电控汽油发动机数据流分析系列 正确理解发动机负荷的意义

◆文/山东 焦建刚

一、负荷率的概念

负荷率是一个在某特定发动机转速下扭矩的百分比相对概念，它的严格定义是指同发动机转速下，部分节气门下发出的扭矩与节气门全开时发出的最大扭矩之比值。

对于汽油机来讲，一个通俗的表达为：某个发动机转速下，部分节气门开度下的进气量与节气门全开时的进气量，也可以代表负荷率。原因在于汽油燃烧系统一般看作是空燃比为1的均质燃烧系统，其扭矩输出模式为进气充量调节。Toyota或Honda等日企更倾向于使用进气量表达负荷率，而欧美更多采用扭矩表达负荷率。

节气门开度与扭矩不呈线性关系，并不能准确表达负荷率的概念。但仍有部分公司在开发试验中沿用这个概念，比如PSA及国内一些企业。

对于柴油机来讲，其燃烧系统工作原理是质调，即在额定转速以下，喷油量与扭矩输出呈线性关系。因此某转速下，部分油门开度下的喷油量与全油门时喷油量之比可以准确表达负荷率的概念。但有一个例外，如果转速超出额定转速，进入超转速区域(如在高怠速时)，喷入燃烧室的油全部用来克服发动机的摩撺功，对外输出扭矩为零。这个时刻，发动机就没有负荷。

但在实际的发动机数据流中，我们常见的发动机负荷参数，在某些情况下，与我们上面所述的负荷概念有所不同，甚至目前出现了大家错认为负荷概念是外界阻力的情况。一旦出现发动机负荷参数数值比较大的时候，就有技术人员用发动机负荷增大，即发动机运行阻力过大来形容此时发动机的工作状态。这主要是由于很多技术人员对负荷概念认识不清所导致的。下面笔者简单地对发动机负荷这一概念进行分析，以增加一线技术人员对发动机负荷这一数据参数的深刻认识。

在发动机负荷这一概念产生的初期，是用部分节气门开度所产生的发动机扭矩与节气门全开时发出的最大扭矩之比来进行定义的。在发动机研发阶段用这个概念来进行定义应该是非常正确的。但用于实际运行一定时间后的发动机，尤其是带有故障的发动机来说，则很容易让我们产生迷惑，这主要是由于发动机负荷参数的数据值在较大值时，并不是有同样大的发动机扭矩输出，这与常规意义上的负荷的概念出现了差异。发动机负荷增大了，发动机的输出功率、扭矩并没有显著增加，仍然与当时的发动机运行阻力相同。

比如当发动机在怠速出现1缸失火故障时，由于1缸工作不良导致发动机输出扭矩下降，导致发动机出现转速降低的情况。此时发动机ECM会启动怠速转速控制，通过开大节气门，提高进气量、喷油量来弥补1缸失火导致的输出扭矩下降情况，从而起到怠速转速稳定的作用。因此，从发动机负荷的角度看，发动机的负荷数值是增大的，但发动机本身的运转阻力并没有发生变化。

二、发动机输出扭矩与负载

我们先从发动机输出扭矩与负载来进行解释。发动机受力分析的参考点是曲轴，发动机输出扭矩F与负载扭矩f在曲轴上的合扭矩决定了曲轴转速，即发动机转速。当输出扭矩大于负载扭矩时，曲轴产生加速度，发动机转速升高；反之则降低；相等时则恒定。怠速运转时，发动机的输出扭矩等于内部负载扭矩，而当前者小于后者时，发动机将会出现抖动甚至熄火。

车辆能够稳定或者加速行驶，其关键就在于发动机输出的动力能够满足克服外界阻力，使车速保持一定或提高速度的能力。而外界阻力除发动机本身运转的机械阻力外，还包括空气阻力、滚动阻力、坡道阻力、加速阻力等。

1.怠速工况及负荷

发动机怠速时，由于没有对外的功率输出，只需要克服本身机械运转的阻力即可。这样怠速时进入汽缸的混合气，只需要满足燃烧后输出的F作用力与机械阻力f相同，即能保证发动机以稳定的转速运转(图1)。

如果此时增加外界的负荷，如打开空调、转动方向盘、打开大灯，都会导致发动机的负荷增大，怠速时进入汽缸的混合气所做的功(F驱动力)已不足以克服此f阻力。这将导致发动机的转速降低。因此，发动机ECU会根据此外界负荷增加的情况增加进气量，以提高作用在活塞上方的F驱动力(图2)。

怠速工况下，发动机没有对外输出扭矩。汽缸内混合气燃烧做功产生的扭矩只是用来维持活塞的吸气、压缩、做功、排气行程，以及水泵和发电机的运转。

平常提到的怠速实际上是指发动机平稳运转的最低怠速。习惯上维修人员常将不踩加速踏板或节气门怠速触点接通的状态视为怠速，这偏离了怠速的外部负载扭矩为零的本质属性。如上面提到的空调开启、转向助力泵工作或带挡滑行等。

即使未踩下加速踏板，只要外部负载扭矩不为零，仍然不能将发动机转速视为怠速。相反，踩下加速踏板，无论发动机转速有多高，只要外部负载扭矩为零，仍可将发动机转速视为怠速。但此时的怠速应该称之为“高怠速”。

在实际维修作业中，维修人员常会采用急加速的方式来观察发动机的扭矩输出能力。这实际上是利用曲轴加速所产生的额外负荷来模拟发动机的外部负载扭矩。在这种情况下发动机外部负载扭矩虽然为零，但急加速时由于气体运动的惯性和摩擦力会通过活塞传给曲轴，瞬间产生较大的内部负载扭矩。维修人员把这个较大的瞬间内部扭矩以外部负载扭矩来看待，这样在某种程度上不必通过路试便可以间接地观察到发动机扭矩增加的潜力。

但是由于该内部扭矩增加的量有限，无法完全模拟发动机大负荷或全负荷工况下的外部负载，所以常会出现实际车辆加速无力或无高速，但原地空负荷急加速正常的情况。

发动机的怠速，指的是在没有对外动力输出时的最低平稳运转速度。实际上为了控制尾气排放、为了车辆起步时的平稳性，通常意义上的怠速转速已经高于了实际理论意义上的怠速值，在传统化油器的发动机上，我们见过400～500r/min左右的怠速，发动机一样能够稳定的工作，但此时由于发动机转速较低，汽缸内的混合气量相对较少，燃烧速度较低，混合气偏浓，尾气排放的CO、HC化合物的生成量较高。所以常规发动机的怠速转速一般在700±50r/min。自动挡车辆怠速转速在750±50r/min。

由于车辆在原地不动的过程中，可能会由于打开空调、打开前照灯等大负荷电器设备，导致发动机的负载增大。此时，如果发动机没有进行相应的怠速转速控制，增大进气量来补偿外部附件带来的运转阻力的话，就会由于发动机输出扭矩小于负载的增加量，导致发动机运转速度降低、出现发动机抖动甚至熄火的故障。

为了维持发动机运转的稳定性，当打开空调、打开大负荷用电器时，需要及时向发动机控制电脑发出负载信号，甚至在某些车型中空调的压缩机运转是受发动机电脑控制的，发动机电脑在发出允许压缩机工作信号(或者直接控制压缩机继电器)的同时，通过增加进气量来提高发动机的转速以适应发动机负荷的增大，这样就起到了维持发动机怠速稳定运转的作用。此时，我们从数据流中可以明显看到发动机负荷数值增大的情况。

从数据流中可以看出，怠速时发动机的转速为647r/min，进气量为1.65g/s，计算负荷数值为32.5%，打开空调后发动机的转速为861r/min，进气量为3.45g/s，发动机计算负荷数值变为44.7%。

当发动机由于某种情况出现空调开关信号，或电负荷信号、或者转向助力信号无法输入的情况，就可能会导致发动机无法及时进行怠速(负荷)补偿，弥补功率的提升需求。此时，会出现发动机怠速抖动的故障。

反之，如果出现上述信号异常输入发动机电脑的情况，则可能导致发动机转速异常升高，怠速转速过高，甚至出现发动机转速忽高忽低的故障。此时观察数据流，可以看到发动机负荷增大的数据，另外，可以观察到相应负荷请求信号的接入。如转向助力信号处于ON、电负荷为ON等。

比如，笔者曾检修的一部天津夏利A+轿车，出现发动机怠速转速达到1000r/min居高不下的故障，维修站认为是怠速电动机故障，更换后无法解决，经笔者检查后，发现怠速时，转向助力信号始终处于ON的数据，拔下开关插头，信号为OFF，怠速恢复正常，判定为转向助力开关损坏所致。

如果发动机机械、点火、燃油系统发生故障，则会由于发动机功率、扭矩的降低，在一定节气门开度下，输出扭矩无法克服发动机运转的机械阻力，导致发动机转速降低，出现抖动甚至熄火的故障。

2.发动机电脑补偿方式

根据出现故障的部位或者原因的不同，发动机电脑进行补偿的方式也有所不同，常规而言，发动机进行补偿的方式，就是增大进气量，增加喷油量，增加进入汽缸的混合气的数量，以起到增加发动机输出扭矩的作用。从发动机负荷数据看是处于增大的状态。

以4缸发动机为例，如果其中任意一缸点火不良，则会出现发动机一个做功行程中，总的扭矩输出不足的情况。这就如同4人抬轿，其中一人偷懒就会出现轿子倾斜的情况。此时，势必需要其余三人掌握好平衡。

而作为4缸发动机，其余3个汽缸就不得不承担更大的载荷。虽然负荷增大，输出扭矩却与原来持平或者更大，这是因为其余3个汽缸不得不承担不工作缸的摩擦阻力。

从进气量的控制方面看，虽然不工作汽缸不再对外输出做功，但其依然要进行“进气、压缩、做功、排气”四个冲程的动作。而发动机ECU依然允许喷油器对其喷射燃油(目前采用失火检测控制的发动机，会对失火汽缸进行断油控制，但是仅限于电脑检测到点火线圈及其线路出现短路、断路的情况)。

而相对于进气量来说，电脑仍旧保持相应的喷油量，此时就会出现单缸喷油器燃油浪费的情况，这导致尾气中出现HC、O2同时过高的情况，这也会进一步导致发动机电脑对此工况的失控，甚至会出现混合气继续加浓的情况。

原有的F=f时，发动机的输出扭矩与发动机阻力相等，发动机能够以稳定的转速转动。如果将发动机的各个汽缸输出的动力分解，我们可以看到4缸发动机，是由F1、F2、F3、F4组成，此时的F=F1+F2+F3+F4=4F1，如果出现了其中的任一缸工作不良(比如1缸不良)，则会出现F=F2+F3+F4=3F1，此时驱动力F就会小于阻力f(F

此时的驱动力F=F2'+F3'+F4'=f，这样本来有4个汽缸来完成的工作，在电脑控制下由3个工作良好的汽缸来完成，并且要承担工作不良汽缸的机械阻力。因此，从发动机本身来说，就要增加额外的混合气数量，继而发动机的负荷就大于了正常值。

以之前在发动机数据流分析系列文章中提到的别克英朗为例，发动机转速达到接近1000r/min，进气量达到8.96g/s，节气门开度达到16.3%，喷油时间为5.81ms，发动机负荷为59.2%。出现发动机怠速转速高于正常怠速，加速迟缓、动力不足的故障。其中的发动机负荷已经超过了50%，但实际的发动机输出扭矩则没有明显的大幅上升。其原因是由于此时的发动机点火提前角已经推迟到了-16.8°，过迟的点火时刻，使得发动机输出功率大幅降低。

三、总结

通过以上介绍，大家了解到发动机负荷这一参数。在发动机数据中，我们应当以进入汽缸的混合气数量来进行形容比较合适，而这一数量是相对于发动机节气门全开时的进气量作为对比来得到的负荷百分比。我们还应当认识到，发动机进气量大，发动机负荷大，这并不代表发动机实际的输出扭矩一定大。

当发动机出现汽缸压力低的情况时，怠速时的发动机进气量就会比正常时要高，喷油量也相应增大，发动机负荷数据也会增加。发动机点火不良导致发动机功率下降时，电脑也会通过增加进气量来弥补发动机扭矩的降低情况，此时发动机负荷数据也会呈现增加的状态。当节气门后方发生真空泄漏的情况时，由于过量的空气进入，也会导致发动机负荷数据增大的情况发生，而此时发动机的负载并没有发生变化。

除此之外，在车辆运行过程中，如动力传递系统出现阻力增大的情况，其额外的负载也将导致发动机负荷增大。如自动挡车辆出现液力变矩器内部导轮打滑故障时，由于导轮的增力作用无法正常进行，就会无形中使发动机的负载增加，使得发动机的负荷增大。

总之，对于发动机负荷这一重要参数，我们只有从其检测的机理出发，才能充分利用其对车辆故障进行分析判断。