汽车电子控制技术课件：第三章　发动机电子控制燃料喷射系统

第三章发动机电子控制燃料喷射系统,本章主要介绍:汽油发动机电子控制燃料喷射(EFI)系统的基本原理、方式、组成和功能；主要控制参数及其在特殊工况下的修正方法和特性；各个分系统主要元器件的基本构造和工作原理。,1.汽油发动机燃料配给及其要求为使汽油发动机正常运转，必须为其提供连续的、特定数量的和具有特定混合比的燃料空气混合气，该过程称为燃料供给。燃料供给过程的质量在很大程度上决定着发动机的性能及其发挥。燃料配给由燃料供给系统完成。该系统由汽油供给和空气供给两个子系统组成，向发动机提供特定浓度和数量的可燃混合气，进入气缸内燃烧。燃烧过程化学反应式为：,（3-1）,第一节汽油发动机燃料供给一、汽油发动机燃料配给及功率调节,可燃混合气中的空气与燃油质量之比称作空燃比，其数值用A/F值表示。理论上完全燃烧时相应的A/F值（约为14.7）称为理论空燃比。但运行过程中由于受到发动机结构与工况变化等因素影响，混合气实际A/F值通常大于或小于理论值。汽油发动机燃料供给系统控制指标为：适时提供特定数量与A/F值的可燃混合气。,第一节汽油发动机燃料供给一、汽油发动机燃料配给及功率调节,2.发动机功率调节方式内燃发动机功率取决于工作循环过程中进入气缸内并完全燃烧的燃料数量。功率调节方式有两种类型：1）量调节式所谓量调节式是指：可燃混合气燃料与空气在进气系统中混合而成，每个工作循环进入气缸的混合气A/F值和数量均是变化的，进入气缸内的燃料数量由此而定。即：通过改变混合气供给数量来调节发动机功率。化油器式燃料供给系统就是按照量调节原理设计的。,第一节汽油发动机燃料供给一、汽油发动机燃料配给及功率调节,2）质调节式所谓质调节式是指：每个工作循环由进气系统进入气缸的气体数量基本不变，且仅为纯空气，其混合气形成是在缸内完成的。即：进入气缸的燃料数量取决于缸内形成的混合气的浓度（A/F值）。质调节方式燃烧较为充分，热效率高，而且排气有害成分较少，是一种较为理想的功率调节方式。柴油机的燃料供给方式就是典型的量调节方式。,第一节汽油发动机燃料供给一、汽油发动机燃料配给及功率调节,化油器式发动机燃料供给系统最大的弊病，是由于其量调节式的原理缺陷而产生的，即：无法根据发动机的适时状态和预期变化，对进入汽缸的燃油料数量进行精确计量和控制，从而无法满足现代汽车性能不断完善与发展的需求，成为汽油机性能进一步提高的“瓶颈”。该方式必然处于被淘汰状态。,第一节汽油发动机燃料供给一、汽油发动机燃料配给及功率调节,可燃混合气成分空燃比对发动机动力性、经济性及排放性均有较大的影响，如图3-1所示。,图3-1空燃比与发动机的扭矩、油耗及有害抗排放物浓度的关系a)空燃比与发动机的扭矩、油耗的关系b)空燃比与有害抗排放物浓度的关系,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,（一）空燃比对发动机性能的影响1.空燃比对发动机动力性、经济性的影响理论与实践均表明，当A/F约为12.5时，燃烧速度最快，发动机所产生的功率与扭矩最大，故发动机的动力性最好，所以又称其为功率空燃比。当空燃比约为16时，由于混合气较稀有利于燃料完全燃烧，故可降低发动机的油耗。因为，此时发动机的经济性最好，故又称其为经济空燃比。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,（二）发动机工况对混合气空燃比的要求汽车发动机的工作模式是变工况模式，即在车辆运行过程中，其工况（负荷和转速）在工作范围内是不断变化的，且在工况变化时，发动机对可燃混合气的空燃比要求差异较大。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,1.稳定工况对混合气的要求发动机的稳定工况是指发动机已完全预热，进入正常运转，且在一定时间内转速和负荷没有突然变化的情况，又可分为怠速、小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷等几种。1）怠速和小负荷工况怠速工况发动机对外无功率输出且以最低稳定转速运转。怠速工况下混合气燃烧所做的功只用于克服发动机内部的阻力，维持最低转速稳定运转。汽油机怠速转速一般为3001000rmin。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,2.空燃比对发动机排放性能的影响发动机排出的废气成分主要是CO2，H2O和N2，剩余的O2，以及完全没被燃烧的HC，燃烧不完全的CO及高温富氧条件下燃烧生成的NOX。其中CO，HC和NOX是主要的有害成分。图2-1中所示为CO、HC及NOX三种有害成分的浓度随空燃比而变的规律，其中CO和HC以理论空燃比为界，随着混合气变浓而逐渐上升，而在空燃比略大于理论空燃比的区域内，CO及HC的浓度均比较低。但由于NOX是高温富氧的产物，故在此范围内将出现最大值。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,显然，发动机的性能与空燃比有着密切的关系，其影响的程度和变化规律较为复杂。所以，如何精确控制混合气的空燃比成为提高发动机排放性能的关键问题。,图3-2汽油机负荷变化时的混合气空燃比,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,怠速工况下节气门处于关闭状态。此时吸入气缸内的可燃混合气数量极少，且汽油雾化蒸发不良，进气管中的真空度很高。当进气门开启时，缸内压力仍高于进气管压力，结果导致气缸内的混合气废气率较大。因此，为保证混合气能正常燃烧，须供给小A/F值浓混合气，如图3-2中A处。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,随着负荷的增加，节气门开度逐步增大而转入小负荷工况，此时吸入混合气的品质逐渐改善。所以小负荷工况对混合气成分的要求如图3-2中的AB线段所示。即：发动机在小负荷运行时，供给混合气商亦应加浓，但加浓的程度随负荷的增加而减小。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,2）中等负荷工况汽车发动机的大部分工作时间都处于中等负荷状态。此时，节气门已有足够大的开度，上述影响因素已不复存在，因此可供给发动机较稀的混合气，以获得最佳的燃油经济性。这种工况相当于图3-2中的BC段，A/F约为1617。3）大负荷和全负荷工况大负荷工况节气门开度已超过34，此时应随着节气门开度的开大而逐渐地加浓混合气以满足发动机功率的要求，如图3-2中的CD段。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,实际上节气门未全开时，如需获得更大的扭矩，只需进一步加大节气门开度即可实现，没有必要改变混合气A/F来提高功率，而应当继续使用经济混合气来达到省油的目的。因此，在节气门全开之前所有的部分负荷工况都应按经济混合气配给。只是在全负荷工况时，节气门已经全开，此时为了获得该工况下的最大功率必须供给功率混合气，如图3-2中的C点。在从大负荷过渡到全负荷工况的过程中，混合气的加浓也是逐渐变化的。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,2.过渡（非稳定）工况对混合气的要求汽车运行中过渡工况主要包括冷起动、暖机、加速和减速等三种状况，其典型特征就是在一定时间内，转速和负荷处于非稳定的工作状况。1）冷起动冷机起动时，燃料和进气温度均很低，汽油蒸发率很小，雾化不良。为了保证冷起动顺利，发动机要求供给很浓的混合气，以保证混合气中有足够的汽油蒸气。一般要求A/F达到2:1，才能保证在气缸内形成足够浓度的可燃混合气。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,2）暖机冷机起动后气缸开始点火作功，发动机温度逐渐上升，即为暖机。在暧机过程中，由于温度较低、燃油雾化较差，因此也需要较浓的混合气，而且随着温度增加而逐渐减小，直至达到正常工作温度。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,3）加速和减速发动机加速是指负荷突然迅速增加的动态过程。此时，驾驶员猛踩加速踏板，节气门开度突然加大，进气管压力随之增加，由于汽油的流动惯性和进气管压力增大后汽油蒸发量的减少，大量的汽油颗粒被沉积在进气管壁面上，形成厚油膜，称之为“附壁”现象。因此进入缸内的实际混合气则被瞬时稀释，严重时会出现过稀，使发动机转速下降。为了避免该现象发生，在发动机加速时，应向进气系统补充一些附加汽油以弥补加速时的混合气瞬间减稀，以获得良好的加速性。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,当汽车减速时，如果在没有脱开传动系的状况下，迅速松开加速踏板突然关闭节气门，此时由于惯性作用，发动机处于拖动状况，且仍保持很高的转速，因此进气管真空度急剧增高，促使附着在进气管壁面上的汽油蒸发气化，并在空气量不足的情况下进入气缸内，造成混合气过浓，严重时甚至熄火。因此在发动机减速时，应供给较稀的混合气，以避免这一现象产生。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,对于发动机燃料供给系统的关键要求是：实时、连续、精确地控制混合气A/F，以满足发动机在变工况和条件下对混合气的要求。显见，量调节方式的化油器式燃料供给系统无法很好满足上述要求。,第一节汽油发动机燃料供给二、汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求,第一节结束,第一节汽油发动机燃料供给,所谓电子控制燃油喷射（ElectronicscontrolFuelsinjection，EFI）系统的基本原理为：空气进入进气系统时，由传感器检测进气质量并将相关信息输入中央控制单元（ECU）。ECU按照特定的模式计算确定此时燃烧所需的A/F值，进而确定所需的汽油供给数量，并据此发出喷油指令，使喷油器将经过精确计量的燃油，以一定压力喷射至发动机的进气道或气缸内，与相应空气形成可燃混合气。,第二节电子控制燃料喷射一、电子控制燃料喷射的基本原理,燃油喷射式的燃料配给方式可以适时、连续、精确控制可燃混合气的空燃比，有效的提高和改善发动机的动力性、经济性，并能达到排气净化的目的。从原理上分析，EFI系统将传统化油器发动机功率量调节方式转化为部分质调节方式（仍然设置节气门），以此提高发动机性能。,第二节电子控制燃料喷射一、电子控制燃料喷射的基本原理,相比而言，燃油喷射系统通常具有以下几方面的优点：（1）可直接测量发动机的进气质量，进而精确计量出发动机燃烧所需的供油量，并同时根据发动机负荷、温度等参数进行适时修正，以提高变工况环境下A/F的控制精度，实现最优控制，有效促进完全燃烧，提高其动力性、经济性和排气净化程度；,第二节电子控制燃料喷射二、电子控制燃料喷射的特性,（2）EFI系统进气管无需喉管进行节流，大大减少进气系统阻力，并且可以采用较大的气门重叠角，有利于提高发动机的充气和废气排放效率；（3）EFI系统降低了对进气管气流速度的要求，故进气系统可按最佳层流理论进行设计，具有较大的设计自由度；在采用进气谐振控制系统后，可根据发动机额定转速来选择进气管的有效长度，利用进气谐振增压效应。这些措施进一步改善发动机的充气效率，提高发动机各项性能；,第二节电子控制燃料喷射二、电子控制燃料喷射的特性,（4）EFI系统可提高各个气缸混合气的均匀性，以此提高发动机的燃烧质量和稳定性，降低工作振动与噪音并减少排气中CO和HC的含量，有效提高发动机排气净化的程度；（5）EFI系统提高了燃料的雾化质量，故无须采用进气管预热等方法来促进汽油蒸发，有利于实现进气系统的最佳设计与布局。另外进气温度较低可提高发动机的充气效率，同时有利于提高发动机的抗爆性，使汽油机有较大点火提前角和较高的压缩比；,第二节电子控制燃料喷射二、电子控制燃料喷射的特性,（6）采用EFI系统后，发动机可在较大A/F条件下运行，以此提高燃烧质量。此外，EFI系统可以随时切断发动机燃料供应，以消除车辆急减速时所产生的排放污染。上述措施则有利于进一步减少废气有害排放浓度，节省能源，提高发动机燃油经济性；,第二节电子控制燃料喷射二、电子控制燃料喷射的特性,（7）由于EFI系统采用了电子控制方式，系统响应动态性和整体性较好，消除了汽车变工况时燃油供给的迟滞现象，有利于提高发动机的加速性能；（8）由于EFI系统汽油是在一定压力下以雾状喷出，所以发动机冷起动时基本不影响混合气的形成质量，使发动机具有良好的低温起动性能；（9）燃油喷射控制系统在反馈控制基础上，增加了学习控制功能，且与三元催化装置配合使用，可最大限度地减少CO、HC及NOx的等有害气体，有效提高发动机的排气净化率。,第二节电子控制燃料喷射二、电子控制燃料喷射的特性,总之，与化油器式发动机相比，电控燃油喷射可使汽车发动机的功率提高510%，燃油消耗率降低515%，有害物质排放量减少约20%。同时，大大提高了汽车的加速性和对道路与环境的适应性。更为重要的是，EFI系统可以充分运用现代控制技术，计算机技术，信息技术等高、新技术，为车辆的综合控制系统提供平台，具有极大的开发潜力。,第二节电子控制燃料喷射二、电子控制燃料喷射的特性,第二节结束,第二节电子控制燃料喷射,内燃机技术的发展紧紧围绕着完全燃烧这一主题。影响完全燃烧的主要因素是：可燃混合气A/F值与燃烧时刻。而EFI系统的主控参数即为：喷油数量和喷油正时。,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,EFI系统按照喷油时刻与发动机运转状态之间的联系可分为同步喷射和异步喷射两种类型。所谓“同步”意指喷射频率与曲轴运动状态（或活塞行程）同步，即喷油时刻与曲轴位置有严格对应关系，且最终喷油信号由曲轴位置传感器信号触发；异步喷射则与曲轴运动无任何相关关系，多属临时性的补充供油性质，如急加速时的异步喷射。同步喷射又分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种类型。,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,1.同时喷射同时喷射控制方式控制电路图3-3所示。将所有喷油器并联共用一个喷油驱动回路。ECU根据曲轴位置传感器信号触发驱动回路，控制功率三极管的导通和截止，同步接通或切断各喷油器电路使喷油器喷油。曲轴每转一圈，喷油器同时喷射一次，即每工作循环喷油两次。图3-4为同时喷射系统工作波形图。,图3-3同时喷射控制电路,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,同时喷射方式中所有喷油器同步动作，如图3-4所示，喷油正时与发动机工作循环无关，因此各缸喷射时刻不可能同时达到最佳，有可能造成各缸混合气的混合浓度不均匀。该方式对各活塞行程位置不需判定，喷射驱动回路通用性好，系统结构、控制电路和控制软件均相对较简单，目前基本被淘汰。,图3-4同时喷射正时波形,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,2.分组喷射分组喷射喷油过程分组进行。如四缸发动机喷油器分成两组，由ECU控制交替喷射，每循环喷射一次或两次。其喷油信号也是由曲轴位置传感器信号触发，控制电路如图3-5所示。正时图如图3-6所示。分组喷射属于一种过度和简化性的技术，目前仍然拥有一定的实际运用范围。,图3-5分组喷射控制电路,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,图3-6分组喷射正时图,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,3.顺序喷射顺序喷射（独立喷射）每循环各缸喷油器按照特定的顺序依次独立喷射一次。顺序喷射的控制电路如图3-7所示。各喷油器喷油过程分别由ECU单独控制。控制电路的特点是驱动回路与气缸数相同。,图3-7顺序喷射控制电路,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,顺序喷油控制由曲轴位置传感器提供曲轴转角及活塞行程位置信号，ECU据此信号准确判定工作气缸位置与活塞行程，发出指令控制驱动电路使相应的喷油器喷油。例如：北京切诺基喷油器是在各缸排气行程活塞到达上止点前64开始喷射，喷射时序与点火顺序相同。六缸发动机喷油时序是153624或142635。图3-8为四缸发动机顺序喷射的正时图。,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,顺序喷油可在各缸工作循环的最佳时刻进行，控制精度好，对混合气形成和A/F控制十分有利，对提高发动机各项性能均有好处。虽然顺序喷射系统结构以及控制软件相对复杂，但由于其优点是主要的，目前为绝大多数车辆所采用。,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,图3-8顺序喷射正时图,第三节EFI系统控制一、喷油正时控制,当发动机工况和喷油系统结构确定后，每循环喷油量取决于由ECU控制的喷油器工作（喷射）持续时间。由于ECU发出的控制喷油持续时间的指令是脉冲型信号，该脉冲的工作宽度（简称“喷油脉宽”）就决定了喷油持续时间。即：喷油量控制实质上是根据特定状况下所设定的目标，对喷油持续工作时间（喷油脉宽）实施控制，确保发动机处于最佳A/F燃烧状况。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,如图3-9所示，发动机喷油量控制主要分为两大类：一类是发动机正常工作状况下的喷油量控制，它是主要依据发动机进气空气质量及转速计算得出；另一类是发动机特殊非稳定工况下的喷油量控制，仅仅依据发动机环境和系统状况而确定，不具备典型意义。下面仅对起动后，即正常工况下同步喷射持续时间的控制方法进行详细讨论。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-9喷油持续时间的控制,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,（一）正常工况同步喷射持续时间与基本喷射脉宽1.正常工况同步喷射持续时间如上所述，汽油喷射持续时间确定了每循环燃料的供给数量，必须以适时吸入气缸内的空气质量为主要依据进行计算。该空气质量可根据空气流量计、进气温度传感器、进气岐管绝对压力传感器及大气压力传感器等输出信号经计算得出。则每循环适时燃烧所必需的燃油质量可按下式确定：,（3-2）,式中：Ga每工作循环吸入气缸内的空气质量（g）；Gf每工作循环中燃料燃烧需要的燃油质量（g）。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,据式（3-2），如果已知每一进气行程中吸入气缸内的空气质量（Ga）与目标空燃比（A/F），则每次燃烧所需的燃油质量为：,（3-3）,由于特定型号的发动机喷油压力为定值时，每工作循环的喷油量仅与喷油器喷射脉宽成正比，因此Gf可转换为喷油脉冲宽度控制。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,2.基本喷射脉宽设Tp为用喷油器基本持续工作时间表示的喷射脉宽。当空气流量计类型不同时Tp计算方法也不相同。1）卡门涡流式空气流量计在标准大气状态下，采用卡门涡流式空气流量计确定的基本喷射时间Tp1是根据发动机的进气量、转速以及设定的目标空燃比确定的，可用下式表示：,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,（3-4）,式中：Tp1标准大气状态下根据卡门涡流式流量计求得基本喷射时间（ms）；Q空气体积流量（m3/s）；n发动机转速（n）；Q/n发动机每工作循环吸入气缸的空气体积流量（m3）；A/F目标空燃比；K1由喷油器尺寸、喷射方式及气缸数决定的常数。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,卡门涡流式空气流量计吸入空气量Q与卡门涡流频率f的关系为：,（3-5）,式中：C1常数；A卡门涡流式空气流量计计量处的流通面积；式（3-4）代入式（3-5），可得出在标准大气状态下，采用卡门涡流式空气流量计，特定转速下发动机吸入气缸的空气体积流量相对应的基本喷射时间Tp为：,（3-6）,式中：,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,公式（3-6）给出标准大气状态下，与空气流量和发动机转速对应的基本喷射时间。由于卡门涡流式空气流量计为体积流量计，故为得到与空气质量流量相对应的基本喷射时间，必须进行大气压力和大气温度修正，即：,（3-7）,式中：（273+20）/T进气温度修正；P/101大气压力修正值。ECU可据此对基本喷油脉宽进行进气温度和大气压力修正，如图3-10所示，得到实际运行条件下相应的基本喷射时间。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-10进气温度和大气压力修正图（卡门涡流式流量计）,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,2）热线式空气流量计热线式空气流量计属于空气质量流量计，无须进行温度和大气压力的修正。热线式空气流量计输出信号与空气质量流量呈非线性关系（参见图3-56所示），为精确求得基本喷射量，需将二者之间的关系进行处理，以获得呈线性化变化的空气质量流量基本信号。假设线性化处理后空气流量信号为GL，基本喷射时间可表示为：,（3-8）,式中：K常数=1/k1(A/F),第三节EFI系统控制二、喷油量控制,（二）基本喷油脉宽修正假设不考虑发动机特殊工况，按照目标A/F/确定的喷油持续时间为：,（3-9）,式中：T喷油持续时间（ms）；Tp基本喷射时间（ms）；Tu喷油器无效喷射时间（ms）；Fc基本喷射时间的修正系数。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,Fc是考虑发动机各种工况及特殊要求的喷油修正系数。各种具体工况对Fc的影响可示为：,（3-10）,式中：FET水温修正系数；FAD加、减速修正系数；FO理论空燃比反馈修正系数；FL学习控制修正系数；FH大负荷、高转速修正系数。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,以下分别叙述：1.与温度相关的燃油修正发动机工作温度较低时汽油雾化不良，较高时易产生汽油蒸气，如果在此两种工况下仍然按照按基本喷油量进行燃料配给，所配制混合气A/F将大于目标值，造成混合气过稀，使得发动机怠速运转不稳定，抖动甚至熄火。因此，须根据发动机工作温度对基本喷油量进行相应修正，增加燃油喷射量，即所谓“温度修正”。须实行温度修正的特殊工况为：,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,1）冷起动后加浓修正。实施工况为冷发动机低温起动后的一段时间。此时即使按照理想A/F实行燃油配给，但由于低温导致的汽油雾化不良和附壁现象的存在，仍会造成实际混合气A/F较大。必须在基于理想A/F配给的基础上增加喷油量，且发动机温度越低，所需的喷油增量越大，修正时间也越长，目的是克服低温造成燃油供给不足导致的发动机启动困难。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,ECU对冷起动后加浓修正按以下程序处理：根据发动机工作温度确定起动后加浓修正系数的初始值，如图3-11a所示；发动机完成爆发后，每隔一定时间，对起动后燃油加浓修正系数进行衰减，其过程如图3-11b所示。,图3-11起动后增量系数FET的初值和衰减系数,a)初始值b)修正系数,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,2）暖机燃油加浓修正冷车起动后即进入暖机阶段。暖机时加浓修正的目的是补偿冷态时汽油气化不足而导致的实际供油数量的不足，如图3-12所示，发动机启动运转之后，机件温度和冷却液温度会不断上升，修正系数随发动机工作温度的上升而逐渐衰减。,图3-12暖机燃油量修正系数,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,起动后燃油加浓修正与暖机加浓修正同时开始。不同之处在于：起动后燃油加浓修正在发动机完成爆发后数十秒内即告结束，而暖机加浓修正过程将一直持续到冷却液温度达到规定值为止。1）高温燃油加浓修正针对发动机高温起动进行一种补偿供油措施。例如：夏天汽车长时间高速行驶之后熄火后的1030分钟内再起动，一般应进行高温燃油加浓修正。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-13高温起动时燃油加浓修正,有的发动机在进行高温起动燃油加浓修正时，不是检测发动机工作温度信号，而是直接检测燃油总管内的汽油温度传感器发出的汽油温度信号，再根据其值确定高温燃油加浓修正的范围。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,2.非稳定（过渡）工况燃油修正汽车处于加速、减速等非稳定（过渡）工况时如果仅采用基本喷油量进行燃料配给，则然料“附壁”效应导致混合气实际A/F会相对于计算值产生偏移。其趋向是：加速时A/F增大（混合气变稀），减速时A/F变小（混合气变浓）。如果不进行相应的燃油量修正，发动机和车辆本身均会产生“喘振”现象，排气有害成份也会因此而增加。因此EFI系统必须根据发动机燃料调整特性对基本喷油脉宽进行修正，即非稳定（过渡）工况燃油修正。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,汽车高速行驶时，由于风冷作用，汽油温度通常不会太高（约50C）。如此时熄火发动机将成为热源，使燃油总管和喷油器内的温度上升至80100C，出现沸腾现象产生汽油蒸气，致使喷油器喷射工作过程中的实际燃油喷射量较计算值减少，造成A/F值偏大。为此而采用高温起动燃油加浓修正措施，一般当发动机工作温度上升到某一设定值（如100C）以上时才进行，修正值范围与变化规律如图3-13所示。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,1）加速燃油修正。燃料附壁的数量受到进气系统压力及附壁表面温度的影响。进气系统压力越高或附着部位表面的温度越低，附壁燃油汽化速度越慢，附壁燃料数量越多。加速时节气门突然开大，进气系统压力骤增，附壁燃油数量增加，造成实际供给燃油量相对不足，致使实际A/F大于目标值。考虑压力与温度的共同影响，燃油修正系数FAC应由两部分组成，即：,（3-11）,式中：FDL1负荷变化率修正系数；FTH1冷却液温度修正系数；,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,FDL1是针对发动机加速负荷（节气门开度）变大时进气系统内压力升高的修正系数。图3-14所示为发动机加速时，负荷变化率与修正系数FDL1之间的关系。显见，负荷变化率Q/n越大，意味着进气管压力变化越大，则修正系数FDL1越大，供油增量也就越大。,图3-14加速时负荷变化率修正,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,如图3-15所示。在发动机加速工况下，负荷变化率相同时，冷却液温度越低，FTH1越大，FAC越大，供油增量也就越大。,图3-15加速时冷却液温度修正,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,2）减速燃油修正减速时节气门开度减小，进气系统压力降低，附壁汽油加速汽化，因此与加速工况恰恰相反，这时混合气的浓度显然会变稀。同样考虑进气系统压力与发动机工作温度的影响，减速燃油修正系数FDC应为：,（3-12）,式中：FDL2发动机负荷率变化的修正系数；FTH2冷却液温度修正系数。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,其变化分别如图3-16、3-17所示。,图3-16减速时负荷率变化修正,图3-17减速时冷却液温度修正,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,急加速时异步喷射。上述是同步喷射模式的燃油供应量修正。但急加速工况突然增大的负荷使燃油供给产生滞后现象。为确保急加速工况发动机反应灵敏，过度迅捷，须实施临时性异步燃油增量喷射。从图3-18可以看出急加速时节气门开度、吸入空气质量与活塞行程的对应关系。图中Ga1为加速初始时测定的空气质量流量，TA为依据目标A/F和Ga1确定的同步喷射脉宽。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-18异步喷射的时序,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,由图可见，急加速时第一缸在进气行程A中实际吸入的空气质量为Ga2，所对应的空气质量增量为Ga1。对应燃油喷射持续时间TA所喷射的汽油量明显不足，进而引起A/F增大，使汽车加速过程缓慢；同理，第三缸在进气行程B中，实际吸入的空气质量为Ga3，所对应的空气质量增量为Ga2，因此也会产生同样的结果。所以，为补充与空气增量Ga1及Ga2相对应的汽油喷射量，必须进行异步喷射。异步喷射时间在图中用TB表示。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,异步喷射量的是根据发动机的节气门开度变化率的来确定。假设节气门初始开度用THA表示，以10-20ms内的THA变化量THA为依据，确定异步喷射量。如图3-19所示，节气门开度变化量THA越大，吸入的空气质量增量越大，所需的异步喷射油量也就越大。,图3-19加速时异步喷射量修正,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,3.大负荷、高转速稳定工况燃油增量修正发动机稳定运行于部分负荷时，A/F控制的原则为：在保持排放性能前提下，尽量提供经济混合气，以提高发动机经济性。而当汽车在大负荷、高速度行驶时，应追求发动机的动力性。根据图3-20中所示空燃比变化规律，控制系统应根据负荷与转速信号，将A/F控制中心设定在与转矩峰值相对应的12.5处，并实施时开环控制，以提高发动机动力性。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-20扭矩、排气温度与空燃比的关系,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,4.空然比（A/F）反馈控制修正为满足排放法规要求，现代汽车上一般都装有三元催化反应器。为充分利用三元催化反应器净化排气，必须将混合气A/F控制在理论值附近，才能使CO、HC的氧化作用与NOx的还原作用同时、有效地进行。为此须提高A/F的控制精度，使其尽可能收敛于以理论值（14.7）为中心的非常狭窄的理想状态范围内，以获得催化反应器的最佳净化效果。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,EFI系统仅仅依靠空气流量传感信号进行开环控制，是肯定达不到上述预期要求的。必须借助氧传感器进行反馈控制，如图3-21所示，才能达到此目的。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-21反馈控制系统,1）空然比（A/F）反馈控制EFI系统利用氧传感器输出信号电压在A/F=14.7时发生临界跃变的特征，将其与基准电压（4.5V）进行比较，即可判定适时混合气A/F值并以此进行反馈控制。如果氧传感器输出信号电压大于基准电压，则判定A/F过小，进而减小喷油脉宽；反之则增大喷油脉宽。A/F反馈控制的实质就是通过氧传感器信号使A/F回归理论值的控制。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-22空燃比反馈控制过程,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,如图3-22所示，假设混合气A/F偏小，则氧传感器输出高电位信号，EFI系统可据此使反馈修正系数减小（先骤降，再缓降），减少喷油脉宽。喷油量的减少使得A/F增大，混合气随之又很快变稀；当A/F低于预定值时，氧传感器输出低电位信号，EFI系统据此又使反馈修正系数增大（先骤升，再缓升），增大喷油脉宽，混合气随之又很快变浓。如此周而复始，A/F不断地被施以负反馈控制，最终收敛于14.7左右。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-22显示出A/F、氧传感器电压信号和A/F反馈修正系数三者之间宏观上的相应关系。从整体上看，在特定周期中，如果实际A/F较小，由于混合气处于“浓”状态所占的时间比处于“稀”状态所占的时间相对较长，故氧传感器输出信号处于高电位的时间也相对较长，修正系数使A/F向着减小的方向移动。反之则相反。最终导致A/F在理论值附近获得平衡。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,闭环控制系统反馈控制过程需经过一定时间，才能使A/F稳定收敛于理论值附近。该时间段包括混合气从进入气缸直至废气到达氧传感器，以及氧传感器的响应时间等。因此，实际控制将导致混合气A/F逐步收敛于14.7附近的一个狭窄范围内。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,2）反馈控制的实施条件闭环控制在发动机的某些工况下不适宜采用。如：发动机起动时以及暖机过程未完成的状况下，发动机温度低，附壁现象严重，汽油汽化较差及，这时都需要较浓的混合气。此时如果仍按反馈控制原则使供给的混合气A/F值收敛于理论值附近时，发动机会起动困难；又如发动机在大负荷或高转速运转时，需要较浓的功率混合气，此时如果A/F仍收敛于理论值附近的话，则将造成发动机运转不良，动力不足。所以在某些情况下应停止反馈控制，即进入开环控制状态。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,通常在下述的情况中，反馈控制将自动解除：（1）发动机起动与暖机时；（2）起动后燃油增量修正（加浓）时；（3）节气门全开（大负荷、高转速）时；（4）发动机处于非稳定工况（加、减速）时；（5）燃油中断停供油时；,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,（6）氧传感器检测的A/F信号过小且持续时间大于规定值（如10秒以上）时；（7）氧传感器检测的A/F信号过大且持续时间大于规定值（如4秒以上）时。此外，由于氧传感器在400温度以下不会产生相应的电压信号，故反馈控制也不会发生作用。当开环控制时，令其修正值等于1，而闭环控制时，其值在0.81.2范围内变化。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,5.学习空燃比控制修正学习空燃比控制修正（图3-23）可进一步提高A/F控制精度。特定发动机各种工况下的基本喷射时间标准数据可根据计算机ROM/MAP中存储的理论值数据得出。但实际运行中由于发动机各子系统性能的劣化，将增大实际A/F相对于理论值的偏离。虽然反馈修正可以修正该偏差，但修正范围有限（一般为0.8-1.2）。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,如在反馈修正过程中，反馈修正的中心线偏向稀或浓的一边(如图3-26a中的A-B-C所示)，且修正值超出修正范围时（图3-26a中的C线），就会造成控制困难。为使该修正值回到可控范围内，并使反馈修正中心线回到A/F理论值的位置上（如图3-26a中的A线），带有学习控制功能的EFI系统ECU可根据反馈修正值的偏离情况，设定一个学习修正值（学习修正系数），以实现燃油喷射时间的总修正。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-23学习控制示意a)反馈修正值中心位置；b)实燃比偏离量,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,学习控制基本过程分为三个阶段：（1）求出实际A/F值与理论值的偏离量；（2）求出适时A/F偏离的学习修正值并由ROM/MAP可靠保存；（3）将适时学习修正值与各修正系数综合，对喷射时间实施以总体修正；,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,例如：由于某种原因（如空气滤清器因脏物堵塞），造成空气流量计或旁通空气道中的空气量相应变化（减少），引起实际A/F较理论值偏小。假若无反馈控制时的发动机实际A/F较理论值小10%，经反馈控制后其反馈修正值的中心线将偏离理论中心约0.9（减少10%），即：实际反馈修正值的中心将偏离A/F理论值0.1（参见图3-23b）。若使反馈修正值的中心回到理论A/F值1.0的位置上，即可确定学习控制修正值约为0.1。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,ECU求出该学习修正值并将其存储于ROM/MAP，以便在后续过程将符合当前条件的学习修正值及时反映到基本喷射脉宽上，即为学习修正。显见，A/F控制精度提高。检测A/F的偏离量并求出正确的学习修正值需要一定时间。每当断开点火开关、切断ECU电源时，所求得的学习控制修正值会立即被清除。以后再遇到相应特性变化引起的空燃比偏离时，学习修正值不会立即反映到喷射时间脉宽上，从而降低空燃比的控制精度。为做到及时修正，实现A/F高精度控制，EPU中存储学习控制修正值的存储器（如RAM）不应受点火开关控制，而由一根备用常火线与蓄电池直接连接。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-24有或无学习控制控制精度比较图a）无学习控制时；b）有学习控制时；1反馈修正系统；2其间不能实现理论空燃比,图3-24a是无学习控制系统的反馈修正情况。通常反馈控制的积分速度是百微秒级，当A/F出现偏移时，在工况变化条件下，用几十毫秒的指令不能实现A/F的控制目标。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-24b是有学习控制的反馈修正情况。由于学习修正量能随运转条件变化立即被反映出来，所以当A/F发生偏移时，能及时将其收敛控制于理论值范围内，如图3-25所示。,图3-25空燃比学习控制效果a)无学习控制时b)有学习控制时,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,6.无效喷射时间修正由于机械惯性及磁滞现象，将导致喷油器工作时电磁阀的动作滞后于控制信号输入。假设开、闭电磁阀的滞后时间分别为T0和Tc，则T0Tc，T0与Tc之差（T0Tc）称为喷油器无效喷射时间。T0和Tc受供电电压（蓄电池电压）影响较大。当供电电压降低时，无效喷射时间将增加；当蓄电池电压升高时，无效喷射时间则变短，其变化规律如图3-26所示。因此，控制系统必须根据适时蓄电池电压值，针对无效喷射时间，对喷射时间进行修正。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-26无效喷油时间与蓄电池电压的关系,7.冷起动时喷油时间修正发动机冷起动时温度低、转速低，附壁现象严重，燃油不易汽化，引起混合气变稀。为顺利起动发动机，必须延长该工况下的喷射时间，以增大喷射量。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,由于起动时进气量少，空气流量不能被精确检测，ECU是根据起动开关信号和发动机转速（如400r/min以下）综合判定起动工况。起动喷射时间T可由下式确定，即：,（3-13）,式中：TTH由发动机冷却液温度决定的起动喷射时间（ms）；Tu无效喷射时间（ms）。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,如图3-27所示，发动机冷却液温度越低，燃油喷射时间应随温度的降低而延长。,图3-27起动时喷射时间特性,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,发起动时转速波动大，无论是空气流量计还是进气歧管压力传感器，都不能精确测量进气量。因此启动时ECU是根据发动机冷却液的实际温度，由ROM内存贮的水温喷油时间MAP图（图3-28）查出基本喷射时间，然后再根据进气温度和蓄电池电压信号进行综合修正，得到起动时的喷射时间，如图3-29所示。,图3-28水温喷油时间图,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,起动时处于拖动状态的发动机达到一定的转速（200-300r/min）时，喷油器的喷油时间应逐渐减少，这是因为拖动状态本身所需的油量是一个不断衰减的过程。另一方面，因为随着发动机转速升高到一定值时才出现节流现象，致使每循环吸入的空气量相对减少，故喷油量也应相应减少。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,起动时无法汽化的燃油过多时，附壁现象会出现在气缸内部并波及火花塞（俗称火花塞“淹死”），使得启动更加困难。另外，缸内附壁还会导致缸壁上的润滑油膜被稀释与冲刷，磨损加剧。为消除这一有百害而无一益的现象，EFI系统设有清除溢流功能。起动时，当发动机低速运转时，踩下油门踏板使节气门开度大于80%时，ECU将发出指令供给稀混合气（A/F可达20甚至不喷油），以消除缸内燃附壁现象，直到发动机转速400r/min。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,图3-29起动喷油时间的确定,通过以上分析可知，发动机EFI控制系统可在各种工况和环境条件下，通过动态修正控制A/F，确保实现完全燃烧。表3-1为福特汽车公司为适应发动机不同工况的需要，EFI系统控制A/F的数据。,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,表3-1发动机各种况时的空燃比（福特汽车公司）,第三节EFI系统控制二、喷油量控制,第三节结束,第三节EFI系统控制,EFI系统（或简称TCCS、ECCS）主要由空气供给系统、燃油供给系统和控制系统（ECU）三个子系统组成（图3-30）。,图3-30皇冠2JZ-GE发动机控制系统示意图,第四节空气供给系统,空气供给系统（图3-31）实现供给、计量和控制发动机燃烧所必需的空气的功能。,图3-31空气供给系统a)空气供给系统框图；b)空气供给系统简图,第四节空气供给系统,根据空气计量方式的不同，可将EFI空气供给系统分为下述基本类型：L型EFI系统通过空气流量计检测、计量进气质量；D型EFI系统通过进气歧管绝对压力传感器检测、计量进气质量；,第四节空气供给系统,进气系统基本工作过程：特定转速下空气流量随节气门开度而成正比。怠速工况节气门基本关闭，通过节气门的空气流量几乎为零。此时将开辟一个空气旁通通道，称为怠速通道（图3-31）。该旁通空气通道中设置一个由ECU指令控制的空气阀，控制其流通截面，实现对发动机怠速转速及负荷的适时控制。怠速控制具体方式由后续内容给出。,第四节空气供给系统,第四节结束,第四节空气供给系统,燃油供给系统基本组成如图3-32所示。燃油泵提供系统压力，将燃油从燃油箱中吸出，建立工作压力，经滤清后泵送到各个喷油器。喷油器根据ECU指令将燃油精确计量喷入各进气歧管或稳压箱中，与流入发动机内的空气混合形成可燃混合气。喷油结束后多余的燃油从调压器经回油管送回油箱。其主要元件介绍如下：,图3-32燃油供给系统a）燃油供给系统框图；b）燃油供给简图,第五节燃油供给系统一、燃油泵,目前EFI系统采用的电动燃油泵的工作原理与结构与普通的工业用小型泵基本相同。值得一提的是：由于汽油极易挥发，加上工作温度、以及系统产生局部真空的影响，助长了汽油的蒸发气化，形成燃油供给系统内部气阻。为此在现代汽车上广泛采用双级泵结构型式的电动燃油泵，并将其安装在油箱内。,第五节燃油供给系统一、燃油泵,双级泵结构如图3-33所示，由初级泵和主输油泵形成组件。初级泵分离进油端产生的蒸气，并将燃油以低压送到主输油泵内。主输油泵多采用齿轮泵或涡轮泵，主要用以建立所需的泵油压力。该类型燃油泵具有良好的热起动性能。,图3-33双级电动燃油泵,第五节燃油供给系统一、燃油泵,燃油供给系统工作时，燃油喷射量与喷油器前后端压力差及喷油器电磁阀开启时间有关。该压力差在数值上等于燃油总管油压与进气歧管压力之差。假设发动机工作时燃油总管（即喷油器后端）油压保持不变，由于进气歧管压力随发动机的负荷和转速的变化发生变化，则喷油器的喷油绝对压力亦将随发动机负荷和转速发生波动，影响燃油喷射计量精度。因此在燃油供给系统中必须设置燃油压力调节/阻尼器，将喷油器的喷油绝对压力波动控制在规定值内，并消除供油系统中燃油脉动，提高喷油计量精度。,第五节燃油供给系统二、燃油压力调节器,燃油压力调节器根据进气歧管绝对压力变化信号调节系统油压（燃油总管油压），使喷油器喷油绝对压力基本保持恒定，调节范围一般为250400kPa，其特性曲线如图3-34所示。,图3-34燃油压力调节器工作特性,第五节燃油供给系统二、燃油压力调节器,燃油压力调节器安装于燃油总管上，典型结构如图3-35所示。其内部被膜片7分割为弹簧室和燃油室，分别与发动机进气歧管和燃油总管相通。膜片下方燃油室一侧承受燃油总管的油压（系统油压），另一侧则受进气歧管负压与弹簧6压力的合力作用。,图3-35油压调节器1燃油室；2.单向回油阀；3.壳体；4.真空接口；5.弹簧室；6.弹簧；7.膜片8.进油口9.出油口,第五节燃油供给系统二、燃油压力调节器,发动机工作时，若进气歧管负压负向增加，则作用在调节器膜片弹簧室侧的压力减小，在系统油压作用下，膜片7上移，打开单向回油阀2，使部分燃油经回油管流回油箱，系统降压；反之若进气歧管负压正向增加，则系统增压。其基本关系为：喷油绝对压力=系统油压-进气歧管绝对压力=（弹簧压力+进气歧管绝对压力）-进气歧管绝对压力喷油绝对压力=弹簧压力显见，喷油绝对压力仅仅取决于弹簧力，不随进气歧管负压的变化而变化，保持恒定。,第五节燃油供给系统二、燃油压力调节器,发动机停止工作时油泵停转，在弹簧张力作用下使单向回油阀2关闭，可使系统保持一定的残余压力，以便下次启动迅速建立系统油压。某些型号的燃油压力调节器的真空接口4的管路由开关阀（VSV）控制，其作用是在发动机热车起动时，切断油压调节器和进气歧管之间真空管的通路，以增大燃油压力，防止油路中的燃油因温度过高产生气阻引起A/F值增大。,第五节燃油供给系统二、燃油压力调节器,喷油器是一种加工精度非常高的机械元件。它根据ECU发出的喷油脉冲信号，精确计量喷射燃油。要求其动态流量范围大，雾化性能好、抗堵塞能力强。世界各国厂商不断开发各种不同结构形式的喷油器，以满足这些性能要求。若干典型喷油器的结构与工作原理介绍如下：,第五节燃油供给系统三、喷油器,（一）喷油器的结构与工作原理1.轴针式电磁喷油器结构参见图3-36所示。,图3-36轴针式电磁喷油器a)基本结构b)工作原理1.滤网；2.接口；3.电磁线圈；4.弹簧；5.衔铁；6.针阀；7.阀体；8.轴针,第五节燃油