第2章发动机电子控制系统A.ppt

汽车电子控制技术 第2章发动机电子控制系统 2 1电控汽油喷射系统概述 2 1 1电控汽油喷射系统简介 1 电控汽油喷射系统的发展历程 电子控制燃油喷射技术最早应用于飞机发动机 二战结束之后 燃油喷射技术才逐渐被应用于汽车发动机上 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 1953年 美国本迪克斯 Bendix 公司着手开发电控汽油喷射 ElectricFuelInjection EFI 装置 1957年 该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 但在20世纪60年代以前 车用汽油喷射装置大多采用机械式喷射泵 其结构和原理与柴油机喷油泵很相似 控制功能是借助于机械装置实现的 结构复杂 价格昂贵 多用于豪华型轿车和赛车 20世纪60年代以后 由于电子技术的迅猛发展和受排放法规的影响 使电控汽油喷射 EFI 技术得到了进一步的发展 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 大规模集成电路与微型计算机的迅猛发展 为能协调发动机各方面的矛盾 达到对油耗 排放与动力性等性能进行综合控制的综合控制系统的诞生提供了条件 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 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 电控汽油喷射技术日趋完善 性能优越 使得电控汽油喷射装置从20世纪70年代末开始得到迅猛发展 不仅轿车 而且越来越多的其他类型车辆也采用了电控汽油喷射技术 这充分证明了它强大的生命力与竞争力 2 电控汽油喷射系统分类 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 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 控制信号经功率放大器放大后 再驱动电磁喷油器动作 由此控制混合气的空燃比 使发动机处于最佳运行状态 开环控制系统不带氧传感器等反馈传感器 只受发动机运行工况参数变化的控制 且按事 先设定在计算机ROM中的试验数据流工作 其优点是简单易行 缺点是其精度直接依赖于所设定的基准数据的精度和电磁喷油器调整标定的精度 但当喷油器及传感器系统电子产品性能变化时 混合气就不能正确地保持在预定的空燃比值上 因此 它对发动机及控制系统的各个组成部分的精度要求高 系统本身抗干扰能力较差 而且当使用工况超出预定范围时 就不能实现最佳控制 其工作情况如图2 1所示 2 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 闭环控制的原理如图2 2所示 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 如图2 3所示 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 1 机械式燃油喷射系统 K系统 在柴油机中应用时间较长 在汽油机中应用较少 德国博世公司的K Jectronic系统属于机械式汽油喷射系统 简称K系统 该系统采用连续喷射方式 可分为单点或多点喷射 其喷油量是通过空气计量板直接控 制汽油流量调节柱塞来控制的 采用的是机械式计量方式 故由此得名 该系统中设有冷启动喷油器 暖车调节器 空气阀及全负荷加浓器等装置 以便根据不同工况对基本喷油量进行修正 2 机电混合式燃油喷射系统 KE系统 德国博世公司的KE Jectronic系统属于该类型 可简称KE系统 是在K式的基础上改进后的产品 其特点是增加了一个电子控制单元 ElectricControlUnit ECU ECU可根据水温 节气门位置等传感器的输入信号来控制电液式压差 调节器的动作 以此实现对不同工况下的空燃比进行修正的目的 3 电子控制式燃油喷射系统 E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 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 PointInjection SPI 和多点喷射 Multi PointInjection MPI 两种形式 单点喷射与多点喷射的区别如图2 4所示 1 单点喷射 SPI 单点喷射系统是把喷油器安装在化油器所在的节气门段 它的外形也有点像化油器 通常用一个喷油器将燃油喷入进气流 形成混合气进入进气歧管 再分配到各个气缸中 但在一些增压和V型发动机上则用两个喷油器 因此 单点喷射又可理解为把化油器换成节流阀体喷射装置 TBI 也称为中央燃油喷射 CFI 单点喷射系统结构简单 故障源少 可采用较低的喷油压力 只有0 1MPa 在原使用化 油器的发动机上做很少改动就可形成单点喷射系统 而且 在大批量生产以后 其成本也大为下降 仅高于化油器的成本 但其性能要比化油器好多了 因此 在20世纪90年代的小排量普通轿车上曾得到广泛应用 预计随着燃油法规的严格 其地位也将升高 与传统化油器式发动机一样 单点喷射系统相邻气缸存在进气行程重叠 使得混合气分配不均 其控制的准确度和性能不如多点喷射 单点喷射由于在气流的前段 节气门段 就将燃油喷入气流 因此它也属于前段喷射 2 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 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 如图2 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 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 通常将一次燃烧所需要的汽油量按发动机每工作循环分两次进行喷射 仅可用于进气管喷射 同时喷射不需要判缸信号 而且喷油器驱动回路通用性好 结构简单 因此 现在这种喷射方式占主导地位 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 仅用于进气管喷射 分组喷射中 过渡空燃比的控制性能介于顺序喷射和同时喷射之间 喷射时刻与顺序喷射方式一样 需判缸信号 但喷油器驱动回路等于分组数目即可 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 1 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 2 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 Mass Flow 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 Speed Density 方式 如D型 和节气门 速度 Throttle Speed 方式 D型EFI系统是通过检测进气歧管的压力 真空度 和发动机的转速 推算发动机吸入的空气量 并计算燃油流量的速度 D是德文 压力 一词的第一个字母 D型EFI系统是最早的 典型的多点压力感应式喷射系统 美国的通用 福特和克莱斯勒 日本的丰田 本田 铃木和大发等各主要汽车公司 都有类似的产品 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 L是德文 空气 一词的第一个字母 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 或称为翼板式空气流量计 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 叶片式电控汽油机燃油喷射系统采用叶片式空气流量计和卡门旋涡式空气流量计 其空气流量的计量方式均属体积流量型 即计量进入气缸的空气的体积量 将该量转变成电信号 输送至ECU ECU计算出与该体积的空气相适应的喷油量 以控制混合气空燃比的最佳值 由于采用体积流量型的空气流量计量方式时 需要考虑大气压力的修正问题 且叶片式空气流量计有体积大 不便安装和加速响应慢等缺点致使以质量流量型的空气流量计量方式 即热线式和热膜式空气流量计很快诞生 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 节流速度控制法是利用节流阀开度和发动机转速 推算每一循环吸入发动机的空气量 根据推算出的空气量 计算汽油喷射量 由于是直接测量节流阀开度的角位移 所以过渡响应性能好 但是 由于吸入的空气量与节流阀开度和发动机转速是复杂的函数关系 不容易准确测定吸入的空气量 目前只应用于赛车和有些Mono 单点喷射 系统中 市场上尚不多见 因此 本书不予介绍 在间接检测方式中 速度 密度方式是根据进气管绝对压力和发动机转速来计量发动机每循环的进气量 而节气门 速度方式则根据节气门开度和发动机转速来计量发动机每循环的进气量 从而计算所需的喷油量 图2 6所示为三种空燃比控制系统比较图 由于质量 流量控制方式 L型 是通过空气流量计 AirFlowMeter 直接测量发动机的进气量 再根据进气量和转速来确定发动机每工作循环的供油量 因此比用进气管绝对压力间接测量发动机进气量的方法精度高 稳定性好 2 1 2电控汽油喷射系统的基本组成和工作原理 1 电控汽油喷射系统的基本组成和功能 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 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 7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 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 8所示 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 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 9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 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 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 10所示 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 1 D型EFI系统 图2 11所示的是D型EFI系统 该系统的工作原理如下所述 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 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 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系统的结构如图2 12和图2 13所示 3 Mono系统 该系统是一种低压中央喷射系统 是单点喷射 SPI 系统 其组成如图2 14所示 在原来安装化油器的部位仅用一只电磁喷油器进行集中喷射 与化油器相比 能迅速地输送燃油通过节气门 在节气门上方没有或极少发生燃油附着管壁现象 因而消除了由此而引起的混合与燃烧的延迟 缩短了供油和空燃比信息反馈之间的时间间隔 提高了控制精度 改善了排放 Mono系统空气量可以采用空气流量计计量 也可以采用节气门转角和发动机转速 节流速度 方式 来控制空燃比 而省去空气流量计 这样做 可使结构和控制方式均简化 既兼顾了发动机性能与成本 发动机结构的变动又较少 兼顾减少排放 提高性能 简化结构 降低成本诸多优势的Mono系统 在国外已迅速推广应用于低排量的普通轿车甚至货车上 4 燃油喷射控制 1 喷油正时 如前所述 电控燃油喷射发动机的喷射可分为单点喷射和多点喷射 其中多点喷射又分 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 单点喷射 即只有一个喷油器 将油集中喷于进气总管 Mono系统用 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 下面分别介绍同步喷射发动机中的同时喷射 分组喷射和顺序喷射三种类型 同时喷射 早期生产的间歇燃油喷射发动机多是同时喷射 其喷油器的控制电路和控制程序都较简单 其控制电路如图2 15所示 所有的喷油器并联连接 微型计算机 简称微机 根据曲轴位置传感器送入的基准信号 发出喷油器控制信号 控制功率三极管的导通和截止 从而控制各喷油器电磁线圈电路同时接通和切断 使各缸喷油器同时喷油 通常曲轴每转一转 各缸喷油器同时喷射一次 如图2 16所示为某发动机喷油器的喷油正时波形 由于在发动机的一个工作循环中喷射两次 因此有的称这种喷射方式为同时双次喷射 两次喷射的燃油 在进气门打开时一起进入气缸 图2 17所示为同时喷射正时图 由于这种喷射方式是所有各缸喷油器同时喷射 所以喷油正时与发动机进气 压缩 做功 排气的循环没有什么关系 其缺点是由于各缸对应的喷射时间不可能最佳 有可能造成各缸的混合气形成不一样 但这种喷射方式不需要气缸判别信号 且喷射驱动回路通用性好 其电路结构与软件都比较简单 因此目前这种喷射方式还占有一定地位 分组喷射 分组喷射一般是把所有气缸的喷油器分成2到4组 四缸发动机一般把喷油器分成两组 由微机分组控制喷油器 两组喷油器轮流交替喷射 分组喷射的控制电路如图2 18所示 每一工作循环中 各喷油器均喷射一次或两次 一般多是发动机每转一转 只有一组喷射 图2 19为分组喷射的正时图 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 北京切诺基汽车发动机采用的就是顺序喷射方式 顺序喷射的控制电路如图2 20所示 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 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 北京切诺基发动机在各缸排气行程上止点前64 开始喷射 其四缸发动机的喷油顺序是1 3 4 2 六缸发动机的喷油顺序是1 5 3 6 2 4 图2 21为日本本田四缸发动机的顺序喷射的正时图 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 见图2 22 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 如图2 23所示 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 24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 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 如图2 25所示 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 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 由图2 26可见 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 如图2 27所示 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 过渡工况空燃比控制 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 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 如图2 28所示 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 如图2 29所示 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 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 2 1 3典型汽油喷射系统简介 1 机械控制式汽油喷射系统 1 机械控制式汽油喷射系统 K Jetronic 机械控制式汽油喷射系统属连续喷射方式 可为单点或多点喷射 在美国等国家称为CIS 主要应用在欧洲生产的汽车上 机械控制式汽油喷射系统是一种液力控制 机械式 进气道连续喷射 属于多点缸外连续喷射方式 由于该系统具有非常典型的代表性 故机械式汽油喷射系统一般简称为K系统 尽管这种系统是机械式汽油喷射系统 但发动机却不直接驱动喷射系统的任何部件 K系统是以质量流量方式对混合气浓度加以控制的 国产奥迪100车上使用了这种系统 1 结构 德国博世公司的K Jectronic系统的结构如图2 30所示 K系统由电动油泵 蓄能器 燃油滤清器 温度时间开关 启动喷油器 喷油器和暖机调节器等部件组成 2 工作原理 K系统工作时 空气经空气滤清器 空气流量传感器和节气门进入进气总管 进气歧管 最后进入各缸 驾驶员通过控制节气门开度来控制进气量的多少 空气流量传感器则用来测量进气量的多少 燃油箱内的汽油经电动油泵加压泵出后 经过蓄能器清除脉动和燃油滤清器滤除杂质后 被送入燃油分配器 燃油分配器中的压力调节器可使系统压力恒定在0 47MPa 当系统压力超过规定值时 过量燃油就流回燃油箱 根据所测得的进气的体积流量 燃油分配器计量每缸的燃油量 然后将燃油分别送入各缸的油路 喷油器无计量功能 是弹簧加载的 当压力为0 33MPa时就开启 发动机停机 系统压力降至喷油器开启压力以下时 喷油器关闭 在发动机工作时 燃油由装在进气门附近的喷油器连续呈雾状地喷射在进气门前方与气道中 经与吸入的空气混合而形成可燃混合气 在发动机进气门开启时刻被吸入气缸内 空气流量传感器又称空气流量计 它通过空气流量传感板的开度来感知进气量 空气流量传感板与燃油分配器组成一个部件 即混合气调节器 它是机械式汽油喷射系统的一个核心部件 空气流量计使燃油量分配器控制柱塞动作 分配器就给发动机每个气缸分配所需的燃油量 精确计量的燃油连续地输送给由弹簧加载的喷油器 喷油器再将燃油呈细雾状喷射到发动机进气门前的进气道中 当进气门打开时 燃油与被吸入的空气一起进入气缸 油量分配器上作用着由暖机调节器调节的控制压力 以实现暖机过程中混合气加浓与混合气由浓变稀的调节过程 控制压力随发动机温度的升高在0 05MPa到0 37MPa之间变化 为了适应发动机各种工况对燃油系统的要求 系统中设有各种相应的辅助装置 冷启动时 由热敏时控开关控制电磁冷启动阀向发动机供应额外的燃油 冷启动后 由暖机调节器通过调节燃油分配器上的控制压力来实现暖车过程中混合气的 加浓与对混合气加浓量逐渐降低的调节 冷启动和暖车过程中所需要的附加空气量由辅助空气调节阀控制 发动机停机后 蓄能器还长时间地保持有压力 这样就可以防止燃油油路形成气阻和确保顺利热启动 2 KE Jetronic带计算机的机械式汽油喷油系统 KE Jetronic系统与K Jetronic系统的区别是安装了微机 控制器 由电 液压力调节器 执行元件 取代了暖机调节器 由膜片式燃油压力调节器代替K系统中的活塞式压力调节器等 1 结构 KE系统装有微机的机械式喷射装置的总体结构布置如图2 31所示 2 工作原理 该系统直接测量空气量 连续喷射燃油 每秒可自动喷射2000次 喷油器的喷油量取决于燃油分配器控制柱塞的升程及其差压阀下室压力的大小 空气流量计与燃油分配器也是机械式汽油喷射系统的两个完整的基础组件 它们平行地完成工作 其中一个组件不工作时 另一个也不能工作 发动机工作时 空气流量计的计量盘上 下浮动 通过杠杆使燃油量分配器的控制柱塞动作 从而改变了控制柱塞套筒上的计量槽口打开截面的大小 燃油量分配器差压阀下室的油压由电 液压力调节器进行调节 电 液压力调节器由微机控制 微机根据接收到的水温传感器 节气门开关 空气流量计的电位计等发出的信号 经处理后向电 液压力调节器输送控制电流信号 0到120mA 以便控制喷油器的喷油量 满足发动机在冷启动 暖机时对油量的需要 以及迅速 加速到最高转速和怠速工况时对混合气的要求 当电子装置出现故障或电路中出现任何断路时 整个喷射装置仍能工作 2 多点式电子控制汽油喷射系统 在多点式电控汽油喷射系统中 凡采用MPA传感器 进气管压力传感器 通过测量进气管压力来确定进气量的系统称为压力感应式电控汽油喷射系统 凡采用摆板式空气流量计 热线式或热膜式空气流量计和卡尔曼旋涡式空气流量计来测量空气量的系统 称为流量感应式汽油喷射系统 1 多点压力感应式汽油喷射系统 K Jetronic D Jetronic是最早的 典型的多点压力感应式喷射系统 美国通用 福特 克莱斯勒 日本丰田 本田 铃木和大发等公司也有类似产品 1 总体结构 图2 32所示为该系统的主要部件及功能 2 工作原理 燃油泵直接将燃油输送到电磁喷油器 燃油压力调节器保证喷射压力恒定 压力过高时 多余的汽油又流回燃油箱 电磁喷油器将燃油喷入进气门之前的进气歧管 每个气缸有一个电磁喷油器 为了减少损耗 四缸发动机以两个喷油器为一组将其电路并联 六缸发动机以三个喷油器为一组并联 凸轮轴转一周完成一次分组喷油循环 全部喷油器承受一个大约为0 2MPa的恒定压力 每工作冲程供给气缸的燃油量用控制电磁喷油器的开启持续时间来计量 由电子控制器 ECU 供给控制脉冲 其持续时间由进气歧管压力 发动机转速及其他修正变量确定 这些修正变量由机电传感器 压力传感器 温度传感器 节气门开关和分电器中确定喷射开始时间的触发器触点 在发动机上进行检测 并作为电量信号输入ECU 在冷启动和暖机阶段 约35 以下 冷启动阀开启 吸入的空气由此补充使油量加浓 2 多点喷射流量感应式电控喷射系统 1 博世L Jetronic系统 总体结构 L型电控喷射系统的总体结构如图2 33所示 工作原理 L型流量感应式电控汽油喷射系统是在D型喷射的基础上结合直接空气量测定的优点开发的 控制排气污染的辅助净化装置如废气再循环 排气净化后处理系统 氧传感器等均可用于L型扩展功能控制 与D型喷射系统的分组喷射不同 L型采用同时喷射方式 即喷油器在凸轮轴每转一周 曲轴转2圈 喷油两次 每次喷射量为所需燃油量的一半 第一次喷射燃油时进气门还是关闭的 第二 次 吸气行程 时才开启 并且全部电器并联以减少损耗 为此 喷射脉冲可直接由分电器的断电触点触发 而省去D型中的专用触发触点 为了输送燃油和产生喷射压力 使用电动油泵 进入发动机的空气量由节气门的开度控制 为了得到正确的空燃比 14 7 1 用电位计测知摆板式空气流量计的开度并输送给控制器 为了在任何工况下获得最佳的空燃比 还要给控制器输入发动机温度 进气温度和节气门的怠速开度与满负荷开度 补充空气滑阀 在冷态时开启 在冷启动和暖机过程中用来增加进入的空气量 空气流量计中的可调旁通气道 并联 能改变进气道截面 因此也能改变空燃比 在发动机暖机过程中 冷启动阀是开启的 补充的燃油可到达进气歧管中 冷启动阀由温度时间开关来控制 与控制器无关 喷油器将燃油喷射到进气门前 喷射量根据喷射阀的开启持续时间而定 此时间可由控制器决定 2 博世LE Jetronic系统 博世LE Jetronic系统是L Jetronic系统的改进型 能使发动机以最佳的方式工作 LE型汽油喷射系统与L型汽油喷射系统有下列几点不同 喷射装置优化 价格低廉 控制器工作可靠 能耗降低 喷油器内设置了高阻值线圈 其电阻值为16 2 从而取消了喷油器外电路中的串联降压电阻 在空气流量计中增设了一进气温度传感器 对吸入的空气进行温度校正 插接件 电插头 数目少 通过电子继电器来驱动燃油泵 电子继电器取代了与空气流量计内油泵开关连接的组合继电器 LE型与L型汽油喷射系统的结构 工作原理和工作方式基本相同 图2 34所示为LE型汽油喷射系统的总体布置图 3 博世LH型汽油喷射系统 结构 LH型汽油喷射系统的总体结构如图2 35所示 工作原理 LH型汽油喷射系统的基础是L型汽油喷射系统 但以热线式空气流量计替代了机械检测的摆板式空气流量计 热线位于进气道中 可以用电加热到100 且可以控制在这一恒定温度上 根据吸入空气量的多少 热线或多或少要受到冷却