正确理解电控汽油发动机进气量与喷油量的关系(上)

◆文/山东 焦建刚 徐 刚

正确理解电控汽油发动机进气量与喷油量的关系(上)

◆文/山东 焦建刚 徐 刚

车辆检修过程中，针对某一故障现象，如何将读取的发动机数据与实际故障原因联系到一起，是我们很多技术人员比较头痛的一件事情。在我们遇到发动机怠速不稳、加速不良、动力不足等故障时，经常面临不能找出数据流中的异常数据，无法确定故障原因的问题。这其中，最为困难的是判断空气流量传感器的数据是否正常、喷油量的数据是否正常等问题。如何理解各数据之间的关系，如何能够通过数据来做出正确的故障判断是我们下面将要探讨的主要内容。

在实际的维修作业中，我们遇到进气流量信号超出正常值、节气门开度偏大、喷油量信号过大、发动机转速正常的数据时，一般维修人员很可能会从更换空气流量传感器开始维修作业，经过多次波折后，可能才会发现真正的故障原因，而很多时候，故障的原因与我们所换的零件没有直接关系。没有直接关系的零件，为什么会出现数据偏差较大的情况呢？这就与不同车辆的控制方式有关系了。

一、发动机工作过程分析

对发动机的工作过程有一个全面的了解，是深入理解领会发动机各数据之间关系的前提。首先，如图1所示，我们将发动机的整个工作过程分为三部分：发动机前端、中端以及发动机后端。

发动机前端：由各种传感器(氧传感器除外)、执行器、进气系统、燃油系统组成。

发动机中端：由发动机机械本体、点火系统组成。

发动机后端：由排气系统、催化转化器、以及检测排气中氧浓度的氧传感器(或空燃比传感器)组成。

围绕进入汽缸的空气，电脑通过曲轴位置传感器提供的发动机转速、空气流量传感器的进气量信号来确定基本燃油喷射时间以及基本点火提前角度。然后，再根据其余各传感器的信号，如冷却液温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器(或加速踏板位置传感器)等来对基本燃油喷射时间作出修正，以达到准确控制的目的。同时，在燃油系统良好的情况下，发动机ECU指令喷油器作出一定脉宽的打开动作，以将燃油喷入进气歧管，并和空气混合，进入汽缸。

在发动机中端，在机械部分良好、汽缸密封良好、配气机构工作正常的情况下，进入汽缸的空气和燃油的混合汽，在合适的时刻被工作良好的次级火花点燃，混合汽燃烧作功，输出功率。

在发动机后端，汽缸内燃烧完毕的混合汽，形成废气进入排气管。这其中包含了各种各样的气体成分，但比较重要的是O2、CO、CO2、NOX等废气。这时候，装置在排气管上的氧传感器就开始大展用途了。由于前面进入汽缸的混合汽是由发动机ECU根据各种传感器得到的数据，经计算后得出的理论喷油量，而这个喷油量究竟与实际进气量相不相符，ECU本身并不知道。如果打个比方的话，我们可以将发动机ECU作出的喷油量指令认为是一个类似于天气预报的行为，是带有预测性、主观性的行为，是发动机ECU单方面的行为。而排气系统中的氧传感器起的是监察、监控的作用，这个过程的示意图如图2所示。

氧传感器根据排气中氧原子数量的多少，与大气中氧含量进行比较，从而得出混合汽是稀还是浓的情况汇报。

因为有了氧传感器这个“监察员”，所以发动机ECU可以放心地工作。比如，当空气流量传感器的热线由于空气中的灰尘脏污，导致检测的进气量小于正常值时，发动机ECU依据进气量信号给出的喷油信号，就会过少，导致系统混合汽过稀，这样，排气中就会有多余的氧出现，氧传感器电压就会小于0.45V。此时，发动机ECU根据氧传感器的信号，就知道混合汽过稀的情况，从而做出增加喷油量的指令，直到氧传感器的电压变化恢复到0.1～0.9V之间。这种对燃油喷射量的修正，就称之为短期燃油修正，如果短期燃油修正值持续较长时间超过3%，就会引起另外一个修正值——长期燃油修正值的变化。

同样，如果是燃油系统出现故障，比如，汽油泵压力低或喷油器堵塞，也会出现排气中氧含量增加的情况，这样，发动机ECU只要相应增加燃油喷射量，就可以使混合汽达到规定范围。但是还是会有发动机急加速时，混合汽偏稀导致加速不良的状况出现。

另外，虽然氧传感器忠实地坚守岗位，不断地向发动机ECU报告排气中氧原子的含量，以使发动机ECU对燃油喷射量做出最佳调节。但是，请不要忘记，发动机是一个由机械、电子、燃油、进气、排气等多系统组成的产物。排气中氧原子数量的变化，并不仅仅受电控系统传感器、执行器，或者燃油压力、喷油器状况等少数几个因素影响，它还被很多其他因素所左右。比如，点火系统的状况、汽缸压力、进气系统以及排气系统等众多因素对其均有影响。并且，在这些因素中，根据对发动机的影响不同，还分为个体性问题以及公共性问题。

比如，单个不良的火花塞、单独损坏的喷油器、某缸汽缸密封不良等。相对于个体性问题，还有公共性问题，比如，系统供电电压不良、偏离特性的传感器、排气管堵塞、油泵压力低等。这些不同的问题，给发动机带来的故障现象有时相似、有时又有较大差异。但是无一例外，对于氧传感器来讲，或者说对于发动机ECU来说，都不具备鉴别上述故障的能力，所以发动机ECU会不顾实际情况如何，只是单纯地在燃油喷射量上“做文章”(图3)。

比如，某4缸发动机，由于火花塞故障，出现单缸失火现象时，排气中氧含量较多，氧传感器电压低于0.45V，发动机ECU会认为是整个系统混合汽稀，解决的方法，是所有喷油器都增加喷油量。这样，从氧传感器的反馈结果看，可能是使排气中的氧原子含量部分得到降低，但是实际情况呢？是正常工作的汽缸会由于混合汽过浓，而工作不良。最终的后果，本来只有一个汽缸工作不良，但发动机反馈控制的结果是使所有汽缸均工作不良了。

常有这样的情况发生，某车的发动机工作不稳定，断开蓄电池线后，再连接，发动机就会正常工作一段时间，接着，又会出现工作不良的现象。大家仔细想想，上面的情况是不是和个体性故障造成系统失常的情况很相像。

二、喷油量的计算方法

发动机各相关数据之间到底有什么样的联系呢？首先我们就要从发动机进气量与喷油量之间的关系来进行分析。而对于常规汽油发动机来说，按其检测进气量的方式不同分为L型与D型两种，下面，我们就以L型控制系统为例进行说明。

燃油测量系统要精确地控制发动机各个工况的喷油量，必须首先测量进气量，然后根据下面的公式得出喷油量。

式中：Fm—喷油量；Am—进气质量；λ—相应的空燃比。

其中进气质量可由下面的公式得到。

式中：AV—所进空气容积率；Ad—空气密度。

根据上面的燃油喷射量计算公式，结合L型发动机的进气量检测方式，可以计算出发动机每一次工作循环的燃油喷射量。

下面以丰田普瑞维亚2AZ-FE发动机为例，来说明进气量与燃油喷射量之间的关系。

图4中，发动机转速为1118r/min，进气量为5.32g/s，节气门开度为19.5%，喷油量为2.9ms。这些数据之间有什么样的关系呢？尤其是喷油量与进气量之间的关系，如果我们能够清楚地了解这些数据之间的关系，那么对于我们读懂数据流会很有帮助。

由于我们大家在数据流中得到的是发动机每秒进气量5.32g/s，所以，我们先要计算出发动机每1秒的进气冲程数量，这样，将1s内的进气量平均分配到每一进气冲程，就可以得到发动机每一进气冲程的进气量数据。再按照前面的喷油量计算公式，带入相应的λ值，就可以得到所需要的燃油质量。具体计算方法如下。

首先，需要根据下面公式，计算发动机每一进气冲程的进气质量。

Am=MAF÷发动机转速/2÷T×4

其中：Am—每冲程进气质量；MAF—发动机每秒进气质量；T—60s。

根据上式计算如下：

1118r/min(发动机转速)÷2=559(每分钟工作循环数)

559(每分钟工作循环数)÷60s=9.316(每秒工作循环数)

9.316(每秒工作循环数)×4(汽缸数)=37.26(每秒进气冲程数)

5.32g/s(进气量)÷37.26(每秒进气冲程数)=0.143g(每个进气冲程进入的空气质量)

这样就可以得到发动机每一个进气冲程进入的空气质量，然后，根据喷油量计算公式，按照目前发动机管理系统围绕理论空燃比的控制方式，代入空燃比14.7，得到发动机每一进气冲程所需要的燃油质量。

0.143g(每个进气冲程进入的空气质量) ÷14.7(空燃比)=0.0097g(每个进气冲程的燃油质量)

这样，当我们知道该形式发动机的喷油器特性值后，就可以计算出相应的喷油时间了。

0.0097g(每个进气冲程的燃油质量) ÷0.00345g/ms(喷油量)=2.81ms(喷油时间)

其中，喷油器特性值是通过厂家提供的发动机喷油器试验数据推算出来的，其计算方法如下。

根据厂家提供的对2AZ-FE发动机喷油器的测试数据是：喷油器15s喷油量为70～73cm3，取其平均值为4.76mL/s，93号汽油密度0.725g/mL，得到单位喷油时间为0.00345g/ms(或3.45mg/ms)。

相关参考公式及参数如下。汽油容积计算公式为：V=m/ρ。因季节气候不同，汽油的密度会有略微变化，平均如下：90号汽油的平均密度为0.72g/mL；93号汽油的密度为0.725g/mL；97号汽油的密度为0.737g/mL；-20号柴油的密度为0.83g/mL。

我们通过上述计算，可以简单地了解发动机进气量数据与喷油时间的基本关系，对我们维修中，正确了解其数据关联，有很大的帮助。

通过该数据的计算，还可以加强我们对发动机燃油控制系统燃油修正功能的了解。比如，当发动机出现喷油器堵塞或燃油泵压力降低时，我们通过对进气量信号数据、喷油器数据之间出现的不相符的情况进行分析，再结合短期及长期燃油修正的数据，就可以做出进气量正常工喷油时间过长的结论，从而推测可能出现的喷油器堵塞或燃油泵压力低的故障。图5是一组喷油器堵塞时的发动机数据。

这是丰田普瑞维亚2AZ-FE发动机喷油器堵塞的数据，该车出现了加速迟缓、动力不足的故障。通过对其数据流的读取，我们得到如表1所示的数据。

表1 喷油器堵塞时的发动机数据总结

对于有经验的技术人员来说，很容易看出数据中喷油时间过长的问题，但造成喷油时间过长的原因是什么呢？其与燃油修正值之间的关系又是什么呢？下面我们通过计算进行分析。首先，我们计算出发动机每一进气冲程的空气量为0.1412g。

892r/min(发动机转速)÷2=446(每分钟工作循环数)

446(每分钟工作循环数)÷60s=7.433(每秒工作循环数)

7.433(每秒工作循环数)×4(汽缸数)=29.73(每秒进气冲程数)

4.20g/s(进气量)÷29.73(每秒进气冲程数)=0.1412g(每个进气冲程进入的空气质量)

然后，按照空燃比为14.7进行燃油量计算，得到每冲程需要0.00961g的燃油量。

0.1412g(每个进气冲程进入的空气质量)÷14.7(空燃比)=0.00961 g(每个进气冲程的燃油质量)

再将该发动机喷油器特性值代入，得到2.78ms的喷油时间。

0.0096g(每个进气冲程的燃油质量)÷0.00345g/ms(喷油量)=2.78ms(喷油时间)

但是，我们大家从数据流中看到的实际喷油时间为3.9ms，这与根据当前进气量计算出的喷油时间相差较大，这中间的增大的喷油时间又是如何产生的呢？其原因是什么？我们看后续的计算就可以明白了。

由于喷油器堵塞导致：

13.24%(长期修正系数)+20.27%(短期修正系数)=33.51%(燃油修正系数)

2.78 ms(喷油时间)×(1+33.51%)=3.71ms(喷油时间)

3.71ms为喷油器通电时间。电脑按照进气量计算控制的喷油时间来喷油时，由于喷油器堵塞，导致单位时间内的实际喷油量减少，混合汽偏稀，尾气中的氧原子含量较高。因此，发动机电脑根据氧传感器的信号，确定增加燃油修正量，这使短期燃油修正系数及长期燃油修正系数均呈现正值，所以，我们大家就知道为什么发动机数据流中的实际喷油时间要大于计算出的喷油时间了。

(未完待续)

(作者焦建刚工作单位：济南东方优速特汽车服务有限公司；作者徐刚工作单位：山东交通学院)