储存相当数量的汽油，以保证汽车有相当远的续驶里程。

化油器式发动机燃油系统中最重要的部件是化油器，它是实现燃油系统功用、完成可燃混合气配制的主要装置。

此外，燃油系统还包括汽油箱、汽油滤清器、汽油泵、油气分离器、油管和燃油表等辅助装置。

二、可燃混合气的形成过程　　

       汽车发动机的可燃混合气形成时间很短，从进气过程开始算起到压缩过程结束为止，总共也只有0.01～0.02s的时间。

要在这样短的时间内形成均匀的可燃混合气，关键在于汽油的雾化和蒸发。

所谓雾化就是将汽油分散成细小的油滴或油雾。

良好的雾化可以大大增加汽油的蒸发表面积，从而提高汽油的蒸发速度。

另外，混合气中汽油与空气的比例应符合发动机运转工况的需要。

因此，混合气形成过程就是汽油雾化、蒸发以及与空气配比和混合的过程。

三、发动机运转工况对可燃混合气成分的要求 

（一）可燃混合气成分的表示法可燃混合气中空气与燃油的比例称为可燃混合气成分或可燃混合气浓度，通常用过量空气系数和空燃比表示。

1.过量空气系数燃烧1kg燃油实际供给的空气质量与完全燃烧1kg燃油的化学计量空气质量之比为过量空气系数，记作φa。

 φa=1的可燃混合气称为理论混合气；φa＜1的称为浓混合气；φa＞1的则称为稀混合气。

2.空燃比可燃混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比，记作σ。

 按照化学反应方程式的当量关系，可求出1kg汽油完全燃烧所需空气质量即化学计量空气质量约为14.8kg。

显然，σ=14.8的可燃混合气为理论混合气；σ＜14.8的为浓混合气；σ＞14.8的为稀混合气。

空燃比σ=14.8称为理论空燃比或化学计量空燃比。

（二）发动机运转工况对可燃混合气成分的要求及化油器特性随着汽车行驶速度和牵引功率的不断变化，汽车发动机的转速和负荷也在很大范围内频繁变动。

为适应发动机工况的这种变化，可燃混合气成分应该随发动机转速和负荷作相应的调整。

       1.冷起动 

       发动机在冷起动时，因温度低汽油不容易蒸发汽化，再加上起动时转速低（50～100r/min），空气流过化油器的速度很低，汽油雾化不良，致使进入气缸的混合气中汽油蒸气太少，混合气过稀，不能着火燃烧。

为使发动机能够顺利起动，要求化油器供给φa约为0.2～0.6的浓混合气，以使进入气缸的混合气在火焰传播界限之内。

       2.怠速 

怠速是指发动机对外无功率输出的工况。

这时可燃混合气燃烧后对活塞所作的功全部用来克服发动机内部的阻力，使发动机以低转速稳定运转。

目前，汽油机的怠速转速为700～900r/min。

在怠速工况，节气门接近关闭，吸入气缸内的混合气数量很少。

在这种情况下气缸内的残余废气量相对增多，混合气被废气严重稀释，使燃烧速度减慢甚至熄火。

为此要求供给φa＝0.6～0.8的浓混合气，以补偿废气的稀释作用。

       3.小负荷 

       小负荷工况时，节气门开度在25％以内。

随着进入气缸内的混合气数量的增多，汽油雾化和蒸发的条件有所改善，残余废气对混合气的稀释作用相对减弱。

因此，应该供给φa＝0.7～0.9的混合气。

虽然，比怠速工况供给的混合气稍稀，但仍为浓混合气，这是为了保证汽油机小负荷工况的稳定性。

       4.中等负荷 

       中等负荷工况节气门的开度在25％～85％范围内。

汽车发动机大部分时间在中等负荷下工作，因此应该供给φa＝1.05～1.15的经济混合气，以保证发动机有较好的燃油经济性。

从小负荷到中等负荷，随着负荷的增加，节气门逐渐开大，混合气逐渐变稀。

       5.大负荷和全负荷 

       发动机在大负荷或全负荷工作时，节气门接近或达到全开位置。

这时需要发动机发出最大功率以克服较大的外界阻力或加速行驶。

为此应该供给φa＝0.85～0.95的功率混合气。

从中等负荷转入大负荷时，混合气由经济混合比加浓到功率混合比。

       6.加速 

       汽车在行驶过程中，有时需要在短时间内迅速提高车速。

为此，驾驶员要猛踩加速踏板，使节气门突然开大，以期迅速增加发动机功率。

这时虽然空气流量迅速增加，但是由于汽油的密度比空气密度大得多，即汽油的流动惯性远大于空气的流动惯性，致使汽油流量的增加比空气流量的增加滞后一段时间。

另外，节气门开大，进气歧管的压力增加，不利于汽油的蒸发汽化。

因此，在节气门突然开大时，将会出现混合气瞬时变稀的现象。

这不仅不能使发动机功率增加、汽车加速，反而有可能造成发动机熄火。

为了避免发生此种现象，保证汽车有良好的加速性能，在节气门突然开大空气流量迅速增加的同时，由化油器中附设的特殊装置瞬时快速地供给一定数量的汽油，使变稀的混合气得到重新加浓。

综上所述，对于经常在中等负荷下工作的汽车发动机，为了保持其正常的运转，从小负荷到中等负荷要求化油器能随着负荷的增加，供给由浓逐渐变稀的混合气，直到供给经济混合气，以保证发动机工作的经济性。

从大负荷到全负荷阶段，又要求混合气由稀变浓，最后加浓到功率混合气，以保证发动机发出最大功率。

满足上述要求的化油器特性称为理想化油器特性，即为理想化油器特性。

四、现代化油器的基本结构及附加装置 

       化油器的功用是在发动机任何转速、任何负荷、任何大气状况下，向发动机供给一定数量且成分符合发动机工况要求的可燃混合气。

借助化油器的各工作系统及一些附加装置来实现这一功能。

（一）基本结构 

       1.浮子系统浮子系统是存储汽油并使浮子室内的油面保持恒定的装置。

它由浮子室、浮子和进油针阀等组成。

       2.怠速系统怠速系统的功用是向在怠速工况工作的发动机供给浓混合气。

发动机在怠速时，转速很低，节气门接近关闭，流过化油器喉管的空气量很少，流速也很低。

这时喉管真空度很小，不足以将汽油从主喷管吸出。

因此，发动机在怠速工况工作时须由另外设置的怠速系统供油。

       3.主供油系统主供油系统的功用是在怠速以外的所有工况都起供油作用。

在发动机从小负荷到大负荷时，使σ随节气门开大而增大φα↑，混合气由浓变稀，φα由0.8→1.1其原理是降低主量孔处真空度。

       4.主供油系统与怠速系统的相互作用从主量孔后吸油的怠速系统称非独立怠速系统，而把直接从浮子室吸油的怠速系统称为独立怠速系统。

在非独立系统中，由于主供油系统与怠速系统的油路相通，因此，一个系统将对另一个系统的工作产生影响。

影响之一是延迟了主供油系统开始供油的时刻，因为在怠速系统供油时，主供油系统油井中的汽油由于流向怠速系统而使油井中的液面下降。

在主供油系统供油之前，只有在较大的节气门开度或较大的喉管真空度下，才能使油井中的液面回升，所以主供油系统的供油时间因此而迟后。

第二个影响是当节气门开度足够大或喉管真空度足够大时，怠速油道中的汽油流向主供油系统。

在怠速油道中的汽油被吸空之后，空气经怠速空气量孔、怠速喷口和过渡喷口进入油井和主喷管。

这一现象称为怠速反流。

当发生怠速反流时，由于进一步降低了主量孔后的真空度，使主供油系统供油量减少，造成混合气过稀。

       5.加浓系统当发动机由中等负荷转入大负荷或全负荷工作时，通过加浓系统额外地供给部分燃油，使混合气由经济混合气加浓到功率混合气，以保证发动机发出最大功率，满足理想化油器特性在大负荷段的加浓要求。

加浓系统按其控制方法的不同分为机械式和真空式两种。

       6.加速系统加速系统又称加速泵。

其功用是当节气门急速开大时将一定数量的汽油一次喷入喉管，维持一定的混合气成分，以满足汽车加速的需要。

加速泵有活塞式和膜片式两种。

活塞式加速泵因为结构简单、传动容易而应用较广泛。

       7.起动系起动系统的功用是在发动机冷起动时，供给足够多的汽油，以使进入气缸内的混合气中有充足的汽油蒸气，保证其成分在火焰传播界限之内，实现发动机的顺利起动。

最常用的起动系统是在化油器入口处装设一个阻风门。

起动时，将阻风门关闭，并使节气门处于小开度位置。

当发动机被起动机拖转时，在阻风门后方产生极大的真空度，使主供油系统和怠速系统同时供油，这时通过阻风门边缘的缝隙流入的空气量很少，致使混合气极浓。

（二）附加装置化油器在降低汽车尾气中有害排放物方面起着重要的作用。

为了适应日益严格的排放法规，一方面要提高化油器的制造精度，以实现对混合气成分的精确调整和控制；另一方面则需在化油器上加装附加装置，以减少在变工况时有害物质的排放量。

       1.怠速截止电磁阀将怠速转速提高之后，通常使用较稀的怠速混合气并推迟点火时刻。

这项措施有效地减少了CO、HC和NOx的排放量，但却提高了发动机的温度，使表面点火倾向增加。

所谓表面点火是一种不正常燃烧现象，这里是指在关闭了点火开关之后，燃烧室内的炽热表面将气缸内的混合气点燃，使发动机不能停转。

不过，这种现象可能只在部分气缸内发生，也可能在同一气缸内间断地发生，这就使HC的排放量不但不会减少反而急剧增加，而且还将引起发动机振动和噪声。

       2.强制怠速截止电磁阀汽车下坡或滑行时，节气门接近关闭，发动机被汽车传动系拖动高速运转，这种工况称为强制怠速。

在强制怠速工况，节气门后的真空度很大，汽油及管壁上的油膜蒸发较快，致使混合气成分较浓。

另外，由于进气歧管真空度高，在进排气门重叠时期部分废气被吸入进气歧管，并随新鲜混合气一起进入气缸，造成气缸内残余废气量增多，致使燃烧缓慢。

以上两个因素使强制怠速工况的CO和HC排放量增加。

为了改善强制怠速工况的排放性，同时也为了节油的需要，通常采用主量孔截止电磁阀和进油管截止电磁阀，同时切断主量孔和进油管的供油。

       3.热怠速补偿阀在炎热季节，当汽车由高速行驶转为低速行驶时，发动机罩下的温度上升，化油器周围的温度很高，浮子室内的汽油大量蒸发。

汽油蒸气经浮子室平衡管进入进气管，使混合气过浓，造成燃烧不完全，CO的排放量增加。

如果汽车在大负荷高速行驶后停车，则大量汽油蒸气充塞进气管，再起动时，吸入气缸的几乎都是汽油蒸发，造成发动机热起动困难。

       4.节气门缓冲器当汽车急减速时，驾驶员急松加速踏板，节气门迅速关闭到怠速位置。

这时，发动机在汽车传动系的拖动下仍保持着较高的转速，因而使节气门后的真空度急剧增大，致使混合气过浓，甚至超出火焰传播界限而不能着火燃烧，导致排气中HC的含量增加。

为此在化油器上装置节气门缓冲器，以改善汽车急减速时的排放性。

五、辅助装置 

（一）汽油箱汽油箱的功用是储存汽油。

其数目、容量、形状及安装位置均随车型而异。

汽油箱的容量应使汽车的续驶里程达300～600km。

汽油箱由钢板或塑料制造。

在汽油箱上还装有油面指示表传感器、出油开关和放油螺塞等。

汽油箱内通常有挡油板，为的是减轻汽车行驶时汽油的振荡。

（二）汽油滤清器汽油从汽油箱进入汽油泵之前，先经过汽油滤清器除去其中的杂质和水分，以减少汽油泵和化油器等部件的故障。

滤芯多用多孔陶瓷或微孔滤纸制造。

陶瓷滤芯结构简单，不消耗金属，滤清效果较好，但滤芯不易清洗干净，使用寿命短。

纸质滤芯滤清效果好，结果简单，使用方便。

现代轿车发动机多采用一次性使用、不可拆式纸质滤芯汽油滤清器，一般每行驶30000km整体更换一次。

       （三）汽油泵汽油泵的功用是将汽油从汽油箱吸出，经油管和汽油滤清器泵入化油器浮子室。

汽车上采用的汽油泵有机械驱动式和电动式两种。

       1.机械驱动式汽油泵机械驱动式汽油泵由发动机配气机构凸轮轴或中间轴上的偏心轮驱动。

不同型号的汽油泵，其结构和工作原理基本相同。

       2.电动式汽油泵电动汽油泵的优点是安装位置不受发动机结构的限制，可以安装在远离机体、排气管等高温机件而且通风良好的地方，这有利于降低油管中汽油的温度，减小产生汽阻的可能性。

电动汽油泵可以在发动机起动前先行工作，使化油器和管路中充满汽油，以利发动机起动。

在汽车下坡滑行时，可以将电动汽油泵电路开关断开，停止向化油器供油，有利于节油。

电子控制汽油喷射系统 

一、汽油喷射系统的分类 

       汽油喷射式发动机的燃油系统简称汽油喷射系统，它是在恒定的压力下，利用喷油器将一定数量的汽油直接喷入气缸或进气管道内的汽油机燃油供给装置。

与化油器相比，汽油喷射系统具有下列优点：

       1）能根据发动机工况的变化供给最佳空燃比的混合气； 

       2）供入各气缸内的混合气，其空燃比相同，数量相等； 

       3）由于进气管道中没有狭窄的喉管，因此进气阻力小，充气性能好。

因此，汽油喷射式发动机具有较高的动力性和经济性，良好的排放性。

此外，发动机的振动有所减轻，汽车的加速性也有显著改善。

 车用汽油喷射系统有多种类型，可按不同方法进行分类：

       1）按汽油喷射系统的控制方法分为机械控制式、电子控制式及机电混合控制式3种。

近十年来电子控制汽油喷射系统（以下简称电控汽油喷射系统）得到了迅速而又充分的发展，成本大幅度下降，使用可靠性和可维修性都达到了相当高的水平。

       2）按喷射部位的不同可分为缸内喷射和缸外喷射两种。

缸内喷射是通过安装在气缸盖上的喷油器，将汽油直接喷入气缸内。

这种喷射系统需要较高的喷射压力，约3～5MPa。

因而喷油器的结构和布置都比较复杂，目前极少应用。

缸外喷射系统是将喷油器安装在进气管或进气歧管上，以0.20～0.35MPa的喷射压力将汽油喷入进气管或进气道内。

 缸外喷射系统分进气管喷射和进气道喷射。

进气管喷射系统的喷油器安装在节气门体上，而节气门体安装在进气歧管的上部，相当于化油器式发动机安装化油器的位置。

因此，进气管喷射又称节气门体喷射（TBI）。

由于一台发动机只装有1或2个喷油器在节气门体上，所以又称这种喷射方式为单点喷射（SPI）。

       3）按喷射的连续性将汽油喷射系统分为连续喷射式和间歇喷射式。

连续喷射是指在发动机工作期间，喷油器连续不断地向进气道内喷油，且大部分汽油是在进气门关闭时喷射的。

这种喷射方式大多用于机械控制式或机电混合控制式汽油喷射系统。

间歇式喷射是指在发动机工作期间，汽油被间歇地喷入进气道内。

电控汽油喷射系统都采用间歇喷射方式。

间歇喷射还可按各缸喷射时间分为同时喷射、分组喷射和按序喷射等三种形式。

二、电控汽油喷射系统的基本类型 

       电控汽油喷射系统（EFI系统）是以电控单元（ECU）为控制中心，并利用安装在发动机上的各种传感器测出发动机的各种运行参数，再按照电脑中预存的控制程序精确地控制喷油器的喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳空燃比的可燃混合气。

目前，各类汽车上所采用的电控汽油喷射系统在结构上往往有较大的差别，在控制原理及工作过程方面也各具特点。

（一）波许D型（D叶特朗尼克）汽油喷射系统D型汽油喷射系统是最早应用在汽车发动机上的电控多点间歇式汽油喷射系统，其基本特点是以进气管压力和发动机转速作为基本控制参数，用来控制喷油器的基本喷油量。

汽油箱内的汽油被电动汽油泵吸出并加压至0.35MPa左右，经汽油滤清器滤除杂质后被送至燃油分配管。

燃油分配管与安装在各缸进气歧管上的喷油器相通。

在燃油分配管的末端装有油压调节器，用来调节油压使其保持稳定，多余的汽油经回油管返回汽油箱。

（二）波许L型（L-叶特朗尼克）汽油喷射系统L型汽油喷射系统是在D型汽油喷射系统的基础上，在20世纪70年代发展起来的多点间歇式汽油喷射系统。

其构造和工作原理与D型基本相同，只是L型汽油喷射系统采用翼片式空气流量计直接测量发动机的进气量，并以发动机的进气量和发动机转速作为基本控制参数，从而提高了喷油量的控制精度。

       （三）波许LH型（LH-叶特朗尼克）汽油喷射系统LH型汽油喷射系统是L型汽油喷射系统的变型产品，两者的结构与工作原理基本相同，不同之处是LH型采用热线式空气流量计，而L型采用翼片式空气流量计。

热线式空气流量计无运动部件，进气阻力小，信号反应快，测量精度高。

另外，LH型汽油喷射系统的电控装置采用大规模数字集成电路，运算速度快，控制范围广，功能更加完善。

       （四）波许M型（莫特朗尼克）汽油喷射系统M型汽油喷射系统将L型汽油喷射系统与电子点火系统结合起来，用一个由大规模集成电路组成的数字式微型计算机同时对这两个系统进行控制，从而实现了汽油喷射与点火的最佳配合，进一步改善了发动机的起动性、怠速稳定性、加速性、经济性和排放性。

       （五）节气门体汽油喷射系统节气门体汽油喷射系统是单点喷射系统。

与上述多点喷射系统不同，单点喷射系统只用一个或两个安装在节气门体上的喷油器，将汽油喷入节气门前方的进气管内，并与吸入的空气混合形成混合气，再通过进气歧管分配至各气缸。

单点喷射系统的工作原理与多点喷射系统相似。

电控单元根据发动机的进气量或进气管压力以及曲轴位置传感器、节气门位置传感器、发动机温度传感器及进气温度传感器等测得的发动机运行参数，计算出喷油量，在各缸进气行程开始之前进行喷油，并通过喷油持续时间的长短控制喷油量。

单点汽油喷射系统的喷油器距进气门较远，喷入的汽油有足够的时间与空气混合形成均匀的可燃混合气。

因此对喷油的雾化质量要求不高，可采用较低的喷射压力。

三、电控汽油喷射系统主要组件的构造和工作原理 

       波许公司设计生产的几种电子控制汽油喷射系统已被广泛地用于各国生产的汽车上。

此外还有一些国家也研制开发了多种汽油喷射系统。

尽管电子控制汽油喷射系统多种多样，但就其组成和工作原理而言却大同小异。

主要的区别是电控单元的控制方式、控制范围和控制程序不尽相同，所用传感器和执行元件的构造也有所差别。

各类电子控制汽油喷射系统均可视为由燃油供给系统、进气系统和控制系统三部分组成。

（一）燃油供给系统主要组件的构造与工作原理电控汽油喷射系统的燃油供给系统由汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、燃油分配管、油压调节器、喷油器、冷起动喷嘴和输油管等组成，有的还设有油压脉动缓冲器。

       1.电动汽油泵 

       在电控汽油喷射系统中应用的电动汽油泵通常有两种类型，即滚柱式电动汽油泵和叶片式电动汽油泵。

       2.燃油分配管 

       燃油分配管，也被称作"共轨"，其功用是将汽油均匀、等压地输送给各缸喷油器。

由于它的容积较大，故有储油蓄压、减缓油压脉动的作用。

       3.喷油器　　

喷油器的功用是按照电控单元的指令将一定数量的汽油适时地喷入进气道或进气管内，并与其中的空气混合形成可燃混合气。

喷油器的通电、断电由电控单元控制。

电控单元以电脉冲的形式向喷油器输出控制电流。

当电脉冲从零升起时，喷油器因通电而开启；电脉冲回落到零时，喷油器又因断电而关闭。

电脉冲从升起到回落所持续的时间称为脉冲宽度。

若电控单元输出的脉冲宽度短，则喷油持续时间短，喷油量少；若电控单元输出的脉冲宽度长，则喷油持续时间长，喷油量多。

一般喷油器针阀升程约为0.1mm，而喷油持续时间在2～10ms范围内。

       4.油压调节器油压调节器的功用是使燃油供给系统的压力与进气管压力之差即喷油压力保持恒定。

因为喷油器的喷油量除取决于喷油持续时间外，还与喷油压力有关。

在相同的喷油持续时间内，喷油压力越大，喷油量越多，反之亦然。

所以只有保持喷油压力恒定不变，才能使喷油量在各种负荷下都只惟一地取决于喷油持续时间或电脉冲宽度，以实现电控单元对喷油量的精确控制。

       5.油压脉动缓冲器当汽油泵泵油、喷油器喷射及油压调节器的回油平面阀开闭时，都将引起燃油管路中油压的脉动和脉动噪声。

燃油压力脉动太大使油压调节器的工作失常。

油压脉动缓冲器的作用就是减小燃油管路中油压的脉动和脉动噪声，并能在发动机停机后保持油路中有一定的压力，以利于发动机重新起动。

       6.冷起动喷嘴及热时间开关冷起动喷嘴的功用是当发动机低温起动时，向进气管喷入一定数量附加的汽油，以加浓混合气。

冷起动喷嘴也是一个电磁阀，故又称冷起动阀。

冷起动喷嘴的开启和持续喷油的时间取决于发动机的温度，并由热时间开关控制。

冷起动喷嘴安装在进气管上，热时间开关装在机体上并与冷却液接触。

（二）空气系统主要组件的构造与工作原理 

各类电控汽油喷射系统的空气系统主要包括空气流量计、补充空气阀、怠速控制阀、节气门及空气滤清器等。

       1.空气流量计空气流量计的功用是测量进入发动机的空气流量，并将测量的结果转换为电信号传输给电控单元。

空气流量计有多种形式，如翼片式、热线式、热膜式和涡流式等。

       1）翼片式空气流量计当发动机怠速工作时，节气门接近关闭，只有少量空气进入发动机。

流过主流道的空气推动翼片偏转很小的角度，同时与翼片同轴的电位计则输出一个微弱的电压信号给电控单元，电控单元便向喷油器输出短脉冲宽度的电脉冲。

这时流过旁通空气道的空气未经空气流量计计量，因此不影响喷油量，但却使混合气变稀，使CO的排放量减少。

当发动机在高速大负荷运转时，节气门接近全开，吸入的空气量较多且全部流过主流道，空气推动翼片偏转较大的角度，电位计则输出较强的电压信号，电控单元相应地输出长脉冲宽度的电脉冲。

       2）热线式空气流量计当空气流过热线式空气流量计时，铂热线向空气散热，温度降低，铂热线的电阻减小，使电桥失去平衡。

这时混合电路将自动增加供给铂热线的电流，以使其恢复原来的温度和电阻值，直至电桥恢复平衡。

流过铂热线的空气流量越大，混合电路供给铂热线的加