电控汽油发动机

1. 电控汽油发动机 概述

3. 第一节 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(Electric Fuel Injection，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。

4. 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。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。

5. 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。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。

6. 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。 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,即单点汽油喷射系统。 • 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。

7. 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。

8. 主系统 控制系统 输出 • 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1所示。 输入信号 图1 开环控制的工作情况

9. (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所示。 • 图2 闭环控制的原理

10. 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(14.7:1)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。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(14.7:1)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。

11. 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。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。

12. (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(Electric Control Unit，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。

13. (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。

14. 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4所示。 (a) 单点喷射 (b) 多点喷射 图4 单点喷射系统与多点喷射系统

15. (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。但其性能要比化油器好多了。 • 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。

16. (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。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。

17. 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。

18. (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。

19. (a) 同时喷射 (b) 顺序喷射 (c) 分组喷射 图5 间歇喷射方式的分类

20. ① 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。 • ② 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。 • ③ 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。

21. 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，现在已经不使用了。

22. (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。

23. 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 MF)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 SD)方式(如 D 型)和节气门-速度(Throttle-Speed TS)方式。

24. 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。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：

25. (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。

26. 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。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。

27. 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 (单点喷射)系统中，市场上尚不多见。

28. 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6所示为三种空燃比控制系统比较图。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(Air Flow Meter MAF)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。

29. (a) 质量-流量方式 (b) 速度-密度控制方式 (c) 节气门-速度方式 图6 三种空燃比控制系统的比较 1—空气流量计；2—进气管；3—发动机；4—喷油阀

30. 小结： • 作业：简述基本控制电路工作原理。 • 简述各个保护装置的作用。