◆文/山東 焦建剛 徐 剛

正確理解電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量與噴油量的關(guān)系(上)

◆文/山東 焦建剛 徐 剛

車輛檢修過程中，針對(duì)某一故障現(xiàn)象，如何將讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)際故障原因聯(lián)系到一起，是我們很多技術(shù)人員比較頭痛的一件事情。在我們遇到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)、加速不良、動(dòng)力不足等故障時(shí)，經(jīng)常面臨不能找出數(shù)據(jù)流中的異常數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)是否正常、噴油量的數(shù)據(jù)是否正常等問題。如何理解各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，如何能夠通過數(shù)據(jù)來做出正確的故障判斷是我們下面將要探討的主要內(nèi)容。

在實(shí)際的維修作業(yè)中，我們遇到進(jìn)氣流量信號(hào)超出正常值、節(jié)氣門開度偏大、噴油量信號(hào)過大、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正常的數(shù)據(jù)時(shí)，一般維修人員很可能會(huì)從更換空氣流量傳感器開始維修作業(yè)，經(jīng)過多次波折后，可能才會(huì)發(fā)現(xiàn)真正的故障原因，而很多時(shí)候，故障的原因與我們所換的零件沒有直接關(guān)系。沒有直接關(guān)系的零件，為什么會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差較大的情況呢？這就與不同車輛的控制方式有關(guān)系了。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程有一個(gè)全面的了解，是深入理解領(lǐng)會(huì)發(fā)動(dòng)機(jī)各數(shù)據(jù)之間關(guān)系的前提。首先，如圖1所示，我們將發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作過程分為三部分：發(fā)動(dòng)機(jī)前端、中端以及發(fā)動(dòng)機(jī)后端。

發(fā)動(dòng)機(jī)前端：由各種傳感器(氧傳感器除外)、執(zhí)行器、進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)組成。

發(fā)動(dòng)機(jī)中端：由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械本體、點(diǎn)火系統(tǒng)組成。

發(fā)動(dòng)機(jī)后端：由排氣系統(tǒng)、催化轉(zhuǎn)化器、以及檢測(cè)排氣中氧濃度的氧傳感器(或空燃比傳感器)組成。

圍繞進(jìn)入汽缸的空氣，電腦通過曲軸位置傳感器提供的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣流量傳感器的進(jìn)氣量信號(hào)來確定基本燃油噴射時(shí)間以及基本點(diǎn)火提前角度。然后，再根據(jù)其余各傳感器的信號(hào)，如冷卻液溫度傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器(或加速踏板位置傳感器)等來對(duì)基本燃油噴射時(shí)間作出修正，以達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的。同時(shí)，在燃油系統(tǒng)良好的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU指令噴油器作出一定脈寬的打開動(dòng)作，以將燃油噴入進(jìn)氣歧管，并和空氣混合，進(jìn)入汽缸。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中端，在機(jī)械部分良好、汽缸密封良好、配氣機(jī)構(gòu)工作正常的情況下，進(jìn)入汽缸的空氣和燃油的混合汽，在合適的時(shí)刻被工作良好的次級(jí)火花點(diǎn)燃，混合汽燃燒作功，輸出功率。

在發(fā)動(dòng)機(jī)后端，汽缸內(nèi)燃燒完畢的混合汽，形成廢氣進(jìn)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(shí)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(jìn)入汽缸的混合汽是由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)各種傳感器得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后得出的理論噴油量，而這個(gè)噴油量究竟與實(shí)際進(jìn)氣量相不相符，ECU本身并不知道。如果打個(gè)比方的話，我們可以將發(fā)動(dòng)機(jī)ECU作出的噴油量指令認(rèn)為是一個(gè)類似于天氣預(yù)報(bào)的行為，是帶有預(yù)測(cè)性、主觀性的行為，是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU單方面的行為。而排氣系統(tǒng)中的氧傳感器起的是監(jiān)察、監(jiān)控的作用，這個(gè)過程的示意圖如圖2所示。

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

因?yàn)橛辛搜鮽鞲衅鬟@個(gè)“監(jiān)察員”，所以發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可以放心地工作。比如，當(dāng)空氣流量傳感器的熱線由于空氣中的灰塵臟污，導(dǎo)致檢測(cè)的進(jìn)氣量小于正常值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU依據(jù)進(jìn)氣量信號(hào)給出的噴油信號(hào)，就會(huì)過少，導(dǎo)致系統(tǒng)混合汽過稀，這樣，排氣中就會(huì)有多余的氧出現(xiàn)，氧傳感器電壓就會(huì)小于0.45V。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)氧傳感器的信號(hào)，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(fù)到0.1～0.9V之間。這種對(duì)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(xù)較長時(shí)間超過3%，就會(huì)引起另外一個(gè)修正值——長期燃油修正值的變化。

同樣，如果是燃油系統(tǒng)出現(xiàn)故障，比如，汽油泵壓力低或噴油器堵塞，也會(huì)出現(xiàn)排氣中氧含量增加的情況，這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU只要相應(yīng)增加燃油噴射量，就可以使混合汽達(dá)到規(guī)定范圍。但是還是會(huì)有發(fā)動(dòng)機(jī)急加速時(shí)，混合汽偏稀導(dǎo)致加速不良的狀況出現(xiàn)。

另外，雖然氧傳感器忠實(shí)地堅(jiān)守崗位，不斷地向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU報(bào)告排氣中氧原子的含量，以使發(fā)動(dòng)機(jī)ECU對(duì)燃油噴射量做出最佳調(diào)節(jié)。但是，請(qǐng)不要忘記，發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)由機(jī)械、電子、燃油、進(jìn)氣、排氣等多系統(tǒng)組成的產(chǎn)物。排氣中氧原子數(shù)量的變化，并不僅僅受電控系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行器，或者燃油壓力、噴油器狀況等少數(shù)幾個(gè)因素影響，它還被很多其他因素所左右。比如，點(diǎn)火系統(tǒng)的狀況、汽缸壓力、進(jìn)氣系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)等眾多因素對(duì)其均有影響。并且，在這些因素中，根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不同，還分為個(gè)體性問題以及公共性問題。

比如，單個(gè)不良的火花塞、單獨(dú)損壞的噴油器、某缸汽缸密封不良等。相對(duì)于個(gè)體性問題，還有公共性問題，比如，系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)帶來的故障現(xiàn)象有時(shí)相似、有時(shí)又有較大差異。但是無一例外，對(duì)于氧傳感器來講，或者說對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)ECU來說，都不具備鑒別上述故障的能力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)不顧實(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)，由于火花塞故障，出現(xiàn)單缸失火現(xiàn)象時(shí)，排氣中氧含量較多，氧傳感器電壓低于0.45V，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)認(rèn)為是整個(gè)系統(tǒng)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(jié)果看，可能是使排氣中的氧原子含量部分得到降低，但是實(shí)際情況呢？是正常工作的汽缸會(huì)由于混合汽過濃，而工作不良。最終的后果，本來只有一個(gè)汽缸工作不良，但發(fā)動(dòng)機(jī)反饋控制的結(jié)果是使所有汽缸均工作不良了。

常有這樣的情況發(fā)生，某車的發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定，斷開蓄電池線后，再連接，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)正常工作一段時(shí)間，接著，又會(huì)出現(xiàn)工作不良的現(xiàn)象。大家仔細(xì)想想，上面的情況是不是和個(gè)體性故障造成系統(tǒng)失常的情況很相像。

二、噴油量的計(jì)算方法

發(fā)動(dòng)機(jī)各相關(guān)數(shù)據(jù)之間到底有什么樣的聯(lián)系呢？首先我們就要從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量與噴油量之間的關(guān)系來進(jìn)行分析。而對(duì)于常規(guī)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，按其檢測(cè)進(jìn)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(tǒng)為例進(jìn)行說明。

燃油測(cè)量系統(tǒng)要精確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況的噴油量，必須首先測(cè)量進(jìn)氣量，然后根據(jù)下面的公式得出噴油量。

式中：Fm—噴油量；Am—進(jìn)氣質(zhì)量；λ—相應(yīng)的空燃比。

其中進(jìn)氣質(zhì)量可由下面的公式得到。

式中：AV—所進(jìn)空氣容積率；Ad—空氣密度。

根據(jù)上面的燃油噴射量計(jì)算公式，結(jié)合L型發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量檢測(cè)方式，可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)每一次工作循環(huán)的燃油噴射量。

下面以豐田普瑞維亞2AZ-FE發(fā)動(dòng)機(jī)為例，來說明進(jìn)氣量與燃油噴射量之間的關(guān)系。

圖4中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1118r/min，進(jìn)氣量為5.32g/s，節(jié)氣門開度為19.5%，噴油量為2.9ms。這些數(shù)據(jù)之間有什么樣的關(guān)系呢？尤其是噴油量與進(jìn)氣量之間的關(guān)系，如果我們能夠清楚地了解這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，那么對(duì)于我們讀懂?dāng)?shù)據(jù)流會(huì)很有幫助。

由于我們大家在數(shù)據(jù)流中得到的是發(fā)動(dòng)機(jī)每秒進(jìn)氣量5.32g/s，所以，我們先要計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)每1秒的進(jìn)氣沖程數(shù)量，這樣，將1s內(nèi)的進(jìn)氣量平均分配到每一進(jìn)氣沖程，就可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)每一進(jìn)氣沖程的進(jìn)氣量數(shù)據(jù)。再按照前面的噴油量計(jì)算公式，帶入相應(yīng)的λ值，就可以得到所需要的燃油質(zhì)量。具體計(jì)算方法如下。

首先，需要根據(jù)下面公式，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)每一進(jìn)氣沖程的進(jìn)氣質(zhì)量。

Am=MAF÷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/2÷T×4

其中：Am—每沖程進(jìn)氣質(zhì)量；MAF—發(fā)動(dòng)機(jī)每秒進(jìn)氣質(zhì)量；T—60s。

根據(jù)上式計(jì)算如下：

1118r/min(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)÷2=559(每分鐘工作循環(huán)數(shù))

559(每分鐘工作循環(huán)數(shù))÷60s=9.316(每秒工作循環(huán)數(shù))

9.316(每秒工作循環(huán)數(shù))×4(汽缸數(shù))=37.26(每秒進(jìn)氣沖程數(shù))

5.32g/s(進(jìn)氣量)÷37.26(每秒進(jìn)氣沖程數(shù))=0.143g(每個(gè)進(jìn)氣沖程進(jìn)入的空氣質(zhì)量)

這樣就可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)進(jìn)氣沖程進(jìn)入的空氣質(zhì)量，然后，根據(jù)噴油量計(jì)算公式，按照目前發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)圍繞理論空燃比的控制方式，代入空燃比14.7，得到發(fā)動(dòng)機(jī)每一進(jìn)氣沖程所需要的燃油質(zhì)量。

0.143g(每個(gè)進(jìn)氣沖程進(jìn)入的空氣質(zhì)量) ÷14.7(空燃比)=0.0097g(每個(gè)進(jìn)氣沖程的燃油質(zhì)量)

這樣，當(dāng)我們知道該形式發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器特性值后，就可以計(jì)算出相應(yīng)的噴油時(shí)間了。

0.0097g(每個(gè)進(jìn)氣沖程的燃油質(zhì)量) ÷0.00345g/ms(噴油量)=2.81ms(噴油時(shí)間)

其中，噴油器特性值是通過廠家提供的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算出來的，其計(jì)算方法如下。

根據(jù)廠家提供的對(duì)2AZ-FE發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器的測(cè)試數(shù)據(jù)是：噴油器15s噴油量為70～73cm3，取其平均值為4.76mL/s，93號(hào)汽油密度0.725g/mL，得到單位噴油時(shí)間為0.00345g/ms(或3.45mg/ms)。

相關(guān)參考公式及參數(shù)如下。汽油容積計(jì)算公式為：V=m/ρ。因季節(jié)氣候不同，汽油的密度會(huì)有略微變化，平均如下：90號(hào)汽油的平均密度為0.72g/mL；93號(hào)汽油的密度為0.725g/mL；97號(hào)汽油的密度為0.737g/mL；-20號(hào)柴油的密度為0.83g/mL。

我們通過上述計(jì)算，可以簡單地了解發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量數(shù)據(jù)與噴油時(shí)間的基本關(guān)系，對(duì)我們維修中，正確了解其數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，有很大的幫助。

通過該數(shù)據(jù)的計(jì)算，還可以加強(qiáng)我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)燃油修正功能的了解。比如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)噴油器堵塞或燃油泵壓力降低時(shí)，我們通過對(duì)進(jìn)氣量信號(hào)數(shù)據(jù)、噴油器數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)的不相符的情況進(jìn)行分析，再結(jié)合短期及長期燃油修正的數(shù)據(jù)，就可以做出進(jìn)氣量正常工噴油時(shí)間過長的結(jié)論，從而推測(cè)可能出現(xiàn)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(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)。

這是豐田普瑞維亞2AZ-FE發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器堵塞的數(shù)據(jù)，該車出現(xiàn)了加速遲緩、動(dòng)力不足的故障。通過對(duì)其數(shù)據(jù)流的讀取，我們得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 噴油器堵塞時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)總結(jié)

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來說，很容易看出數(shù)據(jù)中噴油時(shí)間過長的問題，但造成噴油時(shí)間過長的原因是什么呢？其與燃油修正值之間的關(guān)系又是什么呢？下面我們通過計(jì)算進(jìn)行分析。首先，我們計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)每一進(jìn)氣沖程的空氣量為0.1412g。

892r/min(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)÷2=446(每分鐘工作循環(huán)數(shù))

446(每分鐘工作循環(huán)數(shù))÷60s=7.433(每秒工作循環(huán)數(shù))

7.433(每秒工作循環(huán)數(shù))×4(汽缸數(shù))=29.73(每秒進(jìn)氣沖程數(shù))

4.20g/s(進(jìn)氣量)÷29.73(每秒進(jìn)氣沖程數(shù))=0.1412g(每個(gè)進(jìn)氣沖程進(jìn)入的空氣質(zhì)量)

然后，按照空燃比為14.7進(jìn)行燃油量計(jì)算，得到每沖程需要0.00961g的燃油量。

0.1412g(每個(gè)進(jìn)氣沖程進(jìn)入的空氣質(zhì)量)÷14.7(空燃比)=0.00961 g(每個(gè)進(jìn)氣沖程的燃油質(zhì)量)

再將該發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器特性值代入，得到2.78ms的噴油時(shí)間。

0.0096g(每個(gè)進(jìn)氣沖程的燃油質(zhì)量)÷0.00345g/ms(噴油量)=2.78ms(噴油時(shí)間)

但是，我們大家從數(shù)據(jù)流中看到的實(shí)際噴油時(shí)間為3.9ms，這與根據(jù)當(dāng)前進(jìn)氣量計(jì)算出的噴油時(shí)間相差較大，這中間的增大的噴油時(shí)間又是如何產(chǎn)生的呢？其原因是什么？我們看后續(xù)的計(jì)算就可以明白了。

由于噴油器堵塞導(dǎo)致：

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

2.78 ms(噴油時(shí)間)×(1+33.51%)=3.71ms(噴油時(shí)間)

3.71ms為噴油器通電時(shí)間。電腦按照進(jìn)氣量計(jì)算控制的噴油時(shí)間來噴油時(shí)，由于噴油器堵塞，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)電腦根據(jù)氧傳感器的信號(hào)，確定增加燃油修正量，這使短期燃油修正系數(shù)及長期燃油修正系數(shù)均呈現(xiàn)正值，所以，我們大家就知道為什么發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)流中的實(shí)際噴油時(shí)間要大于計(jì)算出的噴油時(shí)間了。

(未完待續(xù))

(作者焦建剛工作單位：濟(jì)南東方優(yōu)速特汽車服務(wù)有限公司；作者徐剛工作單位：山東交通學(xué)院)