ME-Motronic 发动机管理系统.pdf

1999 版 汽油发动机管理 ME-Motronic BOSCH 技术说明书技术说明书 发动机管理系统发动机管理系统 1 ME-Motronic发动机管理系统发动机管理系统 各种发动机电子管理系统早已经成 为提高燃油经济性和增强汽车环境相容 性的决定性因素。 发动机电子管理系统的首要任务是 提供驾驶员所要求的扭矩并且同时保证 最大的燃油经济性和最少的尾气排放。 汽 油机（也称之为火花点燃式（SI）发动机 或 Otto-循环发动机）的 ME-Motronic 发 动机电子管理系统与其它所要求的子系 统一起完成以下的任务： 电子节气门控制 系统（ETC, 或“线控驾驶” ）调节吸入 空气流量以满足所要求的瞬时扭矩， 而燃 油喷射系统控制燃油喷射量； 同时电子点 火系统控制点火正时和点火能量。 ME-Motronic 的功能甚至可以进一 步扩展，与为增强驾驶者的舒适性，方便 性和安全性而设计的其它汽车系统相协 调。例如：ME-Motronic 发动机电子管理 系统为满足 ABS 和 ESP 系统的需要， 可 调整扭矩水平以确保最大的牵引力。 目前各子系统之间的联系更加紧密， 这表明在满足发动机电子管理系统的高 度多样化功能方面所取得的进展。 本说明 书揭示了 ME-Motronic 电子发动机管理 系统的设计方案并解释了该系统的操作 原理。 系列出版物“M-Motronic 发动机电 子管理系统”还叙述了传统的 Motronic 系统。 汽油机的燃烧汽油机的燃烧 火花点燃发动机 2 汽油机管理系统汽油机管理系统 技术要求 4 气缸进气 5 混合气的形成 7 点火 10 感应点火系统 13 汽油喷射系统汽油喷射系统 概述 16 ME-Motronic 发动机电子管理系统发动机电子管理系统 Motronic 系统概述 18 气缸进气控制系统 21 燃油系统 28 运行数据的采集 34 运行数据的处理 42 运行工况 47 闭环怠速控制 52 闭环控制 52 蒸发排放控制系统 55 爆震控制 57 增压压力控制 58 保护功能 59 改善驾驶性能 60 巡驶控制 60 集成诊断 62 电子控制单元（ECU） 68 其他系统的接口 70 2 汽油机的 燃烧 汽油机的燃烧汽油机的燃烧 火花点燃发动机火花点燃发动机 或或 OTTO-循环发动机循环发动机 工作循环工作循环 火花点燃或 OTTO-循环 1)发动机是一种依 靠外部形成的点火火花把燃油中的化学能量转 化为动能的内燃（IC）机。 目前标准的火花点燃发动机采用进气歧管 喷射汽油在燃烧室外形成混合气。混合气形成 系统利用汽油或气体燃料产生空燃混合气，该 混合气即被活塞下降产生的吸力吸入发动机 中。将来则会越来越多应用另一种方案，即将 燃油直接喷射到燃烧室的系统。当活塞上升， 压缩燃烧室中的混合气，为定时点火过程做好 准备。点火时，外部产生的能量通过火花塞使 混合气开始燃烧。燃烧过程中产生的热量使气 缸压力增加，迫使活塞向下运动并作用于曲轴 图 1 进而做功。每一次燃烧冲程后，产生的废气被 排出气缸，以便吸入下一轮新鲜空燃混合气。 在汽车用途的发动机中用以控制气体转换的主 要设计方案是四冲程循环工作原理，每次循环 需要曲轴旋转两周。 四冲程工作原理四冲程工作原理 四冲程发动机采用流量控制阀门控制气体 的传输 （充气控制） 。这些阀门不断地打开或 关闭与气缸连接的进气管或排气管： 第一冲程：进气 第二冲程：压缩点火 第三冲程：燃烧作功 第四冲程：排气 进气冲程进气冲程 进气门：开 排气门：关 活塞运动：向下 燃烧 ：无 活塞的向下运动增加了气缸的有效容积通 过由进气门打开的通道吸入混合气。 压缩冲程压缩冲程 进气门：关 排气门：关 活塞运动：向上 燃烧 ：开始点火阶段 1) 由 Nikolaus Augst Otto (1832-1891)在 1876 年巴黎世 界博览会上首次展出了第一部四冲程煤气压缩发动机 后而命名。 往复活塞式发动机设计方案往复活塞式发动机设计方案 OT=TDC（气缸压缩上止点） ；UT=BDC（活塞 行程下止点） ； Vh: 活塞工作容积; Vc: 压缩容积; s: 活塞行程 3 由于活塞往上运动，减少了气缸的有效容 积，空燃混合气被压缩。在活塞达到上止点 （TDC）前一瞬，火花塞点燃浓缩的混合气开 始燃烧。 活塞工作容积 Vh和压缩容积 Vc 提供了压缩比 的计算基础： =（Vh+Vc）/Vc 压缩比根据不同的发动机设计可在 7.13 范 围内选取。提高内燃机的压缩比可增加它的热 效率，从而可以更加充分利用燃油。例如：压 缩比从 6:1 增加到 8:1 可提高热效率 12%。压 缩比的增加范围受爆震限制。爆震这一术语指 的是混合气最高燃烧压力升高的失控燃烧。爆 震会导致发动机损坏。使用合适的燃油和优良 的燃烧室结构可将爆震阈值升到更高的压力 范围内。 燃烧作功冲程燃烧作功冲程 进气门：关 排气门：关 活塞运动：向上 燃烧 ：燃烧/后燃烧阶段 火花塞产生火花点燃被压缩的空燃混合 气，燃烧随即开始并伴随温度的升高。 气缸内升高的气压迫使活塞下行。而活塞 对曲轴施压做功，该过程便是发动机动力的来 源。 功 率 是 发 动 机 转 速 和 扭 矩 的 函 数 ： (P=M) 需要具有各种传动比的变速器来使内燃 机的功率-扭矩曲线与实际情况下汽车运行的 要求相匹配。 排气冲程排气冲程 进气门：关 排气门：开 活塞运动：向上 燃烧 ：无 活塞的向上运动，迫使工作后的气体（废 气）通过由排气门打开的通道排出气缸。整个 循环完成并重新开始新一轮的进气冲程。在整 个循环的部分过程中，进气门和排气门同时打 开。该重叠的部分利用气体流动和共振的方式 促进气缸的充气和扫气。 图 2 Otto 循环 四冲程火花点燃发动机的工作循环四冲程火花点燃发动机的工作循环 第一冲程：进气 第二冲程：压缩 第三冲程：燃烧 第四冲程：排气 4 汽油机管 理系统 汽油机管理系统汽油机管理系统 技术要求技术要求 火花点燃火花点燃 发动机的扭矩发动机的扭矩 火花点燃发动机提供的功率 P 是由可用的 飞轮净扭矩和发动机转速决定的。 飞轮净扭矩等于燃烧过程中产生的力减去 摩擦损失（发动机内部摩擦） 、换气损失、发动 机附件所消耗的扭矩（图 1） 。 发动机在燃烧作功冲程中产生的动能由下 列因素所确定： - 进气门关闭时进入的可供燃烧的进气量； - 同时进入的可供燃烧的燃油量； - 点火火花开始点燃空燃混合气的着火点。 发动机管理系统的主要功能发动机管理系统的主要功能 发动机管理系统的首要的也是最重要的任 务是通过控制发动机管理系统各子系统中决定 发动机产生多少扭矩的各种功能和因素来控制 发动机扭矩的产生。 气缸充量控制气缸充量控制 在以电子节气门控制（ETC）为特色的博 世发动机管理系统中， “气缸充量控制” 子系统 决定所要求的进气质量，并相应地调节节气门 开度。在传统喷射系统中，驾驶员通过加速踏 板的机械连接直接控制节气门开度。 混合气的形成混合气的形成 “混合气形成”子系统计算瞬时燃油量需 求以便决定正确的喷油持续期和最佳的喷油正 时。 图 1 驱动系统扭矩构成驱动系统扭矩构成 1 附件（交流发电机，空调 压缩机，等等） 2 发动机 3 离合器 4 变速器 空气流量（新鲜进气充量） 燃烧 发动机 燃油量 发动机 输出扭矩 输出扭矩 飞轮扭矩 点火角（点火点） 配气和摩擦损失 附件 离合器/转换器损失和转换率 传动损失和传动比 驱动力 变速 器 离合器 5 点火点火 最后， “点火”子系统确定与火花点燃混 合气的理想时刻精确对应的曲轴角度。 该闭环控制系统的目的是提供驾驶员所 要求的扭矩并同时满足下列严格的标准： - 废气排放 - 经济性 - 动力性 - 舒适性和方便性 - 安全性 气缸进气气缸进气 成分成分 进气门关闭后，气缸中具有的混合气称为 气缸充量，它包括吸入的新鲜的空燃混合气以 及气缸中的残余废气。 新鲜气体新鲜气体 吸入气缸的新鲜混合气包括新鲜空气和 带进的燃油。绝大部分的新鲜空气通过节气门 进入，补充新鲜气体也可以从蒸发排放控 制系统进入（图 2） 。从节气门进入并在进气门 关闭后留在气缸内的空气是燃烧过程中活塞 做功多少的决定性因素，所以也是发动机产生 扭矩大小的主要决定性因素。因此，提高发动 机的最大功率和扭矩通常总需要最大可能地 增加气缸进气量。理论上，气缸的最大进气量 是由气缸的排量所限定的。 残余废气残余废气 气缸进气中的残余废气包括： - 排气门打开后但没有从排气门排出而留在 气缸中的废气； -（废气再循环系统的）再循环的废气。 （见图 2） 残余废气的多少是由气体交换过程决定 的。虽然残余废气不直接参加燃烧，但它却能 影响点火形式和燃烧结果。所以完全有必要通 过部分地开启节气门来控制这种残余废气。 要想产生更大的扭矩，需要增大节气门的 开度来补偿新鲜进气的不足。节气门开度 图 2 火花点燃发动机的气缸充量火花点燃发动机的气缸充量 1 空气和燃油蒸气 2 可调开度的再生阀 3 通往蒸发排放控制系统 4 废气 5 有可调开度的 EGR 阀门 6 空气质量流量（大气压力 PU） 7 空气质量流量 （进气管压力 PS） 8 新鲜空气充量 （燃烧室压力 PB） 9 残余废气量 （燃烧室压力 PB） 10 废气（背压 PA） 11 进气门 12 排气门 节气门开启角 气缸充量 6 汽油机管 理系统 增大减少了发动机的泵气损失，导致更低的燃 油耗。对残余废气摄入的精确控制也能改善燃 烧过程，减少 NOx排放和未燃 HC 的排放。 控制元件控制元件 节气门节气门 火花点燃发动机产生的功率直接与吸入的 空气量成正比。通过控制从节气门流入的空气 量可以实现对发动机在不同转速下的功率和相 应扭矩的控制。让节气门部分关闭，限制发动 机的吸入空气量并减少扭矩的产生。该限制的 程度与节气门的位置和总的开度大小有关。当 节气门全部打开（WOT，或节气门全开） ，发 动机发出最大功率。 图 3 对新鲜空气充量密度与作为节气门开 度函数的发动机转速之间的相互关系作了定性 的阐述。 气体交换气体交换 进气门和排气门在特定的时间点开启或关 闭以控制新鲜气体和残余废气的转换。凸轮轴 凸起部的斜率决定气门开启或关闭 （气门定时） 的位置和速度，以此来控制气体交换过程和供 燃烧的新鲜气体量。 气门重叠是指进气门和排气门同时开启的 时刻，它是决定气缸中留有多少残余废气的首 要因素。该过程称之为废气“内部”再循环。 废气“外部”再循环系统也可增加残余废气量， 这依赖于连接进气歧管和排气歧管的补充 EGR 阀。 进气增压进气增压 因为最大可能的扭矩与吸入的新鲜空气密 度成正比，所以对进入气缸前的空气进行增压 可以增加输出功率。 进气动力增压 利用进气歧管的动态特性可实现增压进气 （加压进气）效果。实际增压的程度与进气管 的结构有关，也与发动机的瞬时工作点（基本 上是发动机转速的函数，但也受负荷系数的影 响）有关。选择在汽车行驶过程中，可以改变 的进气管，可获得动态预增压，可以在宽广的 运行范围内尽最大可能来增加进气量。 机械增压 通过发动机曲轴机械驱动的压气机（压气 机和发动机曲轴两者的转速总保持恒定的相对 图 3 火花点燃发动机节气门开度曲线图火花点燃发动机节气门开度曲线图 -节气门处于中间开度 节气门全开 节气门全关 新鲜气体充量 最小 最大 怠速 转速 r/min 7 比率） ，可以进一步增加空气流量。通常用离 合器来控制压气机的连接或脱开。 废气涡轮增压器 在废气涡轮增压过程中驱动压气机的能 量是从排气中回收的。而自然吸气发动机因受 其本身固有的曲柄连杆机构膨胀特性的限制 无法利用这个能量。使用废气增压的一个不利 点是发动机的排气背压较高，这是为了维持压 气机运行所必需的。 废气涡轮将废气中的能量转化为机械能， 使叶轮可以对进入的新鲜空气进行预加压。所 以，废气涡轮增压器是废气排放中设在排气流 中的涡轮和压缩进气的叶轮的组合。 图4显示了自然吸气发动机和废气涡轮增 压发动机的扭矩曲线的差别。 图 4 混合气形成混合气形成 参数参数 空燃混合气空燃混合气 火花点燃发动机的运行取决于是否获得 特定空气/燃油比率（空燃比）的混合气。理论 上完全燃烧的最佳质量比为 14.7：1，称为化 学当量比。具体而言，它对应于完全燃烧 1kg 燃油需要 14.7kg 的空气， 相应的体积比率关系 大约为完全燃烧 1L 燃油需要 9,500L 空气。 对火花点燃发动机的燃油消耗率来说，空 燃混合气是最主要的决定因素。真正的完全燃 烧和绝对的最低燃油消耗率只有在空气绝对 充足的情况下才能实现，但是混合气的易燃性 和可用的燃烧时间都会对它有所限制。 空燃混合气也是决定排气处理系统效率 的重要因素。当今的技术发展水平是应用三元 催化器，这是一种依靠当量空燃比以最大效率 进行工作以便将废气中不希望有的成分降低 98%以上。 所以，现今的发动机在运行状态允许的情 况下都采用当量空燃比。 在某些运行工况下，必须按非当量空燃比 来调节混合气。比如在冷起动工况中，需要按 照一个特定的值来调节空燃比。这就是说，混 合气形成系统必须能够适应各种变化的要求。 混合气形 成 在输出功率相同情况下，在输出功率相同情况下， 涡轮增压发动机和自然吸气发动机的涡轮增压发动机和自然吸气发动机的 扭矩曲线扭矩曲线 1 涡轮增压发动机 2 自然吸气发动机 发动机扭矩 Md 发动机转速 r/min 8 汽油机管 理系统 过量空气系数过量空气系数 过量空气系数用希腊字母来表示， 它用来 表示实际发生的空燃比与理论最佳值之间的比 率（14.7：1） ： =实际吸入的空气量与当量比燃烧所需的空气 量之比。 =1 时：实际吸入的空气量与当量比燃烧所需 的空气量相等。 1 时：表示空气过多，产生相应的稀混合气， 导致燃油耗降低，功率也较低。可能的最大值 称为“稀燃极限（LML） ” ，实际上受发动机设 计和混合气形成/进气系统的限制。超过稀燃极 限，混合气不能点燃，发生失燃，随之产生运 转平衡性的大大恶化。 在带有缸内燃油直接喷射系统的发动机 上，可根据不同的规则使用非常高的过量空气 系数（=4）的运行。 从进气歧管喷射燃油的点燃式发动机在空 气不足量为 5%.15%（=0.95.0.85）时产生 最大扭矩。但最经济的燃油消耗率来自空气过 量 10%20%（=1.1.1.2） 。 图 1 和图 2 表示了过量空气系数对功率和 燃油消耗率以及有害气体排放的影响。从中可 以看到，没有一个过量空气系数的值可同时满 足这三个因素的最佳值。在实际情况下，当过 量空气系数在=0.9.1.1 之间时，可同时产生 燃油经济性和功率的“条件最佳值” 。 一旦发动机暖机到正常运行温度，一直维 持准确的过量空气系数为=1 对废气的三元催 化处理十分重要的。满足这个要求必须准确地 控制进气量和精确地测量供油量。 现今的进气歧管喷油发动机要达到最佳燃 烧， 必须依靠形成均质混合气和精确计量燃油。 这使得有效的雾化成为必要。如果达不到这个 要求，将导致进气管道壁上和燃烧室壁上产生 大的燃油凝结油滴。这些油滴将不能完全燃烧 并最终导致废气中的 HC 排放升高。 图 1 图 2 过量空气系数过量空气系数对功率对功率P和燃油消耗率和燃油消耗率be的影响的影响 a 浓混合气（空气不足） b 稀混合气（空气过量） 功率 P, 燃油消耗率 be 过量空气系数 过量空气系数过量空气系数对未处理废气排放的影响对未处理废气排放的影响 相对 CO;HC;NOX排放 过量空气系数 9 混合气的工况适应性混合气的工况适应性 发动机在某些工况下对燃油量的要求与 暖机到正常运行温度的稳态工况对燃油的要 求偏离很大。这就必须在混合气形成设备中调 整其适应性。下面介绍进气歧管喷油发动机的 不同运行工况。 冷起动冷起动 冷起动时，吸入的混合气中燃油的相对含 量减少：即混合气“稀化” 。该稀化现象是因 为空气与燃油的混合不充分，燃油蒸发率较低 和进气管壁上的冷凝作用引起的，而这些因素 都是由于温度低而引起的。为了补偿这些不利 因素，帮助发动机的冷起动，应对发动机喷射 附加燃油。 起动后阶段起动后阶段 冷起动后一段短时间内仍需要供给附加 燃油，直到燃烧室温度升高，促进内部混合气 的形成。浓混合气也可以增加扭矩使发动机更 平稳地过渡到怠速运行。 暖机阶段暖机阶段 发动机起动和后起动阶段后紧接着是暖 机运转阶段。这时候发动机仍然需要加浓混合 气来弥补进气歧管壁上的燃油冷凝。温度越低 意味着燃油混合的效率越低（因为空气与燃油 的混合不充分和燃油气化程度降低） 。这造成 燃油在进气歧管内凝结，要到温度升高后才会 气化。这些因素使得在温度越低的情况下，需 要越多的燃油加浓。 怠速和部分负荷怠速和部分负荷 怠速被定义为发动机产生的扭矩只够补 偿摩擦损失的工况。怠速工况时，发动机不提 供功率给飞轮。部分负荷（节气门部分开启） 工况指介于怠速工况和全速工况之间的运行 工况。今天的标准设计都是在发动机运行温度 达到正常值后，全部依靠当量比混合气供给怠 速和部分负荷工况。 全负荷（全负荷（WOT） 在节气门全开的工况下（WOT）也许也要 补偿加浓。如图 1 所示，该补偿加浓可提供最 大扭矩和/或功率。 加速和减速加速和减速 燃油的气化状况在很大程度上受进气歧 管内压力的影响。节气门开度的突然改变会导 致进气歧管内压力的突然变化，进而导致进气 管内油膜的波动。急加速会引起进气歧管内更 高的压力。因此，燃油的气化率更低和进气管 道内的油膜增加。喷射的燃油有一部分损失在 管道壁上的凝聚，在一段短时间内发动机吸入 的混合气变稀， 直到油膜重新稳定为止。 同样， 突然减速的情况相反，会导致混合气变浓。温 度修正功能可改变混合气以维持最佳运行状 态并保证发动机获得三元催化器高效工作所 需的稳定的空燃混合气。 倒拖工况倒拖工况 倒拖工况时燃油供应被切断。虽然这种手 段有利于在下坡时节省燃油，但它最初的目的 是保护三元催化器不会由于不完全燃烧（失 燃）而发生的过热所损坏。 混合气形 成 10 汽油机管 理系统 点火系统点火系统 功能功能 点火系统的作用是在精确的时刻点燃压缩 的空燃混合气，使其燃烧。火花点燃发动机由 火花塞电极之间形成的瞬时电弧放电产生的电 火花点火。 为了保证三元催化器的正常工作，必须保 证点火系统能够在宽广的范围内可靠地工作， 因为失燃会引起未然混合气在三元催化器内产 生后燃，导致三元催化器过热而损坏。 技术要求技术要求 电火花点燃当量空燃比的混合气，每次大 约需要 0.2mJ 的点火能量，而更浓的或更稀的 混合气需要高达 3mJ 的点火能量。这一能量只 占点火电火花总能量的一部分，若实际点火能 量不足，则混合气不可能着火，从而导致发动 机失燃。这就是点火系统为什么必须提供足够 的点火能量，使之在最苛刻的条件下，也能保 证火花空燃混合气可靠地点燃。只要点燃一小 团电弧通过的空燃混合气就足以激发燃烧过 程。这团混合气着火后，将燃烧扩展到气缸中 其余的混合气。燃油与空气有效的混合以及混 合气团易于接近电极能够改善点火性能，延长 火花放电持续时间和较大的火花塞间隙（更长 的火花长度）也能改善点火性能。火花在燃烧 室内的位置和长度是由火花塞的自身结构决定 的。火花的持续时间则取决于点火系统的形式 和结构，以及火花塞处瞬时的点火条件。 点火点火正时时 点火正时及其调整点火正时及其调整 从混合气点燃到混合气完全燃烧的时间间 隔大约为 2ms。假设混合气的浓度不变，这段 时间也是不变的。这就意味着火花必须及早产 生，以保证在所有发动机的工况下都有最佳的 燃烧压力。 标准的方法是用曲轴的上止点（TDC）来 表示点火提前角。 提前角是以 TDC 前的角度来 度量的。相应的数字称为点火（正时提前）角。 把点火时间向后移到 TDC，称之为“延迟点火 正时” ；把点火时间向前移到更早的点火点，称 之为“提前点火” ，如图 1 所示。 点火正时的选择必须满足以下准则： -最大的发动机功率 -最佳的燃油经济性 -发动机无爆震 -排气清洁 图 1 在提前点火的点火时刻曲轴和活塞的位置在提前点火的点火时刻曲轴和活塞的位置 TDC: 上止点， BDC: 下止点 Z: 点火时刻 11 但这些要求不可能同时得到满足，必须根 据具体情况制定折衷的方案。要达到要求的扭 矩，最佳点火提前角取决于若干因素，最重要 的因素包括发动机转速、负荷、发动机结构、 燃料品质和运行工况等（如起动、怠速、全速 和倒拖工况） 。 发动机爆震是由于火花塞点燃的火焰前 锋尚未到达而部分空燃混合气已突然自燃引 起的。这种情况属于点火提前角过大。爆震不 仅导致燃烧室的温度升高，反过来又可以引起 提前着火，而且会引起压力的升高。这种突然 燃烧诱发压力振荡，这种压力振荡迭加在正常 压力的特性之上（如图 2） 。 现在，在点燃式发动机中使用高压缩比比 以前常用的压缩比带来更大的爆震危险。两种 不同形式的爆震应当加以区别。 -发动机低转速高负荷时的加速爆震（可清楚 的听见金属敲击声） -发动机高转速高负荷时的高速爆震 对发动机来说，高速爆震是特别危险的。 因为发动机在此转速下，其他噪音使得爆震声 音无法听见。这就是为什么可听见的爆震并不 是点火提前角过大的可靠指标。同时，可用电 子手段来做准确的探测。长时间的爆震对发动 机有极大的损害（气缸盖垫片和轴承损坏，活 塞损坏）以及火花塞的损坏。 提前着火的趋向取决于发动机的设计因 素（比如：燃烧室布置，均质空燃混合气，高 效率进气通道等）和燃油质量。 点火定时和废气排放点火定时和废气排放 图 3 和图 4 显示了过量空气系数和点火 正时对燃油消耗率和废气排放的影响。燃油 图 2 图 3 点火 不同点火提前角的燃烧室压力曲线不同点火提前角的燃烧室压力曲线 1 理想的点火提前角 Za 2 点火角 Zb提前过多 3 点火角 Zc过迟 燃烧室压力 点火提前角z 过量空气系数和点火提前角对燃油消 耗率的影响 过量空气系数和点火提前角对燃油消 耗率的影响 过量空气系数 燃油消耗率 TDC 前 TDC 后 12 汽油机管 理系统 消耗率对稀混合气的反应是： 在等于 1.1 到 1.2 之前燃油耗先降后升。过量空气系数的增长伴 随着最佳点火提前角的增大，这个最佳点火提 前角在此定义为可使燃油消耗率最低的点火正 时。 燃油消耗率与过量空气系数 （假设在最佳点 火正时）的关系可以解释为：不足的空气量碰 到“过量”的燃油，导致不完全燃烧，然而朝 稀燃极限（LML）大幅度移动会导致燃烧延迟 或无法燃烧，最终导致燃油消耗率升高到最大 值。最佳点火提前角随着过量空气系数的增加 而提高，因为混合气越稀火焰前锋的传播速率 越低； 所以点火正时必须提前以补偿这些延迟。 HC 排放在=1.1 时最低，显示了相似的曲 线走向。 而在稀混合气范围内的前期， HC 排放 的升高主要是因为被燃烧室壁面的激冷导致的 火焰熄灭造成的。特别稀的混合气导致延迟燃 烧和点火失败，该现象在越接近稀燃极限时发 生越频繁。当在 1.2 以下，点火提前角越大， 产生的 HC 排放越多，但它也会改变稀混合气 的稀燃极限来适应含汽油更少的混合气。这就 是为什么当在大于 1.25 的稀混合气区域，点 火提前角越大，HC 排放越少。 NOx排放呈现出完全不同的变化倾向，随 O2浓度和燃烧温度峰值的提高而提高。结果是 NOx排放的曲线呈钟型。在1.05 之前，排放 量随着氧气浓度的升高和燃烧温度峰值的升高 而升高。接着，当=1.05 后，混合气进入稀混 合气区域，NOx的产生呈现急速下降的 图 4 过量空气系数和点火定时过量空气系数和点火定时z对废气排放的影响对废气排放的影响 过量空气系数 过量空气系数 过量空气系数 HC 排放（FID） NOx排放 CO 排放 13 现象，因为随着混合气的稀化，燃烧温度峰值 急速下降。 这种变化趋势也说明了 NOx的排放 对点火正时的变化极其敏感，随点火提前角的 加大而变化加剧。 感应式点火系统感应式点火系统 火花点燃式发动机的感应式（线圈式）点 火系统可产生高电压以提供点火能量，在火花 塞上产生电弧。由于感应式点火系统依靠线圈 来储存点火能量，另一种用电容器储存能量的 方式也是可行的（叫做高压电容放电式点火系 统/CDI） 。感应式点火线路的部件有点火控制 器（输出放大器） ，线圈和火花塞。 点火线圈点火线圈 功能功能 点火线圈用于储存点火所需要的能量，并 在点火时刻产生形成电弧的高电压。 设计和功能设计和功能 点火线圈是基于电磁感应原理工作的。线 圈包括两个电磁耦合的铜线圈（初级绕组和次 级绕组） ，储存在初级绕组磁场中的能量被传 输到次级绕组中。根据初级绕组和次级绕组的 匝数比，电流和电压也作相应变换（如图 1） 。 现在的点火线圈装有一个由许多钢片叠 合而成的铁芯，装在合成材料的壳体之中。在 壳体中初级绕组绕在直接安装在铁芯上的绕 线管上。外面同心围绕着次级绕组，次级绕组 被设计成盘状或分隔状以便有更好的绝缘性。 为了铁芯和绕组更有效的绝缘，这些组件在壳 体中都用环氧树脂包围起来。为适应各种运行 要求，可选用各种特别的设计配置。 点火驱动级点火驱动级 职责和功能职责和功能 点火驱动级的特点是采用多级功率晶体 管，开关通过线圈初级绕组的电流，取代了以 前点火系统中常用的触点式分电器。 另外， 该点火驱动级还负责限制初级电流 和初级电压。限制初级电压可防止次级电压过 急升高，以免导致高压电路内的部件损 图 1 感应式点 火系统 点火线圈（原理图）点火线圈（原理图） 旋转分电：a 单火花点火线圈 静止分电：b 单火花点火线圈 c 双火花点火线圈 14 汽油机管 理系统 坏。限制初级电流可维持点火系统的能量输出 保持一定的量值。 点火系统的点火驱动级可以是内部的（集 成在点火电子控制单元上） ，也可以是外部的 （就地安装） 。 高压的产生高压的产生 点火电控单元在计算的闭合角阶段接通 点火驱动级。在此阶段内，线圈中的初级电流 升高到一个特定的强度。 点火系统的能量储存在点火线圈的电磁 场中，并由线圈的初级电流和初级电感决定。 当达到点火点时，点火驱动级切断初级绕 组中的电流，电磁场中产生感应磁通，在次级 绕组中就感应出点火所需要的次级电压。 次级电压的最大值（次级电压电源）取决 于许多因素， 包括点火系统中储存的能量多少、 绕组容量、线圈的变压比、次级负载系数和点 火驱动级对初级电压的限制情况。 次级电压必须始终超过火花塞产生电弧 所要求的电压值（点火电压要求） ，并且点火能 量始终足够高甚至在发生二次点火时也能保证 可靠地点燃混合气。 当接通初级电流时，在次级绕组中会引起 大约 1-2KV 的闭合电压，它的极性与高压的极 性相反。这时有必要采取措施防止火花塞产生 电弧。 在带有传统的旋转电压分配器的系统中， 该闭合火花被分电器的火花隙有效的抑制。在 没有分电器的点火系统中，采用非旋转（静止） 电压分配器向点火线圈供电，可以用高压线路 中的二极管来实现这个功能。在有双火花点火 线圈和无分电器（静止）的情况下，串联的两 个火花塞产生电弧所需的高压可有效地抑制闭 合火花，而不需要其他任何补充措施。 高压分电系统高压分电系统 在点火的瞬间（点火时刻） ，点火高压必须 到达火花塞。该功能由高压分电系统来承担。 旋转式电压分电器旋转式电压分电器 使用旋转式电压分配概念的系统依靠一个 机械式分电器把电压从单个点火线圈分配到各 个气缸。这种分电方式在今天的发动机管理系 统中已不太使用。 静止高压分电器静止高压分电器 无分电盘式点火 （也称为静止或电子点火） 有两种不同的方案： 配备有单电火花点火线圈的系统 每个气缸都配有自己的点火线圈和点火驱 动器，发动机管理电控单元按一定的发火次序 进行触发。因为不再考虑分电器的内部电压损 失，线圈可以做得非常紧凑。最佳的安装位置 是直接安装在火花塞的上面。单火花点火线圈 的静止分电对任意缸数的机型都适用。由于在 调整点火提前角（点火正时）方面没有内在的 约束，这些设备需要凸轮轴传感器提供补充的 同步信号。 15 带有双电火花点火线圈的系统 每两个气缸配有一个点火驱动级和一个 点火线圈，点火线圈次级绕组的两头分别接在 不同的火花塞上。气缸的配对为当一个气缸处 于压缩冲程时而另一个气缸处于排气冲程。 当产生点火时，两个火花塞同时产生电 弧。由于保证在排气冲程中产生的火花既不点 燃残余废气也不点燃新鲜空气十分重要，所以 该系统限制了点火提前角的调整。该系统不需 要凸轮轴同步传感器。 连接器和干扰抑制器连接器和干扰抑制器 高压电缆高压电缆 点火线圈产生的高电压必须能够到达火 花塞。由于点火线圈没有直接与火花塞连接， 该功能由具有耐高压和合成绝缘材料的特殊 高压电缆来实现。配有合适的端子后，这些高 压电缆能把高压元件都连接起来。因为非常高 的电压能导致点火系统的容抗负载并相应降 低二次电压的有效供给，所以电缆越短越好。 干扰电阻，干扰抑制干扰电阻，干扰抑制 每次电弧在火花塞处的脉冲式高压放电 会形成射频干扰源。高压线路放电电流峰值由 抑制电阻进行控制。为了尽可能降低线圈 射频干扰的辐射，抑制电阻安装在离干扰源越 近的地方越好。 用作干扰抑制的电阻器（电容器）通常安 装在火花塞电缆端子处，同时旋转分电器也包 括了转子电阻。也有将火花塞与抑制电阻集成 在一起的情况。重要的是需要记住：次级线路 中的阻抗越大，意味着点火线路中的能量损失 也越大，造成供给火花塞的能量的降低。 对点火系统部分或全部的封装也可以使 射频干扰进一步降低。 火花塞火花塞 火花塞的功用是产生电弧， 点燃燃烧室中 的空燃混合气。 火花塞是一种由陶瓷体绝缘， 并能把高电 压引入燃烧室的导体。一旦达到放电电压，电 能从火花塞的中心电极和接地电极之间流过， 把点火线圈中剩余能量转化成电火花。 点火所需的电压值取决于许多因素，包 括：电极间隙、电极的几何形状，燃烧室压力 值以及点火瞬间的空燃比。 火花塞电极在发动机正常运行中也会遭 到烧损，这种烧损会导致越来越高的电压需 求。所以在火花塞更换的间隔时间内无论在何 种工况下，点火系统都必须能够提供足够的次 级电压，保证有足够的点火电压。 感应式点 火系统 16 汽油喷射 系统 汽油喷射系统汽油喷射系统 化油器和汽油喷射系统都为一个共同的 目标而设计：在发动机任何工况下，供给发动 机理想的空燃混合气。汽油喷射系统，尤其是 电子汽油喷射系统，在维持空燃混合气在严格 的限制范围方面有比较好的效果，这带来经济 性、舒适性、方便性和功率输出上上佳的表现。 由于对废气排放的要求越来越高，导致了化油 器的逐渐淘汰和燃油喷射的兴盛。 现在的供油系统几乎都采用在燃烧室外 形成混合气，而基于燃烧室内形成混合气的概 念，即燃油直接喷射到燃烧室内的概念是当初 第一个汽油喷射系统的基本设计思想。由于在 进一步降低燃油耗方面非常有效，因此，汽油 喷射系统获得起来越广泛的应用。 概述概述 外部形成混合气的系统外部形成混合气的系统 这种供油系统最显著的特点是：空燃混合 气在燃烧室外的进气歧管内形成。 多点喷油系统多点喷油系统 多点喷油为上述混合气形成准则提供了 理想的基础。在这种系统中，每个气缸都配有 自己的喷油嘴，把燃油直接喷射到进气门前面 部位。代表性的例子有 KE 和 L-Jetronic 系列 燃油喷射系统（图 1） 。 机械式喷油系统 K-Jetronic 喷油系统连续喷油，并不需要 外部驱动。燃油量由燃油分配管来控制，而不 是用喷油嘴控制。 机电混合式喷油系统 尽 管 K-Jetronic 喷 油 系 统 的 设 计 是 KE-Jetronic 喷射系统的机械基础，但是后者有 更广的数据监控功能，更精确的保证发动机在 不同工况下喷射适当的燃油量。 电子喷油系统 电子控制式的喷油系统依靠电磁阀控制 的喷油嘴进行间歇喷油。实际喷入的燃油量由 图 1 多点喷油系统多点喷油系统(MPI) 1 燃油 2 空气 3 节气门 4 进气歧管 5 喷油嘴 6 发动机 17 喷油嘴的开启时间控制（通过阀门的压力损失 变化率作为已知量计算在内） 。 例如： L-Jetronic, LH-Jetronic 喷油系统和 作为综合发动机管理系统的 Motronic。 单点喷油系统单点喷油系统 单点喷油（节气门体喷射(TBI)）系统是在 这种电子控制喷射系统后产生的概念。在这种 系统中电磁阀控制的中心喷油嘴装在节气门 的上方，间歇地把燃油喷到进气歧管内。 Mono-Jetronic 和 Mono-Motronic 便是这一类 型的 Bosch 喷油系统。 内部形成混合气的系统内部形成混合气的系统 直接喷射系统（DI）依靠电磁阀控制的喷 油嘴把燃油直接喷到燃烧室内；而真正的混合 气形成过程在气缸内进行，每个气缸有自己的 喷嘴（图 3） 。从喷嘴喷出燃油的良好雾化，对 高效率燃烧非常重要。在正常运行工况下，直 接喷射（DI）发动机只吸进新鲜空气，而在传 统 喷 油 系 统 中 则 是 空 燃 混 合 气 。 这是该新系统最重要的优点之一：它可以消除 燃油在进气管道内的冷凝可能。外部形成混合 气通常在整个燃烧室中喷入均质、当量比空燃 混合气。相反，把混合气的形成过程放到燃烧 室里提供了两种与众不同的运行模式： 分层充气运行， 只需要邻近火花塞的混合 气为可燃混合气， 而燃烧室内剩余的空气/燃油 充量可以只有新鲜空气和残余废气而没有未 燃燃油。这种方法在怠速和节气门部分开启工 况下提供非常稀的混合气，使燃油耗相应降 低。 均质充气运行体现了外部形成混合气的 状况。在燃烧室内的全部空燃混合气充量保持 相同的浓度。在这种情况下，燃烧室中的所有 新鲜空气都参与燃烧。这种运行模式通常在节 气门全开工况（WOT）采用。 MED-Motronic 通常用在直接喷射（DI） 发动机的闭环控制中。 图 2 图 3 概述 直接喷射（直接喷射（DI） 1 燃油 2 空气 3 节气门 （ETC） 4 进气歧管 5 喷油嘴 6 发动机 节气门体喷射（节气门体喷射（TBI） 1 燃油 2 空气 3 节气门 4 进气歧管 5 喷油嘴 6 发动机 18 ME-Motronic ME-Motronic 发动机管理系统发动机管理系统 Motronic 系统系统 系统概述系统概述 Motronic 系统包含参与火花点燃发动机 管理系统的所有执行器（伺服元件，最终控制 元件） ，同时还有监测装置（传感器） ，记录当 前发动机和汽车的运行数据。 这些传感器信号 在中央电控单元的输入电路中进行处理后传 送到 ECU 的微处理器（功能计算单元） 。提供 的信息（图 1 和图 2）主要包括下列数据： - 加速踏板行程； - 发动机转速； - 气缸充气量（空气质量） ； - 发动机和进气温度； - 混合气成分 - 车辆速度 微处理器以这些数据为基础对驾驶员的 要求进行量化，并作出响应，计算达到驾驶员 要求所需的发动机扭矩。同时，驾驶员或自动 换档控制功能选择适当的变速比来帮助确定 发动机转速。 作为设置规定运行状态的第一阶段， 微处 理器产生所需的执行器信号。然后，这些信号 在驱动电路中被放大， 并传输到对发动机管理 系统负责的执行器中。 通过确定要求的气缸充 气量、相应的喷油量和正确的点火正时，系统 提供最佳的混合气形成和燃烧。 ME 型号型号 以 下 的 讲 解 主 要 针 对 典 型 的 ME-Motronic 型发动机管理系统。在它的名称 中，字母“M”代表集成了喷油和点火的传统 Motronic 控制功能，字母“E”表示集成电子 节气门控制（ETC） 。 基本功能基本功能 Motronic 的主要功能是根据驾驶员的要 求确定发动机的运行状态。 系统的微处理器通 过把加速踏板的行程转换为特定的发动机输 出功率来对驾驶员的要求做出反应。 当把要求 的发动机输出功率数值转换成真正控制发动 机输出功率的参数，即： - 气缸内空气密度， - 汽油喷射量(质量)， - 点火正时 的时候， 系统会在将当前运行数据的变化情况 作为它各种传感器所监测的目标。 辅助功能辅助功能 ME-Motronic 为了补充这些基本功能， 采 用了一系列辅助开环和闭环控制功能，包括： - 怠速控制； - 闭环空燃混合气控制； - 蒸发排放控制系统的控制； - 为减少 NOx排放的废气再循环系统 - 为减少 HC 排放的二次空气喷射控制； - 巡驶控制 19 这些辅助功能由于多种因素而被视为必 不可少，因为这些因素中包含降低废气排放的 法规要求和进一步提高燃油经济性的要求，也 有当前对提高安全性和驾驶舒适性越来越高 的预期。 该系统也可以扩展，加入下列附加功能： - 涡轮增压器和可变进气歧管的控制功能( 提高功率输出) - 带可变气门正时发动机凸轮轴控制（提高功 率输出并同时降低燃油耗和废气排放） ， - 爆震控制，发动机转速控制和汽车速度控制 （保护发动机和汽车） 扭矩为主的控制概念扭矩为主的控制概念 扭矩为主控制策略的主要目的是把大量各 不相同的目标联系在一起。这是根据发动机和 车辆型号来灵活选择把各种功能集成在 Motronic 的不同变型中的唯一方法。 扭矩协调 以上所述的多数开环和闭环控制功能对发 动机扭矩产生反馈作用。这时常导致同时出现 互相矛盾的要求。 在以扭矩为主的系统中， 所有这些功能反 映驾驶者需求特定的发动机扭矩的行为。 ME-Motronic 的灵活响应的扭矩为主的控制 系统可将这些相互矛盾的要求按优先顺序排 列，并执行最重要的一个要求。这就是以扭矩 为主结构的优点。所有功能都互不相干的独自 提供对扭矩的要求。 车辆管理车辆管理 控 制 器 局 域 网 （ CAN ） 总 线 系 统 使 Motronic系统可与车辆中控制其他系统的控制 单元保持通信。这种协调的一个例子便是： Motronic 与变速箱 ECU 协调动作，在换档时 降低扭矩从而降低变速箱的磨损。假如装有牵 引力控制系统（TCS） ，它的 ECU 把车轮打滑 的数据传输到 Motronic 单元中， Motronic 单元 会将扭矩相应减少。 这也是灵活的扭矩为主控制的另一个好处。 诊断（诊断（OBD） ME-Motronic 补充了随车监测部件，使之 能达到严格的排放标准和综合诊断的规定要 求。 图 1 总系统 ME-Motronic-原理图原理图 加速器踏板行程 节气门开度 模数转换器模数转换器 火花塞 空气质量流量 蓄电池电压 功能功能 ETC 执行器 进气温度 处理器处理器 发动机温度 爆震强度 喷油器 氧传感器 随机存储器随机存储器 主继电器 曲轴转速和 快擦编程只读存储器快擦编程只读存储器 转速计 上止点(TDC) 燃油泵继电器 凸轮轴位置 电可擦编程只读存储器电可擦编程只读存储器 氧传感器加热器 变速器控挡位 凸轮轴控制 汽车速度 监测电脑监测电脑 燃油箱通风系统 进气歧管通道控制 控制器局域网 二次空气喷射 诊断 废气再循环（EGR） 20 ME-Motronic 图 2 ME-Motronic 发动机管理系统发动机管理系统 ME7（例）（例） 1 活性炭罐 2 单向阀 3 炭罐吹洗阀 4 进气歧管压力传感器 5 喷油器 6 点火线圈/火花塞 7 相位传感器 8 二次空气喷射泵 9 二次空气喷射阀 10 空气质量流量计 11 节气门组件(ETC) 12 EGR 阀 13 爆震传感器 14 发动机转速传感器 15 发动机温度传感器 16 氧传感器 17 电子控制单元（ECU） 18 诊断接口 19 诊断显示灯 20 汽车防盗装置 21 燃油箱压力传感器 22 燃油箱内置泵 23 加速踏板模块 24 蓄电池 ME-Motronic 发动机管理系统图发动机管理系统图 21 气缸充量控制系统气缸充量控制系统 节气门控制节气门控制 在外部形成混合气的火花点燃式发动机 中，气缸充量是决定输出力也即输出功率的主 要因素。节气门通过控制发动机的进气流量来 控制气缸的充量。 常规系统常规系统 常规设计依靠机械连接来控制节气门。波 顿软索或机械连杆把加速板行程转换成节气 门的运动。 为了补偿低温时发动机内部摩擦阻力的 升高，需要更多的空气和喷射附加的燃油。附 件（如空调压缩机） ，的开启所带来的驱动功 率的损失，同样需要增加空气流量来补偿。该 附加的空气需求可通过空气旁通执行器，控制 补充空气从节气门旁通过来实现（图 2） 。另一 种选择是使用一个节气门执行器重新调整节 气门最小开度来响应对空气需求的变化。当 然，在这两种情况下，用电子系统调节空气流 量 达 到 不 断 变 化 的 发 动 机 要 求 的 工 图 2 作范围也受某些工况的限制，如怠速控制。 配有配有 ETC 的系统的系统 相反， ETC(电子节气门控制)使用 ECU 控 制节气门。节气门、节气门执行器直流电动机 和节气门角度传感器形成一个单独的单元，这 便是节气门总成（图 1） 。 两个相对的电位计监测加速踏板的行程， 作为控制该节气门总成的基础。电控单 图 1 气缸充量 控制系统 使用空气旁通阀的控制原理使用空气旁通阀的控制原理 1 怠速阀（旁通阀） 2 电控单元（ECU） 3 节气门 4 旁路通道 电子节气门控制系统电子节气门控制系统(ETC) 传感器 执行器 加速踏板模件加速踏板模件 发动机管理发动机管理 ECU 节气门总成节气门总成 22 ME-Motronic 元计算出与驾驶员要求相对应的节气门开度， 并作相应的调整以适应当前发动机的运行工 况，然后产生触发信号传送到节气门执行器。 节气门行程传感器和它的两个相对的电位计 允许对定位指令做出精确的响应。 节气门上双电位计的设计是依靠双电位 计的补充来监测加速踏板的行程。这种布置成 为整个 ETC 控制功能的一部分，以提供所要 求的系统冗余。在发动机运转时，该子系统始 终不停地对影响节气门