第4章

汽油机的燃料供给系统

4.1 概述

4.1.1 汽油机燃料供给系统的作用

汽油机所用的燃料是汽油，在进入汽缸之前，汽油和空气已形成可燃混合气。可燃混合气进入汽缸内被压缩，在接近压缩终了时点火燃烧而膨胀做功。可见汽油机进入汽缸的是可燃混合气，压缩的也是可燃混合气，燃烧做功后将废气排出。因此汽油机燃料供给系统的作用是根据发动机运转工况的需要，向发动机供给一定数量、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，以及对其浓度进行有效的控制，使发动机在各种工况下都能连续、稳定运转。最后还要把燃烧后的废气排出汽缸。

4.1.2 汽油的主要使用性能

汽油是由石油提炼而得到的密度小又易于挥发的液体燃料。汽油由多种碳氢化合物组成。按照提炼方法，汽油可分为直馏汽油和裂化汽油等。

汽油的使用性能指标主要是蒸发性、热值和抗爆性。对于高速发动机，形成可燃混合气过程的时间很短，一般只有百分之几秒，因此汽油蒸发性的好坏，对形成的混合气质量有很大的影响。汽油的蒸发性可通过燃料的蒸馏试验来测定。将汽油加热，分别测定蒸发出10%、50%、90%馏分时的温度及终馏温度。但发动机所用的汽油蒸发性越强，则越易发生气阻，导致发动机失速。燃料的热值是指1kg燃料完全燃烧后所产生的热量。汽油的热值约为44000kJ/kg。

汽油的抗爆性是汽油的一项主要性能指标。指汽油在发动机汽缸中燃烧时，避免产生爆燃的能力，即抗自燃能力。发动机选用抗爆性较好的汽油，就可能采用较高的压缩比而不至于发生爆燃。汽油抗爆性的好坏程度一般用辛烷值表示，辛烷值越高，抗爆性越好。国产汽油的辛烷值可以看其代号，例如，代号为RQ-90的汽油，其辛烷值不小于90。选择汽油的主要依据为发动机的压缩比，一般压缩比高的汽油机应采用辛烷值高的汽油。

4.1.3 发动机运转工况对可燃混合气成分的要求

1.可燃混合气成分

可燃混合气是指空气与燃料的混合物，除了数量之外，它的成分对发动机的动力性、经济性与排放性等都有很大的影响。可燃混合气的成分通常有如下表示方法：

（1）空燃比

将实际吸入发动机中空气的质量与燃料的质量比值称为空燃比A/F，用符号R表示（欧美国家采用），空燃比亦即燃烧1kg燃料实际供给的空气量。理论上，1kg汽油完全燃烧需14.7kg空气。故对汽油机而言，将空燃比为14.7的可燃混合气称为理论混合气；若空燃比小于14.7则说明汽油有余，称为浓混合气；若空燃比大于14.7则说明空气有余，称为稀混合气。

（2）过量空气系数

将燃烧1kg燃料实际供给的空气质量与理论上完全燃烧1kg燃料所需的空气质量之比称为过量空气系数，用符号α表示。α=1的可燃混合气为理论可燃混合气；α＜1的为浓可燃混合气；α＞l的则为稀可燃混合气。

2.可燃混合气成分对发动机性能的影响

（1）理论混合气（α=1）

当α=1时，理论上汽缸中所含空气中的氧正好能使其中的燃料完全燃烧。但实际上，由于汽缸中可燃混合气的成分不可能绝对均匀的分布，残余废气的存在也影响火焰中心的形成和火焰的传播，即使α=1的可燃混合气也不可能得到完全燃烧。

（2）稀混合气（α＞1）

当α＞l时，可使所有汽油分子获得足够的氧气而完全燃烧。对应于燃料消耗率最低时的可燃混合气称为经济混合气。对不同的汽油机，经济混合气的成分一般在α=1.05～1.15范围内。然而，空气过量后因燃烧速度减小、热损失增加而使平均有效压力和发动机的功率略有下降。若混合气过稀（α＞1.11），会因燃烧速度的进一步减小而造成加速性能变坏，发动机输出功率下降，甚至会出现进气管回火现象。因此，不能对发动机供给这种过稀的可燃混合气。

（3）浓混合气（α＜1）

当α＜1时，因可燃混合气中汽油分子较多而使燃烧速度加快，热损失减小。将发动机输出功率最大时的可燃混合气称为功率混合气。对不同的汽油机，功率混合气的成分一般在α=0.85～0.95的范围内。这时因可燃混合气中空气含量不足，致使其燃烧不完全，经济性较差。若可燃混合气过浓（α＜0.88），因燃烧不完全，产生大量的一氧化碳，在高温高压气体的作用下析出游离的炭粒，导致燃烧室积炭，发生排气管放炮现象及冒黑烟。此外，因这种可燃混合气的燃烧速度较低而造成功率下降，燃油消耗率显著增大。

（4）燃烧极限

当可燃混合气太稀（α≥1.4）以及太浓（α≤0.4）时，虽能点燃，但火焰无法传播，导致发动机运转不稳定，直至熄火。故将此时的α值分别称之为火焰传播下限和火焰传播上限。

3.汽车发动机各种工况对可燃混合气成分的要求

发动机工况是发动机工作情况的简称，其主要参数是负荷和转速，转速一定时，负荷可以用节气门开度来衡量。汽车在行驶过程中的载荷、车速、路况等经常变化，因此汽车发动机工作时有以下特点：工况变化范围大，负荷可从0变到100%，转速可从最低稳定转速变化到最高转速；在汽车行驶的大部分时间内，发动机在中等负荷下工作。轿车发动机负荷经常是40%～60%，而货车则为70%～80%。

车用汽油机在不同工况下对混合气的浓度有不同的要求，分述如下：

（1）稳定工况对混合气成分的要求

发动机的稳定工况是指发动机已经完成预热，转入正常运转，且在一定时间内没有转速或负荷的突然变化。稳定工况可按负荷大小划分为怠速和小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷三个范围。

怠速工况：怠速一般是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速运转，此时混合气燃烧后所做的功，只是用以克服发动机内部的阻力，使发动机保持最低转速稳定运转。汽油机怠速转速一般为400～800r/min，需供给浓而少的混合气（α=0.6～0.8）。

小负荷工况：当节气门略开启而转入小负荷工况时，新鲜混合气的品质逐渐改善，废气对混合气的稀释作用逐渐减弱，因而混合气浓度可以减小至α=0.7～0.9。α值应随节气门开度的增大而变大（混合气变稀）。

中等负荷工况：车用发动机在大部分工作时间内处于中等负荷状态。在此情况下，节气门有足够的开度，燃油经济性要求是首要的，α=0.9～1.1，α值应随开度的加大而加大，供给多而稀的混合气。原因是：节气门开度加大，进入汽缸的混合气量增多，残余废气量相对减少，燃烧速度变快，热损失较小，可以用稀的混合气；混合气成分虽稀，但数量增多，发动机功率随混合气数量增多而增大，功率损失不多，节油的效果却很明显。

大负荷和全负荷工况：汽车需要克服较大的阻力而要求发动机能发出尽可能大的功率时，驾驶员往往将加速踏板踩到底，使节气门全开，发动机在全负荷下工作。节气门开度达85%以上是获得最大功率的工况。这时，能供给相应于最大功率的浓混合气。α=0.8～0.9，即多而浓的混合气。这是因为：此时应以动力性为主，经济性则退居次要地位。

（2）过渡工况。

汽车在运行中主要的过渡工况有冷启动、暖机、加速及急减速等几种。它们对混合气成分各有特殊的要求。

启动工况：冷发动机启动，需供给极浓的混合气，α=0.2～0.6。

暧机：冷启动后，发动机各汽缸开始自动运转，发动机温度逐渐上升（暖机），直到接近正常值、发动机能稳定地进行怠速运转为止。在此暖机过程中，混合气的燃油消耗率的α值应当随着温度的升高，从启动时的极小值逐渐加大到稳定怠速所要求的数值为止。

加速工况：发动机的加速是指负荷突然迅速增加的过程。当加速时，驾驶员猛踩加速踏板，使节气门开度突然加大，以期发动机功率迅速增大。当节气门突然开大时，需供给额外的燃油，以防止混合气瞬间变稀，恶化加速性能。

4.1.4 汽油机燃料供给系统的组成

在发动机工作时，大量的空气和燃料顺畅地充进了汽缸中，在这一过程中，燃料供给装置的作用是控制供给发动机的空气量和汽油量。现代汽车的汽油供给装置大体上可分为两大类，即化油器方式和电子控制汽油喷射方式。

化油器式供给系统由于结构简单，使用方便，成本较低，曾经在汽车上得到广泛应用。但化油器式发动机存在的主要缺点是充气及混合气分配不够理想，对发动机动力性、经济性的提高和排放性的改善有一定的不利影响，为了克服这些缺点，20世纪80年代，发达国家生产的汽车中采用了电子控制汽油喷射系统（简称电控汽油喷射系统）。

电控汽油喷射系统与化油器式相比有以下优点：

① 进气道中没有喉管，进气阻力小，同时，进气歧管截面积增加，进气压力损失小，从而提高了充气效率，提高了发动机功率。

② 喷油量根据进气量的多少进行控制，并且各缸分配均匀，使得燃油消耗率降低，经济性提高。

③ 电控汽油喷射系统可以比较精确地控制各缸混合气浓度与工况匹配，混合气分配均匀性好。

④ 喷油量和进气量都是按照最佳空燃比进行精确配比，燃料燃烧完全，加上三元催化净化装置的作用，能使废气中的CO、HC、NOx含量降低，排气污染程度降低。

⑤ 汽油雾化良好，再加上冷启动加浓等装置的作用，使发动机冷启动性能得到改善。

⑥ 采用喷油器直接向进气门处喷油，供油及时，减少了供油滞后时间，改善了汽车的加速性能。

我国也从2001年7月起在新生产的轿车上全部采用电控汽油喷射系统。所以在本书中只介绍电控汽油喷射方式的燃料供给系统。

电控汽油喷射系统由汽油供给系统、空气供给系统、检测发动机运转状态的各种传感器以及电子控制系统组成。图4-1所示为电控汽油喷射系统组成结构示意图。

1.汽油供给系统

汽油供给系统通常由油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、汽油压力调节器、脉动阻尼器、喷油器和冷启动喷油器和油管组成（图4-2）。

汽油供给系统的作用是向发动机汽缸提供各种工况下燃烧所需要的燃油。在电控汽油喷射系统中，汽油由电动汽油泵从油箱中以大约350kPa的压力泵出，经汽油滤清器、油管和分油管后，输送到电磁喷油器和冷启动喷油器，喷油器在ECU控制下，将汽油以雾状喷至各缸进气门前的进气管道内。油管的末端装有压力调节器，保证供给电磁喷油器内的汽油压力与喷射环境的压力之差（喷油压差）保持不变，汽油泵供给的多余汽油经压力调节器上的回油口经回油管流回油箱。有些发动机的压力调节器后面串联了一个汽油脉动阻尼器，用来消除喷油时油压产生的微小波动，进一步稳定油压。电磁喷油器按照发动机控制的喷油脉冲信号把汽油喷入进气道。当冷却液温度低时，冷启动喷油器将汽油喷入进气总管，以改善发动机低温时的启动性能。

1-喷油器；2-汽油滤清器；3-汽油泵；4-油箱；5-空气滤清器；6-空气流量计；7-节气门体；8-压力调节器；9-ECU

2.空气供给系统

空气供给系统的作用是向汽油机提供与发动机负荷相适应的﹑清洁的空气，同时对流入发动机的空气质量进行直接或间接计量，使它们在系统中与喷油器喷出的汽油形成空燃比符合要求的可燃混合气。

空气供给系统一般由空气滤清器、进气压力传感器（D型）或空气流量计（L型）、节气门体、进气总管、稳压箱、进气歧管、空气阀（空气控制阀）和怠速控制阀等部件组成。空气流量由节气门控制，而节气门则通过加速踏板由驾驶员操纵。空气经空气滤清器过滤后，通过空气流量计、节气门体进入进气总管和稳压箱等部件，再通过进气歧管分配给各缸。

L型电控燃油喷射空气供给系统构成见图4-3。

D型电控燃油喷射空气供给系统除了采用进气压力传感器间接测量进气量外，其他部件与L型基本相同，其构成见图4-4。

1-喷油器；2-节气门体；3-空气流量计；4-空气滤清器；5-怠速空气阀；6-进气总管

1-空气滤清器；2-稳压箱；3-节气门体；4-进气控制阀；5-进气室；6-真空罐；7-电磁真空阀；8-真空驱动器；9-怠速控制阀

3.电子控制系统

电子控制系统由传感器、ECU和执行器三部分组成，见图4-5。其功用是根据发动机运转状况和车辆运行状况确定燃油的最佳喷射量。

其中，传感器是信号检测与转换装置，安装在发动机的各个部位，其功用是检测发动机运行状态的电量参数、物理参数和化学参数（如进气量、节气门位置、曲轴位置及转速、冷却液温度、进气温度、排气成分信息、车速）等，通过传感器转换成为ECU能够识别的电信号输入ECU。

ECU是发动机电子控制系统的核心部件。ECU中保存了发动机各种工况的最佳喷油持续时间，在接收了各种传感器传来的信号后，经过计算确定满足发动机运转状态的喷油量和喷油时间。同时，ECU还要对多种信息进行处理，实现电控燃油喷射以外其他诸多方面的控制，如点火控制、怠速控制和废气再循环控制等。

执行器是控制系统的执行机构，它接收ECU发出的各种控制指令，完成具体的控制动作，从而使发动机处于最佳工作状态。

4.1.5 电控燃油喷射系统的类型

根据不同的分类标准，可以对喷射方式进行如下分类：

1.按喷油器与汽缸的数量关系分类

按喷油器与汽缸的数量关系分类，有单点燃油喷射（SPI）系统和多点燃油喷射（MPI）系统。

（1）单点燃油喷射系统

单点燃油喷射系统是在节气门体上安装一个或两个喷油器，向进气歧管中喷射燃油形成可燃混合气，见图4-6。这种喷射系统又被称为节气门体燃油喷射系统或集中燃油喷射系统。这种燃油喷射系统对混合气的控制精度比较低，各个汽缸混合气的均匀性也较差，现已很少使用。

-节气门；2-空气滤清器；3-喷油器；4-节气门位置传感器；5-汽缸

（2）多点燃油喷射系统

多点燃油喷射系统根据喷油器的安装位置又可分为进气道喷射（PFI） 和缸内喷射（GDI）。

① 进气道喷射。

在每一个汽缸的进气门前安装一个喷油器，见图4-7。喷油器喷射出燃油后，在进气门附近与空气混合形成可燃混合气，这种喷射系统能较好地保证各缸混合气总量和浓度的均匀性。目前大多数车型都采用这种多点燃油喷射系统。

1-进气歧管；2-进气道；3-进气门；4-密封圈；5-喷油器；6-接线柱

② 缸内喷射。

缸内喷射即将高压燃油直接喷到汽缸内，见图4-8。这种喷射技术使用特殊的喷油器，燃油喷雾效果更好，并可在缸内产生浓度渐变的分层混合气（从火花塞往外逐渐变稀）。因此可以用超稀的混合气（怠速时可达40:1）工作，油耗和排放也远远低于普通汽油发动机。此外，这种喷射方式使混合气体积和温度降低，爆震燃烧的倾向减小，发动机的压缩比可比进气道喷射时大大提高。但喷油器直接安装在缸盖上，必须能够承受燃气产生的高温、高压，且受发动机结构限制，采用较少。

1-垂直进气管；2-高压燃油泵；3-高压喷油器；4-活塞（顶部成碗状）

2.按喷射控制装置的形式不同分类

（1）机械式（K型）

空气计量器与燃油分配器组合在一起，空气计量器检测空气流量的大小后，靠连接杆传动操纵燃油分配器的柱塞动作，以燃油计量槽开度的大小控制喷油量，达到控制混合气空燃比的目的。

（2）机电一体混合式（K-E型）

在燃油分配器上安装了一个由电脑控制的电液式压差调节器，电脑根据水温、节气门位置等传感器的输入信号控制电液式压差调节器动作，以调节燃油供给量。

（3）电子控制式（EFI）

根据各种传感器送至电脑的发动机运行状况的信号，由电脑运算后，发出控制喷油量和点火时刻等多种执行指令，实现多种机能的控制，即为发动机电子集中控制系统。

3.按发动机进气量的检测方式分类

（1）直接检测型（L型）

L型EFI系统是用空气流量计直接测量发动机吸入的空气量。“L”是德文“空气”一词的第一个字母。其测量的准确程度高于D型，故可更精确地控制空燃比。常用的空气流量计有叶片式、热丝式（LH型）和卡门涡旋式三种类型。直接检测型包括体积流量方式和质量流量方式两种。其工作流程见图4-9。

（2）间接检测型（D型）

D型EFI系统是通过对节气门开度或进气歧管压力、发动机转速的测量，计算出发动机吸入的空气量，并计算燃油流量。“D”是德文“压力”一词的第一个字母。由于空气在进气管内的压力波动，该方法的测量精度稍差。间接测量型有节流—速度方式和速度—密度方式两种。其工作流程见图4-10。

4.按喷射方式不同分类

按喷油的持续性进行分类，电控燃油喷射系统分为连续喷射型和间歇喷射型两类。

（1）连续喷射型燃油喷射系统

在每个汽缸口均安装一个机械喷油器，只要系统给它提供一定的压力，喷油器就会持续不断的喷射出燃油，其喷油量的多少不是取决于喷油器，而是取决于燃油分配器中燃油计量槽孔的开度及计量槽孔内外两端的压差。这种喷射方式现在已被淘汰。

（2）间歇喷射型燃油喷射系统

在发动机运转期间间歇地向进气歧管中喷油，其喷油量多少取决于喷油器的开启时间，即发动机控制模块（ECU）发出的喷油脉冲宽度。这种燃油喷射方式广泛地应用于现代电控燃油喷射系统中。

间歇型燃油喷射系统按喷油器控制方式又可以分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射，见图4-11。

5.按有无反馈信号分类

电控燃油喷射系统按有无反馈信号可分为开环控制系统和闭环控制系统。

（1）开环控制系统（无氧传感器）

它是将通过实验确定的发动机各工况的最佳供油参数预先存入电脑，在发动机工作时，电脑根据系统中各传感器的输入信号，判断自身所处的运行工况，并计算出最佳喷油量，通过对喷油器喷射时间的控制，来控制混合气的浓度，使发动机优化运行。

（2）闭环控制系统（有氧传感器）

在该系统中，发动机排气管上加装了氧传感器，根据排气中含氧量的变化，判断实际进入汽缸的混合气空燃比，再通过电脑与设定的目标空燃比值进行比较，并根据误差修正喷油器喷油量，使空燃比保持在设定的目标值附近。