汽车电气与电子技术---第8章_电子燃油喷射系统（1）.ppt

第8章 电子燃油喷射系统,8.1 概 述,8.1.1 电子燃油喷射系统的作用 汽油机电子燃油喷射系统又称EFI，EFI是Electronic Fuel Injection的英文缩写，是取代汽油机化油器的新型的燃油供给系统。电子燃油喷射系统的基本作用是按照发动机各种工况的要求控制喷油量，以实现空燃比的最佳控制。,8.1.2 电子燃油喷射方式和系统的基本类型,1.电子燃油喷射方式 按照喷油位置和混合气形成方式，电子燃油喷射系统可分为间接喷射和直接喷射两种基本方式。,SPI-Single Point Fuel Injection MPI-Multi Point Fuel Injection GDI-Gasoline Direct Injection,2.电子燃油喷射系统的基本类型,按照进气量的检测方式分类，电子燃油喷射系统可分为三种类型： 质量流量式（Mass-flow）燃油喷射系统利用空气流量计直接测量发动机的进气量，电控单元根据进气量和发动机转速，计算出每一工作循环各缸吸入的空气量，从而确定相应的喷油量。波许公司的L型和LH型燃油喷射系统即属于该种类型。 速度密度式（Speed Density）燃油喷射系统利用进气管绝对压力传感器和发动机转速传感器信号计算出每一工作循环各缸的进气量，从而确定相应的喷油量。波许公司的D型燃油喷射系统即属于该种类型。 节流速度式（Throttle Speed）燃油喷射系统 该系统利用节气门开度和发动机转速信号计算每一工作循环各缸进气量，从而确定相应的喷油量。,汽油机电子燃油喷射系统的类型和特点,8.2 L型、LH型多点电子燃油喷射系统,8.2.1 L型、LH型电子燃油喷射系统的组成,1-燃油箱 2-电动燃油泵 3-滤清器 4-输油管 5-压力调节器 6-电控单元 7-喷油器 8-冷起动阀 9-怠速调节螺钉 10-节气门开关 11-节气门 12-空气流量计 13-主继电器 14氧传感器 15-冷却液温度传感器16-温度时间开关 17-分电器 18-怠速空气阀 19-怠速调整螺钉 20-蓄电池 21-点火开关,LH型电子燃油喷射系统的组成（LH-Jetronic） 1燃油箱 2燃油泵 3燃油滤清器 4电控单元 5喷油器 6燃油管 7压力调节器 8进气歧管 9节气门位置传感器 10节气门 11氧传感器（传感器） 12冷却液温度传感器 13分电器 14怠速空气阀 15蓄电池 16点火开关,8.2.2 供油系统,1.系统组成和工作过程,供油系统的组成与布置 a）L型 b）LH型 1燃油箱 2电动燃油泵 3燃油滤清器 4燃油油轨 5喷油器 6压力调节器,2.电动燃油泵,电动燃油泵的结构示意图 1限压阀 2燃油泵 3永磁电动机电枢4单向阀 A进油口 B出油口,燃油泵可分为滚柱泵、涡轮泵、内齿轮泵和侧槽泵四种,圆滚柱式油泵工作原理 1转子2滚柱3泵体 A进油口B出油口,4.压力调节器,作用：调节供油压力与进气管压力之差保持不变，使喷油器的喷油量不受进气压力的影响，而由喷油器的开启时间决定。,1接真空管 2弹簧 3阀门 4进油孔 5回油孔 6膜片,5.喷油器,喷油器体内装有电磁线圈，喷油器头部的针阀与衔铁结合成一体。当电控单元接通喷油器电路时，电磁线圈通电，产生的电磁力将衔铁和针阀吸起，使燃油从针阀头部的环形间隙喷出。针阀的升程约0.1mm，喷油器每次开启时间约为210ms。开启时间越长，喷油量越多。,1滤网 2电插头 3电磁线圈 4弹簧 5衔铁 6针阀 7轴针,分组喷射,将喷油器分成2-3组，每组有2-3个喷油器同时喷射，其喷油正时有电控单元根据分电器内的凸轮轴位置传感器信号或点火信号决定。,顺序喷射,顺序喷射是电控单元分别独立控制各缸喷油器的喷油时间和喷油量。,8.2.3 进气系统,1.系统的组成及工作过程,2.空气流量传感器-叶片式空气流量计,1电位器 2油泵开关 3回位弹簧4阻尼挡板 5出气口 6CO调节螺钉7怠速进气通道 8空气流量叶片 9进气温度传感器 10进气口,热线式空气流量计和热膜式空气流量计,在空气通道中放置热线RH ，其热量被空气吸收。空气质量流量越大，被带走的热量越多。将白金热线RH和温度补偿电阻RK分别置于惠斯顿电桥电路的两个桥臂上，控制电路控制白金热线与吸入空气温度差保持在100，为保持热线温度，控制电路使热线RH 通过的电流增大，反之，则减小。精密电阻R3也是惠斯顿电桥的一个桥臂，将通过白金热线RH的电流信号转化为空气流量计的输出电压信号。,1金属网 2取样管 3白金热线 4温度补偿电阻 5控制电路板 6连接器,在空气通道中放置热线RH ，其热量被空气吸收。空气质量流量越大，被带走的热量越多。将白金热线RH和温度补偿电阻RK分别置于惠斯顿电桥电路的两个桥臂上，控制电路控制白金热线与吸入空气温度差保持在100，为保持热线温度，控制电路使热线RH 通过的电流增大，反之，则减小。精密电阻R3也是惠斯顿电桥的一个桥臂，将通过白金热线RH的电流信号转化为空气流量计的输出电压信号。,RH热线电阻 RK温度补偿电阻 R3精密电阻R2电桥电阻 UM检测输出电压信号A混合集成电路,热膜式空气流量计,采用热膜取代白金热线。热膜是由发热金属铂固定在树脂薄片上制成。它具有结构简单、工作可靠等特点。此外不需要额外加热以消除热膜上的污染物，将传感元件的热传导部件安装在传感器后方，以防止沉积物对传感元件产生影响。,1控制电路 2进气 3热膜 4温度补偿电阻 5金属网,卡门漩涡式空气流量传感器,在进气管道中设置一锥体涡流发生器，当空气通过时，在涡流发生器后部将产生卡门漩涡，通过检测卡门漩涡的数量即可检测空气流量。空气流速卡门漩涡频率f的关系由下式决定： d涡流发生器外径尺寸； St斯特罗巴尔数（常数）； f卡门漩涡频率。,通用汽车公司采用的超声波式卡门漩涡流量计,超声波的传播速度受到卡门漩涡的影响，用接收器接收连续发射的超声波信号，经检测电路的信号放大、滤波和脉冲整形，将数字脉冲信号作为检测信号输入电控单元。,1-信号发生器 2-涡流稳定板 3-超声波发生器 4-涡流发生器 5-发动机进气 6-卡门涡旋 7-与涡流数对应的疏密波 8-接收器 9-输入ECU信号 10-旁通进气通路 11-整形器,光电二极管式的卡门漩涡流量计,丰田汽车公司采用的光电二极管式的卡门漩涡流量计，把卡门涡流发生器两侧的压力变化通过导压孔引向有薄金属制成的反光镜背面，使反光镜产生振动，反光镜振动时将发光二极管的反光反射到光电管上，在光电管上产生与卡门漩涡频率相同的电压脉冲信号。,1钢板弹簧 2光电管 3反光镜4钢板弹簧5卡门漩涡 6导压孔 7涡流发生器,8.2.4 电控系统,电控系统由检测发动机工况的各传感器、电控单元（ECU）和执行器三部分组成。各传感器向电控单元输入检测信号，电控单元根据存储的控制程序和输入信号计算各缸所需喷油量，并向各喷油器输出喷油脉冲信号，实现发动机空燃比控制。,1.传感器,（1）转速传感器 在L型系统中，转速信号由点火线圈负接线柱产生的脉冲信号作为转速信号。在LH型系统中，发动机转速传感器通常采用磁脉冲式。,（2）曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器（CKPS、CMPS）,磁脉冲式曲轴位置传感器：在飞轮端面上安装一个钢质正时销，曲轴每转一圈产生一个交流电压信号，该信号于第一缸上止点位置一定，电控单元根据该信号即可确定第一缸上止点位置，结合转速信号可确定各缸上止点的位置。,1-发动机转速传感器 2-永久磁铁 3-电磁线圈 4-发动机飞轮齿圈 5-正时销 6-发动机飞轮壳 7-曲轴位置传感器,带缺齿环的发动机转速传感器,1-缺2个齿的齿环（60-2个齿） 2-发动机转速传感器 3-发动机飞轮壳4-安装螺栓,（3）空气流量传感器(AFS),空气流量计的安装位置、作用及各种形式的空气流量计的结构与工作原理在进气系统中已作了详细介绍。,（4）节气门位置传感器（TPS）,节气门位置传感器的作用是检测节气门的开度,开关式节气门位置传感器 1全负荷触点 2导向凸轮 3节气门轴 4怠速触点,（4）节气门位置传感器（TPS）,电位计式节气门位置传感器 a）结构 b）工作原理 1电位计 2电刷 3电刷 VCC工作电源信号5V（由ECU输入）VTA节气门开度检测信号 IDL怠速触点信号 E接地端,（5）冷却液温度传感器（ECTS）和进气温度传感器（IATS）,冷却液温度传感器安装在发动机冷却液管道上，其作用是检测发动机冷却液的温度。利用负温度系数热敏电阻的阻值随温度变化的特性，即阻值随温度升高而降低的特性。 进气温度传感器安装在空气流量计的进气管道上，其作用是检测发动机进气温度，其结构和工作原理与冷却液温度传感器相似。,1电插头 2外壳 3负温度系数的热敏电阻,（6）氧传感器（O2S、HO2S）,氧传感器又称传感器，安装在发动机排气管上，用于检测排气管中含氧的浓度，作为电控单元进行空燃比反馈控制的输入信号。主要由二氧化锆（ZrO2）固态电解质制成的锆管、铂电极、保护套和加热元件等组成。,1外壳 2陶瓷保护管 3传感器电缆 4带槽的保护管 5二氧化锆（ZrO2）固态电解质锆管 6传感器检测信号输 出引线 7保护外套 8加热元件 9加热元件引线夹子,氧传感器的工作原理,二氧化锆在高温下（300850）可以使氧气发生电离形成氧离子并在其内部传导。当混合气浓（1）时，废气中的含氧升高，使锆管内外两侧的氧气浓度差小，两极间产生100mV的较小的电压；当混合气浓度为理论空燃比时（=1）时，两极间产生的电压发生突变。,a）工作原理 b）输出特性 1氧传感器检测元件 2铂电极 3接触元件 4接触元件 5排气管 6保护套,2.电控单元,电控单元又称ECU（Electronic Control Unit），是汽车计算机控制系统的核心，电控单元可以分为硬件和软件两部分，硬件部分是构成电控单元的电路元器件，软件部分是实现电控单元控制功能的指令和数据系统。 电控单元按功能可以分为输入电路、微处理器和输出电路等部分。,（1）输入电路,ECU的输入信号主要有两种形式，即数字信号和模拟信号。 数字信号包括脉冲信号和开关信号，脉冲信号（如矩形波信号、正弦波信号等）和开关信号，需要通过输入电路的信号处理。对于无杂波的矩形波信号和开关信号，输入电路的作用一般是将其电平转换为微机的输入电平（5V）。而含有杂波的正弦波信号则需通过输人电路的波滤、整形和电平转换后才可输入微机。对于磁感应式转速传感器，由于其信号的峰值电压随转速变化，输入电路中还应包括信号放大电路和信号稳压电路，以便在转速很低时放大过弱的信号，而在转速很高时则限制过高的电压输入。 模拟信号是连续变化的电压信号，必须通过A/D转换为数字信号后才能被微处理器接受。由于控制系统往往要求模数信号转换具有较高的分辨率和精度，所以通常采用10位以上的A/D转换器。为了跟上输入信号的变化，提高测控系统的实时性，采样间隔一般要求小于4ms。,输入回路示例1,输入回路示例2,采样定理,在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中，最高频率fmax的2倍时，即：fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2.56-4倍的信号最大频率；采样定理又称奈奎斯特定理。,（2）微处理器,微处理器是电控单元的核心，在一块大规模集成电路芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM/EPROM/EEPROM）、I/O接口电路、定时器/计数器、串行/并行通讯接口、A/D和D/A器件等微型计算机的各个功能部件，构成单片微型处理器。微处理器首先完成传感器信号的A/D转换、周期脉冲信号测量和其它有关汽车行驶状态信号的输入处理，然后计算并控制所需的输出值，按要求适时地向执行机构发送控制信号。目前在ECU中所使用的微处理器多数是8位和16位的，少数采用32位的。由于许多控制所需输入的传感器信息是相同的，而微处理器的处理速度越来越快，有能力进行多个任务的分时控制，从而使ECU由单独控制向集中控制发展。,ECU硬件电路示例,（3）输出电路,输出信号处理电路的作用是联系协调微处理器和执行器。执行器控制信号有数字信号和模拟信号，而由微处理器产生的控制信号都是数字信号，因此，输出电路也分为数字信号输出通道和模拟信号输出通道。 由微处理器输出接口通过放大电路控制执行器动作，或通过放大电路控制继电器动作。微处理器产生的数字脉冲信号（喷油脉宽）通过放大电路控制喷油器喷油的输出驱动电路。由微处理器模拟信号输出接口通过放大电路控制输出电流或电压的变化，以控制执行器的动作，如电磁阀的开度大小的控制等。,输出回路示例,（4）电源电路,在汽车运行过程中，蓄电池存在一定的电压波动，同时电控单元的工作电压通常为5V。为确保电单元工作稳定，电源电路将蓄电池电压转变为电控单元内部电子器件所需的恒定电压。 MOT,ON生产的 MC33267电压调节器模块VCC=5V,8.2.5 喷油脉宽的确定,1.基本喷油脉宽的确定 方法一：基本喷油时间Tp可根据发动机转速参数和空气流量参数通过计算确定 式中 Ga空气流量，g/s； C与喷油器结构和理论空燃比有关的常数； Z发动机气缸数； n发动机转速，r/min。,1.基本喷油脉宽的确定,方法二：查询法求得基本喷油时间，即通过试验确定发动机特定工况下的最佳喷油时间，取得一组组发动机转速、空气流量或进气管压力所对应的喷油时间标准数据并存入ROM存储器中。工作时，电子控制器中的CPU根据发动机转速和空气流量（或进气管压力），从ROM中查询得到基本喷油时间，通过插值法计算得到该工况下的喷油时间。查询法求得最佳的基本喷油时间，可实现非线性控制，使燃油喷射的控制精度更高。,2.喷油脉宽的修正,在发动机冷起动阶段，氧传感器无输出信号。发动机按可编程只读存储器提供的预定空燃比控其值工作，这一阶段称作开环阶段。当点火开关打开时，取下列T1、T2中的大者作为喷油脉冲输出信号 T11.3 Te+ TS T2TSTKNSTKTST 式中 Te有效喷油量； TS电压修正值； TST基本喷油脉冲； KNST转速修正系数； KTST时间修正系数；,2.喷油脉宽的修正,当氧传感器到达正常工作温度，开始向电控单元提供废气含氧量得信息时，控制系统则进入闭环控制阶段。此时喷油脉冲T0依下式计算 T0= TP（1+KTW+ KAS +KAI+KMR）KFC+TS 式中 TP基本喷油脉冲； 空燃比反馈修正系数； KTW水温修正系数； KAS起动时和起动后喷油量增量修正系数； KAI怠速后喷油量修正系数； KMR空燃比修正系数； KFC停油系数； TS电压修正系数。,8.3 D型电子燃油喷射系统,8.3.1 系统的组成和特点 主要特点是采用进气歧管绝对压力传感器取代空气流量计，作为发动机进气量的间接检测信号。D型电子燃油喷射系统通常也可分为供油系统、进气系统和电控系统三个子系统。,8.3.1 系统的组成和特点,1-燃油箱 2-电动燃油泵 3-燃油滤清器 4-油压调节器 5-喷油器 6-回油管 7-真空管 8-进气管 9-进气压力传感器和进气温度传感器 10-节气门位置传感器 11-分电器和霍尔传感器 12-冷却液温度传感器 13-爆燃传感器 14-电控单元 15-点火器和点火线圈 16-怠速空气阀 17-氧传感器,8.3.3 进气系统,1.系统组成,1进气歧管2进气压力传感器3节气门 4空气滤清器 5怠速空气阀,2.进气压力传感器,又称进气歧管绝对压力传感器（MAPS），其作用是检测发动机的进气压力，作为发动机喷油量控制的基本信号。压敏电阻式进气压力传感器的结构，其核心部分是压力转换元件和混合集成电路。为克服发动机工作时进气压力波动对检测信号的影响，用细孔径的软管将进气压力引入压力传感器内。,a）结构 b）工作原理 1压力转换元件 2滤清器 3进气压力连接管 R1、R2、R3、R4硅膜片应变电阻 A放大电路,压力为转换元件是利用半导体的压阻效应制成的硅膜片。硅膜片是约为3mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2mm，厚约50m的薄膜，薄膜周围分布四个应变电阻，以惠斯顿电桥方式连接。薄膜一侧是真空室，薄膜的另一侧承受进气压力的作用。进气压力越高，膜片的变形越大，应变电阻的阻值与压力成正比。利用惠斯登电桥即可将进气压力转变为电压信号，并经混合集成电路放大后输出。,8.3.4 电控系统的组成和电路示例,基本喷油时间的确定,发动机工作时的基本喷油时间，是根据发动机转速和进气压力确定的。电控单元内存储着满足理论空燃比要求的基本喷油时间与发动机转速、进气压力关系图，称为基本喷油时间三维图。发动机工作时，电控单元根据发动机转速传感器和进气压力传感器输入的信号即可确定相应的基本喷油时间，根据其它传感器输入的信号对基本喷油时间进行修正，即可确定喷油器的实际喷油时间。,3.电路示例:SANTANA2000 GLi采用改进的D型电子燃油喷射系统型（Motronic M1.5.4）,8.4 单点电子燃油喷射系统,单点电子燃油喷射系统又称节气门体燃油喷射系统（TBI-Throttle Body Injection）或中央燃油喷射系统（CFI-Central Fuel Injection）。该系统在结构布置上与化油器很相似，具有结构简单、维修方便，成本较低等优点。典型的单点燃油喷射系统有德国波许公司的Mono-Jetronic系统、美国通用汽车公司的TBI系统、福特公司的CFI系统等。,8.4.1 系统的组成,1-燃油泵 2-燃油箱 3-滤清器 4-压力调节器 5-喷油器 6-进气温度传感器 7-电控单元 8-节气门步进电机 9-节气门位置传感器 l0-氧传感器 11-冷却液温度传感器 12-分电器 13-蓄电池 14-点火开关,8.4.2 系统主要部件的结构和工作原理,中央喷射单元的结构,1-压力调节器 2-进气温度传感器 3-喷油器4-节气门体 5-节气门,1-电插头 2-电磁线圈 3-球形阀4-喷油孔 5-供油流向,奇瑞轿车装用的CAC480M型发动机采用单点电子燃油喷射系统,1-电控单元 2-蓄电池 3-点火开关 4-电喷系统熔丝（25A） 5-电控单元熔丝（15A） 6-电喷系统双继电器 7-转速表 8-1号点火线圈（1、4缸） 9-2号点火线圈（2、3缸） 10-燃油蒸气再循环电磁阀 11-氧传感器 12-燃油泵 13-发动机主搭铁线 14-喷油器 15-空调风扇熔丝（30A） 16-空调熔丝（20A） 17-系统故障报警灯 18-燃油油路切断开 关 19-空调控制单元 20-空调继电器 21-空调压缩机 22-怠速执行器 23-节气门位置传感器 24-发动机主搭铁线 25-绝对压力传感器 26-冷却液温度传感器 27-进气温度传感器 28-ECU盒屏蔽搭铁线 29-转速/上止点传感器 30-CHECK-UP1诊断器插头 31-空调风扇继电器,8.5 汽油机电子控制系统,8.5.1 汽油机电子系统的组成和功能 发动机管理系统EMS（Engine Management System）由电控单元控制发动机燃油喷射、点火时刻、怠速和排放等。发动机工作时，电控单元根据控制程序和各传感器输入的信号控制发动机的燃油喷射、点火时刻、怠速、燃油箱燃油蒸汽控制和排气再循环等。典型的发动机电子控制系统有博世公司的莫特朗尼克系统（MOTRONIC）、福特汽车公司的发动机电子控制系统（EEC-）、通用汽车公司的数字燃油喷射系统（DFI）等,汽油机电子系统的组成和功能,8.5.2 莫特朗尼克系统- MOTRONIC,1.系统的组成,1-活性炭罐 2-进气阀 3-活性炭罐电磁阀 4-油压调节器 5-喷油器 6-EGR电磁阀 7-点火线圈 8-凸轮轴位置传感器 9-二次空气泵 10-二次空气阀 11-AFS 12-发动机ECU 13-TPS 14-怠速控制阀 15-IATS 16-