發(fā)動機電子控制技術(shù)汽油機課件

發(fā)動機電控技術(shù)－汽油機汽車電控技術(shù)1本章學習目標汽油機的電子控制系統(tǒng)了解電控汽油噴射系統(tǒng)的組成和工作原理。了解電控汽油噴射系統(tǒng)的控制功能。了解電控汽油機的發(fā)展趨勢

2學習方法指導汽油機的電子控制系統(tǒng)本章由概述、工作原理、控制功能和發(fā)展趨勢四部分組成。重點是工作原理和控制功能兩部分內(nèi)容。此兩部分必須順序?qū)W習。若要了解更詳細的內(nèi)容，請查閱參考資料。

3學習內(nèi)容－（續(xù)）在電控汽油噴射系統(tǒng)中采用閉環(huán)控制的方式，將空燃比控制在化學當量比附近，并在排氣系統(tǒng)中消聲器前安裝一個三元催化轉(zhuǎn)化器，對發(fā)動機進行后處理，是當前減少汽車排氣污染物的最有效方法。在化學當量比附近，轉(zhuǎn)化器的凈化效率最高。

5一、電控汽油噴射系統(tǒng)－概述電控汽油噴射系統(tǒng)（ElectronicFuelInjectionSystem）簡稱為EFI。它利用各種傳感器檢測發(fā)動機的各種狀態(tài)，經(jīng)微處理器的判斷、計算，使發(fā)動機在不同工況下均能獲得合適空燃比的混合氣。汽油噴射是用噴油器將一定數(shù)量和壓力的汽油直接噴射到氣缸或進氣歧管中，與進入的空氣混合而形成可燃混合氣。6概述－（續(xù)）7電控汽油噴射系統(tǒng)－發(fā)展史(續(xù))9（2）電控汽油噴射系統(tǒng)－優(yōu)點1.能提供發(fā)動機在各種工況下最合適的混合氣濃度；2.用排放物控制系統(tǒng)后，降低了HC、CO和NOX三種有害氣體的排放；3.增大了燃油的噴射壓力，因此霧化比較好；4.在不同地區(qū)行駛時，發(fā)動機控制ECU能及時準確地作出補償；105.在汽車加減速行駛的過渡運轉(zhuǎn)階段，燃油控制系統(tǒng)能迅速的作出反應；6.具有減速斷油功能，既能降低排放，也能節(jié)省燃油；7.在進氣系統(tǒng)中，由于沒有像化油器那樣的喉管部位，因而進氣阻力?。?.發(fā)動機起動容易，暖機性能提高。

11（1）電控汽油噴射系統(tǒng)－組成（Flash）13功用：為發(fā)動機可燃混合氣的形成提供必要的空氣，并測量和控制空氣量。組成：節(jié)氣門體空氣濾清器空氣流量計怠速控制閥電子控制單元空氣閥1.空氣供給系統(tǒng)

14電控汽油噴射系統(tǒng)－進氣系統(tǒng)（Flash）怠速時節(jié)氣門全關(guān)，由怠速執(zhí)行器根據(jù)冷卻水溫、空調(diào)和動力轉(zhuǎn)向等工況調(diào)節(jié)進氣量15電控汽油噴射系統(tǒng)－供油系統(tǒng)（Flash）供油系統(tǒng)主要由油壓調(diào)節(jié)器、噴油器和噴油泵組成。171）供油系統(tǒng)－燃油泵（Flash）燃油泵裝在油箱內(nèi)，渦輪泵由電機驅(qū)動。當泵內(nèi)油壓超過一定值時，燃油頂開單向閥向油路供油。當油路堵塞時，卸壓閥開啟，泄出的燃油返回油箱。182）供油系統(tǒng)－噴油器噴油器是電磁式的。當噴油器不工作時，針閥在回位彈簧作用下將噴油孔封住。當ECU的噴油控制信號將噴油器的電磁線圈與電源回路接通時，針閥才在電磁力的吸引下克服彈簧壓力、摩擦力和自身重量，從靜止位置往上升起，燃油噴出。19噴油器－多點噴射與單點噴射多點噴油系統(tǒng)中噴油器通過絕緣墊圈安裝在進氣歧管或進氣道附近的缸蓋上，并用輸油管將其固定。多點噴油系統(tǒng)每缸有一個噴油器。英文稱為MultiPointInjection.簡稱為MPI。單點噴油系統(tǒng)的噴油器安裝在節(jié)氣門體上，各缸共用一個噴油器。英文為SinglePointInjection.簡稱為SPI。

21氣門噴油器輸油管進氣支管每一個氣缸有一個噴油器。多點噴射SPI22調(diào)壓器噴油器節(jié)氣門體位置傳感器節(jié)氣門幾個缸共用一個噴油器，又稱節(jié)氣門體噴射TBI。將燃料直接噴入氣缸內(nèi)，需較高的噴射壓力。（3）氣缸內(nèi)噴射單點噴射SPI23冷起動時，額外加大噴油量，使混合氣瞬時加濃，便于著火起動。電插頭電磁線圈閥門彈簧閥門噴嘴結(jié)構(gòu)：冷起動噴油器25供油系統(tǒng)－噴油器（錄像）噴油器（錄像）26進油口回油口閥門支承膜片彈簧接進氣支管作用：調(diào)節(jié)噴油器的燃油壓力，使燃油壓力與進氣管壓力之差保持常數(shù)。3.燃油壓力調(diào)節(jié)器29油壓調(diào)節(jié)器壓力調(diào)節(jié)示意圖30油壓調(diào)節(jié)器（錄像）31三、電控汽油噴射系統(tǒng)－控制系統(tǒng)32電控汽油噴射系統(tǒng)－控制系統(tǒng)（Flash）

控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和電子控制單元三部分組成。

331、同時噴射：所有噴油器并聯(lián)，同時噴油。兩次噴完一個循環(huán)的供油量。13421803605407200噴油噴油（1）噴油時刻的控制3413421803605400噴油噴油

2、分組噴射

3513421803605400噴油噴油3、順序噴射

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控制噴油器的噴射持續(xù)時間實際上是控制噴油量，即噴油脈寬。（1）對于質(zhì)量流量式的電控燃油噴射系統(tǒng)基本噴射時間=K進氣流量/發(fā)動機轉(zhuǎn)速K為修正系數(shù)。（2）采用熱式空氣流量傳感器：輸出反映就是質(zhì)量流量，直接用上式求得基本燃油噴射時間。（3）采用葉片式和卡門渦流式空氣流量傳感器：測得是進氣的體積流量，需要進行密度修正。1）基本噴油量（2）噴油持續(xù)時間的控制37（4）對于速度密度方式的電子控制燃油噴射系統(tǒng)采用三維圖形將數(shù)據(jù)按一定形式存儲在電子控制單元中，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣管絕對壓力確定吸入的空氣質(zhì)量，確定基本燃油噴射時間。高低長短高低進氣管壓力發(fā)動機轉(zhuǎn)速基本噴油持續(xù)時間38四、控制系統(tǒng)－傳感器（1）

傳感器是感知信息的部件，負責向ECU提供發(fā)動機和汽車運行狀況。

39傳感器－氧傳感器

40傳感器－氧傳感器（錄像）41傳感器－負荷傳感器

42傳感器－空氣流量傳感器（錄像）卡門渦流式空氣流量傳感器43傳感器－進氣絕對壓力傳感器（錄像）44傳感器－轉(zhuǎn)速、曲軸位置傳感器

45傳感器－曲軸轉(zhuǎn)角傳感器（錄像）46傳感器－溫度傳感器

47傳感器－溫度傳感器（錄像）冷卻水與進氣溫度傳感器48傳感器－熱敏時間開關(guān)（錄像）熱敏時間開關(guān)49傳感器－節(jié)氣門位置傳感器

50傳感器－節(jié)氣門位置傳感器

（錄像）節(jié)氣門位置傳感器-電位計51傳感器－爆震傳感器

52傳感器－爆震傳感器（Flash）

53電控單元：接受來自各個傳感器傳來的信號，并完成對這些信息的處理和發(fā)出指令控制執(zhí)行器的動作組成：各種傳感器：把各種反映發(fā)動機工況和汽車運行狀況的參數(shù)（非電量參數(shù)）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺妷夯螂娏鳎┨峁┙o電控單元，使電控單元正確地控制發(fā)動機運轉(zhuǎn)或汽車運行。

執(zhí)行器：用來完成電控單元發(fā)出的各種指令，是電控單元指令的執(zhí)行者?？刂葡到y(tǒng)－ECU（2）54控制系統(tǒng)－ECU

ECU的功用是采集和處理各種傳感器的輸入信號，根據(jù)發(fā)動機工作的要求（噴油脈寬、點火提前角等），進行控制決策的運算，并輸出相應的控制信號。當前電控發(fā)動機中除了控制噴油外，還控制點火、EGR、怠速和增壓發(fā)動機的廢氣閥等，由于共用一個ECU對發(fā)動機進行綜合控制，所以也被稱為發(fā)動機管理系統(tǒng)。

55ECUCPU：中央處理器ROM：只讀存儲器PRAM：可編程的只讀存儲器RAM：運行數(shù)據(jù)存儲器I/O：輸入/輸出接口電控單元（ECU）

56控制系統(tǒng)－ECU

中間的金屬方盒為電子控制單元，箭頭指向電子控制單元的部件為傳感器，箭頭從電子控制單元出去的部件為執(zhí)行器。

57控制系統(tǒng)－ECU框圖在電控發(fā)動機中最主要的輸入接口是傳感器接口（例如轉(zhuǎn)速、負荷、溫度、壓力等）。最主要的輸出接口是控制接口，它控制外部執(zhí)行機構(gòu)的動作（例如：噴油器、點火模塊、噴油泵、怠速執(zhí)行器等）。58控制系統(tǒng)－執(zhí)行器（3）

59電控汽油噴射系統(tǒng)－點火控制系統(tǒng)

點火控制系統(tǒng)由傳感器、電子控制單元和執(zhí)行器組成。60點火控制系統(tǒng)－電路圖執(zhí)行器為點火模塊和點火線圈。最常見的為無分電器點火系統(tǒng)，它是兩個氣缸共用一個點火線圈。目前也有采用每個氣缸一個點火線圈的。61電控汽油噴射系統(tǒng)－控制功能為了滿足發(fā)動機各種工況的要求，混合氣的空燃比不能都采用閉環(huán)控制，而是采用閉環(huán)和開環(huán)相結(jié)合的策略。主要分為三種控制方式：62空燃比控制策略若為了獲得最佳經(jīng)濟性，可采用開環(huán)控制方式，將空燃比控制在比化學計量比大的稀混合氣狀態(tài)下工作。為了獲得低的排放，并有較好的燃油經(jīng)濟性，必須采用電控汽油噴射系統(tǒng)加三元催化轉(zhuǎn)化器，進行空燃比閉環(huán)控制。

冷起動和冷卻水溫度低時通常采用開環(huán)控制方式。由于起動轉(zhuǎn)速低、冷卻水溫度低、燃油揮發(fā)性差，需對燃油進行一定的補償?；旌蠚饪杖急扰c冷卻水溫度有關(guān)，隨著溫度增加，空燃比逐漸變大。部分負荷和怠速運行時此時可分為兩種情況：63節(jié)氣門全開（WOT）時：為了獲得最大的發(fā)動機功率和防止發(fā)動機過熱，采用開環(huán)控制，將混合氣空燃比控制在12.5～13.5范圍內(nèi)。此時發(fā)動機內(nèi)混合氣燃燒速度最快，燃燒壓力最高，因而輸出功率也就越大。圖中虛線部分為未加三元催化轉(zhuǎn)化器時，CO、HC和NOx排放濃度與空燃比的關(guān)系。實線部分采用三元催化轉(zhuǎn)化器后CO、HC和NOx與空燃比的關(guān)系。從圖中可看出采用三元催化轉(zhuǎn)化器時只有當空燃比在化學計量比附近很窄范圍內(nèi)HC、CO和NOx排出濃度均較小。裝有電控汽油噴射發(fā)動機采用閉環(huán)控制方式，才能使混合氣空燃比嚴格控制在化學計量比附近很窄的范圍內(nèi)，使三元催化轉(zhuǎn)化器凈化效率最高。三元催化閉環(huán)控制64空燃比控制方法（Flash）

65點火控制系統(tǒng)－控制功能點火提前角控制

為了使發(fā)動機發(fā)出最大功率，應使最高燃燒壓力出現(xiàn)在上止點后10°～15°左右，點火時刻用點火提前角來表示。它是指火花塞電極間跳火開始到活塞運行至上止點時這段時間內(nèi)曲軸所轉(zhuǎn)過的角度。

66點火控制系統(tǒng)－控制功能－（續(xù)）點火過遲：使發(fā)動機功率下降，油耗增加。點火過早：使功率下降，還容易產(chǎn)生爆震。發(fā)動機的最佳點火提前角，不僅要使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性最佳，還應使有害排放物最少。67控制功能－最佳點火提前角控制起動期間:固定值

起動后

基本點火提前角的控制：由轉(zhuǎn)速和負荷確定點火提前角的修正：部分負荷工況根據(jù)冷卻水溫、進氣溫度和節(jié)氣門位置等信號進行修正。滿負荷工況要特別小心控制點火提前角，以免產(chǎn)生爆震最大和最小提前角的控制：微處理器計算的點火提前角必須控制在一定范圍內(nèi)，否則發(fā)動機很難正常運轉(zhuǎn)。68控制功能－閉合角控制

閉合角是沿用了傳統(tǒng)點火系的概念。在電子控制的點火系統(tǒng)中是指初級電路接通的時間。點火線圈的次級電壓是和初級電路斷開時的初級電流成正比。通電時間短時，初級電流小，會使感應的次級電壓偏低，容易造成失火。初級電流大，對點火有利；但通電時間過長，會使點火線圈發(fā)熱，甚至燒壞，還會使能耗增大。因此要控制一個最佳通電時間。蓄電池電壓下降時，在相同的通電時間里初級電流能達到的值會變小。因此必須對通電時間修正。69控制功能－爆震控制汽車發(fā)動機利用電火花將混合氣點燃，并以火焰?zhèn)鞑シ绞绞够旌蠚馊紵Ｈ绻趥鞑ミ^程中，火焰還未到達時，局部地區(qū)混合氣自行著火燃燒，使氣流運動速度加快，缸內(nèi)壓力、溫度迅速增加，造成瞬時爆燃，這種現(xiàn)象稱為爆震。

70控制功能－爆震控制－（續(xù)）爆震會使氣體強烈振動，產(chǎn)生噪音；也會使火花塞、燃燒室、活塞等機件過熱，嚴重情況會使發(fā)動機損壞。在發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)已確定的情況下，采用推遲點火提前角是消除爆震既有效又簡單的措施之一。裝有爆震傳感器的發(fā)動機能檢測爆震界限，通過電子控制單元將點火時刻調(diào)到接近爆震極限的位置，從而改善了發(fā)動機的性能。

71控制功能－爆震控制－（續(xù)2）當發(fā)動機出現(xiàn)爆震時，ECU根據(jù)爆震程度，推遲點火時刻，爆震程度大的，不僅推遲的角度大，而且是先快后慢，直到爆震消失為止。為了保證良好的發(fā)動機性能，爆震消失后，又將點火提前角逐步加大，增加的速率也分為快、慢兩種。當發(fā)動機再次出現(xiàn)爆震時，點火提前角再次推遲。通常點火提前角推遲的速率要大于點火提前角增加的速率。72控制功能－爆震控制－（續(xù)3）73控制功能－廢氣再循環(huán)（Flash）

74廢氣再循環(huán)－EGR率通常用EGR率表示EGR的控制量。它用進入氣缸的混合氣中廢氣的比例表示。EGR率與發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性能有關(guān)。

EGR率增加過大時，使燃燒速度太慢，燃燒變得不穩(wěn)定，失火率增加，使HC也會增加；EGR率過小，NOx排放達不到法規(guī)要求，易產(chǎn)生爆震，發(fā)動機過熱等現(xiàn)象。因此EGR率必須根據(jù)發(fā)動機工況要求進行控制。75廢氣再循環(huán)－EGR率－（續(xù)）76廢氣再循環(huán)－EGR閥及控制

EGR控制系統(tǒng)中，EGR閥是關(guān)鍵部件。不同的EGR率是通過EGR閥的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。電控發(fā)動機中廣泛采用電子控制EGR閥方法。直線型EGR閥是由ECU控制針閥位置，調(diào)節(jié)從排氣進入進氣歧管孔口的大小，精確地控制EGR率。EGR工作期間通過監(jiān)測針閥位置反饋信號控制針閥位置。并根據(jù)冷卻水溫度、節(jié)氣門位置和進氣流量控制EGR針閥的位置。EGR的控制策略增加EGR率可以使NOx排出物降低，但同時會HC排出物和燃油消耗增加。因此在各種工況采用的EGR率必須是對動力性、經(jīng)濟性和排放性能的綜合考慮。77EGR閥及控制－（續(xù)）試驗結(jié)果說明：當EGR率小于10%時，燃油消耗量基本上不增加，當EGR率大于20%時，發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定，工作粗暴，HC排放物將增加10%。因此通常將EGR率控制在10%～20%范圍內(nèi)較合適。隨著負荷增加EGR率允許值也增加（陰影部分）。78EGR閥及控制

－（續(xù)2）怠速和低負荷時，NOx排放濃度低，為了保證穩(wěn)定燃燒，不進行EGR。只有熱態(tài)下進行EGR。發(fā)動機溫度低時，NOx排放濃度也較低，為了保證正常燃燒，冷機時不進行EGR。大負荷、高速時，為了保證發(fā)動機有較好的動力性，此時混合氣較濃，NOx排放生成物較少，可不進行EGR或減少EGR率。廢氣再循環(huán)量對NOx排放和油耗的影響還受到空燃比、點火提前角等因素的影響。因此在EGR率進行控制時，同時對點火等進行綜合控制，就能得到較好的發(fā)動機性能。

79控制功能－燃油蒸發(fā)

為了控制燃油箱逸出的燃油蒸汽，電控發(fā)動機普遍采用了碳罐，油箱中的燃油蒸汽在發(fā)動機不運轉(zhuǎn)時被碳罐中的活性碳所吸附，當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，依靠進氣管中的真空度將燃油蒸汽吸入發(fā)動機中。電子控制單元根據(jù)發(fā)動機的工況通過電磁閥控制真空度的通或斷達到燃油蒸汽的控制。

采用燃油蒸汽的控制可減少大氣中的碳氫化合物和節(jié)約燃料。

燃油氣-碳氫80控制功能－燃油蒸發(fā)－（續(xù)）

812.1.4電控汽油噴射系統(tǒng)－發(fā)展趨勢缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機減少排放物的新手段采用集成診斷系統(tǒng)CAN總線氣門系統(tǒng)82發(fā)展趨勢－缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機采用電控缸內(nèi)直接噴射方法，在火花塞附近供給濃混合氣，以利著火；在其它區(qū)域供給稀混合氣，進行分段噴油。達到分層燃燒的目的。據(jù)報導空燃比為30時，仍可燃燒。此種方法可節(jié)約燃料三分之一以上。為了減少稀燃時的NOx,在排氣系統(tǒng)中安裝了兩只溫度傳感器、兩只氧傳感器和兩級催化轉(zhuǎn)化器。

83缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機－（續(xù)）

84缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機－（續(xù)2）

85發(fā)展趨勢－減少排放物的新手段

試驗結(jié)果表明：CO、HC和NOx三種排放物占總排放量的70-80%，因此今后解決排放的重點在

：降低HC排放；改善怠速和暖機期間的排放；盡可能地縮短催化器的加熱時間，在催化器達到起燃溫度之前，最大程度地降低發(fā)動機排出的廢氣。

86減少排放物的新手段－（續(xù)）

87減少排放物的新手段－（續(xù)2）

滿足美國及歐洲共同體排放法規(guī)要求的途徑：

88發(fā)展趨勢－采用集成診斷系統(tǒng)

系統(tǒng)監(jiān)測：監(jiān)測所有與排放相關(guān)的部件和系統(tǒng)；部件保護：防止關(guān)鍵部件的損壞(如三元催化器)；應急反應：設(shè)置故障時傳感器的代用值或“跛行回家”方式信息存儲：存儲故障發(fā)生時的有關(guān)信息超標顯示：當廢氣排放超過限定標準時給出顯示；信息讀取：在維修時利用檢測設(shè)備讀取故障；

此系統(tǒng)的要求：89采用集成診斷系統(tǒng)

－（續(xù)）

催化器監(jiān)測氧傳感器監(jiān)測失火監(jiān)測燃油系統(tǒng)監(jiān)測二次空氣系統(tǒng)監(jiān)測廢氣再循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測燃油蒸汽系統(tǒng)監(jiān)測其他系統(tǒng)監(jiān)測重點要求為