比亚迪轿车典型电控燃油喷射系统设计.

辽宁工程技术大学 综 合 训 练 题 目： 比亚迪轿车电控燃油喷射系统方案设计 班 级： 汽车 13-2 班 学 号： 1307130231 姓 名： 赵航 课程教师： 朱占平 完成日期： 2016.11.20 摘要 本文从发动机的基础知识入手，以我们最常见的、应用较广泛的电控燃油喷射系统 为例，较系统地介绍了汽油电控燃油喷射技术的发展历程，汽油电控燃油喷射系统的类 型、结构组成、工作原理，较详细地介绍了比亚迪轿车电控燃油喷射系统组成与工作原 理。 关键词：电控燃油喷射系统；结构；工作原理 Abstract This paper starts from the basic knowledge of the engine, with the most common application of electronic fuel injection system, widely as an example, systematically introduces the development process of fuel gasoline EFI technology, gasoline EFI system type, structure, working principle, introduces in detail the BYD car electronic fuel injection system the composition and working principle. Key words: electronic controlled fuel injection system; structure; working principle 目录 1 1 总述总述 1 1 1.11.1 电控汽油喷射系统电控汽油喷射系统.1 1.1.11.1.1 电控汽油喷射系统的发展历程电控汽油喷射系统的发展历程 1 1.1.21.1.2 电控汽油喷射系统的功用电控汽油喷射系统的功用 1 1.1.31.1.3 电控汽油喷射系统的分类电控汽油喷射系统的分类 2 2 2 电控汽油喷射系统的结构组成及工作原理电控汽油喷射系统的结构组成及工作原理 6 6 2.12.1 电控汽油喷射系统的基本组成及其功能电控汽油喷射系统的基本组成及其功能 6 2.1.12.1.1 进气系统进气系统 6 2.1.32.1.3 电子控制系统电子控制系统 7 2.22.2 电控汽油喷射系统的工作原理电控汽油喷射系统的工作原理.8 2.2.12.2.1 D D 型型 EFIEFI 系统系统.8 2.2.22.2.2 L L 型型 EFIEFI 系统系统.9 2.2.32.2.3 燃油喷射控制燃油喷射控制 .10 3 3 比亚迪比亚迪轿车电控燃油喷射系统轿车电控燃油喷射系统 .12 3.1.33.1.3 控制系统的主要部件控制系统的主要部件 .12 3.23.2 比亚迪比亚迪轿车电控燃油喷射系统简介轿车电控燃油喷射系统简介15 参考文献参考文献16 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 引言 电子技术的迅速发展，另一方面汽车排放法规逐步严格、燃油价格不断上涨，采用 电子控制技术使汽车满足最新法规的要求。因此电喷系统在汽车上得到了普及和应用。 使用电喷技术的发动机能保证进入各缸的混合气的质和量都比较均匀，其中电控单元可 以根据各传感器所提供的信号快速精确的修正供油量，减少 HC 的排放，降低油耗。 电控燃油喷射系统在汽车上的大量应用，大幅度提高了汽车的综合性能，但由于结 构复杂，电控汽车的使用和检修问题就日益突出，因此正确使用、维护、保持电控发动 机良好的技术状态显得十分重要。 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 0 1 1 总述总述 1.11.1 电控汽油喷射系统电控汽油喷射系统 1.1.11.1.1 电控汽油喷射系统的发展历程电控汽油喷射系统的发展历程 为了降低汽油喷射系统的价格，从而进一步推广电控汽油喷射系统，1980 年，美国 通用(GM)公司首先研制成功一种结构简单价格低廉的节流阀体喷射(TBI)系统，它开创了 数字式计算机发动机控制的新时代。TBI 系统是一种低压燃油喷射系统，它控制精确，结 构简单，是一种成本效益较好的供油装置。 随着排放法规的不断完善，使这种物美价廉的系统大有完全取代传统式化油器的趋 势。1983 年，德国博世公司也推出了自己的单点汽油喷射系统,即 Mono-Jetronic 系统。 1.1.21.1.2 电控汽油喷射系统的功用电控汽油喷射系统的功用 现代汽车发动机电子控制燃油喷射系统 EFI（Electronic Fuel Injection）简称电 控燃油喷射系统，它的主要功能是控制汽油喷射、电子点火、怠速、排放、进气增压、 发电机负荷、巡航、警告指示、自我诊断与报警、安全保险、备用功能。 1电子汽油喷射（EFI）控制 1）喷油量控制 2）喷油正时控制 3）断油控制 4）燃油泵控制 2电子点火（ESA）控制 1）点火提前角的控制 2）通电时间（闭合角）与恒流控制 3）爆震控制 3怠速控制（ISC） 4排放控制 1）废气再循环(EGR)控制 2）开环与闭环控制 3）二次空气喷射控制 4）活性炭罐清污电磁阀控制 5进气增压控制 1）进气谐波增压控制 2）涡轮增压控制 6发电机控制 辽宁工程技术大学综合训练 1 ECU 根据发电机输出电压的变化，调节发电机的励磁电流，使发电机输出的电压保持 稳定。 7巡航控制 汽车在正常行驶时，ECU 可以通过巡航控制系统根据行驶阻力的变化，自动增减节气 门开度，不需要驾驶员操纵加速踏板，就能使汽车处于定速巡航行驶状态，车速保持一 定。 8警告指示 ECU 控制各种指示仪表和警告装置，显示有关控制装置的工作状态，当控制装置出现 异常情况时会及时发出警告信号，如氧传器失效、催化转化器过热等。 9自我诊断与报警 当电子控制系统出现故障时，ECU 会点亮仪表盘上的“发动机检查（CHECK ENGINE SOON） ”指示灯，提醒驾驶员，发动机已出现故障，应立即停车检查修理。ECU 将故障以 代码的形式存储在 ECU 的存储器中，维修人员通过故障诊断插座。使用专用故障诊断仪 或以跨接导线的方法调出故障信息，供维修人员进行分析。 10安全保险与备用功能 当 ECU 检测到电控系统出现故障时，会自动按照 ECU 预先设定的数值，使发动机保 持运转，但发动机的性能有所下降，以便尽快送到维修站检修。 当 ECU 本身发生故障时，会自动启用备用系统，使发动机进入跛行（Limp_home）状 态，以便能有所下降，以便尽快送到维修站检修。 1.1.31.1.3 电控汽油喷射系统的分类电控汽油喷射系统的分类 电喷系统发展至今，已有多种类型。根据其结构特点分为以下几种类型。 按系统控制模式分类 a开环控制 就是把根据试验确定的发动机各种运行工况所对应的最佳供油量的数据事先存入计 算机中，发动机在实际运行过程中，主要根据各个传感器的输入信号，判断发动机所处 的运行工况，再找出最佳供油量，并发出控制信号。 b闭环控制 闭环控制系统又称为反馈控制系统，其特点是加入了反馈传感器，输出反馈信号， 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 2 反馈给控制器，以随时修正控制信号。 2) 按喷油实现的方式分类 在发动机电子控制系统中，按喷油实现的方式进行分类，可分为机械式、机电混合 式和电子控制式三种燃油喷射系统。 a.机械式燃油喷射系统(K 系统)如图 1-1 b.机电混合式燃油喷射系统(KE 系统) c电子控制式燃油喷射系统 燃油的计量通过电控单元和电磁喷油器来实现。 该系统采用了全电子控制方式，即电子控制单元通过各种传感器来检测发动机运行 参数(包括发动机的进气量、转速、负荷、温度、排气中的氧含量等)的变化，再由 ECU 根据输入信号和数学模型来确定所需的燃油喷射量，并通过控制喷油器的开启时间来控 制喷入气缸内的每循环喷油量，进而达到对气缸内可燃混合气的空燃比进行精确配制的 目的。 电子控制式燃油喷射系统在发动机各种工况下均能精确计量所需的燃油喷射量，且 稳定性好，能实现发动机的优化设计和优化控制。因此，它在汽油喷射系统中被广泛应 用。 图 1-1 K 型机械式汽油喷射系统结构示意图 1燃油箱；2电动燃油泵；3蓄能器；4燃油滤清器；5混合气调节器；5a燃油分配器； 5b空气流量传感板；5c压力调节阀；6暖机调节器；7节气门；8怠速调节螺钉； 辽宁工程技术大学综合训练 3 9冷启动阀；10总进气管；11喷油器；12温度时间开关；13辅助空气阀。 3) 按喷油器数目分类 在发动机燃油喷射控制系统中，按喷油器数目进行分类，又可分为单点喷射(Single- Point Injection，SPI)和多点喷射(Multi-Point Injection，MPI)两种形式。 单点喷射与多点喷射的区别如图 1-4 所示。 （a） (b) 图 1-4 单点喷射(a)与多点喷射(b) a 单点喷射(SPI) 单点喷射在现在汽车中以很少使用，故不做介绍。 b 多点喷射(MPI) 多点喷射系统是在每缸进气口处装有一只喷油器，由电控单元(ECU)控制顺序地进行 分缸单独喷射或分组喷射，汽油直接喷射到各缸的进气门前方，再与空气一起进入气缸 形成混合气。多点喷射又称为多气门口喷射(MPI)或顺序燃油喷射(SFI)，或单独燃油喷射 (IFI)。 4) 按喷油器的喷射方式分类 在发动机电子控制系统中，按喷油器的喷射方式可分为连续喷射和间歇喷射两种形 式 a 连续喷射 喷油器稳定连续地喷油，其流量正比于进入气缸的空气量，故又称为稳定喷射。 b 间歇喷射 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 4 又称为脉冲喷射或同步喷射。其特点是喷油频率与发动机转速同步，且喷油量只取 决于喷油器的开启时间(喷油脉冲宽度)。因此，ECU 可根据各种传感器所获得的发动机运 行参数动态变化的情况，精确计量发动机所需喷油量，再通过控制喷油脉冲宽度来控制 发动机各种工况下的可燃混合气的空燃比。 。 5) 按喷油器的喷射部位分类 在发动机电子控制系统中，按喷油器的喷射部位进行分类，又可分为缸内喷射和缸 外喷射两种形式。 a 缸内喷射 它是将喷油器安装于缸盖上直接向缸内喷油，因此需要较高的喷油压力(3 到 12MPa)。 由于喷油压力较高，故对供油系统的要求较高，成本也相应较高。同时由于要求喷出的 汽油能分布到整个燃烧室，故缸内喷油器的布置及气流组织方向比较复杂，同时发动机 设计时需保留喷油器的安装位置，使发动机的结构设计受到限制，在过去的机械式汽油 喷射系统中，尚有这一类型的例子，但现在已经不使用了。 b缸外喷射 它是指在进气歧管内喷射或进气门前喷射。在该方式中，喷油器被安装于进气歧管 内或进气门附近，故汽油在进气过程中被喷射后与空气混合形成可燃混合气再进入气缸 内。理论上，喷射时刻设计在各缸排气行程上止点前 70左右为佳。喷射方式可以是连续 喷射或间歇喷射。 6) 按空气量的检测方式分类 在发动机电子控制系统中，根据空气进气量的检测方式，可分为直接检测方式和间 接检测方式两种。 由于空气在进气管内的压力波动，故该方法的测量精度稍差。 L 型 EFI 系统是用空气流量计直接测量发动机吸入的空气量，其测量的准确程度高于 D 型，故可更精确地控制空燃比。 D、L 型系统均采用多点间歇脉冲喷射方式，配用这两种系统的发动机可获得良好的 综合性能，目前，在汽油发动机上得到广泛应用。 辽宁工程技术大学综合训练 5 2 2 电控汽油喷射系统的结构组成及工作原电控汽油喷射系统的结构组成及工作原理理 2.12.1 电控汽油喷射系统的基本组成及其功能电控汽油喷射系统的基本组成及其功能 电控汽油喷射系统尽管类型不少，品种繁多，但它们都具有相同的控制原则：即以 电控单元(ECU)为控制核心，以空气流量和发动机转速为控制基础，以喷油器、怠速空气 调整器等为控制对象，保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳混合气成分和点火时刻。 相同的控制原则决定了各类电控汽油喷射系统具有相同的组成和类似的结构。电控 汽油喷射系统大致可分为进气系统、燃油系统和电子控制系统三个部分。 2.1.12.1.1 进气系统进气系统 空气经空气过滤器过滤后，由空气流量计(在 D-Jetronic 系统中为进气歧管绝对压 力传感器)计量，通过节气门体进入进气总管，再分配到各进气歧管。在进气歧管内，从 喷油器喷出的燃油与空气混合后被吸入气缸内燃烧。 一般行驶时，空气的流量由进气系统中的节气门来控制。踩下加速踏板时，节气门 打开，进入的空气量多。怠速时，节气门关闭，空气由旁通气道通过。怠速转速的控制 是由怠速调整螺钉和怠速空气调整器调整流经旁通气道的空气量来实现的。 2.1.22.1.2 燃油系统燃油系统 燃油供给系统的功能是向发动机精确提供各种工况下所需要的燃油量。 燃油系统一般由油箱、电动燃油泵、过滤器、燃油脉动阻尼器、燃油压力调节器、 喷油器、冷启动喷油器及供油总管等组成。 喷油器根据 ECU 的喷油指令，开启喷油阀，将适量的燃油喷于进气门前，待进气行 程时，再将燃油混合气吸入气缸中。 装在供油总管上的燃油压力调节器是用以调节系统油压的，目的在于保持油路内的 油压约高于进气管负压 300kPa。 此外，为了改善发动机低温启动性能，有些车辆在进气歧管上安装了一个冷启动喷 油器，冷启动喷油器的喷油时间由热限时开关或者 ECU 控制。 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 6 2.1.32.1.3 电子控制系统电子控制系统 电子控制系统的功能是根据发动机运转状况和车辆运行状况确定燃油的最佳喷射量。 该系统由传感器、电控单元(ECU)和执行器三部分组成，如图 2-3 所示。 供给发动机的汽油量，由喷油持续时间来控制，喷油持续时间则由 ECU 通过来自进 气歧管压力传感器或空气流量计的信号来计算进气量，根据进气量和转速计算出基本喷 油持续时间。然后进行温度、海拔高度、节气门开度等各种工作参数的修正，得到发动 机在这一工况下运行的最佳喷油时间，精确地控制喷油量。 基本测量用 传感器 用于检测空气量 用于检测发动机转速 修正用 传感器 曲轴位置传感器 水温传感器 氧传感器 爆燃传感器 节气门位置传感器 其他传感器 ECU 电磁喷油器 电子点火 怠速控制 废气再循环 其他控制 图 2- 3 电子控制系统 传感器是信号转换装置，安装在发动机的各个部位，其功用是检测发动机运行状态 的电量参数、物理参数和化学参数等，并将这些参数转换成计算机能够识别的电信号输 入 ECU。 辽宁工程技术大学综合训练 7 2.22.2 电控汽油喷射系统的工作原理电控汽油喷射系统的工作原理 电控汽油喷射系统工作原理框图，如图 2-4 所示。 图 2-4 电控汽油喷射系统原理框图 1发动机工作参数；2传感器；3 电控单元；4喷油器 为了便于控制，在实际的喷油控制系统中，喷孔的横断面面积和喷油压力都是恒定 的，汽油的喷射量只取决于喷油持续时间。喷油器的喷孔由电磁阀来开闭，电磁阀的开 启时刻(喷油开始时刻)和开启延续时间(喷油持续时间)的长短，由发动机的各种参数确 定。 2.2.12.2.1 D D 型型 EFIEFI 系统系统 图 2-5 所示的是 D 型 EFI 系统，该系统的工作原理如下所述。 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 8 图 2-5 歧管压力计量式电控汽油机燃油喷射系统 1喷油器； 2燃油压力调节器；3电控单元(ECU)；4节气门位置传感器；5怠速空气调整器； 6进气压力传感器；7燃油泵；8滤清器；9水温传感器；10热限时开关。 1） 燃油压力的建立与燃油喷射方式 电控燃油喷射系统的喷油压力由燃油泵提供，燃油泵可以装在油箱外靠近油箱的地 方，也可以直接安装在油箱内。油箱内的燃油被燃油泵吸出并加压至 350kPa 左右，经燃 油滤清器滤去杂质后，被送至发动机上方的分配油管。 2） 进气量的控制与测量 进气量由驾驶员通过加速踏板操纵节气门来控制。节气门开度不同，进气量也不同， 同时进气歧管内的真空度也不同。在同一转速下，进气歧管真空度与进气量有一定关系。 进气压力传感器可将进气歧管内真空度的变化转变成电信号的变化，并传送给 ECU，ECU 根据进气歧管真空度的大小计算出发动机进气量。 3） 喷油量与喷油时刻的确定 喷油量由 ECU 控制。ECU 根据进气压力传感器测量得到的信号计算出进气量，再根据 分电器中的曲轴位置传感器测得的信号的计算出发动机转速，根据进气量和转速计算出 相应的基本喷油量；ECU 控制各缸喷油器在每次进气行程开始之前喷油一次，并通过控制 辽宁工程技术大学综合训练 9 每次喷油的持续时间来控制喷油量。 4）不同工况下的控制模式 电控燃油喷射系统能根据各个传感器测得的发动机各种运转参数，判断发动机所处 的工况，选择不同模式的程序控制发动机的运转，实现启动加浓、暖机加浓、加速加浓、 全负荷加浓、减速调稀、强制怠速断油、自动怠速控制等功能。 2.2.22.2.2 L L 型型 EFIEFI 系统系统 L 型 EFI 系统是在 D 型 EFI 系统的基础上，经改进而形成的。它是目前汽车上应用 最广泛的燃油喷射系统。L 型 EFI 系统的构造和工作原理与 D 型 EFI 系统基本相同，但 它以空气流量计代替 D 型 EFI 系统中的进气压力传感器，可直接测量发动机进气量，提 高了控制精度。 2.2.32.2.3 燃油喷射控制燃油喷射控制 1) 喷油正时 多点喷射分为同时喷射，即各缸喷油时刻相同；分组喷射，即多缸发动机分为若干 组进行喷射，同一组各缸同时喷油，不同组间顺序喷油；顺序喷射，即按点火顺序要求 逐缸喷油。喷油正时就是喷油器什么时候开始喷油的问题。对于多点间歇喷射发动机， 喷油正时分为同步喷射和异步喷射。 顺序喷射 顺序喷射也叫独立喷射。曲轴每转两转，各缸喷油器都轮流喷射一次，且像点火系 统一样，按照特定的顺序依次进行喷射。 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 10 图 2-8 顺序喷射的控制电路 顺序喷射可以设立在最佳时间喷油，对混合气的形成十分有利，因此它对提高燃油 经济性和降低有害物的排放等有一定好处。尽管顺序喷射方式的控制系统的电路结构及 软件都较复杂，但这对日益发展的先进电子技术来讲，是比较容易得到解决的。顺序喷 射方式既适合进气歧管喷射，也适用于气缸内喷射。 2) 喷油量的控制 喷油量的控制亦即喷油器喷射时间的控制，要使发动机在各种工况下都处于良好的 工作状态，必须精确地计算基本喷油持续时间和各种参数的修正量，其目的是使发动机 燃烧混合气的空燃比符合要求。 启动喷油控制 在发动机启动时，由于转速波动大，无论 D 系统中的进气压力传感器还是 L 系统中 的空气流量计，都不能精确地测量进气量，进而确定合适的喷油持续时间。 动机输出功率大幅度下降，导致不应有的冲击，甚至熄火，为了防止这种不良现象 的产生，在节气门外部设有节气门缓冲装置，如图 3-11 所示。 图 3-11 节气门缓冲装置 1-空气滤网； 2-阻尼孔； 3-阻尼弹簧； 4-膜片； 5-杠杆； 6-节气门。 辽宁工程技术大学综合训练 11 3 3 比亚迪轿车电控燃油喷射系统比亚迪轿车电控燃油喷射系统 3.1.33.1.3 控制系统的主要部件控制系统的主要部件 控制系统的作用是收集发动机的工况信息并确定最佳喷油量、最佳喷油时刻及最佳 点火时刻，它由电控单元（ECU） 、水温传感器、氧传感器、节气门位置传感器、进气温 度传感器、进气压力传感器、爆震传感器及霍尔传感器等组成。传感器是检测发动机实 际工作状况、感知各种信号的主要部件，并将各种信号传送给 ECU，ECU 通过计算分析 后，发出相应指令，使发动机在最佳的工作状态下工作。 1）电控单元 电控单元俗称电脑或 ECU。ECU 是一种电子综合控制装置，它是电子控制汽油喷射 装置的控制中枢，它由模拟数字转换器，只读存储器 ROM，随机存储器 RAM、逻辑运 算装置和一些数据寄存器等组成。ECU 安装在驾驶员仪表板下。 2）节气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门体上，用来检测节气门的开度，它通过杠杆机构与 节气门联动，进而反映发动机的不同工况（怠速、加速、减速和全负荷等） 。此传感器可 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 12 把发动机的这些工况检测后输入 ECU，从而控制不同的喷油量。 3）进气压力传感器 进气压力传感器与稳压器相连，用以将进气管内的压力变化转换成电信号。它与转 速信号一起输送到 ECU，作为决定喷油器基本喷油量的依据。 图 3-13 节气门位置传感器 l-导向凸轮； 2-节气门轴； 3-控制杆； 4-活动触点； 5-怠速触点；6-功率触点； 7-连接装置； 8-导向凸轮槽。 进气压力传感器采用半导体压敏电阻式（全称是进气歧管绝对压力传感器） 。它由硅 膜片、集成电路、滤清器、真空室和壳体等组成，如图 3-14 所示。硅膜片是压力转换元 件，它是利用半导体的压电效应制成的。硅膜片的一面是真空室，另一面是导入的进气 压力。集成电路是信号放大装置，它的端头与 ECU 连接。 （a）平面图 （b）立体图 图 3-14 进气压力传感器 1-硅膜片； 2-真空室； 3-集成电路； 4-滤清器； 5-进气端； 6-接线端。 辽宁工程技术大学综合训练 13 发动机工作时，从进气管来的空气经传感器的滤清器滤清后作用在硅膜片上，硅膜 片产生变形（由于进气流量对应着相应的进气压力，故进气流量越大，进气管压力就越 高，硅膜片变形也就越大） 。硅膜片的变形，使扩散在硅膜片上电阻的阻值改变，导致电 桥输出的电压变化。传感器上的集成电路将电压信号放大处理后，作用进气管压力信号 送到电控单元，此信号成为电控单元计算进入气缸空气量的主要依据。 4）进气温度传感器 进气温度传感与进气压力传感器一体安装于节气门之后的进气管上，用以检测进气 温度，测量进气温度的目的是为了确定进气的密度，它与进气压力传感器联合使用，可 以准确地反映进入气缸的空气量。进气温度传感器的材料采用负温度系数（NTC）热敏电 阻，ECU 根据进气温度传感器检测到的进气温度修正喷油量，使发动机自动适应外部环境 的变化。 5）水温传感器 水温传感器作用是测定发动机冷却液温度，并将它变为电信号送入 ECU，为其修正喷 油量提供重要依据。 水温传感器装在发动机的冷却液回路中，如图 3-15 所示。目前是利用负温度系数半 导体电阻来测定温度。负温度系数的电阻在温度上升时，其电阻值是下降的。 图 3-15 水温传感器 1-负温度系数电阻； 2-外壳； 3-电气接头。 6）爆震传感器 爆震传感器安装于气缸体上，如图 3-16 所示。它能将发动机爆震情况转换成电信号， 输入给电控单元，供其修正点火时刻。 爆震传感器是一种固有频率大于 25kHz 的宽带加速度传感器，控制元件由压电陶瓷 制成。为了隔热，传感器用塑料套包起来，允许工作温度为 130。 7）氧传感器 赵航：比亚迪电控燃油喷射系统方案设计 14 氧传感器（ 传感器）又称空气汽油混合比传感器，用以控制发动机的燃烧状况， 随时向 ECU 提供修正喷油量的电信号。氧传感器装在发动机排气管上，伸入到废气流中， 外电极端受废气拂过，内电极端与外