探析歧管噴射汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給系統(tǒng)

黃河交通學(xué)院 王良斌

目前，電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃油噴射方式有歧管噴射、缸內(nèi)直噴及混合噴射。不管采用哪種燃油噴射方式，首先必須對(duì)供給的燃油施以壓力、濾清、壓力調(diào)節(jié)等預(yù)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(dòng)機(jī)的燃油供給系統(tǒng)，同樣適合于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)及混合噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給系統(tǒng)。

燃油泵、燃油濾清器和燃油壓力調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱“油壓調(diào)節(jié)器”）是燃油供給系統(tǒng)的主要部件。其中油壓調(diào)節(jié)器至關(guān)重要，它不僅與噴油器的噴油定量控制相關(guān)，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(diào)節(jié)器

1.1 構(gòu)造和工作原理

油壓調(diào)節(jié)器的構(gòu)造如圖1所示，依據(jù)油壓調(diào)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(diào)節(jié)器的腔體分隔為上、下2個(gè)腔，上腔是參照氣體腔，引入?yún)⒄諝怏w，內(nèi)有彈簧通過彈簧座體預(yù)壓在膜片上，膜片上方承受彈簧壓力和參照氣體壓力2個(gè)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。回油口（與殼體固結(jié)為一體）伸入燃油腔且對(duì)中回油閥芯而形成回油閥座，閥芯和閥座構(gòu)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(gè)力的相互作用下，產(chǎn)生凹凸形變，帶動(dòng)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(guān)閉，燃油不能泄流回燃油箱，使得燃油壓力升高。發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，參照氣體壓力為大氣壓力，大氣壓力和彈簧的預(yù)壓力克服燃油壓力，回油閥關(guān)閉，使得油軌內(nèi)燃油保持一定的壓力（即為殘壓）直至下一次起動(dòng)。

圖1 油壓力調(diào)節(jié)器的構(gòu)造

圖2 油壓調(diào)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(gè)密閉燃油管腔，噴油器開啟，則燃油壓力降低；噴油器關(guān)閉，則燃油壓力升高。另外，燃油泵轉(zhuǎn)速降低，則燃油壓力降低；燃油泵轉(zhuǎn)速升高，則燃油壓力升高。噴油器的開閉時(shí)間由發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷確定，燃油泵轉(zhuǎn)速的高低則取決于供電電壓的高低。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷隨機(jī)而變，供電電壓也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，因此，產(chǎn)生的燃油壓力也會(huì)隨機(jī)波動(dòng)，不利于噴油器的噴油定量控制。油壓調(diào)節(jié)器相當(dāng)于是密閉燃油管腔上的一個(gè)燃油泄流通道，通過膜片的凹凸形變開啟或關(guān)閉泄流通道，衰減燃油壓力的波動(dòng)，同時(shí)調(diào)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(shù)要求。另外，針對(duì)油壓調(diào)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(cè)）到燃油供給系統(tǒng)起始端（靠近燃油泵側(cè)）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(diào)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(dòng)機(jī)負(fù)荷）通過噴油器噴入到進(jìn)氣歧管內(nèi)，大量的燃油則通過油壓調(diào)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(diào)節(jié)原理

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，油壓調(diào)節(jié)器內(nèi)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(guān)閉則取決于燃油壓力（P1）與參照氣體壓力（P2，即進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力）的壓力差（△P），即△P=P1-P2。令回油閥最初處于關(guān)閉狀態(tài)，后因發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷減小，節(jié)氣門開度就要隨之減小，進(jìn)氣歧管絕對(duì)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(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，節(jié)氣門開度就要隨之增大，進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力增高，△P逐漸減小直至膜片向下凹陷，即回油閥關(guān)閉，燃油壓力增高。以上因發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(dòng)于進(jìn)氣歧管絕對(duì)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(dòng)于進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力，就籠統(tǒng)地得出△P恒定的結(jié)論顯然是不夠的。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力為負(fù)壓（在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)閉。根據(jù)膜片的有效面積（S）將△P（單位為kPa）轉(zhuǎn)換成頂起力△F，即△F=△P×S。F與△F兩者相對(duì)抗而平衡，始終處于互為進(jìn)退相協(xié)的動(dòng)平衡狀態(tài)，其結(jié)果使回油閥以一定的頻率開啟或關(guān)閉，且回油閥究竟是開啟還是關(guān)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(huì)恒定。根據(jù)胡克定律，在回油閥開啟或關(guān)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(diào)節(jié)器內(nèi)的回油閥為片狀閥，片狀閥的流量與開度無關(guān)。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(shí)，回油流量與其間隙大小無關(guān)，微小的間隙即可滿足燃油壓力正向隨動(dòng)于進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力變化要求，即彈簧的微小變形即可達(dá)到油壓調(diào)節(jié)器的技術(shù)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(duì)恒定，而是基于彈簧微小變形的準(zhǔn)恒定。

3 無回油燃油系統(tǒng)

如圖4所示，油壓調(diào)節(jié)器安裝在燃油箱內(nèi)的燃油泵總成上，通過油壓調(diào)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(diào)節(jié)器集成為一體，并安裝在燃油箱外的不遠(yuǎn)處，油壓調(diào)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(zhǎng)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(shí)間）和噴油速率（噴油器單位時(shí)間內(nèi)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(gè)參數(shù)保持恒定，改變另一個(gè)參數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴油定量控制。對(duì)于計(jì)算機(jī)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(jī)電控噴油系統(tǒng)設(shè)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(diào)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(jìn)氣歧管內(nèi)，進(jìn)油端燃油直接源于油軌，故△P恒定，即噴油器內(nèi)、外的壓力差恒定，進(jìn)而使得噴油器的噴油速率保持恒定。對(duì)于既定的噴油器來說，噴油速率保持恒定，噴油量?jī)H與噴油脈寬相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元通過控制噴油脈寬進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴油定量控制。

在無回油燃油系統(tǒng)中，油壓調(diào)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(dòng)于進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力的變化，而是保持恒定。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷隨機(jī)而變，噴油器的內(nèi)、外壓力差也隨之而變，其噴油速率也將隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(duì)于無回油燃油系統(tǒng)來說，不能簡(jiǎn)單地說是通過改變噴油脈寬還是改變噴油速率來實(shí)現(xiàn)噴油定量控制的，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元以某一恒定噴油速率為基礎(chǔ)，根據(jù)進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力（取決于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速）的變化，對(duì)噴油脈寬進(jìn)行修正（修正系數(shù)以特性場(chǎng)的形式預(yù)存于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元內(nèi)），以此來補(bǔ)償因進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力的變動(dòng)而給噴油量帶來的影響。

圖4 油壓調(diào)節(jié)器置于燃油箱內(nèi)的無回油燃油系統(tǒng)

圖5 油壓調(diào)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(shì)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(dòng)的燃油不斷地將油軌處的熱量帶走，同時(shí)，噴油器也得到了相應(yīng)的冷卻，這對(duì)降低燃油管路熱阻、提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱起動(dòng)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(shì)體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：一是不需要長(zhǎng)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(zhǎng)距離回油管而有可能帶來的安全隱患；二是滿足了國(guó)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(jié)束語(yǔ)

早些年的汽油機(jī)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(dāng)時(shí)的排放法規(guī)要求。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和排放法規(guī)愈加嚴(yán)格，目前的汽油機(jī)電控噴油系統(tǒng)無一例外地采用更為先進(jìn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴油定量控制，在有回油燃油系統(tǒng)中，依靠油壓調(diào)節(jié)器（機(jī)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(bǔ)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(bǔ)償，從而使得噴油定量控制精度得到提升。因此，對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)的控制精度而言，依賴于機(jī)械裝置的控制精度總是有限的，通過計(jì)算機(jī)軟件及其控制參數(shù)則可以極大地提高控制精度。