Transcript 电控汽油发动机概述
电控汽油发动机 概述 课程名称：汽车电控发动机 班级 课题 课时 电控汽油发动机概述 2学时 执 行 时 间 周次 节次 日期 教学 内容 电控汽油喷射系统的历史及分类 目的 要求 掌握电控汽油喷射系统在现代新型汽车上的应用 重点 电控汽油喷射系统的分类 难点 电控汽油喷射系统在现代新型汽车上的应用 教学 方法 课堂 类型 多媒体课件 讲授 教具器材 多媒体 课后要求 复习今天课程内容 课外作业 提问； 阐述多点喷射系统 实施情况 和反思 按照教学计划的要求，完成了本次课程的全部教学内容，教学效果良好。学生学习认真， 课堂氛围好。 教学过程：导入 完成日期 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。 • 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。 • 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1所示。 输入信号 主系统 控制系统 图1 开环控制的工作情况 输出 • (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 。 输入 误 差 电子控 动力 输 出 • 信号 放大器 制装置 装置 反馈信号 比较器 输出 • 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。 • 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 • (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。 • (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-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 • (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 • (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。 • 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 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。 (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 • 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。 • 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。 • (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。 • 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 。 • 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 (单点喷射)系统 中，市场上尚不多见。 • 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。 (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 • 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。