汽车发动机空气供给系统结构原理

1.空气供给系统的功用及组成

（1）功用 电控汽油发动机空气供给系统的功用是向汽油机提供与发动机负荷相适应的、清洁的空气，同时对流入发动机气缸的空气质量进行计量，并将进气量的多少以电信号的形式告知电控单元ECU，作为喷油的主要依据，使其在系统中与喷油器喷出的汽油形成空燃比符合要求的可燃混合气。

空燃比是指每工作循环充入气缸的空气量与燃油量的质量比（R=A/F）。可燃混合气的浓度也可用过量空气系数α来表示，它是燃烧1kg燃油实际供给的空气质量（kg）与理论上1kg汽油完全燃烧需要的空气质量（一般为14.7kg）的比值。可燃混合气的浓度对发动机的动力性、经济性和环保有重要影响。

1）标准混合气（R=14.7，α=1）：动力性、经济性和环保性都较好，所以也叫理想混合气。

2）浓混合气（R=13～14，0.85＜α＜0.95）：动力性最好，经济性和环保性稍差，所以也叫功率混合气。

3）稀混合气（R=16～17，1.05＜α＜1.15）：经济性最好，动力性和环保性稍差，所以也叫经济混合气。

4）过浓混合气（R=6.5～13，α＜0.8）：空气严重不足，燃烧很不彻底；燃烧室大量积炭，排气管冒黑烟甚至放炮；发动机动力下降，油耗增加。

5）过稀混合气（R=17～20，α＞1.2）：汽油严重不足，燃烧速度大大减慢；进气管道回火，机体温度过高；发动机动力下降，油耗增加。

6）燃烧极限：R=6是燃烧上极限，R=21是燃烧下极限。此时，发动机均不能正常工作。

发动机工况是发动机工作情况的简称。它包括发动机的负荷和转速等情况。负荷的大小多用节气门开度的百分数表示，节气门全开（100%）为全负荷，半开（50%）为中等负荷，其间有许多个工况。发动机有起动、怠速、中等负荷、全负荷和加速等五种典型工况。汽油机在不同的工作状况下工作，要求供给不同浓度的可燃混合气。

①发动机冷起动时，由于温度低，混合气得不到足够预热，汽油蒸发困难。混合气中的油粒会因为与冷金属接触而凝结在进气管壁上，不能随气流进入气缸，使气缸内的混合气过稀，无法引燃，因此，要求供给极浓的混合气（R=6.5）进行补偿，从而使进入气缸的混合气有足够的汽油蒸气，以保证发动机得以起动。

②发动机怠速运转时，发动机不对外输出动力，做功行程产生的动力只用来克服发动机的内部阻力，维持发动机以最低稳定转速（700～900r/min）运转。此时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稀释作用，使混合气的燃烧速度下降，因而发动机动力不足，因此要求供给较浓的混合气（R=13～14）。

③发动机小负荷（25%以下负荷）运转时，由于混合气的数量比怠速时有所提高，废气对混合气的稀释作用也有所减弱，因而混合气浓度可以略为减小，一般为R=14～15。

④发动机中等负荷时，因发动机大都在此工况运行，为获得良好的汽油经济性，应供给最经济的混合气（R=16～17）。

⑤发动机大负荷和全负荷时（如上陡坡、急加速等），发动机能发出较大功率，要求供给浓混合气（R=13～14）。

（2）电控汽油发动机空气供给系统组成 空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量传感器（或进气压力传感器）、进气总管、进气歧管及进气门等组成。如图4-7所示。

2.空气供给系统的结构类型及特点

（1）D型电控汽油发动机空气供给系统 如图4-8所示，其空气供给系统的特点是使用进气歧管压力传感器测量进气压力大小，来间接计算出进气量，与曲轴/凸轮轴位置传感器测得的发动机转速一起决定发动机的基本喷油量和喷油时间。该型空气供给系统结构简单，使用非常广泛，除桑塔纳车系外，美国的克莱斯勒车系的切诺基、美国通用车系的科西嘉、日本本田雅阁、日本丰田皇冠3.0乘用车等均采用该类型。

图4-7 空气供给系统的组成

1—空气滤清器 2—空气流量传感器 3—PCV管 4—节气门怠速开关控制传感器 5—进气总管 6—进气歧管 7—空气阀

图4-8 D型电控汽油发动机空气供给系统

（2）L型电控汽油发动机空气供给系统 如图4-9所示，其空气供给系统的特点是通过空气流量计检测空气量大小，与发动机转速信号一起决定发动机基本喷油量和喷油时间。该空气流量计对空气量的测量更精确，应用也较广泛。如日本丰田凌志LS400、LS300；美国福特车系的林肯、天霸；美国通用车系的鲁米那3.8L旅游车等均装用L型电控汽油发动机供给系统。

图4-9 L型电控汽油发动机空气供给系统

3.空气供给系统主要元件的构造及原理

（1）空气滤清器 空气滤清器的作用是滤除空气中的灰尘。现代汽车的空气滤清器大多为纸质滤芯，如图4-10所示，其结构与普通发动机的相同。

注意：更换纸质滤芯时，切不可将朝向装反，否则气缸中将进入大量灰尘。

（2）节气门体

1）功用及结构。如图4-6所示，节气门体一般安装在空气滤清器和发动机进气总管之间的进气管上，其功能是通过改变节气门开度的大小，来调节进气通道截面积，从而控制发动机的运转工况。它主要由节气门、节气门位置传感器、怠速空气调节器等组成，如图4-11所示。节气门与加速踏板联动，驾驶人通过加速踏板控制节气门开度，对发动机的输出功率进行控制。

图4-10 纸质空气滤芯

图4-11 节气门控制原理

2）结构类型。电控燃油喷射系统的类型不同，其节气门体的结构也有所差异。图4-12和图4-13所示分别为D型燃油喷射系统和L型燃油喷射系统的节气门体结构。

（3）怠速空气调节器

1）怠速控制。怠速控制的实质是控制怠速时的空气量（进气量）。当发动机怠速负荷增大时（如冷起动暖机、自动变速器车辆挂前进挡或倒挡、开启空调等工况），ECU控制怠速控制阀使进气量增大，从而使怠速转速提高，防止发动机运转不稳或熄火；当发动机怠速负荷减小时，ECU控制怠速控制阀使进气量减少，从而使怠速转速降低，以免怠速转速过高而浪费燃油及加重污染。

图4-12 韩国大宇王子/超级沙龙乘用车

D型多点喷射系统的节气门体

1—节气门衬垫 2—节气门限位螺钉 3—螺钉孔护套 4—节气门体 5—加热水管 6—节气门位置传感器 7、10—螺钉 8—怠速控制阀 9—O形密封圈

图4-13 美国通用鲁米娜（LUMNA）

3.8L旅行车L型带空气流量计的节气门体

1—空气流量计 2—怠速控制阀 3—节气门位置传感器

目前，现代汽车上的怠速空气调节器已逐步取消怠速调节螺钉和辅助空气阀（双金属片式和石蜡式），改由发动机电控单元ECU直接控制步进电动机或旋转电磁阀，以改变怠速旁通气道（旁通式）或节气门的初始开度（直动式）而实现怠速控制。具体原理为：ECU根据节气门位置传感器、车速传感器输出的信号判断发动机是否处于怠速状态，然后根据冷却液温度、空调开关、动力转向开关等传感信号，在存储器中查出该工况下的目标转速（即能稳定运转的怠速转速），再与发动机转速传感器传来的实际转速进行比较，计算出转速差，最后通过怠速控制阀的动作（调节进气量）来提高或降低发动机的转速，使发动机稳定运转。如图4-14所示。

图4-14 现代电控汽油机怠速控制系统的组成(www.xing528.com)

2）怠速控制类型。

①旁通空气式。控制节气门旁通管路中的空气进气量，称为旁通空气式，如图4-15所示。它又分为：双金属片式、石蜡式、平动电磁式、旋转电磁式和步进电动机式等几种控制类型。目前大部分电控汽油发动机都采用旋转电磁式和步进电动机式怠速空气调节器。下面将重点介绍这两种怠速空气调节器的结构组成及工作原理。

a.旋转电磁阀式。如图4-16所示，旋转电磁阀式怠速空气调节器主要由永久磁铁、磁场绕组、旋转滑阀等组成。

图4-15 旁通空气式怠速空气量控制示意图

图4-16 旋转电磁阀式（IACV）怠速空气调节器结构组成

其工作原理如图4-17所示。当给绕组通电时，就会产生磁场从而使电枢轴带动旋转滑阀转动，从而控制通过旁通空气道的空气。

图4-17 旋转电磁阀式（IACV）怠速空气调节器的工作原理

旋转滑阀根据控制脉冲信号的占空比偏转，占空比的范围约为18%（旋转滑阀关闭）至82%（旋转滑阀打开）之间。滑阀的偏转角度限定在90°以内。

b.步进电动机式。如图4-18所示，步进电动机式怠速空气调节器主要由步进电动机、螺旋机构、阀芯、阀座等组成。其中，步进电动机由永磁转子、定子绕组等组成。其功用是用于产生驱动力矩；螺旋机构由螺杆（进给丝杆）和螺母等组成，且螺母与步进电动机转子制成一体，螺杆的一端制有螺纹，另一端固定有阀芯，螺杆与阀体之间为滑动花键连接，只能做轴向移动，不能做旋转运动。

图4-18 步进电动机式（ISCV）怠速空气调节器结构组成

图4-19 四线制步进电动机的安装位置、线路连接及内部结构

1—绕组A 2—定子B 3—爪极 4—定子B 5—转子 6—定子A

怠速控制阀的主体是一只步进电动机。发动机怠速运转时，节气门全闭，节气门位置传感器内的怠速开关触点闭合，ECU根据这一信号，开始进行怠速自动控制，如图4-14所示。

如图4-19所示，定子由A、B两组构成，每一组均带有16个爪极型铁心，且交错装配，每个铁心上绕有2个定子绕组，且方向相反。转子上制有8对永磁磁极，其N、S极相互间隔排列于转子圆周上，以构成步进电动机的主磁场。（实际的步进电动机不只两组4个定子，而是有很多。而且步进电动机转子每转一步一般为1/32圈。步进电动机的工作范围为0～125个步进级。）其工作原理如图4-20所示，当ECU控制使步进电动机的两组绕组，按1-2-3-4顺序依次相线脉冲控制时，定子磁场顺时针转动，由于与转子磁场间的相互作用，使转子随定子磁场同步转动（定子绕组通电时产生磁场，与转子的永久磁铁形成的磁场在同性相斥、异性相吸的原理作用下，使转子转动）。同理，步进电动机的绕组按相反的顺序通电时，转子则随定子磁场同步反转。定子有32个爪级，步进电动机每转一步为1/32圈（即11.25°），工作范围为0～125个步进级。

图4-20 四线制步进电动机的相线脉冲控制原理

当步进电动机的转子转动时，螺母将带动丝杆作轴向运动，使阀芯开大或关小阀门的开度。ECU通过控制步进电动机的转动方向和转动角度来控制丝杆的移动方向和移动距离，从而精确控制怠速旁通气道的开度，达到调整怠速的目的。

步进电动机式怠速空气调节器除了进行精确控制怠速外，还可进行以下控制：

a）初始值设定。为了改变发动机再起动时的起动性能，在发动机点火开关关闭后，ECU将控制怠速控制阀全部打开，为下次起动做好准备。

b）暖机控制。起动后，ECU控制将怠速控制阀关小到当时冷却液温度相应的最佳怠速转速值。当冷却液温度达到70℃时，暖机控制结束。

c）反馈控制。在怠速运转过程中，如果此时由于某种原因使发动机转速与目标转速相差超过20r/min时，ECU控制怠速控制阀相应增减旁通空气量，使发动机转速与目标转速相同。

d）怠速转速变化预控制。负荷变化时，为了防止发动机转速变化，ECU控制怠速空气阀提前开大或关小一定的值。

e）其他控制。由于负荷等引起电源电压降低时，ECU会自动控制怠速空气阀提高发动机转速，保证系统正常供电。

f）学习控制。随着机件的磨损等，ECU原来控制步进电动机的步进数已达不到原来的控制效果，此时发动机会通过发动机转速的反馈控制，使其达到原来的目标值。这种控制方式又称为怠速控制的学习控制功能。

②节气门直动式。节气门直动式怠速空气调节器也称为电子节气门控制式怠速空气调节器。其节气门体是一个电动机系统组件，内设怠速自动调节直流电动机，通过ECU，怠速电动机可自动调节节气门开度，从而取消了传统的怠速旁通调节装置。在一些新型乘用车上越来越多地用到了电子节气门。如，我国生产的桑塔纳2000GSi、捷达AT、GTX和红旗CA7220E型乘用车也采用节气门直接控制方式，不用设置旁通空气道。其结构如图4-21所示，主要由直流电动机、减速齿轮、丝杆等组成。

图4-21 电子节气门结构组成

其工作原理如图4-22所示，当直流电动机通电（正向或反向）转动时，驱动减速齿轮转动，从而带动丝杆向前或向后移动。在节气门开度最小（怠速）时，丝杆与节气门操纵臂接触。

图4-22 节气门直动式怠速空气量控制示意图

发动机怠速时，ECU根据各传感器的信号，控制直流电动机的正反转及转动量，使丝杆作直线移动，带动节气门在小开度范围内摆动，从而改变进气量，达到调整怠速的目的。

（4）节气门位置传感器 现代汽车的节气门位置传感器一般安装于节气门轴的一侧（节气门操纵臂对面），其功用是将节气门的开度转变成电信号供给电控汽油发动机的ECU，以检测发动机的负荷及加速信号，从而作为喷油、点火及换档（对自动变速器而言）的主要依据。其结构类型主要有触点式、线性式和综合式三种。

图4-23 触点式节气门位置传感器的安装位置及组成

1）触点式节气门位置传感器。该传感器主要由一个滑动触点和两个固定触点组成，如图4-23所示。滑动触点（TL）随节气门轴一起转动，滑动触点在节气门全关（怠速）时与怠速固定触点（IDL）闭合，而在节气门接近全开时与全开触点（PSW）闭合；节气门开度在中间位置时，滑动触点与两个固定触点均断开。ECU根据触点的闭合情况来确定发动机处于怠速、中等负荷或全负荷工况。该型传感器目前已很少使用。

2）线性式节气门位置传感器。该传感器的主要特点是，表示节气门开度的输出电压与节气门开度呈线性关系（即传感器的输出电压随着节气门开度的增大而线性地增大）。如图4-24所示为其结构、电路及输出特性。目前已较少使用。

图4-24 线性式节气门位置传感器的结构、电路及输出特性 a）结构 b）电路 c）输出特性

3）综合式节气门位置传感器。该传感器是在线性节气门位置传感器的基础上增加了怠速触点，发动机怠速信号由怠速触点提供。其特点是反应迅速（怠速工况），计量准确（其他工况）。目前大部分车型使用该类传感器。

在日本丰田皇冠3.0、凌志LS400等乘用车装用的是由一个电位计和一个怠速触点组成的综合式节气门位置传感器。其工作原理和检修方法与前两种节气门位置传感器相似，其电路如图4-25所示。

图4-25 综合式节气门位置传感器的电路

（5）空气流量计（L型）和进气歧管绝对压力传感器（D型）空气流量计和进气歧管绝对压力传感器也属于空气供给系统的组成部分。其主要作用是检测空气流量的大小并转换为电信号，以作为基本喷油量控制信号输入ECU。详细介绍见后续内容。