汽车电子控制技术课件 -汽油机电控燃油喷射系统

汽油机电控燃油喷射系统一、电控燃油喷射系统概述二、电控燃油喷射系统的组成与控制功能三、燃油喷射电控系统主要元件及工作原理课题一

电控燃油喷射系统概述一、汽油机燃油喷射系统的发展过程汽油喷射系统于20世纪30年代首次用于军用飞机发动机上，1954年德国奔驰汽车公司首次在奔驰300SL汽车上装用了机械式汽油喷射系统。简称K型汽油喷射系统。20世纪60年代末期，在K型的基础上出现机电组合式汽油喷射系统，简称KE型。如德国奔驰380SE、500SL轿车。1967年，BOSCH公司推出D型Jetronic模拟式汽油喷射系统。1973年，BOSCH公司推出L型Jetronic的汽油喷射系统。由于采用了测量空气流量的方法控制喷油量，提高了控制精度，同时还开发出机械式汽油喷系统。1979年，BOSCH公司推出了集点火与喷油于一体的数字式发动综合电子控制系统。自20世纪60年代，德国BOSCH公司研制成功电控燃油喷射系统EFI后，燃油喷射系统经历了晶体管、集成电路到微机处理三大发展进程。

二、汽油机电控燃油喷射系统的类型1．按进气量测量方式分类（1）间接测量型电控燃油喷射系统(D型)2-1D型电控燃油喷射系统1-汽油箱；2-汽油泵；汽油滤清器；4-油压调节器；5-喷油器；6-回油管；7-真空管道；8-空气缓冲平衡箱；9-进气压力传感器与进气温度传感器；10-节气门位置传感器；11-凸轮轴位置传感器；12-冷却液温度传感器；13-爆震传感器；14-发动机电控单元（ECU）；15-点火线圈；16-怠速控制阀；17-氧传感器（2）直接测量型电控燃油喷射系统（L型）图1-3L型电控燃油喷射系统组成示意图2．按喷射位置分类（1）缸外喷射（进气管喷射）缸外喷射是指将汽油喷射在进气管道相应部位。根据喷油器数量和安装位置，缸外喷射分为单点喷射和多点喷射两种，如图2-2所示。（a)多点喷射（b)单点喷射图2-2缸外喷射（2）缸内喷射缸内喷射是指将气油直接喷入汽缸内。缸内喷射需要较高的喷射压力(3～4MPa)，但由于汽油黏度较低，需要供油系统机件更加精密。3．按燃油喷射方式分类（1）连续啧射连续喷射是指在发动机运转期间汽油被连续不断地喷射出去同，现已淘汰。（2）间歇喷射间歇多点喷射按喷射时序不同分为同时喷射、顺序喷射和分组喷射，（a）喷油器工作情况（b）喷射正时图图2-3同时喷射方式A-喷油；B-点火；1-电控单元（a）喷油器工作情况（b）喷射正时图图2-4顺序喷射方式A-喷油；B-点火；1-电控单元（a）喷油器工作情况（b）喷射正时图图2-5分组喷射方式A-喷油；B-点火；1-电控单元4．按有无反馈信号分类开环控制系统闭环控制系统5．按燃油喷射控制装置的结构型式分类分为机械式、机电混合式和电子控制式三种。目前，现代轿车上广泛使用电子控制式燃油系统，其他两种型式已经淘汰。三、汽油机电控燃油喷射系统的优点1．改善了各缸混合气的均匀性2．发动机的动力性和经济性有了一定程度的提高3．有害物排放量显著减少4．改善了汽油机过渡工况响应特性5．改善了汽油机对地理及气候环境的适应性6.提高了汽油机高、低温起动性能和暖机性能课题二电控燃油喷射系统的组成与控制功能一、电控燃油喷射系统的组成汽油机电控燃油喷射系统由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三个子系统组成。1．空气供给系统空气供给系统也称进气系统，由空气滤清器、空气流量传感器、节气门怠速控制阀和节气门位置传感器）、进气总管和进气歧管等组成，如图2-6所示。(a)空气供给系统示意图(b)L型框图(c)D型框图图2-6空气供给系统1-空气滤清器；2-空气流量传感器；3-节气门；4-怠速（空气）控制阀5-至汽缸；6-进气总管；7-进气歧管；8-节气门体；9-旁通气道2．燃油供给系统燃油供给系统由燃油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、燃油分配管（供油总管）、喷油器、油压调节器和回油管等组成，如图2-7所示。(c)框图（a）MPI燃油系统构成(b)SPI燃油系统构成(d)燃油系统框图图2-7燃油系统1-燃油箱；2-燃油泵；3-燃油滤清器；4-燃油分配管；5-喷油器6-冷起动喷油器；7-真空管；8-油压调节器；9-回油管3．电子控制系统电子控制系统是由传感器、ECU和执行器（喷油器）组成的。其控制原理图如图2-8所示。图2-8电子控制系统控制原理图发动机燃油喷射电子控制系统的功能是根据发动机运转状况和车辆运行状况确定最佳喷油量和喷油时刻。ECU根据空气流量信号和发动机转束信号确定基本喷油时间，再根据其他传感器对喷油量进行修正，并按最后确定的喷油时间向喷油器发出指令，使喷油器开始喷油或停止喷油。二、电控燃油喷射系统的控制功能1．喷射正时控制喷射正时又称为喷油时刻，也就是喷油器在什么时刻开始喷油的问题。对于间歇喷射的发动机，按照喷油时刻可分为同步喷射和异步喷射两种类型。同步喷射：燃油的喷射与发动机的旋转同步，根据发动机各缸工作循环，在既定的曲轴转角位置进行喷油，具有规律性。在多点同步喷射的控制系统中，根据喷射时序的不同，可分为顺序喷射、同时喷射、分组喷射三种。异步喷射：油的喷射与发动机的曲轴旋转无关，无规律性，它是在同步喷射的基础上为改善发动机的性能而额外增加的喷油。它主要有起动异步喷射和加速异步喷射两种。（1）同步喷射正时控制同步喷射正时控制指在设定的曲轴转角进行喷射，在发动机稳定工况的大部分运转时间里，喷油系统以同步方式工作。同步喷射正时控制包括顺序喷射正时控制、分组喷射正时控制、同时喷射正时控制。2-9顺序喷射控制电路图2-10分组喷射控制电路图2-11同时喷射控制电路图2．喷油量控制喷油量控制的目的是使发动机在各种运行工况下，都能获得最佳的喷油量，以提高发动机的经济性和降低排放污染。喷油量的控制是通过对喷油器喷油时间的控制来实现的。（1）起动时的同步喷油量控制在发动机转速低于规定值或点火开关接通STA（起动）挡时，ECU根据水温信号确定基本喷油持续时间，再根据进气温度和蓄电池电压进行修正，得到起动时的喷油持续时间。起动时的喷油持续时间如图2-12、图2-13所示。图2-12起动时基本喷油时间图2-13起动时喷油时间的确定（2）起动后的同步喷油量控制当发动机起动后转速超过预定时值时，ECU确定的喷油量是由基本喷油量和修正喷油量组成的。喷油量取决于喷油器喷油持续时间：基本喷油量（或基本喷油时间）是在标准大气状态下，根据发动机每个工作循环的进气量、发动机转速和设定的目标空燃比确定的；修正喷油量是ECU根据发动机各种实际运行状况，对基本喷油量进行修正，使发动机在不同运行条件下都能获得最佳的混合气。3．断油控制(1)超速断油控制(2)减速断油控制：(3)减扭矩断油控制（4）消除溢油断油控制4．燃油喷射的反馈控制为了将混合气浓度控制在理想空燃比附近，在发动机的排气管中安装了氧传感器，ECU通过氧传感器的反馈信号5．燃油泵控制当点火开关打开或发动机熄灭后，电控燃油喷射系统中的燃油泵一般预先或延迟工作2～3s，以保证燃油系统必需的油压。在发动机起动过程和运转过程中，燃油泵应保持正常工作。打开点火开关但不起动发动机，或关闭点火开关后，应适时切断燃油泵控制电路，使燃油泵停止工作。对喷油量进行控制，进而控制混合气的浓度。课题三燃油喷射电控系统主要元件及工作原理一、发动机ECU1.基本组成发动机ECU(控制单元)主要由微处理器、输入电路、输出电路、A/D转换器等组成，图2-14所示。图2-14发动机ECU的组成A-模拟信号输入；D-数字信号输入1-传感器；2-输入回路；3-A/D转换器；4-电控单元；5-输出回路；6-执行器；7-微处理器2．基本功能发动机ECU的主要控制功能有：燃油喷射控制、点火控制、怠速控制、进气增压控制、尾气排放控制，以及充电控制、空调压缩机控制、冷却风扇控制和发动机转速控制等。除此之外，ECU还具有失效保护、故障自诊断等功能。3．电源控制发动机ECU的电源电路包括：+B、+B1接通电路或EFI主继电器工作电路。电源电路有点火开关控制式和发动机ECU控制式两种。（1）点火开关控制式（2）发动机ECU控制式图2-15点火开关控制ECU电源图2-16发动机ECU控制ECU电源二、信号输入装置汽油喷射电子控制系统中，发动机ECU就是对信号输入装置的信号进行综合分析和处理，通过控制喷油量，使发动机具有最佳性能。（一）空气流量传感器空气流量传感器的主要作用是对进入汽缸的空气量进行测量，并把空气量信号输送到发动机ECU1.热线式空气流量传感器1）热线式空气流量传感器的结构与工作原理热线式空气流量传感器为质量式流量计。它安装在空气滤清器与节气门之间的进气通道中。热线式空气流量传感器的结构和工作原理如图2-18所示。。（a）热线式空气流量传感器结构(b)旁通测量热线式空气流量传感器

图2-18热线式空气流量传感器的结构图和工作原理图1-防护网；2-取样管；3-铂金热线；4-温度补偿电阻；5-控制电路；6-插接器；A-混合集成电路；RH-热线电阻；RK-温度补偿电阻；RA-精密电阻；RB-电桥电阻2)热线式空气流量传感器的自清洁作用通过ECU控制加热热线来清除污垢。通常在发动机停转后，在ECU的控制下，将热线自动加热到1000℃，烧掉附着在热线上的灰尘。热线式空气流量传感器的如图2-19所示。图2-19热线式空气流量传感器工作电路2.热膜式空气流量传感器热膜式空气流量传感器的结构与工作原理如图2-20所示。（a）结构（b）工作原理图2-20热膜式空气流量传感器

1-控制电路板；2-金属网；3-温度传感器；4-热膜；RH-热线电阻；

R1、R2、R3-高阻值电阻；RS-精密电阻；UM-电压输出信号；

I-加热电流；qm-空所质量流量;RK-信号取样电阻3．卡门旋涡式空气流量传感器1）卡门旋涡式空气流量传感器的结构和工作原理图2-21卡门旋涡产生的机理卡门旋涡式空气流量传感器主要包括光电式和超声波式两种。（1）光电式空气流量传感器图2-22光电式卡门旋涡空气流量传感器的工作原理1-涡流发生器；2压力导向孔；3-光电晶体管；4反光镜；5-发光二极管；6-钢板弹簧；7-支承板；8-发光二极管；9-光电晶体管（2）超声波式空气流量传感器超声波式空气流量传感器结构如图2-23所示。它是由涡流发生器、涡流稳定板、超声波发生器、超声波接收器、转换路、整流栅等组成。其中超声波发生器、超声波接收器和转换电路用于检测旋涡的频率。图2-23超声波式卡门旋涡空气流量传感器的工作原理图2-24卡门旋涡式空气流量传感器的工作电路（二）进气压力传感器进气压力传感器用于D型燃油喷射系统。在发动机工作时，节气门后方的绝对压力反映了发动机的负荷状况，间接反映了发动机进气量。在当今发动机电子控制系统中进气压力传感器应用较为广泛的有半导体压敏电阻式、真空膜盒传动式两种。1．压敏电阻式进气压力传感器压敏电阻式进气压力传感器结构与工作原理如图2-25所示，压敏电阻式进气压力传感器由绝对真空室、硅膜片等组成。(a)结构(b)原理示意(c)惠斯通电桥图2-25压敏电阻式进气压力传感器的结构及工作原理1-线端子；2-壳体；3-硅杯；4-绝对真空室；5-硅膜片；6-锡焊封口；7-应变电阻；8-金线电极；9-电极引线；10-底座；II-真空管；12-硅膜片；13-应变电阻2．真空膜盒传动式进气管压力传感器真空膜盒传动式进气管压力传感器的结构和工作原理如图2-26、图2-27所示。真空膜盒传动式进气管压力传感器的结构主要由膜盒、铁心，感应线圈和电子电路等组成。图2-27膜盒传动式进气管工作原理图2-26空膜盒传动式进气管压力传感器的结构1-膜盒；2-感应线圈；3-至进气歧管；4-铁心；5-回位弹簧（三）曲轴和凸轮轴位置传感器1.磁脉冲式曲轴和凸轮轴位置传感器1）结构和工作原理曲轴位置传感器和凸轮轴传感器所采用的结构随不同的车型而不同，它可以分为磁脉冲式、光电式、和霍尔式3大类。（a)构造图(b)耦合线圈电压的产生(c)信号电压图2-28电感应式曲轴位置传感器的工作原理l-永久磁铁；2-耦合线圈；3一信号转子；4–支座；A-靠近；B-正对；C-远离；D、E、F分别为A、B、C三处对应电压；Φ-通过线圈的磁通量图2-29所示为安装在分电器内部的磁感应式曲轴和凸轮轴位置传感器。该传感器分上、下两部分，上面部分为带1个齿的转子和两个对称布置的耦合线圈；下面部分为带24个齿的转子和耦合线圈。丰田2JZ-GE发动机曲轴位置传感器确定上止点位置的方法如图2-30所示。曲轴位置传感器的信号轮均分36等分，留有34个齿，缺少2个齿。图2-30丰田2JZ-GE发动机磁感应式曲轴位置传感器的工作电路图2-29安装在分电器内装式曲轴位置传感器（丰田）l-永久磁铁；2-线圈；3一信号输出；4-铁心；5-G1、G2转子；6-Ne转子；7磁路；8-分电器轴2.光电式曲轴和凸轮轴位置传感器1）结构和工作原理光电式曲轴和凸轮轴位置传感器是利用半导体的光电效应原理将发动机曲轴转角和气缸压缩上止点位置信号转换为电信号制成的，如图2-31所示。如图2-32所示，光电式曲轴和凸轮轴位置传感器由信号发生器（发光二极管、光敏晶体管）、信号盘（转盘）、整形电路等组成。图2-31光电信号发生器的作用机理图2-32光电式曲轴和凸轮轴位置传感器的结构1-光电信号发生器；2-信号盘；3-第一缸压缩上止点对应的信号孔；4-1°信号孔；5-120°信号孔如图2-33所示，装在分电器内的光电式曲轴位置传感器（日产轿车）共有两组发光二极管和光敏晶体管，其中一组正对着信号盘的细缝隙，另一组正对着信号盘的粗缝隙，都安装在信号盘的上下两侧。图2-33光电式曲轴和凸轮轴位置传感器信号发生器示意图1-光敏三极管；2-发光二极管；3-分火头；4-密封盖；5-信号盘；6-电子电路3.霍尔式曲轴和凸轮轴位置传感器1）霍尔原理霍尔电压与通过的电流和外加磁场的强度成正比。图2-35所示为叶轮触发霍尔式曲轴位置传感器。当叶片离开磁铁与霍尔元件之间的间隙时，永久磁铁的磁场穿过霍尔元件，产生霍尔电压；当叶片进入磁铁与霍尔元件之间的间隙时，磁场被叶片隔离，没有霍尔电压。图2-34霍尔效应原理图图2-35叶轮触发霍尔式曲轴和凸轮轴位置传感器1-外信号轮；2-内信号轮（a）8槽式(b)12槽式图2-36轮齿触发式曲轴位置传感器原理图1-槽；2-曲轴位置传感器；3-飞轮（四）节气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门体上节气门轴的一端，由驾驶员通过加速踏板来操纵。节气门位置传感器有开关量输出型和线性可变电阻输出型两种。1．开关量输出型节气门位置传感器开关量输出型节气门位置传感器又称为节气门开关。丰田IG-EU发动机的开关量输出型节气门位置传感器的结构和输出特性如图2-37所示

（a）结构(b)输出特性图2-37开关量输出型节气门位置传感器的结构与输出特性1-连接器；2-动触点；3-全负荷触点；4-怠速触点；5-控制臂；6-节气门；7-凸轮；8-槽

开关量输出型节气门位置传感器与ECU的连接线路如图2-38所示。图2-38开关量输出型节气门位置传感器与ECU的连接电路2．线性可变电阻输出型节气门位置传感器线性可变电阻输出型节气门位置传感器是一种滑动线性电位计，它由两个电刷、电阻器和输出端子等组成。其结构和电压信号输出特性如图2-39所示。

图2-39线性输出型节气门位置传感器的结构与输出特性在节气门打开的不同开度下，怠速电刷和怠速触点IDL断开，此时节气门的开度靠节气门开度电刷在电阻器上的滑动而产生不同的电位计电阻，从而引起VTA和E2两端子的电压不同来检测节气门开度，如图2-40所示。图2-40线性输出型节气门位置传感器与ECU的连接电路（五）冷却液温度传感器与进气温度传感器1.冷却液温度传感器如图2-41所示为冷却液温度传感器的结构。如图2-42所示为冷却液温度传感器的工作电路。图2-42冷却液温度传感器的工作电路图2-41冷却液温度传感器的结构2．进气温度传感器进气温度传感器装在AFS内或装在进气软管上，而不是装在进气歧管上。1）进气温度传感器及其控制电路进气温度传感器的核心是负温度系数的热敏电阻（温度越高，电阻值越低，输出信号越低）。其结构、工作愿理与冷却液温度传感器相同，其工作电路如图2-43所示。图2-43进气温度传感器的工作电路2)进气温度传感器的常见故障与危害进气温度传感器感受温度部分被废气返流污染，使传感器热敏元件感受进气温变化的灵敏度下降，导致电阻值不能反应实际进气温度。

（六）开关信号1.起动开关信号（STA）起动开关电路如图2-44所示。起动开关信向ECU提供起动电路接通并工作的信息。2.空挡起动开关信号（NSW）空挡起动开关电路如图2-45所示。NSW信号主要用于怠速系统的控制和起动机的控制。图2-44起动开关信号电路图2-45空挡起动开关信号3．空调开关信号(A/C)空调开关信号是用来检测空调压缩机是否工作的，它一般与空调压缩机电磁离合器电源接在一起。4．动力转向开关信号(PSW)采用动力转向装置的汽车，当转向盘由中间位置向左、右转动时，由于动力转向油泵工作而使发动机负荷增大，并在此时动力转向开关接通，向ECU输入信号，以修正喷油量、点火提前角等。5．制动开关信号此开关在汽车制动时接通，向ECU提供高电平信号，ECU根据这个信号对喷油量、点火正时、自动变速器等进行相应的控制。三、主要执行器（一）电动汽油泵电动汽油泵将燃油从油箱中吸出，并以足够的泵油量和泵油压力向燃油系统提供燃油。1．电动汽油泵的结构与工作原理根据泵体结构不同，电动汽油泵分为滚柱泵、齿轮泵和涡轮泵等。(a)结构图(b)实物图图2-46涡轮式电动汽油泵的结构1-出油阀；2-溢流阀；3-电刷；4-电枢；5-磁极；6-叶轮7-滤网；8-泵盖；9-泵壳；10-叶片沟槽图2-47滚柱式电动汽油泵的结构1-溢流阀；2-滚柱式油泵；3-永磁电动机；4-单向阀；A-进油口；