汽车理论：混合气形成机制

一、汽油机对混合气的要求

作为车用汽油机，其工况（负荷和转速）是复杂的，例如，汽车超车、制动、高速行驶、在红灯信号下起步或怠速运转、满载爬坡等，工况变化范围很大，负荷在0～100％，转速可以由最低到最高。不同工况对混合气的数量和浓度都有不同的要求，具体要求如下。

（1）小负荷工况，要求供给较浓混合气，过量空气系数φa=0.7～0.9，因为在小负荷条件下，节气门开度较小，进入气缸内的可燃混合气量较少，而上一循环残留在气缸中的废气在气缸内气体中所占的比例相对较多，不利于燃烧，因此必须供给较浓的可燃混合气。

（2）中负荷工况，要求经济性为主，混合气成分的过量空气系数φa=0.9～1.1。由于发动机大部分工作时间处于中负荷工况，因此以对经济性的要求为主。在中负荷时，节气门开度中等，故应供给接近于相应耗油率最小的φa值的混合气，主要是φa＞1的稀混合气，这样，功率损失不多，节油效果却很显著。

（3）全负荷工况，要求发出最大功率，φa=0.85～0.95。在汽车需要克服很大阻力（如上陡坡或在艰难路上行驶）时，驾驶员往往需要将加速踏板踩到底，使节气门全开。发动机在全负荷下工作，显然要求发动机能发出尽可能大的功率，即尽量发挥其动力性，从而经济性要求居次要地位。

（4）起动工况，要求供给极浓的混合气，φa=0.2～0.6。因为发动机起动时，由于发动机处于冷车状态，混合气得不到足够的预热，汽油蒸发困难。

（5）怠速工况，是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速运转，此时混合气燃烧后所做的功只用以克服发动机的内部阻力，使发动机保持最低转速稳定运转。汽油机怠速运转一般为300～700 r/min，转速很低，节气门开度很小，吸入气缸内的可燃混合气量很少，同时又受到气缸内残余废气的冲淡作用，混合气的燃烧速度下降，因而发动机动力不足，因此要求提供较浓的混合气，φa=0.6～0.8。

（6）加速工况，是指发动机负荷增加的过程。急加速时，节气门迅速开大，要求发动机的动力迅速提高，所以这时必须加浓混合气以满足发动机急加速的要求。

综上所述，车用汽油机在正常运转时，在小负荷和中负荷工况下，要求燃料供给系统能随着负荷的增加，供给由浓逐渐变稀的混合气。当进入大负荷直到全负荷工况时，又要求混合气由稀变浓，最后加浓到保证发动机发出最大功率。

二、汽油机混合气的形成

1.汽油机混合气的形成过程

电控燃油喷射式汽油机按其燃油的喷射位置不同，又可分为单点喷射、多点喷射和缸内喷射三种类型，如图3.7所示。

图3.7　汽油机的燃油喷射位置

（a）单点喷射；（b）多点喷射；（c）缸内喷射

1）单点喷射汽油机混合气的形成过程

单点喷射汽油机在节气门上方装有一个中央喷射装置，由ECU控制1～2只喷油器将汽油喷入进气总管，形成的可燃混合气由进气歧管分配到各气缸中。(www.xing528.com)

汽油机单点喷射系统的出现较早，单点喷射系统的性能比多点喷射系统差一些，但其结构简单、故障少、维修方便，特别是在大量生产后，其成本较低。单点喷射系统的喷射位置距离气缸较远，混合气形成的时间相对较长。

2）多点喷射汽油机混合气的形成过程

多点喷射汽油机在每缸进气道上都装有一只喷油器，由ECU控制喷油器将汽油喷入进气道内，混合气的形成过程从汽油喷入进气道直至随空气进入气缸被电火花点燃为止。

多点喷射系统的燃油分配均匀性好，进气管可按最大进气量来设计，而且无论发动机处于冷机状态还是热机状态，其过渡的响应及燃油经济性都是最佳的。但多点电控燃油喷射系统的控制系统比较复杂、成本较高。此外，与单点喷射系统相比，多点喷射的喷油位置距离气缸近，混合气形成的时间相对较短，所以为保证混合气形成质量，所需的喷油压力也较高。一般单点喷射系统的喷油压力为0.07～0.10 MPa，多点喷射系统的喷油压力为0.25～0.35 MPa。

3）缸内喷射汽油机混合气的形成过程

缸内喷射汽油机将各缸喷油器分别安装在气缸盖上，由ECU控制喷油器将汽油直接喷入气缸，在气缸内部与空气混合形成混合气。

汽油机的缸内喷射技术是近年来以节能和环保为目的发展起来的，由于混合气形成时间短（与单点喷射和多点喷射相比），且后期喷油时的缸内压力较高，为保证混合气的形成质量和喷油的可靠性，需较高的喷油压力，一般喷油压力可达5～11 MPa。

2.汽油机混合气形成过程的控制

汽油机混合气的形成过程对发动机性能也有极其重要的影响，在电控燃油喷射式汽油机中，通常通过控制喷油正时（即喷油器开始喷油的时刻）来控制混合气的形成过程。喷油过早，容易导致部分燃油沉积在进气管（或进气道）内壁上，而不能随空气进入气缸；喷油过迟，则会导致混合气形成时间过短，影响混合气的形成质量。实验证明，最佳的喷油正时使各缸进气行程的开始时刻与喷油结束时刻同步，它可根据各缸活塞到达排气上止点（进气行程开始）的时刻、喷油时间及发动机转速确定。

喷油器的喷油可分为同步喷油和异步喷油两种类型。同步喷油是指根据发动机各缸工作循环在既定的曲轴位置进行的喷油，同步喷油有规律性。按喷油器的喷射顺序不同，同步喷油又可分为顺序喷射、分组喷射和同时喷射3种方式。异步喷油与发动机的工作不同步，无规律性，它是在同步喷油的基础上，为改善发动机的性能额外增加的喷油，主要有起动异步喷油和加速异步喷油。

3.汽油机混合气浓度的控制

喷油量控制是汽油机电控燃油喷射系统最主要的控制功能之一。控制喷油量的目的就是使发动机在各种运行工况下都能获得最佳的混合气浓度，以提高发动机的经济性和降低排放污染。

当喷油器的结构和喷油压差一定时，喷油量的多少就取决于喷油时间。常见汽油机电控燃油喷射系统的组成如图3.8所示。在汽油机电控燃油喷射系统中，喷油量控制是通过对喷油器喷油时间的控制来实现的。发动机工作时，计算机（ECU）根据空气流量信号和发动机转速信号确定基本的喷油时间（喷油量），再根据其他传感器（如水温传感器、节气门位置感器等）对喷油时间进行修正，并按最后确定的总喷油时间向喷油器发岀指令，使喷油器喷油（通电）或断油（断电）。

图3.8　常见汽油机电控燃油喷射系统的组成