電控發動機進氣系統及其真空泄漏對發動機的影響

◆文/河南 王良斌

電控發動機進氣系統及其真空泄漏對發動機的影響

◆文/河南 王良斌

本文將闡述電控發動機進氣系統結構組成及其主要部件的功能。此外，文章還將詳細剖析進氣系統各段真空泄漏對發動機的影響。

一、電控發動機進氣系統

1.L型系統和D型系統

現代汽車電控發動機利用活塞快速騰位形成真空吸力，利用大氣壓力(增壓發動機外加壓力大于一個大氣壓)的推進作用，將空氣泵吸送入汽缸，完成吸氣過程?？諝庠诹鬟^進氣管道過程中，必須克服進氣管道結構構件和功能部件所形成的重重阻力，并且需要在極有限的時間內形成較高的速度，盡可能多地沖入汽缸。與此同時，相關功能部件需要對進入的空氣進行清潔、計量和數量控制。

空氣濾清器對進入的空氣完成清潔。進入空氣量的控制由節氣門及其旁通道上的怠速控制裝置(電子節氣門沒有旁通道)來完成?？諝饬康挠嬃坑兄苯雍烷g接兩種方法。直接法是利用空氣流量傳感器(AFS)直接測定出空氣流量從而進行燃油定量，稱為L型電控發動機，其電控系統簡稱為L型系統，如圖1所示。間接法是通過進氣歧管絕對壓力傳感器(MAP)測定出進氣歧管絕對壓力，再結合發動機轉速間接地確定吸入的空氣量從而進行燃油定量，稱為D型電控發動機，其電控系統簡稱為D型系統，如圖2所示。

圖1 L型電控發動機進氣系統結構原理示意圖

圖2 D型電控發動機進氣系統結構原理示意圖

2.空氣濾清器

空氣沖過空氣濾清器濾芯微孔氣隙，過濾掉懸浮于空氣中的顆粒雜質，減少汽缸、活塞、活塞環、氣門和氣門座的早期磨損，同時進氣系統上功能部件的測量和控制精度也需要較為干凈的空氣作保證，潔凈的空氣還使得進氣管道長期保持干凈、通暢和有效。

3.進氣溫度傳感器

進氣溫度傳感器內有一個負溫度系數的熱敏電阻，該電阻與發動機電控單元(ECU)內的一個固定電阻相串聯組成分壓電路，ECU給分壓電路提供5V電源。進氣溫度上升/下降，熱敏電阻阻值則下降/上升，熱敏電阻上的電壓也隨之下降/上升。熱敏電阻上的電壓與進氣溫度高低具有一一對應關系，因此ECU根據熱敏電阻上電壓便可推知進氣溫度高低。

D型系統和體積流量型AFS確定空氣量需要用進氣溫度傳感器信號進行校正。進氣溫度傳感器通常安裝在空氣濾清器之后的軟管上，也有一些集成于AFS內或MAP內的，還有一些設置在空氣濾清器殼體上的。

4.空氣流量傳感器(AFS)

AFS通常設置在空氣濾清器之后，節氣門之前。當空氣高速流過AFS時，AFS將空氣流量轉換成電信號(電壓或頻率)送入ECU，ECU的燃油定量控制系統根據測定的空氣流量再結合發動機轉速和汽缸數，算出每缸每循環吸入的空氣量，之后通過控制噴油器的噴油脈寬配以相應的每循環燃油量，完成混合汽空燃比的配置(A/F)。AFS信號是發動機的負荷信息，主要用于燃油定量和點火正時控制。

熱線式和熱模式AFS可以直接測定質量空氣流量，直接用于A/F配置，同時測量結果不受空氣壓力影響，且流動阻力小、測量精度高、性能優，得到了廣泛應用。葉片式和卡門旋渦式AFS測定的是體積空氣流量，測出體積空氣流量后，必須乘以空氣密度轉換成質量空氣流量才能用于A/F配置，而空氣密度與溫度和壓力有關，進氣溫度和壓力還需要相應的傳感器測定，這些中間環節都會帶來誤差，影響最終精度。葉片式和卡門旋渦式AFS用于早期電控發動機，現已淘汰。

5.進氣歧管絕對壓力傳感器(MAP)

在早期發動機上，MAP通常做成一個元件裝在ECU上或設置在進氣歧管附近的缸蓋或缸體上，用真空軟管與進氣歧管相連接?，F在發動機直接將MAP裝在進氣歧管上，省去真空軟管避免可能出現的真空泄漏，這樣的設計最為合理。

每缸每循環吸入的空氣量與進氣歧管絕對壓力、發動機轉速具有確定的函數關系，預先通過試驗得出既定發動機在標準狀態下的函數關系，將此函數關系預存入ECU，在發動機實際運行中，根據測定的進氣歧管絕對壓力和發動機轉速對號入座查出相對應的每缸每循環吸入的空氣量，再根據當下的進氣溫度進行校正，然后通過控制噴油器的噴油脈寬配以相應的每循環燃油量，完成A/F的配置。MAP信號是發動機的負荷信息，作為負荷信息除了主要用于燃油定量和點火正時控制外，有的發動機電控系統還用于故障自診斷系統和廢氣再循環(EGR)的反饋信號。

6.節氣門體組件

節氣門體組件是進氣系統的重要部件，它除了要完成進氣量控制和怠速控制外，還要把控制進氣量的進程轉換成電信號傳給ECU。節氣門體組件上設置有節氣門、節氣門位置傳感器(TPS)以及怠速控制裝置。汽車行駛過程中，需要實時調節發動機輸出功率來滿足汽車行駛負荷變化的要求，通過改變節氣門開度的大小控制吸入的空氣量，從而調節發動機輸出功率，實現發動機輸出功率與行駛負荷的即時匹配。

節氣門開度的大小由TPS測定。TPS是一種轉角電位計，電位計軸與節氣門軸等量轉動，將節氣門轉角(開度)轉換成電壓信號送給ECU，為ECU提供負荷范圍(全負荷、部分負荷、怠速)信息，ECU還可以由此生成過度工況變化（加速工況的急或緩、減速工況的急或緩）信息。TPS信號既是發動機負荷信息，又是汽車工況信息。

TPS信息主要用于過度工況時燃油定量控制、點火正時控制的優化。TPS信息作為負荷信息之一，當電控系統其他負荷信息傳感器(AFS或MAP)出現故障時，TPS信息替代負荷信息，維持汽車的基本運行。另外，TPS信號還是自動變速器換擋規律的主控制信號之一。

二、進氣系統真空泄漏對發動機的影響

對于自然吸氣多缸發動機，各缸活塞在吸氣行程快速騰位，加上進氣系統不通暢，空氣不能在有限時間內完全補充騰位，進氣系統的真空環境就是這樣形成。

空氣濾清器對空氣流有阻力，空氣濾清器之后已形成一定的真空度，節氣門對空氣流的阻擋更大，節氣門之后的真空度就更高，進氣門對空氣流的阻擋最大，汽缸內的真空度最高。進氣系統的真空度就是這樣順流而上步步高。通常如果沒有特別說明，發動機真空度指的是節氣門之后進氣門之前這一段內的真空度，即進氣歧管真空度。本文所述進氣系統真空泄漏指的是整個進氣系統，包括汽缸。

凡是進入汽缸內的空氣，必須是經過空氣濾清器濾清、AFS或MAP計量和節氣門控制三個環節才“合法”，缺少任一環節而進入汽缸內的空氣或氣體都為“非法”氣體。至于EGR系統、曲軸箱強制通風(PCV)系統、燃油蒸發排放控制(EVAP)系統引入進氣系統的氣體，已納入ECU控制系統予以補償，另當別論，不在此列。在發動機實際運用中，因進氣管道破裂、真空軟管破損、密封件老化等問題，導致部分氣體不經濾清或不經計量或不受控制甚至直入汽缸，種種進氣系統真空泄漏，都會影響發動機的正常運行，嚴重者會使發動機無法工作。進氣系統真空泄漏對發動機影響的程度，因泄漏部位和泄漏量以及發動機電控系統類型而異。

為了論述方便，如圖1、圖2所標注，將進氣系統分為A、B、C、D四段?？諝鉃V清器之后到AFS為A段，AFS之后到節氣門為B段，節氣門之后到進氣門為C段，進氣門之后到活塞平面之上為D段。顯然，D型系統沒有B段，只有A、C、D三段。

1.A段真空泄漏對發動機的影響

A段真空泄漏，“非法”氣體既受節氣門控制又經AFS或MAP計量，對L型系統和D型系統(空氣濾清器之后到節氣門為A段)的影響是相同的。在前期不會對發動機運行產生明顯故障性影響，長期運行危害極大。其危害體現在兩個方面。

一方面，未經濾清的空氣攜帶著粉塵被吸入進氣系統，污染節氣門和燃燒室，加快汽缸磨損，加速排氣道阻塞，如三元器阻塞。顯然，這是一個漸行漸變由量變到質變的過程。前期可能悄無聲息，無異?，F象，隨著日積月累，節氣門被異物覆蓋，節氣門開度與TPS信號嚴重失調，燃燒室異物占位使實際壓縮比大于設計壓縮比，汽缸密封性下降，三元器堵塞?？梢?，無論哪一條，發動機都無法正常運行。B、C、D段真空泄漏也會帶來如此危害。

另一方面，這部分“非法”氣體不經空濾器的濾阻而輕易進入進氣系統，因其沒有受到既定必要的阻力，從理論上講，一定會打破發動機控制系統原有的最佳平衡控制點，通常A/F閉環控制系統能予以補償，對發動機正常運行影響很小。有案例表明，當A段真空泄漏達到一程度時，有的發動機會產生怠速周期性抖動，其他啟動、加速、運行工況都正常。

2.B段真空泄漏對發動機的影響

對于L型系統，“非法”氣體未經AFS計量但受節氣門控制。B段真空泄漏，AFS信號對應的空氣流量相對當下B段的實際真空度為小。目前，ECU對此AFS信號為小的失真信號，未設置診斷及補償機制，ECU對此毫無所知，仍以AFS為小的失真信號按既定程序予以燃油定量。顯然，A/F配制過稀。若真空泄漏量小，A/F閉環控制系統能予以補償，若真空泄漏量較大，出了A/F閉環控制系統的調節范圍，就不能將過稀的A/F調回來。過稀的A/F導致發動機怠速不穩、加速無力、起步熄火、回火等故障。自診斷系統有故障碼生成，通常報A/F過稀、AFS信號不良等故障碼。

3.C段真空泄漏對發動機的影響

對L型系統，C段真空泄漏，非法氣體既不受節氣門控制又未經AFS計量。直接導致A/F過稀，其危害如前所述。對D型系統，C段真空泄漏，非法氣體不受節氣門控制但經MAP計量，與節氣門之前真空泄漏相比，給發動機帶來更為嚴重的危害，其危害體現在兩個方面。

一方面，TPS和MAP信號失去原有既定的一一對應關系，從根本上破壞了ECU的基本控制，導致發動機偏離最佳點運行，表現為動力下降、油耗上升等不危及汽車行駛的較為隱性故障。

另一方面，怠速失控?！胺欠ā睔怏w未被怠速控制系統控制(以下簡稱為怠控系統)，而被MAP正常計量，ECU對于MAP為大的失真信號毫不知情，仍以MAP為大的失真信號按既定程序予以燃油定量。顯然，A/F配制本身無可挑剔，但混合汽量的增大，使怠速升高。若真空泄漏量小，怠控系統可調回正常怠速。隨著真空泄漏量增大，怠控系統調到最小仍調不回來，怠速繼續升高。若ECU無減速斷油功能，怠速隨真空泄漏量增大而繼續升高以致于出現飛車現象。若ECU有減速斷油功能，當怠速升高到斷油轉速時，怠速因斷油而下降，當怠速下降到恢復供油轉速時，怠速因供油而上升，如此循環，產生游車現象。

4.D段真空泄漏對發動機的影響

D段真空泄漏對發動機的影響最致命?！胺欠ā睔怏w無濾清、無計量、無控制直接侵入汽缸，其途徑有三。其一，活塞與汽缸間隙處?；钊h和汽缸嚴重磨損、活塞環粘結以及拉缸，都會造成在吸氣行程，曲軸箱內氣體被直接吸入汽缸；其二，汽缸墊密封處。汽缸墊松動、燒損、沖損，都會造成吸氣行程空氣被直接吸入汽缸；其三，排氣門密封面。排氣門密封面因積碳、嚴重磨損等，都會造成吸氣行程廢氣回流被吸入汽缸。發動機技術狀況一旦惡化到如此程度，就根本無法運行。

三、結語

1.建立進氣系統大物理空間的概念。自空氣濾清器入口一路順流而下直至燃燒室為縱向空間，橫向空間為取用發動機真空度的那些真空軟管管道，真空軟管走到何處，則橫向空間就延伸到何處。

2.縱向空間真空泄漏主要部位。管道破裂或破損、管道連接處、進氣歧管與缸蓋結合面、汽缸墊密封面、活塞與汽缸摩擦面。

3.橫向空間真空泄漏情況。真空軟管無論延伸到哪里必須是條“死胡同”，通常其盡頭連接真空執行器(裝置)。真空軟管和真空執行器膜片破損導致真空泄漏較為常見。另外，PCV、EGR和EVAP三個系統都有管道與進氣歧管相連接，三個系統出現相關故障或真空管道破損都會導致真空泄漏。

4.發動機在運行中，凡是進入進氣系統的空氣或其他氣體，都必須是發動機預先設計的，即ECU可以控制的。否則，都是本文所探討的進氣系統真空泄漏或“非法”氣體。

5.進氣系統真空泄漏對發動機的主要影響。對L型系統，使A/F過稀，主要故障現象：怠速不穩，加速無力，起步時易熄火。對D型系統，A/F配制無誤，混合汽量與怠速工況不匹配，主要故障現象：怠速過高或怠速游車。

(作者王良斌工作單位：焦作大學)