为了形成精确空燃比的可燃混合气,吸入发动机的空气需要被精确计量,然后发动机控制模块才能够根据目标空燃比计算所需的喷油量。同时,进气量参数也用于其他控制功能,如点火正时修正。根据发动机的设计要求,目前主要采用的进气计量方式有以下两种类型(1)L型进气计量方式。这种进气计量方式也称为质量流量计量方式,其特点是采用空气流量传感器直接测量进气计量。这种计量方式不仅结构简单,而且测量精度高,但由于气流量传感器的价格较贵,虽然比较常见,但应用并不是最广泛的。 空气流量传感器的安装位置如图2-3所示。 需要说明的是,在某些采用L型进气计量方式的发动机中,不仅装有空气流量传感器,还安装了歧管压力传感器。这两个传感器都能够对发动机进气进行测量,因此有人认为这是一种重复设计。其实不然,因为根据具体的发动机进气控制方式,如果进气量不是完全由电子节气门控制进气歧管内的气压与发动机负荷就不存在对应关系,即测量歧管压力无法准确计算出进气量,此时需要空气流量传感器直接测量进气质量此外,歧管压力传感器信号作为校验信号使用,对于相关功能的闭环控制反馈和故障诊断来说是非常重要的。 同时采用空气流量传感器和歧管压力传感器的控制机理如图2-4所示。
下面说明空气流量传感器信号类型。该传感器通常有4个针脚,分别为12V电源针脚、接地针脚、空气流量信号针脚和空气温度信号针脚。如果采用的是5个针脚类型,那么多出的1个针脚是5V电源针脚。
空气流量信号有两种类型:一种是模拟信号,其信号电压与空气流量呈正比的关系;另种是数字信号,其信号频率与空气流量呈正比的关系。相比之下,数字信号要比模拟信号精确得多,因此目前新款发动机普遍采用数字信号的空气流量传感器。
信号类型不同,检测的方法也有所不同。在实际检测工作中,对于数字信号的空气流量传感器,应使用万用表的频率挡位测量空气流量信号,如果使用直流电压挡位测量空气流量信号,则会发现测量值与实际的空气流量没有对应关系,如表2-1所示。
可以看到,2.4V的空气流量信号电压虽然可以作为定性判断的测量值,但无法反映与工况变化的对应关系。因此,需要采用频率挡位对该信号做进一步的精确测量。
此外,使用示波器测量空气流量信号波形,能够更精确地判断信号的工作状态。怠速工况和加速工况的空气流量信号波形对比如图2-5所示。
可以看到,空气流量信号的特征是一种幅值和占空比不变的频率信号,最低电压约为0.40V,最高电压约为4.7V,占空比约为47%,怠速时信号频率约为1.9kHz,加速时信号频率可达4.5kHz以上。
(2)D型进气计量方式。这种进气计量方式也称为速度密度计量方式,其特点是在进气管道内安装一个绝对压力传感器,它通过检测管道内的真空度,并根据发动机转速来测量发动机的进气量,因此是一种间接计量方式。
进气歧管压力传感器如图2-6所示。
间接计量方式还需要很多其他的信号作为修正参数,如发动机标定数据、EGR流量、发动机转速、大气压力、充气效率等,通过速度-密度计量公式计算出进气量。虽然D型进气计量方式较为复杂,但压力传感器价格较低,更容易配套,并且计算机技术日益成熟,得到了较为广泛的应用。
速度密度计量公式如图2-7所示。
进气歧管绝对压力传感器又称为MAP传感器,其内部包括硅基感测元件和集成电路。当发动机节气门完全关闭时,进气歧管内的绝对压力很低(真空度很高),此时进气流量很小;当节气门完全打开时,进气歧管内的绝对压力接近大压(真空度很低),此时进气流量很大。发动机控制模块根据该传感器信号确定喷油脉宽和点火提前角。当歧管绝对压力等于大气压力时,喷油脉宽为最大值。
(3)充气效率。充气效率是发动机控制模块根据标定数据、MAP、发动机转速、大气压力等参数计算得出的数据,当计算进气流量时必须参考这个数据。
为了确定发动机的负荷大小,MAP传感器测量进气歧管的压力(真空度),这个测量值与大气压力进行对比。在非增压的车辆上,发动机启动时和在节气门全开状态下,MAP传感器的数据可作为大气压力的数值进行存储。
(4)废气再循环(EGR)系统。EGR( Exhaust Gas Gecirculation)系统的主要作用是降低NOχ排放,同时在某种程度上能够提高燃油经济性。发动机燃烧后排出的废气,由个阀门(执行器)控制并进入进气歧管,再进入气缸,使可燃混合气得到稀释,然后温度因此下降,从而降低了NOχ的生成量。
EGR系统的管路可以是内置式的,也可以是外置式的。目前新款发动机越来越多地采用内置式,可以节省布局空间,可能的故障点也会变少。EGR结构与工作原理如图2-8所示。
而且,随着技术的升级,气动式EGR执行器基本被淘汰,取而代之的是EGR电控执行器,如图2-9所示。
由于废气的主要成分是惰性二氧化碳气体,导入气缸内不会参与燃烧,但占据了一定比例的空间,因此可燃油混合气的占比空间会变小,气缸吸入的空气变少,需要同时降低燃油量进行修正。
EGR系统把燃烧后的废气从排气管引入进气歧管,这些废气自身不参加燃烧,但会影响进气歧管内的压力变化,因此发动机控制模块计算进气量时必须考虑这个参数。
需要说明的是,目前许多新款发动机不再配置独立的EGR系统(外置EGR控制方式),而是通过VVT装置来实现EGR的相关功能,也就是采用间接方式控制废气再循环量,习惯上称为内置EGR控制方式。
典型的双VVT装置如图2-10所示。
