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汽车新技术 燃油喷射电子控制系统EFI 电控燃油喷射系统的发展历程 1934年德国研制成功第一架装用汽油喷射发动机的军用战斗机 第二世界大战后期 美国开始采用机械式喷射泵向气缸内直接喷射汽油的供油方式 1952年 曾用于二战德军飞机的机械式汽油喷射技术被应用于轿车 德国戴姆乐 奔驰 Daimler Benz 300L型赛车装用了德国博世 Bosch 公司生产的第一台机械式汽油喷射装置 它采用气动式混合气调节器控制空燃比 向气缸直接喷射 1957年 美国本迪克斯 Bendix 公司的电子控制汽油喷射系统问世 并首次装于克莱斯勒 Chrysler 豪华型轿车和赛车上 电控燃油喷射系统的发展历程 1967年 德国博世公司研制成功K Jetronic机械式汽油喷射系统 并进而成功开发增加了电子控制系统的KE Jetronic机电结合式汽油喷射系统 使该技术得到了进一步的发展 1967年 德国博世公司率先开发出一套D Jetronic全电子汽油喷射系统并应用于汽车上 于20世纪70年代首次批量生产 在当时率先达到了美国加利福尼亚州废气排放法规的要求 开创了汽油喷射系统的电子控制的新时代 1973年 在D型汽油喷射系统的基础上 博世公司开发了质量流量控制的L Jetronic型电控汽油喷射系统 之后 L型电控汽油喷射系统又进一步发展成为LH Jetronic系统 后者既可精确测量进气质量 补偿大气压力 又可降低温度变化的影响 而且进气阻力进一步减小 使响应速度更快 性能更加卓越 电控燃油喷射系统的发展历程 1979年 德国博世公司开始生产集电子点火和电控汽油喷射于一体的Motronic数字式发动机综合控制系统 它能对空燃比 点火时刻 怠速转速和废气再循环等方面进行综合控制 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 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 燃油喷射系统的主要由以下三个部分组成 电控发动机燃油喷射系统 EFI 空气供给系统 燃油给系统 燃油喷射电子控制系统 一 空气供给系统 空气供给系统是向发动机提供混合气燃烧所需的空气并测量出进入汽缸的空气量 主要由空气滤清器 空气流量传感器 进气软管 旁通空气道 怠速控制阀 进气歧管 动力腔 节气门位置传感器 进气温度传感器等组成 一 旁通空气式供气系统当发动机正常工作时 空气通道为 进气口 空气滤清器 空气流量传感器 进气管 节气门 动力腔 进气歧管 发动机进气门 发动机气缸当发动机怠速运转时 空气通道为 进气口 空气滤清器 空气流量传感器 进气管 节气门前端的旁通空气道入口 怠速转速控制阀 节气门后端的旁通空气道出口 动力腔 进气歧管 发动机进气门 发动机气缸 一 空气供给系统 二 直供式供气系统主要由空气滤清器 空气流量传感器 进气软管 进气歧管 动力腔 节气门位置传感器 进气温度传感器等组成 发动机正常工作和怠速运转时的空气通道完全相同 其空气通道为 进气口 空气滤清器 空气流量传感器 进气软管 节流阀体 动力腔 进气歧管 发动机进气门 发动机气缸 空气经滤清器滤清后 经节流阀体流入动力腔 再分配给各缸进气歧管 进入发动机汽缸的空气量多少 由电控单元根据安装在进气道上的空气流量传感器检测的进气量信号求得 发动机怠速运转时 发动机直接供气系统的标准进气量为2 0 5 0g s 供气系统结构图a 旁通式供气系统b 直供式供气系统 一 空气供给系统 三 可变进气系统可变进气系统可以缩小发动机高 低速运转时进气速度的差别 改善发动机的经济性与动力性 特别是改善中 低速和中 小负荷时的经济性与动力性 使发动机在高转速 大负荷时配用粗而短的进气歧管 在中 低速转速和中 小负荷时配用细而长的进气歧管 当发动机低速运转时 发动机电子控制装置5 指令转换阀控制机构4 关闭转换阀3 这时空气经滤清器1和节气门2沿着弯曲而又细长的进气支管流进汽缸 细长的进气支管提高了进气速度 增强了气流的动能 使进气量增多 当发动机高速运转时 转换阀开启 空气经空气滤清器和节气门直接进入短粗的进气支管 短粗的进气支管进气阻力小 也使进气量增多 可变长度进气支管不仅可以提高发动机的动力性 还由于它提高了发动机在中 低速运转时的进气速度而增强了气缸内的气流强度 从而改善了燃烧过程 使发动机中 低速的燃油经济性也有所提高 1 能根据发动机转速和负荷的变化而自动改变有效长度的进气管 二 可变进气支管 每个支管都有两个进气通道 一长一短 根据发动机转速的高低 由旋转阀控制空气经哪一个通道流进气缸 当发动机在中 低速运转时 旋转阀将短进气通道封闭 空气沿长进气通道经进气道 进气门进入汽缸 当发动机高速运转时 旋转阀使长进气通道一部分短路 将长进气通道也变为短进气通道 这时空气同时经两个短进气通道进入汽缸 二 燃油供给系统 燃油系统的工用是向发动机提供混合气燃烧所需的燃油 燃油喷射式发动机供油系统的结构 主要由1燃油箱 2 电动燃油泵 3 输油管 4 回油管 5 喷油器6 油压调节器 7 燃油分配管8 燃油滤清器组成 工作原理 燃油流过的路径为 燃油箱 电动燃油泵 输油管 汽油滤清器 燃油分配管 喷油器 喷油器将燃油喷射在进气门附近 缸内喷射系统直接喷入汽缸 当燃油泵泵入供油系统的燃油增多 油路中的油压升高时 油压调节器将自动调节燃油压力 保证供给喷油器的油压基本不变 供油系统过剩的燃油由回油管流回油箱 回油路径为 燃油箱 电动燃油泵 输油管 汽油滤清器 燃油分配管 油压调节器 回油管 三 燃油喷射系统的分类 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 发动机燃油喷射系统分类 按控制模式分类 开环控制闭环控制 按控制方式分类 机械控制式燃油喷射系统机电结合式燃油喷射系统电子控制式燃油喷射系统 按喷射部位分 进气管喷射系统 单点喷射系统 多点喷射系统 D型L型LM型M型 缸内喷射系统 按喷油方式分 连续喷射 间隙喷射 同时喷射分组喷射顺序喷射 1 按系统控制模式分类在发动机电喷控制系统中 按系统控制模式可分为开环控制和闭环控制两种类型 1 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 按控制模式分类 开环控制闭环控制 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 反馈给控制器 以随时修正控制信号 闭环控制系统在排气管上加装了氧传感器 可根据排气管中氧含量的变化 测出发动机燃烧室内混合气的空燃比值 并把它输入计算机中再与设定的目标空燃比值进行比较 将偏差信号经功率放大器放大后再驱动电磁喷油器喷油 使空燃比保持在设定的目标值附近 因此 闭环控制可达到较高的空燃比控制精度 并可消除因产品差异和磨损等引起的性能变化对空燃比的影响 工作稳定性好 抗干扰能力强 采用闭环控制的燃油喷射系统后 可保证发动机在理论空燃比 14 7 附近很窄的范围内运行 使三元催化转换装置对排气的净化处理达到最佳效果 但是 由于发动机某些特殊运行工况 如启动 暖机 加速 怠速 满负荷等 需要控制系统提供较浓的混合气来保证发动机的各种性能 所以在现代汽车发动机电子控制系统中 通常采用开环与闭环相结合的控制方式 2 按控制方式分类 机械控制式燃油喷射系统机电结合式燃油喷射系统电子控制式燃油喷射系统 按控制方式分类 燃油的计量通过电控单元和电磁喷油器来实现 采用全电子控制方式 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 电控单元还要根据节气门位置传感器信号 在发动机不同工况下按不同的控制模式来控制喷油量 在节气门关闭 发动机处于怠速工况时 电控单元将增加喷油持续时间 提供较浓的混合气 保证发动机怠速稳定 在节气门中小开度 发动机部分负荷工况时 电控单元将控制提供经济空燃比的稀混合气 以便节约燃油和降低排放 在节气门接近全开或全开 发动机处于大负荷或满负荷工况时 电控单元将控制提供较浓的功率空燃比混合气保证良好的动力性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 3 按喷油器喷油部位分类 1 缸内喷射系统缸内喷射又称为缸内直接喷射 将供油系统的燃油通过喷油器直接喷射到汽缸内部的喷射称为缸内喷射 缸内喷射系统均为多点喷射系统 这种喷射系统将喷油器安装在气缸盖上 并以较高的燃油压力 约3 4MPa 将燃油直接喷入汽缸 由于汽油粘度低而喷射压力较高 且缸内工作条件恶劣 温度高 压力高 因此对喷油器的技术条件和加工精度要求较高 根据福特汽车公司研究表明 缸内喷射的优越性在于能够实现稀薄混合气燃烧 有利于降低燃油消耗和控制有害气体排放 因此缸内喷射是发动机燃油喷射技术的发展方向 目前许多汽车公司在致力于攻克喷油器工作寿命等关键技术问题 2 进气管喷射系统进气管喷射系统又称为缸外喷射系统 将供油系统的燃油通过喷油器喷射在汽缸外面节气门或进气门附近进气管内的燃油喷射称为进气管喷射 目前 汽车燃油喷射系统大都采用进气管喷射系统 与缸内喷射相比 进气管喷射系统对发动机机体的设计改动量较小 喷油器不受燃烧高温 高压的直接影响 设计喷油器时受到的制约条件较少 且喷油器工作条件大大改善 国产桑塔纳 捷达 奥迪 红旗 广州本田 海南马自达 天津夏利 威乐 威驰 丰田 现代等系列轿车都采用进气管喷射系统 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 显然 多点燃油喷射避免了进气重叠 使得燃油分配均匀性较好 从而提高了发动机的综合性能 目前 多点喷射系统不仅为高级轿车和赛车所采用 而且一些普通车辆也开始采用 由于多点喷射系统是直接向进气门前方喷射 因此 多点喷射属于在气流的后段将燃油喷入气流 属于后段喷射 博世D型多点燃油喷射系统 压力型汽油喷射系统 其显著特点是采用歧管压力传感器来测量进气量 进气量的大小受驾驶员操纵的加速踏板控制 节气门开度不同 进气量就不同 进气歧管内的压力就不同 在发动机转速相同的情况下 歧管压力与进气量成一定比例关系 歧管压力传感器将进气歧管内的压力转变为电信号输入ECU ECU根据信号电压的高低即可计算出发动机的进气量 博世L型多点燃油喷射系统 流量型汽油喷射系统 用翼片式空气流量传感器取代了歧管压力传感器 可以直接测量发动机的进气量 提高了喷油量的控制精度 丰田佳美 马自达MPV多用途汽车采用的博世L型 空燃比和点火提前角都采用了闭环控制 博世M型多点燃油喷射系统 M型燃油喷射系统是在L型燃油喷射系统的基础上 将电子控制点火系统与燃油喷射系统组合而成 电控单元采用数字式单片机 集成电路采用大规模集成电路 具有结构简单 体积小 控制精度高 响应速度快 控制功能强等优点 4 按喷油器喷油方式分类 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1 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 在连续喷射系统中 汽油被连续不断地喷入进气歧管内 并在进气管内蒸发后形成可燃混合气 再被吸入气缸内 由于连续喷射系统不必考虑发动机的工作时序 故控制系统结构较为简单 德国博世公司的K系统和KE系统均采用了连续喷射方式 2 间歇喷射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 由于间歇喷射方式的控制精度较高 故被现代发动机集中控制系统广泛采用 间歇喷射又可细分为同时喷射 分组喷射和顺序喷射三种形式 同时喷射是指发动机在运行期间 各缸喷油器同时开启 同时关闭 分组喷射是将喷油器按发动机每工作循环分成若干组交替进行喷射 顺序喷射则是指喷油器按发动机各缸的工作顺序依次进行喷射 顺序喷射是缸内喷射和进气管喷射都可采用的喷射方式 相比而言 由于顺序喷射方式可在最佳喷油情况下 定时向各缸喷射所需的喷油量 故有利于改善发动机的燃油经济性 但要求系统能对待喷油的气缸进行识别 同时要求喷油器驱动回路与气缸的数目相同 其电路较复杂 多在高档轿车发动机控制系统中采用 四 燃油喷射电子控制系统的控制过程 汽车发动机燃油喷射系统的控制包括喷油器的控制 喷油正时的控制和喷油量的控制 其中 喷油量的控制又分为发动机启动时喷油量的控制和发动机启动后喷油量的控制两种情况燃油喷射电子控制系统通过精确控制喷油量 既可降低燃油消耗量和减少有害气体排放量 从而达到提高汽车经济性和排放性的目的 电子控制燃油喷射系统基本原理 空气进入发动机进气系统时 由传感器检测凸轮轴位置 曲轴位置 转速 进气质量 节气门位置 冷却液温度等信息 控制单元根据传感器信息确定控制模式和所需燃油数量及喷射时刻 发出指令控制喷油器工作 一 燃油喷射系统的控制原理ECU内部的输入电路对传感器输入信号进行滤波 放大和模 数转换 运算电路以高速8位或16位微处理器和内存芯片为主体 利用内存中的控制软件对输入信号进行运算 再由微处理器输出喷油量控制信号 该控制信号经过输出电路放大后 再传送到喷油器并控制喷油器的喷油量 从而实现发动机不同工况时的实时控制 凸轮轴位置传感器 CIS 向ECU提供反映活塞上止点位置的信号 以便计算确定和控制喷油提前角 车速传感器 VSS 向ECU提供反映汽车车速的信号 以便判断发动机运行在怠速状态 节气门关闭 车速为零 还是运行在减速状态 节气门关闭 车速不为零 如果运行在怠速状态 就由怠速控制系统进行怠速转速控制 如果进行在减速状态 就由断油控制系统确定是否停止供油 曲轴位置传感器 CPS 向ECU提供反映发动机曲轴转速和转角的信号 空气流量传感器或进气歧管绝对压力传感器向ECU提供反映进气量多少的信号 ECU根据这两个信号计算喷油量 曲轴转角信号还用于控制喷油提前角 节气门位置传感器 TPS 向ECU提供反映发动机负荷大小的信号 ECU根据TPS信号确定增加或减少喷油量 水温传感器 CTS 向ECU提供发动机冷却液温度信号 以便计算确定喷油量的修正量 进气温度传感器 IATS 提供吸入进气歧管空气的温度信号 以便计算确定喷油量的修正量 二 喷油器的控制在发动机工作过程中 各种传感器信号输入ECU处理后 经过数学计算和逻辑判断 就会发出脉冲信号指令控制喷油器喷油 当ECU向喷油器发出的控制信号高电平 1 加到驱动三极管VT基极时 VT导通 喷油器线圈电流接通 产生电磁吸力将阀门吸开 喷油器开始喷油 当控制信号的低电平 0 加到驱动三极管VT基极时 VT截止 喷油器线圈电流切断 阀门在复位弹簧弹力作用下关闭 喷油器停止喷油 因为控制信号为脉冲信号 所以阀门不断的开闭使喷出燃油雾化很好 雾状燃油喷射在进气门附近 与吸入空气混合形成可燃混合气 当进气门打开时 再吸入气缸燃烧做功 三 喷油正时的控制喷油正时指的是喷油器何时开始喷油 发动机燃油喷射系统按喷油器安装部分分为单电燃油喷射系统和多点燃油喷射系统两类 单点喷射系统只有一只或两只喷油器 安装在节气门体上 发动机一旦工作就连续喷油 多点燃油喷射系统每个气缸配有一只喷油器 安装在燃油分配管上 根据燃油喷射时序不同 多点燃油喷射又可分为同时喷射 分组喷射和顺序喷射3种方式 一 同时喷射的控制 二 分组喷射的控制多点燃油分组喷射是指将喷油器喷油分组进行控制 一般将四轮发动机分成两组 六缸发动机分成三组 八缸发动机分成四组 四缸发动机分组喷射控制电路如图所示 发动机工作时 由ECU控制各组喷油器轮流喷油 发动机每转一圈 只有一组喷油器喷油 每组喷油器喷油时连续喷射1 2次 喷油正时关系如图所示 分组喷射方式虽然不是最佳的喷射方式 但由正时关系可见 1 4两缸的喷油时刻较佳 在排气行程上止点前一定角度开始喷油 燃油在进气门前停留时间较短 因此 混合气雾化质量比同时喷射大大改善 三 顺序喷射的控制多点燃油顺序喷油是指各缸喷油器按照一定的顺序进行喷油 因为各缸喷油器独立喷油 所以又称为独立喷射 控制电路如图所示 在顺序喷射系统中 发动机工作一个循环 曲轴转两转720 各缸喷油器轮流喷油一次 就像点火系统火花塞按照一定的气缸顺序跳火一样 各缸喷油器按照一定的顺序依次喷射燃油 喷油正时关系如图所示 顺序喷射的优点是各缸喷油时刻均可设计在最佳时刻 燃油雾化质量好 有利于提高燃油经济性和降低有害气体的排放量 缺点是控制电路和控制软件比较复杂 然而 对现代汽车电子技术来说实现顺序喷射控制十分容易 目前普遍采用 在多点顺序喷射系统中 喷油顺序与点火顺序同步 点火时刻在压缩上止点前开始 喷油时刻在排气上止点前开始 四 发动机启动时喷油量的控制发动机工况不同 对混合气浓度要求也不同 特别是冷起动 怠速及加减速等特殊工况 对混合气浓度都有特殊要求 因此喷油量的控制大致可以分为发动机起动时喷油量的控制和发动机起动后喷油量的控制两种情况 当起动机驱动发动机运转时 发动机转速很低 汽油发动机30 50r min 柴油发动机150 200r min 且波动较大 导致反映进气量的空气流量信号或进气压力信号误差较大 因此在起动发动机时 ECU不是以空气流量传感器信号或进气压力信号作为计算喷油量的依据 而是按照可编程存储器 ROM 中预先编制的起动程序和预先设定的空燃比来控制喷油器