空燃比

发动机工作时，燃料必须和吸进的空气成适当的比例，才能形成可以燃烧的混合气，这就是空燃比。从理论上说，每克燃料完全燃烧所需的最少的空气克数，叫做理论空燃比。各种燃料的理论空燃比是不相同的:汽油为14.7，柴油为14.3。 空燃比大于理论值的混合气叫做稀混合气，气多油少，燃烧完全，油耗低，污染小，但功率较小。空燃比小于理论值的混合气叫做浓混合气，气少油多，功率较大，但燃烧不完全，油耗高，污染大。

汽油机的空燃比在12~13时功率最大，在16时油耗最低，在18左右污染物浓度最低。因此，为了降低油耗和减少污染，应当尽量使用空燃比大的稀混合气，只在需要时才提供浓混合气。这种做法，叫做稀薄燃烧，已为当今多数汽油发动机采用。

影响汽油发动机排放的最主要因素是混合气的空燃比， 理论上一公斤燃料完全燃烧时需要14.7公斤的空气。这种空气和燃料的比例称为化学当量比。空燃比小于化学当量比时供给浓混合气，此时发动机发出的功率大，但燃烧不完全，生成的CO、HC多;当混合气略大于化学当量比时，燃烧效率最高，燃油消耗量低，但生成的NOx也最多;供给稀混合气时，燃烧速度变慢，燃烧不稳定，使得HC增多。在电控汽油喷射系统中采用闭环控制的方式，将空燃比控制在化学当量比附近，并在排气系统中消声器前安装一个三元催化转化器，对发动机进行后处理，是当前减少汽车排气污染物的最有效方法。在化学当量比附近，转化器的净化效率最高。

为了满足发动机各种工况的要求，混合气的空燃比不能都采用闭环控制，而是采用闭环和开环相结合的策略。

主要分为三种控制方式:

冷起动和冷却水温度低时通常采用开环控制方式。

由于起动转速低、冷却水温度低、燃油挥发性差，需

对燃油进行一定的补偿。混合气空燃比与冷却水温 度有关，随着温度增加，空燃比逐渐变大。

部分负荷和怠速运行时此时可分为两种情况:

若为了获得最佳经济性，可采用开环控制方式，将

空燃比控制在比化学计量比大的稀混合气状态下工作。

为了获得低的排放，并有较好的燃油经济性，必须

采用电控汽油喷射系统加三元催化转化器，进行空燃

比闭环控制。

图中虚线部分为未加三元催化转化器时，CO、HC和NOx排放浓度与空燃比的关系。实线部分采用三元催化转化器后CO、HC和NOx与空燃比的关系。从图中可看出采用三元催化转化器时只有当空燃比在化学计量比附近很窄范围内HC、CO和NOx排出浓度均较小。装有电控汽油喷射发动机采用闭环控制方式，才能使混合气空燃比严格控制在化学计量比附近很窄的范围内，使三元催化转化器净化效率最高。

节气门全开(WOT)时:

为了获得最大的发动机功率和防止发动机过热，采用开环控制，将混合气空燃比控制在12.5~13.5范围内。此时发动机内混合气燃烧速度最快，燃烧压力最高，因而输出功率也就越大。

为使废气催化率达到最佳(90%以上)，必然在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制，其工作原理是氧传感器将测得废气中氧的浓度，转换成电信号后发送给ECU，使发动机的空燃比控制在一个狭小的、接近理想的区域内(14.7:1)，若空燃比大时，虽然CO和HC的转化率略有提高，但NOx的转化率急剧下降为20%，因此必须保证最佳的空燃比，实现最佳的空燃比，关键是要保证氧传感器工作正常。如果燃油中含铅、硅就会造成氧传感器中毒。此外使用不当，还会造成氧传感器积碳、陶瓷碎裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障。氧传感器的失效会导致空燃比失准，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会使催化转化器的使用寿命降低。

实际空燃比是通过测量废气中的氧浓度获取的，最关键的部件就是宽域氧传感器。测量空燃比的仪器通常叫做空燃比分析仪、空燃比计。以美国ECOTRONS生产的空燃比分析仪ALM-S为例，它使用Bosch LSU4.9宽域氧传感器以及CJ125专用驱动芯片，能够达到很高的测量精度。

加装三元催化反应器是电喷汽油机应用较广泛、技术较成熟的排放控制方案。为了提高三元催化反应剂的净化效率，必须将空燃比控制在化学当量比附近，即过量空气系数a=。当汽油机工作在稳定工况时，电控系统通过进气流量传感器检测进入气缸的空气量，通过控制喷油脉宽来保证空燃比在理论空燃比(a= 1)附近，同时采用氧传感器检测排气中的氧浓度，对空燃比进行反馈控制，形成闭环控制系统，消除批量生产在制造、装配中零部件公差以及环境条件变化造成的空燃比波动。然而当汽油机处于过渡工况时，将空燃比精确控制在理论空燃比( a= 1)附近存在如下技术问题:

(1)氧传感器响应存在迟滞性。氧传感器信号反映了已燃混合气的浓度状况，当汽油机节气门位置突变时，汽油机工况快速变化，氧传感器空燃比反馈控制的响应时间长，来不及对空燃比进行反馈;

(2)节气门突变时，进气系统存在动态的充排气现象，导致经过空气流量传感器(进气总管上少的空气量与实际进入气缸内的空气量不相等，使根据进气量计算出的喷油量出现偏差;

(3)进气管内油膜动态特性造成空燃比变化。对于多点电喷汽油机，汽油喷射在进气门附近，一部分汽油以油蒸气的形式直接进入气缸，而其余部分以液态油膜形式沉积在进气歧管壁面上，同时油膜以某一速率蒸发后进入气缸。当汽油机节气门突变时，汽油机转速发生变化，从而造成以蒸气直接进入气缸和以油膜蒸发进入气缸的汽油量发生变化;

(4)时间顺序造成空燃比偏差。一方面，就某一缸而言，喷油过程是在进气过程之前，因而这时的喷油量是以其它气缸的进气量来计算的;另一方面，氧传感器信号是以前工作循环混合气浓度情况的反映，而汽油机节气门在迅速开大和关小的过渡过程中，进气流量发生了较大的变化，因而研究满足所有工况的空燃比控制策略具有重要意义。