浅谈电喷发动机空燃比的特性

梁亿健

【摘 要】本文简明扼要的阐述了电喷发动机空燃比形成的特性，并且还列举一个维修案例浅析电喷发动机空燃比的故障特性。

【关键词】空燃比；电喷发动机；故障特性；化油器

0 前言

随着我国经济高速发展和人们生活质素的不断提高，私家车的需求量在不断增大。从而导致我们生活的环境质量也在逐渐下降，石油能源也造成了紧张。所以从2000年开始，我国制造的汽车必须是带有电喷发动机的车型，因为电喷发动机可减少破坏生态环境，降低能源消耗。这主要归功于电喷发动机空燃比的形成特性，所以本人认为发动机是汽车的“心脏”，而空燃比又是发动机运行中一个至关重要的“大动脉输血管”，如果空燃比不正常，发动机是无法正常运行。因此，我就从空燃比的形成和空燃比的故障两方面浅谈电喷发动机空燃比的特性。

1 空燃比的简述

1.1 空燃比的概念

空燃比是指进入气缸燃烧的空气的质量与燃油质量之比，用A/F表示。使1kg汽油完全燃烧理论上需要14.7kg空气，此时A/F为14.7，称为理论空燃比。空燃比的大小支配着发动机的经济性﹑动力性和废气中污染物的含量。

1.2 空燃比对发动机动力性﹑经济性的影响

空燃比对发动机动力性﹑经济性的影响见图1所示，当空燃比约为12.5时，由于其燃烧速发动机所产生的转矩最大，故发动机的动力性最好，所以称其为功率空燃比。当空燃比为16时，由于混合气较稀，有利于汽油完全燃烧，并可降低发动机油耗。此时发动机经济性最好，所以又是称其为经济空燃比。

1.3 空燃比对发动机排放的影响

发动机排放中有害气体浓度与空燃比有密切关系，从图2可看出排气中CO的浓度大致上取决于空燃比。当混合气较稀，空燃比在16以上时，空燃比的变化对CO的影响不大，而当空燃比小于16时，随着空燃比的减小，CO的浓度便急剧增加。

HC排放主要取决与燃烧过程中未燃混合气的多少，HC排放在空燃比为17时具有最佳值空燃比。偏离17时HC排放加大。发动机排出的氮氧化物，除少量NO2外，大量是NO，其生成条件是高温富氧。当混合气空燃比为15.5～16时，NO浓度最高，空燃比增大或减小，NO浓度会逐渐降低。由以上分析可以看出CO、HC、NOX随A/F变化的规律也是不一致的，有时是截然相反的。另外排放指标与动力性经济性之间也有矛盾，所以空燃比控制要兼顾各种因素的影响。

1.4 发动机不同工况对空燃比的要求

由于不同的运行工况对发动机工作的稳定性﹑动力性和燃油经济性的要求侧重点不同，所以对混合气的空燃比的要求也有所不同。

（1）稳定工况大致可分为怠速﹑小负荷﹑中等负荷﹑大负荷及全负荷几种情况。怠速工况发动机空负荷运行，废气稀释作用大，为保证混合气正常燃烧，必须供给很浓的混合气，如图3所示A点；小负荷时随节气门开大，稀释作用减小，空燃比沿图3中AB线段逐渐变大；中等负荷时要求供给发动机稀混合气，以获得最佳燃油经济性，这种工况如图3所示BC段，空燃比约为16～17；在大负荷时，要求逐渐加浓混合气满足功率要求，如图3中CD线段实际上节气门全开前所有部分负荷工况都应供给经济混合气，只是在全负荷时节气门已全开，为获得最大功率，必须加浓供给功率混合气，空燃比为13，如图3中D点，从大负荷过渡到全负荷，混合气逐渐加浓。

（2）过渡工况要求的空燃比。汽车实际行驶中发动机经常处于非稳态的过渡工况，负荷或转速随时间不断变化，如冷启动﹑暖机﹑加减速等工况。冷车起动时为保证冷起动顺利，混合气空燃比要减小；暖机阶段也要求浓混合气；直到发动机达到正常温度以正常混合气稳定运转；加﹑减速时，加﹑减速瞬间要适当加浓（切断）混合气以获得良好的加﹑减速过渡性。

综上所述，汽车发动机对空燃比的要求非常严格，特别是过渡工况空燃比影响因素之多，变化范围之大，是难以想象的，只有采用微机控制空燃比才能满足其要求。

2 空燃比的形成

首先讲述化油器式发动机空燃比的形成，从图4（a）中可看出，它是利用空气流经节气门上方喉管处产生的真空度，将燃油从浮子室中连续吸出且进行混合，形成一定空燃比混合气被吸人气缸内燃烧作功，使发动机运转。

由于化油器的结构比较简单，早期一直用于汽油发动机。近年来，为了满足燃料动力性、经济性、排放性不断提高的要求，采用了各种化油器辅助补偿装置，已使化油器成为一个很复杂的系统，并且向气缸充气和空燃比混合气的分配并不理想，影响发动机的动力性和经济性的提高，对达到排放要求很不利。所以为了替代化油器，开发了EFI（即Electronic Fuel Injection，电子燃油喷射）系统。把它装在发动机上，变成现在的电喷发动机。这个系统是利用多种传感器检测发动机状态，经过计算机的判断计算，使发动机在各种工况下均能获得合适的空燃比，所以可有效地提高和改善发动机的动力性、经济性，达到排气净化的目的。

既然知道了，从早期化油器式发动机如何演变成现代电喷发动机。那就开始讲述电喷发动机空燃比的形成，从图4（b）中可看出，它是根据直接或间接测量的空气进气量，确定燃烧所需的汽油量，并通过控制喷油器开启时间来进行精确配制，使一定量的汽油以一定压力燃油通过喷油器喷射到发动机的进气道或气缸内，并与相应空气形成一定空燃比可燃混合气。

3 空燃比的故障特性

从以上可知道，电喷发动机空燃比的故障特性肯定与化油器式发动机不同，那就先简单介绍化油器式发动机空燃比的故障特性，由此来进入电喷发动机空燃比故障特性的浅析。

化油器式发动机空燃比的故障特性可以从它空燃比的形成来讲述，故障特性主要是由一些重要部件造成，如化油器（喉管、喷管、浮子、针阀、各种量孔、节气门等各种辅助补偿装置）、空气滤清器、供油系的各部件。从故障特性知道化油器个头不大，但内部综合了这么多的系统，结构就变得由为复杂。为保证化油器能经常地正常工作，所以对它的定期维护保养是非常重要的。

而电喷发动机空燃比的故障特性又如何呢？首先从它电控方面分析，电喷系统的基本原理是通过位于各部位的传感器，将所采集到的信息反馈输入到一个微电脑（ECU）中进行处理，并由它发出指令来控制混合气中空气与燃油的比例，使所供给一定空燃比的混合气能适应发动机在各种工况的需要。因而从电喷系统的基本原理可了解有以下电控元件影响电喷发动机的空燃比。

空气流量传感器：它安装在空气滤清器与节气门体之间的进气道上，用来测量进入发动机汽缸的空气量，并将进气量转换成电信号输送给ECU，ECU根据该信号和内存的空燃比进行比较计算，以确定即时的供给发动机喷油量和点火正时的角度。

进气歧管绝对压力传感器：它安装在节气门的后方，其功用是通过检测发动机负荷变化时进气歧管内的绝对压力，并将其变化状态转换为电信号输送给发动机电子控制器ECU，ECU作为基本喷油量的依据。

进气温度传感器：检测吸入发动机的空气温度，转换成电信号送给ECU，ECU作为修正喷油量的依据。

水温度传感器：安装在发动机节温器出水口附近，检测发动机冷却水的温度，转换成电信号送给ECU，ECU作为控制供油加浓量、点火正时和怠速的依据

节气门位置传感器：安装在节气门轴上，与驾驶员加速踏板联动。它是将节气门的开度转换为电信号输送给ECU，作为ECU判断发动机运转工况的依据，并通过改变进气道截面积，控制发动机运转工况。

怠速空气控制阀：它位于节气门体上，根据发动机负荷的不同来控制发动机通过的空气量，使发动机能怠速转速防止熄火。

大气压力传感器：它安装在ECU内，用来测量大气压力，大气压力此信号用于对喷油量进行修正。

电控燃油泵：它安装在油箱内，受ECU控制，向发动机提供一定压力的燃油。

喷油器：它安装在各缸的进气歧管上，受ECU控制，打开喷油孔，喷射出一定压力雾状的燃油。

废气再循环控制（EGR）阀：受ECU控制，在发动机工作时将一部分废气引入进气管，并与新鲜空气混合后吸入气缸内再次进行燃烧。

氧传感器：它安装在排气管上，用来检测排气中氧分子的浓度。排气中氧气分子的浓度取决于混合气的空燃比：当混合气浓于理论值（即空燃比小于14.7：1）时，在燃烧过程中氧分子被全部耗尽，排气中没有氧分子；当混合气稀于理论值（即空燃比大于14.7：1）时，在燃烧过程中氧分子未能全部耗尽，排气中含有氧分子。混合气越稀，排气中的氧分子浓度就越大。因此，氧传感器发出的信号间接地反映了混合气空燃比的高低。ECU按氧传感器的反馈信号，对喷油量的计算结果进行修正，使混合气的空燃比更接近于理论空燃比。这种用氧传感器控制空燃比的方式叫电喷系统闭环控制。闭环控制的空燃比应当控制在理论空燃比附近的很窄范围内，因此，对于特殊运行工况（如启动、加速及全负荷等需要加浓混合气的工况）仍需采用开环控制。对于几种特殊工况，电脑将根据工况信号，按事先设定的程序控制电磁喷油器增加喷油量，使混合气加浓，从而提高发动机的工作性能。由此可见，汽车燃油喷射式发动机电子控制系统采用的控制方式，实际上是开环控制与闭环控制相结合的混合控制方式。

从以上各元件安装位置和功用的叙述，可知道如果元件损坏或它相连线束有问题，将会影响电喷发动机空燃比，这些故障基本都有故障码显示，一般维修人员都容易查找。但有一些影响空燃比的故障，是没有故障码显示，就比较难查找故障原因，下面就列举维修实例进行分析。

我在维修工作中遇到一辆96款丰田佳美，发动机型号为SXV10，装备5S-FE型4缸多点喷射发动机。它的故障现象是，发动机在怠速、中高速运转正常。只是在节气门开大的初始阶段，发动机出现故障，即车辆行驶中，每踏一次油门踏板，车辆就发生一次闯动。进厂前更换过火花塞，做过免拆清洗，故障依旧，故障灯不亮。

进行故障诊断排除，先调故障码，故障码为正常闪烁，说明电控系统正常。再检查点火系统，火花塞正常，高压线也正常。用点火正时灯检查，将卡头分别卡到各线上，怠速时观察正时灯闪亮情况，各缸点火正常，加速发动机抖动时无断火现象，点火提前角也正常。当拔下进气管上的某个真空软管时，怠速转速提高，由于拔掉真空软管放进一些新鲜空气时，燃烧状况改善。于是决定拆洗节气门体和怠速阀，当拆下节气门体后，发现节气门两侧有较厚胶质积聚，厚度近1mm。清洗节气门体和怠速阀后，装回试车，故障排除。

故障排除后，对故障进行分析，认为由于是在节气门开启初期，虽然节气门开度已经增大，但因两侧被积炭堵塞，空气流量不能随节气门开大而立即增大；然后此时节气门位置传感器却已把节气门开度信号传给ECU，随即增加了喷油量，因此，在节气门开启初始阶段空燃比失调。由于混合气过浓，燃烧不完全，致使发动机动力输出失常而出现抖动，直到节气门开度增大到越过积炭部位后，才逐渐恢复正常。

经过对维修实例浅析，得出电喷发动机空燃比的故障特性是，不但有电控方面的原因，也有电控系统检测不到机械方面的原因，那就需要维修人员仔细查找了。

4 结束语

综合全文所述，可以知道电喷发动机空燃比的特性是不同于化油器式发动机的，化油器式发动机的空燃比是由机械方面控制的，而电喷发动机空燃比是由电控系统为主，机械方面为辅来进行控制的。所以电喷发动机在各种工况下均能获得合适的空燃比，可有效地提高和改善发动机的动力性、经济性，达到排气净化的目的。但出现故障后就需要维修人员仔细查找了。上述的一些粗浅体会，供同行们参考，希望能得到大家的认同。

[责任编辑：王楠]