大众轿车典型电控燃油喷射系统论文

I 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 介绍了奥迪轿车与桑塔纳轿车电控燃油喷射系统 组成与工作原理 ，列举了 奥迪轿车、 桑塔纳轿车 故障诊断与维修实例 ，文章 内容 具有较强的针对性与实用性 ，可作为汽车维修入门的参考资料 。 关键词：电控燃油喷射系统；结构；工作原理 目录 引言 . 1 1 总述 . 2 1.1 电控汽油喷射系统 . 2 1.1.1 电控汽油喷射系统的发展历程 . 2 1.1.2 电控汽油喷射系统的功用 . 3 1.1.3 电控汽油喷射系统的分类 . 5 2 电控汽油喷射系统的结构组成及工作原理 . 12 2.1 电控汽油喷射系统的基本组成及其功能 . 12 2.1.1 进气系统 . 12 2.1.2 燃油系统 . 12 2.1.3 电子控制系统 . 13 2.2 电控汽油喷射系统的工作原理 . 14 2.2.1 D 型 EFI 系统 . 16 2.2.2 L 型 EFI 系统 . 17 2.2.3 燃油喷射控制 . 18 3 大众典型轿车电控燃油喷射系统 . 24 3.1 桑塔纳 2000GLI 型轿车电子控制汽油喷射系统 . 24 3.1.1 汽油供给系统主要部件 . 25 3.1.2 空气供给系统主要部件的结构和工作原理 . 30 3.1.3 控制系统的主要部件 . 33 3.2 奥迪轿车电控燃油喷射系统简介 . 38 4 大众典型轿车电控燃油喷射系统的故障诊断与 检修 . 40 4.1 桑塔纳轿车电控燃油喷射系统的故障诊断与检修 . 40 4.2 奥迪轿车电控燃油喷射系统的故障诊断与检修 . 41 结论 . 42 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 43 1 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。2 1 总述 1.1 电控汽油喷射系统 1.1.1 电控汽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。 由于汽油喷射系统比起化油器来，计量更精确、雾化燃油更精细、控制发动机工作更为灵敏 ，因此，在经济性、排放性、动力性上表现出明显的优势。人们的注意力越来越集中在汽油喷射系统上。 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。 D 型喷射系统在汽车发动 机工况发生急剧变化时，控制效果并不理想。 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。 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。 3 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。 1.1.2 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 电子控制单元（ ECU）把发动机的转速和负荷信号作为主要控制信号，以确定喷油脉冲宽度（即基本喷油量），并根据其他信号加以修正，如冷却液温度信号等，最后确定总喷油量。 2）喷油正时控制 当发动机采用多点顺序燃油喷射系统时， ECU 除了控制喷油量以外，还 要根据发动机的各缸点火顺序，将喷油时间控制在最佳时刻，以使汽油充分燃烧。 3）断油控制 减速断油控制：汽车在正常行驶中，驾驶员突然放松加速踏板时， ECU 将自动切断燃油喷射控制电路，使燃油喷射中断，目的是降低减速时 HC 和 CO 的排放量，而当发动机转速下降至临界转速时，又能自动恢复供油。 4） 燃油泵控制 当打开点火开关后， ECU 将使燃油泵工作 23S，用于建立必需的油压。若此时发动机不起动， ECU 将会切断电动燃油泵控制电路，使燃油泵停止工作。在发动机起动和运转过程中， ECU 控制燃油泵保持正常运转。 2 电子点火（ ESA）控制 1） 点火提前角的控制 4 在 ECU 的存储器中存储着发动机在各种工况下最理想的点火提前角。发动机运转时，ECU 根据发动机的转速和负荷信号确定基本点火提前角，并根据其他信号进行修正，最后确定点火提前角。然后，向电子点火控制器输出点火信号，以控制点火系统的工作。 2）通电时间（闭合角）与恒流控制 点火线圈初级电路在断开时需要保证足够大的断开电流，以使次级线圈产生足够高的次级电压。与此同时，为防止通电时间过长而使点火线圈过热损坏， ECU 根据蓄电池电压及发动机转速信号等，控制点火线圈初级电路的通电时间。 在 现代汽车高能点火系统电路中，还增加了恒流控制电路，使初级电流在极短时间内迅速增长到额定值，减少转速对次级电压的影响，改善点火特性。 3）爆震控制 当 ECU 接收到爆震传感器输入的电信号后， ECU 对该信号进行处理并判断是否即将产生爆震，当检测到爆震信号后， ECU 立即推迟发动机点火提前角，采用反馈控制方式避免爆震产生。 3 怠速控制（ ISC） 发动机在汽车制动、空调压缩机工作、变速器挂入档位，或发动机负荷加大等不同的怠速工况下，由 ECU 控制怠速控制阀，使发动机处在最佳怠速稳定转速下运转。 4 排放控制 1） 废气再 循环 (EGR)控制 当发动机的废气排放温度达到一定值时， ECU 根据发动机的转速和负荷，控制 EGR阀的开启动作，使一定数量的废气进行再循环燃烧，以降低排气中 NOx 的排放量。 2） 开环与闭环控制 在装有氧传感器及三元催化转化器的发动机中， ECU 根据发动机的工况及氧传感器反馈的空燃比信号，确定开环控制或闭环控制。 3） 二次空气喷射控制 ECU 根据发动机的工作温度，控制新鲜空气喷入排气歧管或三元催化转化器，用以减少排气造成的污染。 4） 活性炭罐清污电磁阀控制 ECU 根据发动机的工作温度、转速和负荷转速信号，控制活性 炭罐清污电磁阀的开启工作，将活性炭吸附的汽油蒸汽吸入进气管，进入发动机燃烧 ，降低蒸发排放。 5 进气增压控制 5 1） 进气谐波增压控制 ECU 根据转速传感器检测到的发动机转速信号，控制进气增压控制阀的开闭，改变进气管的有效长度，实现中低转速区和高转速区的进气谐波增压，提高发动机的充气效率。 2） 涡轮增压控制 ECU 根据进气压力传感器检测到的进气压力信号控制废气增压器的废气放气阀或可变喷嘴环，以获得增压压力。 6 发电机控制 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。 1.1.3 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 6 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。 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，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 )如 图 1-2 由于前两种系统在现在汽车中不在使用，故不做介绍。 c电子控制式燃油喷射系统 如 图 1-3 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。 7 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； 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 。 图 1-2 KE 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蓄压器； 4燃油 滤清器； 5电 -液压力调节器； 6燃油量分配器； 7燃油压力调节器； 8电位计； 9空气流量计； 10节气门开关； 11冷启动阀； 12温度时间开关； 13喷油器； 14水温传感器； 15控制器 (微机 )； 16补充空气滑阀 。 8 图 1-3 L-Jetronic 总体结构示意图 1燃油箱； 2电动燃油泵； 3燃油滤清器； 4燃油压力调节器； 5喷油器； 6冷启动阀； 7电子控制器； 8空气流量计； 9温度时间开关； 10冷却液温度传感器； 11发动 机转速信号；12节气门开关； 13补充空气滑阀； 14怠速调节螺钉； 15混合气调节螺钉； 16氧传感器 。 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。 9 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。 同时，由于它的控制更为精确，使发动 机无论处于何种状态，其过渡过程的响应及燃油经济性都是最佳的。但是，多点喷射系统结构复杂，成本高，故障源也较多。从发展趋势看，由于电子技术日益成熟，法规的日益严格，多点喷射系统由于其性能卓越而将占主导地位。 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。 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。 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。 b 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。 如图 1-5 所示，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。 10 (a) 同时喷射 (b) 顺序喷射 (c) 分组喷射 图 1-5 间歇喷射三种形式 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。 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。 相比而言，由于缸外喷射方式汽油的喷油压力 (0.1 到 0.5MPa)不高，且结构简单，成11 本较低，故目前应用较为广泛。 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。 直接检测方式称为质量 -流量方式 (如 K 型、 KE 型、 L 型、 LH 型等 )，间接检测方式又可分为速度 -密度方式 (如 D 型 )和节气门 -速度方式。 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。 常用的空气流量计有以下几种： （ 1) 叶片式空气流量计 (测量体积流量 )图 1-3 或称为翼板式空气流量计； 图 1-6 叶片式放前面电控汽油机燃油喷射系统 (2) 卡门旋涡式空气流量计 (测量体积流量 )； (3) 热线式空气流量计 (测量质量流量 )； (4) 热膜式空气流量计 (测量质量流量 )。 热线式电控汽油机燃油喷射系统可以直接测量进入气缸内空气的质量，将该空气的质量转换成电信号，输送给 ECU，由 ECU 根据空气的质量计算出与之相适应的 喷油量，以控制最佳空燃比。 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。 12 2 电控汽 油喷射系统的结构 组成 及工作原 理 2.1 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。 2.1.1 进气系统 进气系统，又称空气 供给系统，其功能是提供、测量和控制燃油燃烧时所需要的空气量，如图 2-1 所示 (以 L 型系统为例 )。 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。 怠速空气调整器一般由电控单元 (ECU)控制，在气温较低发动机暖机时，怠速空气调整器的通路打开，以供给暖机时必须给进气歧管的空气量，此时发动机转速较正常怠速高，称为快怠速。 随着发动机冷却水温升高，怠速空气调整器使旁通气道开度逐渐减小，旁通空气量亦逐渐减小，发动机转速逐渐降低至正常怠速。 2.1.2 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，如图 2-2 所示。 13 图 2-1 进气系统 图 2-2 燃油系统 燃油由燃油泵从油箱中泵出，经过过滤器，除去杂质及水分后，再送至燃油脉动阻尼器，以减少其脉动。这样具有一定压力的燃油流至供油总管，再经各供油歧管送至各缸喷油器。 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。 2.1.3 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。 14 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。 检测发动机工况的传感器有：水温传感器、进气温度传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、车速传感器、氧传感器、爆燃传感器、空调离合器开关等。 ECU 是发动机控制系统的核心部件。 ECU 的存储器中存放了发动机各种工况的最佳喷油持续时间，在接收了各种传感器传来的信号后，经过计算确定满足发动机运转状态的燃油喷射量和喷油时间。 ECU 还可对多种信息进行处理，实现 EFI 系统以外其他诸多方面的控制，如点火控制、怠速控制、废气再循环控制、防抱死控制等。 执行器是控制系统的执行机构，其功用是接受 ECU 输出的各种控制指令完成具体的控制动作，从而使发动机处于最佳工作状态，如喷油脉宽控制、点火提前角控制、怠速控制、炭罐清污、自诊断、故障备用程序启动、仪表显示等。 2.2 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。 15 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 喷油器喷射到进气歧管中的汽油量，由喷油器喷孔的横断面面积，汽油的喷射压力和喷油持续时间来决定。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 。 传感器将发动机各种非电量的工况参数 (如转速、负荷、发动机冷却水及进气温度、空气流量、曲轴转角、节气门开度等 )转变为电信号，并把这些信号以信息形式送入电控单元(ECU)，再经电控单元转化为长短不一的电脉冲信号传到喷油器，控制喷油器打开时刻及延续时间长短，使之准确地工作。 EFI 系统的工作过程即是对喷油时间的控制过程。装用 EFI 系统的发动机具有良好的动力性、经济性，排放污染大为降低，这都缘于空燃比的精确控制。而这种空燃比的控制是通过对汽油喷射时间的控制实现的。 ECU 通过绝对压力传感器 (D 型 EFI)或空气流量 计 (L型 EFI)的信号计量空气质量，并根据计算出的空气质量与目标空燃比比较即可确定每次燃烧所必需的燃料质量。 目标空燃比即实际充入气缸的空气质量与燃烧所需要的燃料量的比值。根据空气质量和发动机转速计算出的喷油时间称为基本喷油持续时间。目标空燃比是在考虑了发动机的动力性、经济性、响应性、排气净化等之后决定的，它所要求的喷油时间与基本喷油时间有差异，各种传感器检测冷却水温度、进气温度、节气门开度等与发动机工况有关的参数后，对基本喷油持续时间进行修正，确定最佳喷油持续时间，使实际喷油持续时间接近由目标空燃比确定的 喷油持续时间。 16 2.2.1 D 型 EFI 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。 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。 分配油管与安装在各缸进气歧管上的喷油器相通。喷油器是一种电磁阀，由 ECU 控制。 通电时电磁阀开启，压力燃油以雾状喷入进气歧管内，与空气混和，在进气行程中被吸进气缸。分配油管的末端装有燃油压力调节器，用来调整分配油管中汽油的压力，使油压保持某一定值 (250kPa 到 300kPa)。多余的燃油从燃油压力调节器上的回油口经回油管返回油箱。 2） 进气量的控制与测量 17 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，并通过控制每次喷油的持续时间来控制喷油量。 喷油持续 时间越长，喷油量就越大。一般每次喷油的持续时间为 2ms 到 10ms。各缸喷油器每次喷油的开始时刻则由 ECU 根据曲轴位置传感器测得的 1 缸上止点的位置来控制。由于这种类型的燃油喷射系统的每个喷油器在发动机一个工作循环中只喷油一次，故属于间歇喷射方式。 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。 D 型 EFI 系统具有结构简单、工作 可靠等优点，但由于采用压力作为控制喷油量的主要因素，因此，存在这样的缺点：在汽车突然制动或下坡行驶中节气门关闭时，加速反应效果不良；当大气状况发生较大变化时，会影响控制精度。 现代汽车使用的 D 型 EFI 系统都经过了改进，即采用运算速度快、内存容量大的 ECU，大大提高了控制精度，控制的功能也更加完善。这种系统通常用于中档车型上，如丰田HIACE 小客车、丰田 CROWN 轿车等。 2.2.2 L 型 EFI 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。 典型的 L 型 EFI 系统的结构图 2-6 所示。 18 图 2-6 热线式电控汽油机燃油喷射系统 2.2.3 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。 同步喷射指在既定的曲轴转角进行喷射，在发动机稳定工况的大部分运转时间里，喷油系统以同步方式工作。发动机在启动和加速时，为了保证启动迅速、加速响应快， ECU会根据水温、节气门变化程度适当地增加供油量，此时应采用与曲轴的旋转角度无关的异步喷射。另外，采用卡门旋涡式流量计的发动机，其喷油器的开启时间与其涡流频率同步。 下面介绍同步喷射发动机中的顺序喷射。 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。 各缸喷油器分别由微 机进行控制。驱动回路数与气缸数目相等。顺序喷射方式由于要知道向哪一缸喷射，因此应具备气缸判别信号，常叫判缸信号。 采用顺序喷射控制时，应具有正时和缸序两个功能，微机工作时，通过曲轴位置传感器输入的信号，可以知道活塞在上止点前的位置，再与判缸信号相配合，可以确定向上止19 点运行的是哪一缸，同时应分清该缸是压缩行程还是排气行程。 图 2-8 顺序喷射的控制电路 因此当微机根据判缸信号、曲轴位置信号，确定该缸是排气行程且活塞行至上止点前某一喷油位置时，微机输出喷油控制信号，接通喷油器电磁线圈电路，该缸即开始喷 射。 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。 尽管发动机型号不同，基本喷油持续时间和各种修正量的值不同，但其确定方式和对发动机的影响却是相同的，下面分别予以介绍。 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。 因此，启动时的基本喷油时间不是根据进气量 (或进气压力 )和发动机转速计算确定的，而是 ECU 根据启动信号和当时的冷却水温度，由内存的水温 -喷油时间图找出相应的基本喷油时间 TP，然后加上进气温度修正时间 TA 和蓄电池电压修正时间 TB，计算出启 动时的喷油持续时间。 20 由 THW 信号查水温 -喷油时间图得出基本喷油时间，根据进气温度传感器 THA 信号对喷油时间进行修正。 由于喷油器的实际打开时刻较 ECU 控制其打开时刻存在一段滞后，如图 2-14 所示，造成喷油量不足，且蓄电池电压越低，滞后时间越长，故需对电压进行修正。 图 2-9 喷油滞后 启动后的喷油控制 发动机转速超过预定值时， ECU 确定的喷油信号持续时间满足下式： 喷油信号持续时间 =基本喷油持续时间 喷油修正系数 +电压修正值 式中，喷油修正系数是各种修正系数的总和。 （ A） 基本喷油时间 D 型 EFI 系统的基本喷油时间可由发动机转速信号 (Ne)和进气管绝对压力信号 (PIM)确定。 D 系统的 ECU 内存有一个基本喷油时间三维图 (三元 MAP 图 )。 它表明了与发动机各种转速和进气管压力对应的基本喷油时间。根据发动机转速信号和进气管压力信号确定喷油量，是以进气量与进气管压力成正比为前提的，这一前提只在理论上成立。 实际工作中，进气脉动使充气效率变化，进行再循环的排气量的波动也影响进气量测量的准确度。因此，由 MAP 图计算的仅为基本喷油时间， ECU 还必须根据发动机转速信号 (Ne)对喷油时间进行修正。 L 型 EFI 系统 的基本喷油时间由发动机转速和空气量信号 (VS)确定。这个基本喷油时间是实现既定空燃比 (一般为理论空燃比： A/F=14.7)的喷射时间。 （ B） 启动后各工况下喷油量的修正 21 在确定基本喷油时间的同时， ECU 由各种传感器获得发动机运行工况信息，对基本喷油时间进行修正。 a 启动后加浓 发动机完成启动后，点火开关由启动 (STA)位置转到接通点火 (ON)位置，或发动机转速已达到或超过预定值， ECU 额外增加喷油量，使发动机保持稳定运行。 喷油量的初始修正值根据冷却水温度确定，然后以一固定速度下降，逐步达到正常。 b 暖机加浓 冷机时，燃油蒸发性差，为使发动机迅速进入最佳工作状态，必须供给浓混合气。在冷却水温度低时， ECU 根据水温传感器 (THW)信号相应增加喷射量，水温在 40 时加浓量约为正常喷射量的两倍。暖机加浓还受节气门位置传感器中的怠速触点 (IDL)接通或断开控制，根据发动机转速， ECU 使喷油量有少量变化。 c 进气温度修正 发动机进气密度随发动机的进气温度而变化， ECU 根据 THA 信号修正喷油持续时间，使空燃比满足要求。 通常以 20 为进气温度信号的标准温度，低于 20 时，空气密度大， ECU 增加喷油量， 使混合气不致过稀；进气温度高于 20 时，空气密度减小， ECU 使喷油量减少，以防混合气太浓。 增加或减少的最大修正量约为 10%。由进气温度修正曲线可见，修正约在进气温度 20 到 60 之间进行。 d 大负荷加浓 发动机在大负荷工况下运转时，要求使用浓混合气以获得大功率。 ECU 根据发动机负荷增加喷油量。发动机负荷状况可以根据节气门开度或进气量的大小确定，故 ECU 可根据进气压力传感器、空气流量计、节气门位置传感器输送的信号判断发动机负荷状况，决定相应增加的燃油喷射量。 大负荷的加浓量约为正常喷油量的 10%到 30%。有些发动机的大负荷加浓量还与冷却水温度信号 (THW)有关。 e 过渡工况空燃比 发动机在过渡工况下运行时 (即汽车加速或减速行驶 )，为获得良好的动力性、经济性、响应性，空燃比应作相应变化，即需要适量调整喷油量。 使 ECU 检测到相应工况的信号有：进气管绝对压力 (PIM)或空气量 (VS)、发动机转速(Ne)、车速 (SPD)、节气门位置、空挡启动开关 (NSW)和冷却水温度 (THW)。 22 g 怠速稳定性修正 (只用于 D 型 EFI 系统 ) 在 D 型 EFI 系统中，决定基本喷油时间的进气管压力，在过渡工况时，相对于发动机转 速将产生滞后。 节气门以下进气管容积越大，怠速时发动机转速越低，这种滞后时间越长，怠速就越不稳定。进气管压力变动，发动机转矩也变动。由于压力较转速滞后，转矩也较转速滞后，造成发动机转速上升时，转矩也上升，转速下降时，转矩也下降。为了提高发动机怠速运转的稳定性， ECU 根据 PIM 和 Ne 信号对喷油量作修正。随压力增大或转速降低，增加喷油量；随压力减少或转速增高，减少喷油量。 3) 断油控制 减速断油发动机在高速下运行急减速时，节气门完全关闭，为避免混合气过浓、燃料经济性和排放性能变差， ECU 停止喷油。当发动机 转速降到某预定转速之下或节气门重新打开时，喷油器投入工作。 冷却水温度低或空调机工作需要增加输出功率时，断油和重新恢复喷油的转速较高。 发动机超速断油。为避免发动机超速运行，发动机转速超过额定转速时， ECU 控制喷油器停喷。 汽车超速行驶断油。某些汽车在汽车运行速度超过限定值时，停止喷油。 ECU 根据节气门位置、发动机转速、冷却水温度、空调开关、停车灯开关及车速信号完成上述断油控制。 4) 异步喷射 启动喷油控制 在有些电控汽油喷射系统中，为了改善发动机的启动性能，在启动时使混合气加浓。除了一般正 常的曲轴转一转喷一次油外，在启动信号 STA 处于接通状态时， ECU 从 G(G1或 G2)信号后检测到第一个 Ne 信号开始，以一个固定喷油持续时间，同时向各缸增加一次喷油。 加速喷油控制 发动机从怠速工况向起步工况过渡时，由于燃油惯性等原因，会出现混合气稀的现象。 为了改善起步加速性能，在普通电控燃油喷射系统中， ECU 根据 IDL 信号从接通到断开时，增加一次固定喷油持续时间的喷油。 在综合控制的系统中， ECU 在 IDL 信号从接通到断开后检测到第一个 Ne 信号时，增加一次固定喷油持续时间的喷油。 23 在有些发动机中，当节气 门急速开启或进气量突然变大时 (急加速 )，为了提高加速响应特性，仅在加速期间，在同步喷射的基础上再加上异步喷射。24 3 大众 典型轿车电控燃油喷射系统 3.1 桑塔纳 2000GLi 型轿车电子控制汽油喷射系统 桑塔纳 2000GLi 型轿车电子控制汽油喷射系统由电控单元（ ECU）、传感器、点火线圈、分电器、油压调节器、喷油器等组成。 如图 3-1 所示，驾驶员通过节气门控制进气量，节气门位置传感器检测节气门开度的信息传给电控单元（ ECU），由电控单元综合诸因素调整喷油量，使混合气最佳。发动机工作时，节气门位置传感器检测 驾驶员控制的节气门开度，进气压力传感器检测进入气缸的空气量，