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1、汽车电气及电子控制系统,北京建筑大学 孙建民,第4章 汽油机电子燃油喷射系统,为确保汽车发动机在各种工况和使用条件下均有良好的燃油经济性、动力性和排放性，必须对发动机各运行工况进行精确控制。汽油机电子燃油喷射系统是发动机电子控制系统的典型代表。 4.1 概述 4.1.1 汽油机与可燃混合气 1.可燃混合气浓度 为了使汽油发动机正常运转，必须为其提供连续可燃的空气汽油混合气。在欧美等国家，可燃混合气的成分通常用进入气缸的空气(Air)和燃料(Fuel)的质量比空燃比（A/F）来表示。,2.空燃比对发动机性能的影响 空燃比是发动机燃料供给系统的一个非常重要的参数，其大小对发动机的动力性、经济性和排
2、放性能均有重要影响。 如图4-1所示，当可燃混合气空燃比发生变化时，发动机的火焰温度、油耗率和输出功率也会随之发生变化。 如图4-2所示，可燃混合气空燃比对发动机有害排放物的浓度也有直接影响。由此可见，发动机的性能与空燃比有着密切的关系，但影响的程度和变化规律各不相同，所以如何精确控制可燃混合气的空燃比是比较复杂且又非常重要的问题。,图4-1 可燃混合气空燃比对发动机火焰温度、油耗率和输出功率的影响,图4-2 可燃混合气空燃比对发动机有害排放物浓度的影响,3.不同工况下发动机对空燃比的要求 发动机在实际运行过程中，其工况在工作范围内不断变化，且在工况变化时，发动机对可燃混合气空燃比的要求也不同
3、，如图4-3所示。 （） 稳定工况 ） 怠速和小负荷工况。 ） 中等负荷工况。 ） 大负荷和全负荷工况。,图4-3汽油机负荷变化时所需要的空燃比,（） 过渡工况 汽车在运行中的主要过渡工况可分为冷起动、 暖机和加减速三种形式。 ） 冷起动。 冷起动时， 发动机要求供给较浓的混合气， 以保证混合气中有足够的汽油蒸气，使发动机能够顺利起动。 ） 暖机。 冷起动后， 发动机温度逐渐上升，进入暖机状态。 ） 加速和减速。,4.1.2 燃油喷射系统的类型 燃油喷射是用喷油器将一定压力和数量的汽油喷入进气道或气缸内，其目的是提高燃油雾化质量， 提高燃烧效率， 改善发动机性能。 电控燃油喷射系统是以电控单元
4、 为控制核心，它主要由空气进给系统、 燃油供给系统和控制系统三部分组成， 如图4-4所示。 电控燃油喷射系统分类如下。,1.按喷油器的布置分类 按喷油器的布置不同，燃油喷射系统可分为单点燃油喷射和多点燃油喷射两类。 （） 单点燃油喷射系统 如图4-5所示，在节气门体上安装一个或两个喷油器，集中向进气管喷油，与进气气流混合形成燃油混合气。在各缸进气行程时，燃油混合气被吸入气缸内，这种方式也称为节气门体喷射或中央燃油喷射。,图4-5单点燃油喷射,（） 多点燃油喷射系统 在多点燃油喷射系统中，每一个气缸有一个喷油器，其特点是可以保证各缸混合气的均匀性和空燃比的一致性，如图4-6所示。 根据喷油器的位
5、置不同，多点喷射又分为进气管喷射和缸内喷射两种。 ） 进气管喷射。 ） 缸内喷射， 又称为缸内直接喷射。,图4-6 多点燃油喷射,2.按喷射装置的控制方式分类 汽油喷射系统按喷射装置的控制方式可以分为机械式、机电混合式和电控式汽油喷射系统三类。 （） 机械式汽油喷射系统（ 系统） （） 机电混合式汽油喷射系统（ 系统） （） 电控式汽油喷射系统,电控式汽油喷射系统按其控制过程又可分为开环控制和闭环控制两类。 1）开环控制。把发动机各运行工况的最佳控制参数(如喷油量)事先存入ECU的存储器内。运行时，ECU根据各种传感器和开关的信息，确定发动机的实际运行工况，从事先存入的数据表(常称作MAP表)
6、中查出该工况的最佳控制参数，并发出控制命令，控制执行机构(如喷油器)动作，开环控制过程如图4-7所示。,图4-7 开环控制,2）闭环控制。在开环控制的基础上，增加反馈环节，根据输出结果对控制指令进行调整(修正)，即在发动机排气管上安装氧传感器，根据排气中氧含量的变化，调整控制指令，改变喷油量的大小，进而获得该工况下的最佳空燃比，其控制过程如图4-8所示。,图4-8 闭环控制,3.按喷油方式分类 （） 连续喷射系统 在发动机运转期间， 燃油连续不断地喷射， 主要用于机械式和机电混合式汽油喷射系统。 （） 间歇喷射系统 在发动机运转期间， 燃油按照一定规律间歇喷射。 电控式汽油喷射系统都采用间歇喷
7、射。 间歇喷射按喷油正时又分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射，如图4-9所示。 ） 同时喷射。） 分组喷射。） 顺序喷射。,图4-9间歇喷射系统分类 a）同时喷射 b）分组喷射 c）顺序喷射,4.2 空气供给系统 空气供给系统的功能是测量和控制汽油燃烧时所需的空气量， 为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气。 在进气歧管内， 喷油器喷出的汽油与空气混合后被吸入气缸。 正常行驶时， 空气量由节气门控制。 怠速时， 节气门关闭， 空气量由旁通气道或节气门间隙控制。 1.节气门体 节气门体安装在发动机进气总管上， 其结构如图4-10所示。,（1） 怠速旁通气道和调节螺钉 发动机怠速时，节气门处于关闭位
8、置。怠速运转所需的空气量由旁通气道或者节气门间隙提供。在旁通气道中，安装了能改变通道截面积的怠速调节螺钉，通过旋进或旋出怠速调节螺钉，影响进入气缸的空气量，进而调节发动机怠速转速。,（2）附加空气阀 常用的附加空气阀有双金属片式和石蜡式两种。双金属片式是根据发动机温度和电热丝加热，通过双金属片弯曲的程度改变阀板孔位置，如图4-11所示。石蜡式是根据冷却液温度，通过石蜡热胀冷缩的程度改变锥阀的开度，根据发动机温度变化，自动改变旁通阀的流通截面大小，调节旁通气道的附加空气流量，如图4-12所示。,图4-12石蜡式怠速附加空气阀结构 1怠速调节螺钉 2节气门 3感温器 4阀门,2.进气管 进气管包括
9、进气总管和进气歧管。 单点燃油喷射系统发动机采用中央喷射方法，进气管形状如图4-13a所示。 多点燃油喷射系统发动机为消除进气脉动并使各缸配气均匀， 对进气总管、 歧管在形状、 容积等方面都提出了严格的设计要求。 各缸分设独立的歧管， 歧管与总管可制成整体形（图4-13b）， 也可分开制造再以螺栓联接 （图4-13c）。,a) b) c) 图4-13 发动机进气管 a）单点燃油喷射系统发动机进气管 b）多点燃油喷射系统发动机整体型进气管 c）多点燃油喷射系统发动机分开型进气管,4.3 燃油供给系统 燃油供给系统的主要组成部件有燃油箱、 燃油泵、 燃油滤清器、 燃油压力调节器及喷油器等， 其作用
10、是向汽油喷射系统提供压力稳定的汽油， 并在控制器的控制下， 将适量的汽油喷入进气歧管。 .燃油泵 燃油泵的作用是将汽油增压， 并不断地泵入供油管路。 燃油泵主要由直流电动机和油泵组成， 根据燃油泵的结构与原理不同， 可分为滚柱式、 叶片式 （涡轮式） 和齿轮式等类型。在汽车上使用较多的滚柱式汽油泵，其结构如图4-14所示。,滚柱式汽油泵的泵油原理如图4-15所示，泵转子与泵套内腔不同心，泵转子在电动机的带动下转动时，转子槽内的滚柱在离心力的作用下，向外侧移动到与泵套壁接触后形成油腔。泵转子转动过程中，左侧油腔会逐渐增大，将汽油箱汽油吸入；右侧油腔则逐渐减小，将泵体内汽油压出至供油管路。,图4-
11、15 滚柱式汽油泵工作原理 1滚柱 2泵套 3泵转子 4汽油吸入 5汽油泵出,.燃油压力调节器燃油压力调节器的作用是使喷油器的喷油压力稳定， 以确保 通过控制喷油器的喷油时间即可准确控制空燃比。 燃油压力调节器有绝对压力调节器和相对压力调节器两种类型。 （） 绝对压力调节器 绝对压力调节器的结构如图4-16所示。 （） 相对压力调节器 相对压力调节器 （图4-17）， 与绝对压力调节器的主要区别在于膜片的弹簧侧通过一真空管与进气歧管相通， 使得进气歧管压力作用于弹簧侧的膜片上。,3.喷油器 喷油器的作用是根据电子控制器的喷油脉冲信号， 将适量的汽油喷射到进气歧管中。 喷油器的结构类型较多， 按
12、适用性分为单点喷射的喷油器、 多点喷射的喷油器和冷起动喷油器三种； 按喷油器阀的结构分为针阀式、 球阀式和片阀式等； 按喷油器喷孔数量分为单喷口喷油器、 双喷口喷油器和多喷口喷油器等； 适用于多点喷射的针阀式喷油器结构如图4-18所示。,4.4 电子控制系统 发动机燃油喷射电子控制系统由信号输入装置 （传感器）、 ECU（控制器） 和执行器三部分组成， 如图4-19所示。,4.4.1 传感器 1.空气流量传感器 空气流量传感器又称为空气流量计， 一般安装在进气管路中空气滤清器的后方， 用于检测发动机的进气量， 并将进气量信息转换成电信号输入 ， 以供 计算确定喷油时间（即喷油量） 和点火时间，
13、 是发动机 计算喷油时间和点火时间的主要依据。,（） 叶片式空气流量传感器 叶片式空气流量传感器由测量板（叶片)、缓冲板、阻尼室、旁通气道、怠速调整螺钉、回位弹簧等组成。此外，其内部一般还设有电动汽油泵开关及进气温度传感器等，如图4-20所示。,叶片式空气流量传感器的工作原理如图4-21所示，当空气通过空气流量传感器主通道时，叶片将受到吸入空气气流的压力及回位弹簧的弹力作用。当空气流量增大，则气流压力增大，使叶片逆时针偏转角，直到两力平衡为止。同时，电位计中的滑臂与叶片同轴旋转，使得滑片电阻输出电位VS提高，即电压Us减小。ECU则根据空气流量传感器输出的Us/UB电压比信号，测量发动机的进气
14、量。Us/UB信号与空气流量成反比，且线性下降，当吸入的空气流量减小时，叶片转角减小，Us电压值上升，则Us/UB的电压比值随之增大。,图4-21叶片式空气流量传感器的工作原理 a） 电位计内部电路 b）工作原理 1电位计 2来自空气滤清器的空气 3到发动机的空气 4测量板 5电位计滑动触头 6旁通空气通道,） 卡门涡旋式空气流量传感器 卡门涡旋式空气流量传感器在进气管道中央设置一个锥体状的涡流发生器，当空气流过时，在涡流发生器的后部将会不断产生称为卡门涡旋的涡流，若测出涡流的频率便可计算进气量的大小。 按照涡旋数的检测方式不同，卡门涡旋式空气流量传感器有超声波检测方式和反光镜检测方式两种。
15、采用超声波检测方式的卡门涡旋式空气流量传感器，如图4-22所示。,在卡门涡旋发生区空气通道的两侧，分别装有超声波发生器5和超声波接收器8，超声波发射头4沿涡旋的垂直方向发射超声波，由于涡旋的影响，使超声波的传播速度发生变化，超声波受到周期性的调制，使其振幅、相位、频率发生变化。这种被调制后的超声波由超声波接收器接收后，变换成相应的电压，再经整形、放大电路，形成与涡旋数目相对应的矩形脉冲信号，然后送入发动机ECU作为空气流量信号。 采用反光镜检测方式的卡门涡旋式空气流量传感器，如图4-23所示。,（） 热式空气流量传感器 热式空气流量传感器有热丝式和热膜式两种。 1）热丝式空气流量传感器。传感器
16、壳体两端的圆形连接接头与进气道连接，空气入口和出口都设有防护网，防止传感器受到机械损伤。传感器入口与空气滤清器一端的进气管连接，出口与节气门体一端的进气管连接，如图4-24所示。,2）热膜式空气流量传感器。热膜式空气流量传感器发热元件采用平面形铂金属薄膜(厚约200m)电阻器，故称为热膜电阻。 热膜式空气流量传感器内部的进气通道设有一个矩形护套（相当于取样管），热膜电阻设在护套内。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口侧设有空气过滤网，用于过滤空气中的污物。 为了防止进气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻，如图4-25所示。,图4-25 热膜式空气流量传感器 1控制回路 2通往发动机 3热膜 4进气温度传感器 5金属网,2.节气门位置传 （） 触点式节气门位置传感器 触点式节气门位置传感器主要由节气门轴、 大负荷触点
