正確理解電控汽油發動機進氣量與噴油量的關系(上)

◆文/山東 焦建剛 徐 剛

正確理解電控汽油發動機進氣量與噴油量的關系(上)

◆文/山東 焦建剛 徐 剛

車輛檢修過程中，針對某一故障現象，如何將讀取的發動機數據與實際故障原因聯系到一起，是我們很多技術人員比較頭痛的一件事情。在我們遇到發動機怠速不穩、加速不良、動力不足等故障時，經常面臨不能找出數據流中的異常數據，無法確定故障原因的問題。這其中，最為困難的是判斷空氣流量傳感器的數據是否正常、噴油量的數據是否正常等問題。如何理解各數據之間的關系，如何能夠通過數據來做出正確的故障判斷是我們下面將要探討的主要內容。

在實際的維修作業中，我們遇到進氣流量信號超出正常值、節氣門開度偏大、噴油量信號過大、發動機轉速正常的數據時，一般維修人員很可能會從更換空氣流量傳感器開始維修作業，經過多次波折后，可能才會發現真正的故障原因，而很多時候，故障的原因與我們所換的零件沒有直接關系。沒有直接關系的零件，為什么會出現數據偏差較大的情況呢？這就與不同車輛的控制方式有關系了。

一、發動機工作過程分析

對發動機的工作過程有一個全面的了解，是深入理解領會發動機各數據之間關系的前提。首先，如圖1所示，我們將發動機的整個工作過程分為三部分：發動機前端、中端以及發動機后端。

發動機前端：由各種傳感器(氧傳感器除外)、執行器、進氣系統、燃油系統組成。

發動機中端：由發動機機械本體、點火系統組成。

發動機后端：由排氣系統、催化轉化器、以及檢測排氣中氧濃度的氧傳感器(或空燃比傳感器)組成。

圍繞進入汽缸的空氣，電腦通過曲軸位置傳感器提供的發動機轉速、空氣流量傳感器的進氣量信號來確定基本燃油噴射時間以及基本點火提前角度。然后，再根據其余各傳感器的信號，如冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、節氣門位置傳感器(或加速踏板位置傳感器)等來對基本燃油噴射時間作出修正，以達到準確控制的目的。同時，在燃油系統良好的情況下，發動機ECU指令噴油器作出一定脈寬的打開動作，以將燃油噴入進氣歧管，并和空氣混合，進入汽缸。

在發動機中端，在機械部分良好、汽缸密封良好、配氣機構工作正常的情況下，進入汽缸的空氣和燃油的混合汽，在合適的時刻被工作良好的次級火花點燃，混合汽燃燒作功，輸出功率。

在發動機后端，汽缸內燃燒完畢的混合汽，形成廢氣進入排氣管。這其中包含了各種各樣的氣體成分，但比較重要的是O2、CO、CO2、NOX等廢氣。這時候，裝置在排氣管上的氧傳感器就開始大展用途了。由于前面進入汽缸的混合汽是由發動機ECU根據各種傳感器得到的數據，經計算后得出的理論噴油量，而這個噴油量究竟與實際進氣量相不相符，ECU本身并不知道。如果打個比方的話，我們可以將發動機ECU作出的噴油量指令認為是一個類似于天氣預報的行為，是帶有預測性、主觀性的行為，是發動機ECU單方面的行為。而排氣系統中的氧傳感器起的是監察、監控的作用，這個過程的示意圖如圖2所示。

氧傳感器根據排氣中氧原子數量的多少，與大氣中氧含量進行比較，從而得出混合汽是稀還是濃的情況匯報。

因為有了氧傳感器這個“監察員”，所以發動機ECU可以放心地工作。比如，當空氣流量傳感器的熱線由于空氣中的灰塵臟污，導致檢測的進氣量小于正常值時，發動機ECU依據進氣量信號給出的噴油信號，就會過少，導致系統混合汽過稀，這樣，排氣中就會有多余的氧出現，氧傳感器電壓就會小于0.45V。此時，發動機ECU根據氧傳感器的信號，就知道混合汽過稀的情況，從而做出增加噴油量的指令，直到氧傳感器的電壓變化恢復到0.1～0.9V之間。這種對燃油噴射量的修正，就稱之為短期燃油修正，如果短期燃油修正值持續較長時間超過3%，就會引起另外一個修正值——長期燃油修正值的變化。

同樣，如果是燃油系統出現故障，比如，汽油泵壓力低或噴油器堵塞，也會出現排氣中氧含量增加的情況，這樣，發動機ECU只要相應增加燃油噴射量，就可以使混合汽達到規定范圍。但是還是會有發動機急加速時，混合汽偏稀導致加速不良的狀況出現。

另外，雖然氧傳感器忠實地堅守崗位，不斷地向發動機ECU報告排氣中氧原子的含量，以使發動機ECU對燃油噴射量做出最佳調節。但是，請不要忘記，發動機是一個由機械、電子、燃油、進氣、排氣等多系統組成的產物。排氣中氧原子數量的變化，并不僅僅受電控系統傳感器、執行器，或者燃油壓力、噴油器狀況等少數幾個因素影響，它還被很多其他因素所左右。比如，點火系統的狀況、汽缸壓力、進氣系統以及排氣系統等眾多因素對其均有影響。并且，在這些因素中，根據對發動機的影響不同，還分為個體性問題以及公共性問題。

比如，單個不良的火花塞、單獨損壞的噴油器、某缸汽缸密封不良等。相對于個體性問題，還有公共性問題，比如，系統供電電壓不良、偏離特性的傳感器、排氣管堵塞、油泵壓力低等。這些不同的問題，給發動機帶來的故障現象有時相似、有時又有較大差異。但是無一例外，對于氧傳感器來講，或者說對于發動機ECU來說，都不具備鑒別上述故障的能力，所以發動機ECU會不顧實際情況如何，只是單純地在燃油噴射量上“做文章”(圖3)。

比如，某4缸發動機，由于火花塞故障，出現單缸失火現象時，排氣中氧含量較多，氧傳感器電壓低于0.45V，發動機ECU會認為是整個系統混合汽稀，解決的方法，是所有噴油器都增加噴油量。這樣，從氧傳感器的反饋結果看，可能是使排氣中的氧原子含量部分得到降低，但是實際情況呢？是正常工作的汽缸會由于混合汽過濃，而工作不良。最終的后果，本來只有一個汽缸工作不良，但發動機反饋控制的結果是使所有汽缸均工作不良了。

常有這樣的情況發生，某車的發動機工作不穩定，斷開蓄電池線后，再連接，發動機就會正常工作一段時間，接著，又會出現工作不良的現象。大家仔細想想，上面的情況是不是和個體性故障造成系統失常的情況很相像。

二、噴油量的計算方法

發動機各相關數據之間到底有什么樣的聯系呢？首先我們就要從發動機進氣量與噴油量之間的關系來進行分析。而對于常規汽油發動機來說，按其檢測進氣量的方式不同分為L型與D型兩種，下面，我們就以L型控制系統為例進行說明。

燃油測量系統要精確地控制發動機各個工況的噴油量，必須首先測量進氣量，然后根據下面的公式得出噴油量。

式中：Fm—噴油量；Am—進氣質量；λ—相應的空燃比。

其中進氣質量可由下面的公式得到。

式中：AV—所進空氣容積率；Ad—空氣密度。

根據上面的燃油噴射量計算公式，結合L型發動機的進氣量檢測方式，可以計算出發動機每一次工作循環的燃油噴射量。

下面以豐田普瑞維亞2AZ-FE發動機為例，來說明進氣量與燃油噴射量之間的關系。

圖4中，發動機轉速為1118r/min，進氣量為5.32g/s，節氣門開度為19.5%，噴油量為2.9ms。這些數據之間有什么樣的關系呢？尤其是噴油量與進氣量之間的關系，如果我們能夠清楚地了解這些數據之間的關系，那么對于我們讀懂數據流會很有幫助。

由于我們大家在數據流中得到的是發動機每秒進氣量5.32g/s，所以，我們先要計算出發動機每1秒的進氣沖程數量，這樣，將1s內的進氣量平均分配到每一進氣沖程，就可以得到發動機每一進氣沖程的進氣量數據。再按照前面的噴油量計算公式，帶入相應的λ值，就可以得到所需要的燃油質量。具體計算方法如下。

首先，需要根據下面公式，計算發動機每一進氣沖程的進氣質量。

Am=MAF÷發動機轉速/2÷T×4

其中：Am—每沖程進氣質量；MAF—發動機每秒進氣質量；T—60s。

根據上式計算如下：

1118r/min(發動機轉速)÷2=559(每分鐘工作循環數)

559(每分鐘工作循環數)÷60s=9.316(每秒工作循環數)

9.316(每秒工作循環數)×4(汽缸數)=37.26(每秒進氣沖程數)

5.32g/s(進氣量)÷37.26(每秒進氣沖程數)=0.143g(每個進氣沖程進入的空氣質量)

這樣就可以得到發動機每一個進氣沖程進入的空氣質量，然后，根據噴油量計算公式，按照目前發動機管理系統圍繞理論空燃比的控制方式，代入空燃比14.7，得到發動機每一進氣沖程所需要的燃油質量。

0.143g(每個進氣沖程進入的空氣質量) ÷14.7(空燃比)=0.0097g(每個進氣沖程的燃油質量)

這樣，當我們知道該形式發動機的噴油器特性值后，就可以計算出相應的噴油時間了。

0.0097g(每個進氣沖程的燃油質量) ÷0.00345g/ms(噴油量)=2.81ms(噴油時間)

其中，噴油器特性值是通過廠家提供的發動機噴油器試驗數據推算出來的，其計算方法如下。

根據廠家提供的對2AZ-FE發動機噴油器的測試數據是：噴油器15s噴油量為70～73cm3，取其平均值為4.76mL/s，93號汽油密度0.725g/mL，得到單位噴油時間為0.00345g/ms(或3.45mg/ms)。

相關參考公式及參數如下。汽油容積計算公式為：V=m/ρ。因季節氣候不同，汽油的密度會有略微變化，平均如下：90號汽油的平均密度為0.72g/mL；93號汽油的密度為0.725g/mL；97號汽油的密度為0.737g/mL；-20號柴油的密度為0.83g/mL。

我們通過上述計算，可以簡單地了解發動機進氣量數據與噴油時間的基本關系，對我們維修中，正確了解其數據關聯，有很大的幫助。

通過該數據的計算，還可以加強我們對發動機燃油控制系統燃油修正功能的了解。比如，當發動機出現噴油器堵塞或燃油泵壓力降低時，我們通過對進氣量信號數據、噴油器數據之間出現的不相符的情況進行分析，再結合短期及長期燃油修正的數據，就可以做出進氣量正常工噴油時間過長的結論，從而推測可能出現的噴油器堵塞或燃油泵壓力低的故障。圖5是一組噴油器堵塞時的發動機數據。

這是豐田普瑞維亞2AZ-FE發動機噴油器堵塞的數據，該車出現了加速遲緩、動力不足的故障。通過對其數據流的讀取，我們得到如表1所示的數據。

表1 噴油器堵塞時的發動機數據總結

對于有經驗的技術人員來說，很容易看出數據中噴油時間過長的問題，但造成噴油時間過長的原因是什么呢？其與燃油修正值之間的關系又是什么呢？下面我們通過計算進行分析。首先，我們計算出發動機每一進氣沖程的空氣量為0.1412g。

892r/min(發動機轉速)÷2=446(每分鐘工作循環數)

446(每分鐘工作循環數)÷60s=7.433(每秒工作循環數)

7.433(每秒工作循環數)×4(汽缸數)=29.73(每秒進氣沖程數)

4.20g/s(進氣量)÷29.73(每秒進氣沖程數)=0.1412g(每個進氣沖程進入的空氣質量)

然后，按照空燃比為14.7進行燃油量計算，得到每沖程需要0.00961g的燃油量。

0.1412g(每個進氣沖程進入的空氣質量)÷14.7(空燃比)=0.00961 g(每個進氣沖程的燃油質量)

再將該發動機噴油器特性值代入，得到2.78ms的噴油時間。

0.0096g(每個進氣沖程的燃油質量)÷0.00345g/ms(噴油量)=2.78ms(噴油時間)

但是，我們大家從數據流中看到的實際噴油時間為3.9ms，這與根據當前進氣量計算出的噴油時間相差較大，這中間的增大的噴油時間又是如何產生的呢？其原因是什么？我們看后續的計算就可以明白了。

由于噴油器堵塞導致：

13.24%(長期修正系數)+20.27%(短期修正系數)=33.51%(燃油修正系數)

2.78 ms(噴油時間)×(1+33.51%)=3.71ms(噴油時間)

3.71ms為噴油器通電時間。電腦按照進氣量計算控制的噴油時間來噴油時，由于噴油器堵塞，導致單位時間內的實際噴油量減少，混合汽偏稀，尾氣中的氧原子含量較高。因此，發動機電腦根據氧傳感器的信號，確定增加燃油修正量，這使短期燃油修正系數及長期燃油修正系數均呈現正值，所以，我們大家就知道為什么發動機數據流中的實際噴油時間要大于計算出的噴油時間了。

(未完待續)

(作者焦建剛工作單位：濟南東方優速特汽車服務有限公司；作者徐剛工作單位：山東交通學院)