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电控发动机进气系统与其真空泄漏对发动机的影响
本文将阐述电控发动机进气系统结构组成及其主要部件的功能.此外,文章还将详细剖析进气系统各段真空泄漏对发动机的影响.
一、电控发动机进气系统
1．L型系统和D型系统
现代汽车电控发动机利用活塞快速腾位形成真空吸力,利用大气压力（增压发动机外加压力大于一个大气压）的推进作用,将空气泵吸送入汽缸,完成吸气过程.空气在流过进气管道过程中,必须克服进气管道结构构件和功能部件所形成的重重阻力,并且需要在极有限的时间内形成较高的速度,尽可能多地冲入汽缸.与此同时,相关功能部件需要对进入的空气进行清洁、计量和数量控制.
空气滤清器对进入的空气完成清洁.进入空气量的控制由节气门及其旁通道上的怠速控制装置（电子节气门没有旁通道）来完成.空气量的计量有直接和间接两种方法.直接法是利用空气流量传感器(AFS)直接测定出空气流量从而进行燃油定量,称为L型电控发动机,其电控系统简称为L型系统,如图1所示.间接法是通过进气歧管绝对压力传感器(MAP)测定出进气歧管绝对压力,再结合发动机转速间接地确定吸入的空气量从而进行燃油定量,称为D型电控发动机,其电控系统简称为D型系统,如图2所示.
2．空气滤清器
空气冲过空气滤清器滤芯微孔气隙,过滤掉悬浮于空气中的颗粒杂质,减少汽缸、活塞、活塞环、气门和气门座的早期磨损,同时进气系统上功能部件的测量和控制精度也需要较为干净的空气作保证,洁净的空气还使得进气管道长期保持干净、通畅和有效.
3.进气温度传感器
进气温度传感器内有一个负温度系数的热敏电阻,该电阻与发动机电控单元(ECU)内的一个固定电阻相串联组成分压电路,ECU给分压电路提供5V电源.进气温度上升／下降,热敏电阻阻值则下降／上升,热敏电阻上的电压也随之下降／上升.热敏电阻上的电压与进气温度高低具有一一对应关系,因此ECU根据热敏电阻上电压便可推知进气温度高低.
D型系统和体积流量型AFS确定空气量需要用进气温度传感器信号进行校正.进气温度传感器通常安装在空气滤清器之后的软管上,也有一些集成于AFS内或MAP内的,还有一些设置在空气滤清器壳体上的.
4．空气流量传感器(AFS)
AFS通常设置在空气滤清器之后,节气门之前.当空气高速流过AFS时,AFS将空气流量转换成电信号（电压或频率）送入ECU,ECU的燃油定量控制系统根据测定的空气流量再结合发动机转速和汽缸数,算出每缸每循环吸入的空气量,之后通过控制喷油器的喷油脉宽配以相应的每循环燃油量,完成混合汽空燃比的配置(A/F).AFS信号是发动机的负荷信息,主要用于燃油定量和点火正时控制.
式和热模式AFS可以直接测定质量空气流量,直接用于A/F配置,同时测量结果不受空气压力影响,且流动阻力小、测量精度高、性能优,得到了广泛应用.叶片式和卡门旋涡式AFS测定的是体积空气流量,测出体积空气流量后,必须乘以空气密度转换成质量空气流量才能用于A/F配置,而空气密度与温度和压力有关,进气温度和压力还需要相应的传感器测定,这些中间环节都会带来误差,影响最终精度.叶片式和卡门旋涡式AFS用于早期电控发动机,现已淘汰.
5．进气歧管绝对压力传感器(MAP)
在早期发动机上,MAP通常做成一个元件装在ECU上或设置在进气歧管附近的缸盖或缸体上,用真空软管与进气歧管相连接.现在发动机直接将MAP装在进气歧管上,省去真空软管避免可能出现的真空泄漏,这样的设计最为合理.
每缸每循环吸入的空气量与进气歧管绝对压力、发动机转速具有确定的函数关系,预先通过试验得出既定发动机在标准状态下的函数关系,将此函数关系预存入ECU,在发动机实际运行中,根据测定的进气歧管绝对压力和发动机转速对号入座查出相对应的每缸每循环吸入的空气量,再根据当下的进气温度进行校正,然后通过控制喷油器的喷油脉宽配以相应的每循环燃油量,完成A/F的配置.MAP信号是发动机的负荷信息,作为负荷信息除了主要用于燃油定量和点火正时控制外,有的发动机电控系统还用于故障自诊断系统和废气再循环(EGR)的反馈信号.
6．节气门体组件
节气门体组件是进气系统的重要部件,它除了要完成进气量控制和怠速控制外,还要把控制进气量的进程转换成电信号传给EGU.节气门体组件上设置有节气门、节气门位置传感器(TPS)以及怠速控制装置.汽车行驶过程中,需要实时调节发动机输出功率来满足汽车行驶负荷变化的要求,通过改变节气门开度的大小控制吸入的空气量,从而调节发动机输出功率,实现发动机输出功率与行驶负荷的即时匹配.
节气门开度的大小由TPS测定.TPS是一种转角电位计,电位计轴与节气门轴等量转动,将节气门转角（开度）转换成电压信号送给ECU,为ECU提供负荷范围（全负荷、部分负荷、怠速）信息,ECU还可以由此生成过度工况变化（加速工况的急或缓、减速工况的急或缓）信息.TPS信号既是发动机负荷信息．又是汽车工况信息.
TPS信息主要用于过度工况时燃油定量控制、点火正时控制的优化.TPS信息作为负荷信息之一,当电控系统其他负荷信息传感器(AFS或MAP)出现故障时,TPS信息替代负荷信息,维持汽车的基本运行.另外,TPS信号还是自动变速器换挡规律的主控制信号之一.
二、进气系统真空泄漏对发动机的影响
对于自然吸气多缸发动机,各缸活塞在吸气行程快速腾位,加上进气系统不通畅,空气不能在有限时间内完全补充腾位,进气系统的真空环境就是这样形成.
空气滤清器对空气流有阻力,空气滤清器之后已形成一定的真空度,节气门对空气流的阻挡更大,节气门之后的真空度就更高,进气门对空气流的阻挡最大,汽缸内的真空度最高.进气系统的真空度就是这样顺流而上步步高.通常如果没有特别说明,发动机真空度指的是节气门之后进气门之前这一段内的真空度,即进气歧管真空度.本文所述进气系统真空泄漏指的是整个进气系统,包括汽缸.
凡是进入汽缸内的空气,必须是经过空气滤清器滤清、AFS或MAP计量和节气门控制三个环节才“合法”,缺少任一环节而进入汽缸内的空气或气体都为“非法”气体.至于EGR系统、曲轴箱强制通风(PCV)系统、燃油蒸发排放控制(EVAP)系统引入进气系统的气体,已纳入ECU控制系统予以补偿,另当别论,不在此列.在发动机实际运用中,因进气管道破裂、真空软管破损、密封件老化等问题,导致部分气体不经滤清或不经计量或不受控制甚至直入汽缸,种种进气系统真空泄漏,都会影响发动机的正常运行,严重者会使发动机无法工作.进气系统真空泄漏对发动机影响的程度,因泄漏部位和泄漏量以及发动机电控系统类型而异.
为了论述方便,如图1、图2所标注,将进气系统分为A、B、C、D四段.空气滤清器之后到AFS为A段,AFS之后到节气门为B段,节气门之后到进气门为C段,进气门之后到活塞平面之上为D段.显然,D型系统没有B段,只有A、C、D三段.
1．A段真空泄漏对发动机的影响
A段真空泄漏,“非法”气体既受节气门控制又经AFS或MAP计量,对L型系统和D型系统f空气滤清器之后到节气门为A段）的影响是相同的.在前期不会对发动机运行产生明显故障性影响,长期运行危害极大.其危害体现在两个方面.
—方面,未经滤清的空气携带着粉尘被吸入进气系统,污染节气门和燃烧室,加快汽缸磨损,加速排气道阻塞,如三元器阻塞.显然,这是一个渐行渐变由量变到质变的过程.前期可能悄无声息,无异常现象,随着日积月累,节气门被异物覆盖,节气门开度与TPS信号严重失调,燃烧室异物占位使实际压缩比大于设计压缩比,汽缸密封性下降,三元器堵塞.可见,无论哪一条,发动机都无法正常远行.B、C、D段真空泄漏也会带来如此危害.
另一方面,这部分“非法”气体不经空滤器的滤阻而轻易进入进气系统,因其没有受到既定必要的阻力,从理论上讲,一定会打破发动机控制系统原有的最佳平衡控制点,通常A/F闭环控制系统能予以补偿,对发动机正常运行影响很小.有案例表明,当A段真空泄漏达到一程度时,有的发动机会产生怠速周期性抖动,其他启动、加速、运行工况都正常.
2.8段真空泄漏对发动机的影响
对于L型系统,“非法”气体未经AFS计量但受节气门控制.B段真空泄漏,AFS信号对应的空气流量相对当下B段的实际真空度为小.目前,ECU对此AFS信号为小的失真信号,未设置诊断及补偿机制,ECU对此毫无所知,仍以AFS为小的失真信号按既定程序予以燃油定量.显然,A/F配制过稀.若真空泄漏量小,A/F闭环控制系统能予以补偿,若真空泄漏量较大,出了A/F闭环控制系统的调节范围,就不能将过稀的A/F调回来.过稀的A／F导致发动机怠速不稳、加速无力、起步熄火、回火等故障.自诊断系统有故障码生成,通常报A／F过稀、AFS信号不良等故障码.
3.C段真空泄漏对发动机的影响
对L型系统,C段真空泄漏,非法气体既不受节气门控制又未经AFS计量.直接导致A/F过稀,其危害如前所述.对D型系统,C段真空泄漏,非法气体不受节气门控制但经MAP计量,与节气门之前真空泄漏相比,给发动机带来更为严重的危害,其危害体现在两个方面.
一方面,TPS和MAP信号失去原有既定的一一对应关系,从根本上破坏了ECU的基本控制,导致发动机偏离最佳点运行,表现为动力下降、油耗上升等不危及汽车行驶的较为隐性故障.
另一方面,怠速失控.“非法”气体未被怠速控制系统控制（以下简称为怠控系统）,而被MAP正常计量,ECU对于MAP为大的失真信号毫不知情,仍以MAP为大的失真信号按既定程序予以燃油定量.显然,A/F配制本身无可挑剔,但混合汽量的增大,使怠速升高.若真空泄漏量小,怠控系统可调回正常怠速.随着真空泄漏量增大,怠控系统调到最小仍调不回来,怠速继续升高.若ECU无减速断油功能,怠速随真空泄漏量增大而继续升高以致于出现飞车现象.若ECU有减速断油功能,当怠速升高到断油转速时,怠速因断油而下降,当怠速下降到恢复供油转速时,怠速因供油而上升,如此循环,产生游车现象.
4．D段真空泄漏对发动机的影响
D段真空泄漏对发动机的影响最致命.“非法”气体无滤清、无计量、无控制直接侵入汽缸,其途径有三.其一,活塞与汽缸间隙处.活塞环和汽缸严重磨损、活塞环粘结以及拉缸,都会造成在吸气行程,曲轴箱内气体被直接吸入汽缸；其二,汽缸垫密封处.汽缸垫松动、烧损、冲损,都会造成吸气行程空气被直接吸入汽缸；其三,排气门密封面.排气门密封面因积碳、严重磨损等,都会造成吸气行程废气回流被吸入汽缸.发动机技术状况一旦恶化到如此程度,就根本无法运行.
三、结语
1．建立进气系统大物理空间的概念.自空气滤清器入口一路顺流而下直至燃烧室为纵向空间,横向空间为取用发动机真空度的那些真空软管管道,真空软管走到何处,则横向空间就延伸到何处.
2纵向空间真空泄漏主要部位.管道破裂或破损、管道连接处、进气歧管与缸盖结合面、汽缸垫密封面、活塞与汽缸摩擦面.
3．横向空间真空泄漏情况.真空软管无论延伸到哪里必须是条“死胡同”,通常其尽头连接真空执行器（装置）.真空软管和真空执行器膜片破损导致真空泄漏较为常见.另外,PCV、EGR和EVAP三个系统都有管道与进气歧管相连接,三个系统出现相关故障或真空管道破损都会导致真空泄漏.
4．发动机在运行中,凡是进入进气系统的空气或其他气体,都必须是发动机预先设计的,即ECU可以控制的.否则,都是本文所探讨的进气系统真空泄漏或“非法”气体.
5．进气系统真空泄漏对发动机的主要影响.对L型系统,使A／F过稀,主要故障现象：怠速不稳,加速无力,起步时易熄火.对D型系统,A/F配制无误,混合汽量与怠速工况不匹配,主要故障现象：怠速过高或怠速游车.
（作者王良斌工作单位：焦作大学）
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