汽车构造：化油器式汽油机供给系统

燃油供给系统的作用是将燃油(汽油或柴油)通过一系列供油部件定时、定量地输送到气缸内进行燃烧,为发动机提供能源。

汽油机供给方式可分为化油器式和电子燃油喷射式。由于化油器结构的局限性以及人类对环境保护的日益重视,化油器式的供油系统已渐淘汰。近年来,大多数轿车和货车的汽油发动机都有采用电子燃油喷射系统。为了加深对部分内容的理解,我们还应对传统的化油器式供给系统有一些简单了解。

1.汽油

汽油是汽油机的主要燃料。汽油是石油制品,是多种烃的混合物,其主要化学成分是碳和氢。

汽油使用性能的好坏对发动机的动力性、经济性、可靠性和使用寿命都有很大的影响。汽油的主要使用性能有蒸发性、抗爆性和腐蚀性。

汽油的蒸发性取决于汽油炼制中所形成的分子质量的大小。蒸发性过高的汽油,在气温较高时容易在油路中形成蒸气,影响汽油输送即形成“气阻”,蒸发性过低的汽油,由于一部分汽油未蒸发、燃烧,并滞留在气缸壁上,不仅使燃油消耗量增加,而且会稀释润滑油,导致气缸磨损加快,影响发动机寿命。因此,汽油应具有适宜的蒸发性。

汽油的抗爆性是指汽油在气缸中避免产生爆燃的能力,即防“爆燃”的能力。汽油在没有达到一定温度时不会自行燃烧。如果可燃混合气自行燃烧,将造成发动机过热、排气冒烟、功率显著下降、油耗增加,伴有明显的敲缸声,甚至损坏机件,这种现象即为发动机的“爆燃”。压缩比高的发动机虽然动力性好,油耗率有所下降,但发动机在压缩行程终了时,燃烧室内可燃混合气的密度与温度升高,容易引起“爆燃”。因而发动机的压缩比应受一定的限制。

评定汽油抗爆性的指标是辛烷值。辛烷值高则汽油抗爆性好;反之,汽油抗爆性差。汽油的牌号数与辛烷值有关,我国的汽油牌号有90号、93号、95号和97号。

汽油在运输、储存、发放和使用中,对接触的各种金属应无腐蚀作用。但汽油成分中含有腐蚀性物质,如硫、硫化物、有机酸及水溶性酸、碱等。其含量超标时将引起腐蚀。汽油中硫含量高,使汽车尾气排放污染严重,硫还会使催化转化器中的催化剂中毒,使催化剂活性下降,甚至失效。因此安装了三元催化转化器的发动机对汽油中的硫都有严格的要求。

2.可燃混合气成分表示方法

可燃混合气是燃料与空气按一定比例混合的混合物。可燃混合气中空气质量与燃料质量的比值称为空燃比,用α表示。它是一个表征混合气浓度的概念。

理论上,1kg汽油完全燃烧所需要的空气为14.7kg,因此我们把空燃比为14.7∶1的汽油空气混合气称为理论混合气或标准混合气。相对于理论空燃比来讲,空燃比较大的混合气称为稀混合气;反之,称为浓混合气。除用空燃比表示混合气浓度外,我国还常采用过量空气系数来表示混合气的浓度:

由上面的定义表达式可知:无论使用何种燃料,凡过量空气系数φα=1的混合气即为理论混合气;φα＜1的为浓混合气;φα＞1的则为稀混合气。

3.化油器式燃油供给系统功用与组成

燃料供给系统的功用是不断地输送滤清的燃油和清洁的新鲜空气,根据发动机各种不同工作情况的要求,配制出一定数量和浓度的可燃混合气,进入气缸燃烧,作功后将废气排入大气。同时燃料供给系统还需要储存相当数量的汽油,以保证汽车有相当远的行驶里程。图5-1为化油器式燃料供给系统的组成示意图,它包括以下装置。

图5-1　化油器式燃料供给系统的组成

1—空气滤清器;2—化油器;3—进气管;4—排气管;5—汽油泵;6—油管;7—排气消声器;8—汽油滤清器;9—汽油箱;10—汽油表

(1)汽油供给装置:包括汽油箱9、汽油滤清器8、汽油泵5、汽油表10和油管6,用以完成汽油的储存、输送及滤清任务。

(2)空气供给装置:空气滤清器1。

(3)可燃混合气准备装置:化油器2。

(4)可燃混合气供给和废气排出装置:进气管3、排气管4及排气消声器7等。

汽油在汽油泵的泵吸作用下,由汽油箱经油管、汽油滤清器,滤去杂质和水分后,进入汽油泵,再压送到化油器中。空气经空气滤清器滤去所含灰尘后流入进气管的喉管部位,在气缸吸气气流的作用下,汽油由化油器中喷出,开始了雾化,并与空气混合,经进气管进一步汽化,初步形成可燃混合气分配到各气缸。混合气燃烧后生成的废气经排气管和排气消声器排入大气。

如何根据发动机各种工作情况的需求,不断地配制出不同浓度和数量的可燃混合气,汽油泵和化油器是关键的部件。(www.xing528.com)

4.简单化油器及可燃混合气的形成

汽油必须在蒸发为气态后才能与空气均匀混合。要使混合气能在很短的时间内形成,必须先将燃料雾化成细小的颗粒,使蒸发面积大大增加。化油器都是利用吸入的空气流的动能来实现汽油的雾化和蒸发的。

图5-2为简单化油器的工作原理示意。它由浮子室、针阀、浮子、量孔、喉管以及节气门等组成。喉管到节气门轴这一部分称为混合室。

汽油从浮子室上的进油管进入浮子室,浮子随着油面升高带着针阀一起上升。油面升高到一定高度,针阀则将浮子室上的进油口关闭,汽油停止流入;反之,针阀随浮子下降,将进油口打开,补充消耗的汽油。汽油机工作时,空气经空气滤清器、化油器、进气管进入气缸。从流体力学得知,流体在管道中流动时,截面积越小之处流速越大,而静压力则越低。由于喉管的喉口部分截面积最小,因而空气流速最大,静压力Ph最低,且小于大气压力P0。因浮子室有孔通大气,故浮子室内的压力接近大气压力,喉口处的真空度ΔPh=P0-Ph。在喉口真空度的作用下,汽油经喷口喷入喉管中。喷出的汽油流立刻被高速空气流冲散,成为大小不等的雾状颗粒。与空气混合后进入气缸燃烧。

简单化油器只是靠喉管真空度吸出汽油,在怠速工况下,因喉管真空度太低而根本不能出油,实际上吸入气缸的只是纯空气。到节气门开大到一定程度后,才开始有燃油流出。此后,随着节气门开度增大,混合气逐渐变浓。此外,在启动和加速时,简单化油器也无法满足要求。因此,简单化油器实际上在车用汽油机上不能使用。目前采用的是在简单化油器基础上附加了各种修正装置的现代化油器。其中包括主供油系统、怠速系统、加浓系统、加速系统和启动系统,保证了汽油机在各种工况下对可燃混合气的要求。

5.发动机各工况对可燃混合气浓度的要求

图5-2　简单化油器工作原理

1—空滤器;2—针阀;3—浮子;4—喷管;5—喉管;6—节气门;7—进气支管;8—量孔;9—浮子室;10—进气预热装置;11—进气门

发动机工况包括发动机的转速和负荷情况。汽车在行驶过程中牵引力及行驶速度经常要发生变化,其行驶状态变化频繁,且有时还相当迅速。因此,作为其动力装置的汽油机,其运行工况也需随车辆行驶状态的变化做频繁的转换。汽油机在不同的运行工况下对混合气的浓度有着不同的要求。

(1)稳定工况对混合气浓度的要求。发动机的稳定工况是指发动机已经完成预热,转入正常运转,且在一定时间内没有转速或负荷的突然变化的工况。按负荷大小可划分为怠速和小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷三个范围。

1)怠速和小负荷工况。怠速是指发动机在对外无功率输出的情况下以最低转速稳定运转,此时混合气燃烧后所做的功,只是用以克服发动机内部的阻力。

怠速工况时,节气门处于接近关闭位置,吸入气缸的可燃混合气不仅数量少,而且其中的汽油雾化蒸发不良,混合气燃烧不完全,排气污染增加。此外,残余废气对新鲜混合气的稀释作用明显,如供给的新鲜混合气不具备足够的浓度,将导致怠速转速不稳,甚至熄火。因此,当汽油机怠速时,要求供给少而浓的混合气,其φa值为0.6～0.8。当节气门略开而转入小负荷工况时,新鲜混合气的品质逐渐改善,随着进气量的增多,废气对混合气的稀释作用也逐渐减弱,因而混合气浓度可以减小至φa值为0.7～0.9。随着负荷的逐渐增大,混合气逐渐变稀,保证圆滑地过渡。

2)中等负荷工况。车用发动机在大部分工作时间内处于中等负荷状态工作,节气门开度一般在25%～85%的范围内。在中等负荷状态下,进入气缸的混合气增多,废气稀释的影响减小,燃烧条件改善。此时,燃油的经济性要求是首要的,因此,随发动机负荷的增大,应供给由浓变稀的混合气,其变化情况见图5-3。这样,在兼顾动力性的情况下保证了发动机具有良好的经济性。

图5-3　理想化油器特性(转速一定)

1—对应最大功率的丸值;2—对应最小耗油率的丸值;3—理想化油器特性

3)大负荷及全负荷工况。汽油机在大负荷及全负荷工作时,要求发出足够的功率或扭矩以克服外界阻力(车辆重载爬坡、高速行驶等)。此时,节气门开度达到85%以上,要求发动机能发出尽可能大的功率。在达到全负荷之前的大负荷范围内所供给的混合气应从以满足经济性要求为主,逐渐转到以满足动力性要求为主。在大负荷范围内,理想的混合气成分变化曲线应从接近经济曲线2逐渐转向最大功率曲线1。

(2)过渡工况对混合气浓度的要求。汽车发动机在运行中还有几种过渡工况,虽然在全部工作时间中所占比例较小,但却十分重要,它们对混合气浓度有特殊要求。

1)冷启动工况。发动机启动时转速只有100～150r/min,因此进气道内气流速度非常低,特别是在冷启动时,燃油颗粒容易附着在进气管壁上形成油膜,不能及时随气流进入气缸内,使气缸内混合气过稀,以至无法燃烧。为此,要求燃油系统供给极浓的混合气,其φa值约在0.2～0.6,以保证进入气缸内的混合气中有足够的汽油蒸汽,使发动机顺利启动。

2)暖机工况。冷启动后,发动机温度逐渐升高,直到接近正常值。在暖机过程中,供给的混合气浓度应随温度的升高,逐渐变稀,直到稳定怠速所要求的数值为止。

3)加速工况。发动机的加速是指节气门迅速开大,负荷迅速增加的过程。要求汽油机的输出功率加大,满足加速过程动力性的要求。但是加速时,由于汽油的惯性,燃料流量的增长率比空气流量的增长率要低得多,这导致混合气暂时过稀。因此,在加速过程中,必需额外增加供油量,以满足加速需要。否则不仅达不到增加发动机功率的目的,而且还会出现发动机熄火的现象。

综上所述,车用汽油机燃油供给系统应根据发动机的实际运转工况提供相应浓度的混合气。在稳定工况运转时,在中、小负荷工况下,要求燃油系统能随着负荷的增加供给由浓变稀的混合气。当进入大负荷范围直到全负荷工况下,又要求混合气由稀变浓,最后加浓到能保证发动机输出最大功率。