第7章发动机电子控制系统(汽车电子技术)

现代汽车电子技术电子信息工程研究所丁山2019/12/191现代汽车电子技术第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。2019/12/192现代汽车电子技术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。2019/12/193现代汽车电子技术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2019/12/194现代汽车电子技术首次批量生产，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2019/12/195现代汽车电子技术力进一步减小，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。2019/12/196现代汽车电子技术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。2019/12/197现代汽车电子技术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2019/12/198现代汽车电子技术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2019/12/199现代汽车电子技术机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。2019/12/1910现代汽车电子技术(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2019/12/1911现代汽车电子技术比的影响，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。2019/12/1912现代汽车电子技术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2019/12/1913现代汽车电子技术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2019/12/1914现代汽车电子技术调节器的动作，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2019/12/1915现代汽车电子技术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。2019/12/1916现代汽车电子技术(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2019/12/1917现代汽车电子技术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。2019/12/1918现代汽车电子技术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。2019/12/1919现代汽车电子技术同时，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。2019/12/1920现代汽车电子技术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。2019/12/1921现代汽车电子技术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。2019/12/1922现代汽车电子技术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。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。因此，现在这种喷射方式占主导地位。2019/12/1923现代汽车电子技术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