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点火系统与燃油供给系统原理

2011-12-05 13:46:45类型:来源:
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  油箱中的每一滴汽油是怎么被引入发动机燃烧,转化为强劲的动力的呢?这一期我们顺着汽油从邮箱到排气管的“旅行途径”,细说燃油供给系统。

点火系统与燃油供给系统原理
一滴汽油的车内旅行

      让我们的视野跟随一滴汽油进入车内吧。当汽油通过加油口和管道被注入,它们最后会被存储在油箱中。其实油箱是燃气供给系统的重要组成部分,最初期的汽车就用一个大铁箱子来装汽油,而汽车发展到现代,为了提供油箱的强度、抗撞性,很多合成树脂材料被应用到油箱的制造中,而油箱的外形也根据车底的空间被巧妙的制成各种形状,不过它最大的作用永远都不会改变,那就是储存汽油,防止它泄漏和挥发。

      如果把油箱比喻成一个水库,那么这个水库中就总有一个“水怪”在沉睡,它就是汽油泵。在老式的化油器发动机车辆上,汽油泵或许会被设置在发动机的前部的油管上,随着燃油电喷时代的来临,越来越多的车型把汽油泵淹没在油箱内的汽油中。这个小小的汽油泵和我们常见的水泵一样,过电力驱动,它每小时要努力地为发动机提供150~300L左右的汽油。这相当于你把卫生间中那只节水式马桶按下30~50次冲出的水量。

      汽油被汽油泵送出遇到的第一个“障碍”就是汽油滤清器,在这里汽油中的微小杂质被带微孔的滤芯过滤干净,汽油看上去和纯净水一样清澈,然后就被继续向前输送。

      接下来迎接汽油的就是一根比较粗的管道,我们一般把它叫做燃油轨道。它的一端安装着一个控制管道内压力的燃油压力调节器,最重要的是负责“定时定量”地把燃油喷射进入进气歧管的喷油器也“安家”于此。根据气缸数量的不同,每个喷油嘴为一个气缸服务。

点火系统与燃油供给系统原理

ECU,汽车电子化时代的产物,今天的ECU已经集成了全车的电子系统管理。

      汽油带着压力静静地在喷油嘴内等待。它们被喷出的时机是由喷油嘴内的线圈决定的,这些小线圈通过线路和发动机的ECU连接起来,当一个气缸内的活塞已经“走”完了压缩冲程,发动机的管理系统就发出一个信号,让喷油嘴内的线圈通电。前端的针阀被打开了,汽油喷涌而出,进入到进气管中与空气混合,通过气门进入到气缸中,完成它们燃烧的“光荣使命”。由于喷油嘴在单位时间中的流量是一定的,喷油量的多少决定于针阀开启的时间长短,这一切都是需要综合发动机进气量、温度、转速等指标,由ECU(发动机控制模块)统一控制的。

与空气的接触:汽油直喷技术

点火系统与燃油供给系统原理
喷油嘴和火花塞的协同工作,喷油、点火,在汽缸里是一瞬间的动作。

  现代的燃油供给系统,经历了机械喷射时代、单点电子喷射时代、来到了现在普及的多点电子喷射(MFI)时代。每一次的改进都是为了让燃油喷射量得到更精确的控制,让雾状燃气与空气更加充分地混合。工程师们对高性能发动机的追求从来没有停止过,为了更精确地控制雾化的汽油,让气缸内的空气和雾状汽油“打着漩”混合,喷油嘴被进一步前移,伸入了气缸内,而油泵的压力也被提高了几倍。每当做功冲程,高压汽油被直接喷射如气缸参加燃烧。这样的发动机被我们称为直喷汽油机。它最典型的代表就是三菱的GDI发动机、丰田的D-4发动机、以及当下的明星——大众集团的FSI系列发动机。


层次分明,FSI分层稀燃技术

点火系统与燃油供给系统原理


FSI的工作原理图,近期形成层流,与火花塞协同点火,完成分层燃烧。

      有了前面的直喷技术,工程师们又继续孜孜不倦地研究起发动机的经济性了。他们发现在发动机低转速时,可以用非常稀的空燃比(30~40)让发动机保持正常运转。于是FSI(Fuel stratified injection)技术诞生了。FSI技术,通过在进气门道中加入小阀门,是低转速时吸入的空气形成湍流,然后调整喷油的时间,使汽油在压缩行程末期就被喷入。湍急的混合气集中在了火花塞附近,火花塞发出的电火花把这局部较浓的混合气点燃。就这样用较少的汽油喷射量,让发动机保持了正常运转。当发动机转速逐渐提高,进气量变大时,进气道中的阀门全开,喷油时机变回压缩冲程末期,发动机又以普通均质燃烧的模式运转。FSI技术提高了发动机的燃油经济性,不过当油品中含硫量较高时,会在尾气中形成较多的二氧化硫,这需要用特殊的技术加以处理。

点火系统的组成和原理

      汽油发动机有个别名就是“点燃式内燃机”,由此可见点火系统对的重要性。最典型的点火系统是由蓄电池、点火开关、点火线圈、分电器、缸线、火花塞组成。其中蓄电池提供了点火线圈工作需要的电压,而点火线圈利用内部的两组匝数不同线圈,通过接通和切断其中一匝线圈中的电流,利用电磁感应的原理产生2万伏特的高压。这样的高压再通过分电器分配到需要点火的气缸,最后2万伏特的高压在活花塞的中心电极处击穿了空气,在侧面电极间形成了电弧。这点“星星之火”点燃了气缸中的混合气。

点火系统与燃油供给系统原理
这就是我们常常看到的火花塞,从缸盖深入到燃烧室顶端。

    分电器是靠机械旋转来实现点火能量分配的,其中很可能出现一些误差。现代的发动机就让每个气缸独自拥有一个点火线圈,把它们集成在一起并由ECU统一管理。当它们直接给火花塞提供点火电压。就这样,分电器和缸线就逐渐从点火系统中淡出了。

      火花塞是点火系统中承担实际点火任务的部件。它们布置在气缸盖上,其前端伸向燃烧室。中心电极是一个金属芯,从高压线端子一直延伸到中心电极前端。由高压线圈来的高压电接在中心电极上。侧电极焊接在螺纹部下沿上,和气缸盖的地线连接在一起。火花塞的中心电极和侧面电极之间有一定的间隙,该间隙叫火花塞间隙,它是跳火点燃混合气的位置。火花塞跳火的时刻,称为点火正时。

 

BOSCH是火花塞的发明者,今天BOSCH和NGK都是著名的火花塞生产企业。

      火花塞间隙越大,跳出的火花越大,混合气越容易点燃。但过大的火花塞间隙要求的放电电压也很高,电极消耗过快,电能消耗也大。所以火花塞必须有一个适当的间隙。一般火花塞间隙约为0.8mm左右。

      如果常看《改装与四驱》的读者一定会发现火花塞热值这个概念。火花塞的热值表示其散热快慢,数值越大就散热越快(或称为火花塞越冷),不同的发动机要求使用的火花塞不同。一般而言,偏向高转速调校,使用压缩比高的发动机需用热值较高的(散热快)的火花塞。而一般低转速,大扭矩的发动机可以用热值低(散热慢)的火花塞。


ECU的改装要点

      扩缸、加涡轮、打磨进气道,这些我们熟悉的改装方面都是以增加发动机的进气量为基础。但发动机的硬件补强之后要充分发挥这些改装补品的性能,就需要对发动机的大脑ECU进行一定的调校,这些工作中最重要的就是对燃油供给系统和点火系统的调整。

      有了更大的进气量,为了维持比较理想的空燃比,就需要往ECU中从新写入喷油时间和点火时间点阵图了。这些点阵图基本是根据节气门的各个开度(就是油门踏下去的深度)时,发动机的进气量和需要点火时机确定的,有经验的Tunner会在原厂的点阵图上,根据车辆硬件改装的特性做出针对性的调整,而最专业的便是把车辆架到测功机上,一边试车一边调整喷油时间和点火时间的设定,让发动机在各个转速区间都有良好的表现。丰富的经验加上完整的数据支持,这就是好Tunner成功的条件。对于很多车型不能直接读写ECU的情况,各大改装厂,如TRUST、BLITZ、Apexi、SARD、HKS等均有各种可编程的外挂发动机电脑提供,通过它们对燃油供给系统和点火系统的改装就显得方便多了。

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