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轻型客车电控燃油喷射的系统方案 |
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作者：武汉理工大学 皇甫世汇 梁学文 |
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摘要：本文介绍典型的轻型客车电控燃油喷射系统方案的基本组成，主要传感器及其工作原理、自诊断系统，分析ECU 控制电路的工作过程。
关键词：电控燃油喷射系统 ECU 系统控制电路 自诊断系统
前言
随着世界环境保护的呼声越来越高，国家环保局已发文规定，从2001 年10 月1 日禁止销售生产达不到欧I 号标准的M 类的和N1 类汽车，化油器式的汽油车已无法达到此要求。因此各个整车厂纷纷配备电控燃油喷射系统的发动机，电控燃油喷射系统具有化油器式车无法比拟的优点，所以一般轻型客车采用了电控燃油喷射系统，排放达欧洲II 号标准，电控燃油喷射系统具有以下优点：
1) 发动机的充气效率、发动机的功率和扭矩都比较大。因为汽油直接喷射没有喉管节流损失；同时汽油喷油器定压(2～3bar)喷出的雾化好，因此可以适当增加进气歧管的截面，利用进气惯性吸进更多的混合气，充气量大。
2) 汽油喷射特别是电控燃油喷射系统可以保证随发动机的工况不同、使用场合不同而配制、供应最佳的连续的精确的空燃比(燃油混合气成分)，电控单元(ECU)的控制速度越来越快。
3) 汽油喷射能保证进入各缸的混合气的质和量都比较均匀，确保各缸的动力性和经济性的最佳状态。
4) 在电控喷射系统中当节气门关闭而发动机转速超过预定转速时，电控单元就使油泵停止供油，喷油停止，减少HC 排量，降低油耗，改善了排放，汽油喷射雾化质量稳定，燃烧完全。
5) 加速性能好，在电控喷射系统中电控单元能快速、精确改变喷油量；再加上喷油器安装在进气歧管中进气门前方，使送至气缸的混合气浓度及时随节气门开度变化而立即改变。
6) 起动(特别冷起动)、暖机、怠速等过渡工况性能好。
7) 由于各缸混合气在质与量两方面都十分均匀分配，汽油喷射发动机就可能使用辛烷值低的燃料约(3 个单位)，允许有高的压缩比，同时也可使爆燃的倾向减少。
8) 通过燃油喷射，可以按气缸内不同位置实现分层燃烧，例如在火花塞附近用浓混合气以保证点火，末端的混合气用稀混合气可防止爆燃燃烧。
9) 随着电控燃油喷射技术的应用，很多新技术已在发动机上得到推广应用；高压缩比和稀混合气的燃烧系统，顶置双凸轮轴的四气门、五气门的机构，可变压缩比，可变配气定时，可控进气管道与可变进气涡流系统，以及增压、中冷技术在轿车发动机上均得到应用，使发动机的燃油经济性、功率和排放等综合性进一步提高。
总之，采用燃油喷射方式的最大优点是能按照发动机的不同工况和复杂的使用条件，非常精确地供应发动机此时所需要的最佳混合气成分；汽油喷射发动机可以进行稀薄燃烧(lean burn)，其动力性、经济性、排放等都比用化油器式发动机要好得多。试验表明，一般可提高功率10%，节省燃油5%～20% 。此外，起动性、加速性也都相应改善。利用氧传感器与电控单元构成对最佳排放所需空燃比的闭环控制可大改善排放。
1 轻型客车电控燃油系统的基本组成及工作原理
1.1 系统组成
轻型客车电控燃油系统采用的是典型的闭环电控多点燃油顺序喷射系统，该系统组成如下图：
1.2 电控系统的主要传感器
1.2.1 空气流量传感器
*1 空气流量传感器安装在空气滤清器后方的进气道上，其原理是利用卡曼旋涡原理制成的空气流量计，是一种容积式流量计，故需测定进气温度、进气压力，对密度加以修正；空气的体积流量为：
Q=A0βdf/S
d——放置于空气管道中的圆柱体直径(m)；
β——直径比，β=d/D 其中D 为管道直径；
A0——圆柱体的横截面积。
对于一个具体的卡尔曼旋涡式空气流量计而言，直径D、圆柱体旋涡发生体直径d 以及β均是一个定值，故以上两种旋涡发生体传感器的体积流量为：
Q=Kf (式中K 为比例常数)
此式即说明卡尔曼旋涡流量传感器输出频率f 与空气体积流量Q 成正比。因此，只要测得f，就可以得空气流速，进而可求得空气的体积流量。
1.2.2 曲轴位置、上止点传感器
这两个传感器均为霍尔元件式，装在分电器的转轴上，其中“G”转子用来表示曲轴基准位置信号，同轴的“Ne”转子传送曲轴角度信号。当分电器旋转时，分电器轴上的信号转子“G”和“Ne”跟随旋转，信号转子上的触发齿与信号线圈间的气隙发生变化，磁场发生变化，信号线圈中就会产生交变的感应电动势，此感应电动势即为输送给汽油喷射装置的电子控制器ECU 的信号电压，ECU 根据输入的基准位置信号(G 信号)，测出第1 缸活塞上止点位置(基准位置)；根据曲轴角度信号(Ne 信号)测出曲轴角度和发动机转速等。
1.2.3 进气温度传感器
进气温度传感器一般装在空气流量传感器中，其输出端为THA，它是一个热敏电阻，其温度系数为负值，气温上升时，其阻值下降，THA-E2 间的阻值为：标准值：2.3~3.0kΩ (20℃时)，0.3~0.42KΩ (80℃时)。
1.2.4 节气门位置传感器
节气门位置传感器装在节气门室内，发动机进气量是由节气门的开度来决定的，该传感器用来检测节气门是关闭、部分开启或全开，VTA-E2 间的电阻值随节气门的开度从0.3~3.5-6.5Ω而变化。其端子间的电阻值变化如下表：
1.2.5 氧传感器(也称λ传感器)
氧传感器是根据大气与排出废气中的氧浓度之差而产生电动势的一种电池，是由二氧化锆(或二氧化钛)制成的陶瓷电解质的，其两面分别涂有稀薄层铂而形成电极。传感器插入排气管废气流中。陶瓷电解质外表面接触废气，内表面通入大气，保护壳是用来保护陶瓷电解质，以防受到机械损伤。氧传感器的陶瓷电解质在大约300℃以上时可变为氧离子的传导体，当大气一侧氧浓度比排出废气一侧的氧浓度高时，氧离子就从大气电极一侧向废气电极一侧移动，于是两个电极间便产生电动势，当混合气稀时(即空燃比A/F 大于14.7)，废气中氧的含量高，陶瓷电解质内外侧的浓度差别很小，两个电极间产生的电压低(接近零V)。反之，混合气浓(即空燃比A/F 小时，废气中几乎没有氧，陶瓷电解质内外侧氧浓度的差别很大，两个电极间产生的电压高(约1V)，陶瓷电解质两面的薄层铂能起到催化作用，使废气中的氧与CO 反应，减少废气中含氧量，提高传感器的灵敏度。这些电压信号输入到控制器ECU，就可以调整喷油量，调整空燃比A/F 的值，起到反馈控制作用。
通过外部的电加热，可以使氧传感器在发动机起动后20~30s 内迅速加热，达到正常工作温度，从而使氧传感器迅速以最佳功能状态工作。
使用氧传感器应注意的是发动机必须用无铅汽油，因为有铅汽油燃烧后的铅化物对起催化作用的外侧电极有损伤作用。
1.2.6 发动机冷却液温度传感器
发动机冷却液温度传感器装在发动机水套出水口附近，其输出端为THW，THW-E2间的阻值变化为：标准值：2.1~2.7kΩ(20℃时)，0.26~0.36kΩ (80℃时)。
1.2.7 车速传感器
车速传感器安装在变速箱输出轴上，它将车速信号转换成脉冲信号输送到ECU 的SP1 端。
1.3 轻型客车电控多点燃油喷射系统工作原理。
1.3.1 电控单元的概述
电子控制器(ECU)是电控多点燃油喷射系统的大脑，是整个系统的神经中枢。它由运算器、寄存器和控制器组成。它能按照已经存入的特定程序，将各种传感器输入的信号(发动机转速、空气流量、进气温度、节气门开度和曲轴位置)进行计算，得出喷油量的多少并转变为控制喷油器开启和关闭的脉冲信号宽度，点火提前角和一次电流导通角，怠速控制阀的开度等。此外，中央处理器还实现对存储器、输入输出接口及其它外围电路自身的控制。
各种传感器将采集到的各种信号参数输入到电子控制器(ECU)，ECU对这些参数进行比较、运算处理之后，才能对执行机构发出指令。ECU 由中央处理器( CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器( RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路和众多的晶体管、电阻、电容、电感元件等外围电路组成。它们焊接在1~2 块双面印制电路板上，其复杂程度相当于一台彩色电视机的线路板。
输入/输出接口将传感器输入的信号转变为中央处理器能接收的形式，并且将中央处理器(CPU)计算的结果转变为喷油、怠速控制阀、点火的控制信号，且起到协调作用。
模数转换器将传感器输出的信号，如连续变化的温度、负荷、流量等模拟量转变为中央处理器能接收并实施运算的数字信号。
整形与信号处理电路是按控制系统的要求进行设计的，用来将传感器输入的信号整形、放大，转换成理想的波形，输入CPU 或接口电路。
存储器是由许多存储单元组成的大规模集成电路，用来存放系统控制和程序、数据和各种表格，比如，随着转速和蓄电池电压变化的初级电路导通脉谱，随着转速和负荷变化的最佳A/F 比的混合气成分脉谱、启动加浓时的点火与A/F 等等。只读存储器的内容在制造和编程时写入，可以随时被中央处理器读取，但不能改变，也不会因为断电而消失。随机存储器(RAM)用来暂存程序、数据和中间运算结果。它的内容可以随时由CPU 写入、读取或修改，只要不切断电源，它的内容可以一直被储存。比如，故障代码在发动机停止工作以后就被储存下来，检查时只要在点火开关接通前，将故障诊断插座的TE1 与E 两接柱临时接通，便可以通过显示器调出。
1.3.2 如图所示的发动机控制系统电路图
1—发动机控制继电器 2—输油泵控制继电器 3—输油泵 4—电容器 5—点火线圈 6—功率晶体管 7—电容器 8—发动机
检查灯 9—起动机保护继电器 10 防手动换档开关 11—空调放大器－ECU 12—双重压力开关 13—A/C 制冷剂温度开关
14—A/C 压缩机继电器 15—电磁离合器 16—车速传感器 17—ABS-ECU 18—故障诊断连接器 19—点火正时调整用连接
器 20—动力转向油压开关 21—喷油器 22—怠速伺服机构23—分电器总成 24—氧传感器 25—发动机冷却液温度传感器
26—节气门位置传感器 27—空气流量传感器 28—EGR 电磁阀 29—油箱通风阀
1.3.3 发动机的控制过程
多点燃油喷射系统包括检测发动机工况的传感器，发动机ECU 根据这些传感器发出信号控制该系统，各促动器在发动机ECU 的控制下工作，发动机ECU具有燃油喷射控制、怠速控制和点火正时控制等功能。
并且，发动机ECU 还带有发生故障时简化故障排除的若干故障诊断方式。
(1)燃油喷射控制
对喷油器驱动正时和喷油器正时以及喷油量进行控制，从而对发动机提供最佳的空气／燃油混合比，与不断变化的发动机运转工况相适应。在每个气缸进口安装有单式喷油器。燃油由输油泵从燃油箱压送出，压力由燃油压力调节器调节，经调节后的燃油被分送到每个喷油器。在正常的情况下，曲轴每转二转每组2 缸喷射燃油一次。这称为成组燃油喷射。当发动机在冷态或在高负荷下运转时，发动机ECU 进行“开环”控制来供给浓的空气／燃油混合气，以确保发动机的性能。
(2)怠速空气控制
按照怠速工况和怠速时发动机负荷的变化，控制节气门旁通的空气量使怠速保持最佳转速。发动机ECU 驱动怠速控制(ISC)电机，根据发动机冷却液温度和空调器负荷使发动机保持在预先设定的怠速下运转。并且，在发动机怠速的状态下接通和关闭空调器开关时，ISC 电机将根据发动机负荷状况来调整节气门旁通的空气量，以避免发动机转速波动。ISC 电机与怠速控制阀做成一体，装在进气总管上。
(3)点火正时控制
点火初级电路的功率晶体管通过接通和断开来控制流向点火线圈的初级电流，以此控制点火正时，从而根据发动机运转工况来提供最佳的点火正时，点火正时由发动机ECU 按照发动机转速、进气量、发动机冷却液温度传感器和大气压力来决定。从分电器送来Ne，G 转子信号确定1 缸上止点。进而确定各缸的点火正时。
(4)自诊断功能
当与排放控制有关的传感器或促动器检测到异常情况时，发动机警告灯点亮以此通知驾驶员。当传感器或促动器检测到异常情况时，相对此情况的故障诊断代码就会输出。发动机ECU内的RAM 数据与传感器或促动器相关，可以通过MUT—II 读出；并且促动器在某些情况下可被强制驱动。
读取和清除故障诊断代码的方法：
注意：
l 蓄电池电压低，则故障诊断代码不会输出。所以在进行检查前，应确认蓄电池是否正常。
l 如果蓄电池脱开或发动机ECU 连接器脱开，则储存的故障代码会被清除。因此，在故障代码未被读出前，不要脱开蓄电池。
l 连接和脱开MUT_II 时，都应将点火开关置于OFF 位置。
使用MUT-II 读取故障代码时把MUT-II 接到故障诊断连接器的( 16 引脚)上，然后读取故障代码。(参照故障诊断代码检查表,修理故障部位)。
使用发动机警告灯(发动机检查灯)读取故障代码。
(5)其他控制功能
1) 输油泵控制接通输油泵继电器，则在发动机曲轴转动或运转时就向输油泵供电。
2) A/C 继电器控制，控制A／C 压缩机离合器的合上和脱开。
3) 废气再循环(EGR)系统。为了满足排放控制的要求，装有废气再循环系统(EGR)阀28，发动机ECU 根据温度、负荷和车速，通过驱动EGR 阀的地线来决定EGR 阀的开启，从而决定废气再循环率，降低NOx 的排放。
油箱通风系统可以防止油箱内产生的燃油蒸汽释放到大气中去；燃油蒸汽收集在活性炭过滤器并由此进入发动机进行燃烧，油箱通风的主要元件有：活性炭过滤器的电磁阀29，电磁阀将燃油蒸汽从活性炭过滤器中抽入曲轴通风管，从这再进入进气歧管。
活性炭过滤器，当发动机工作时，活性炭过滤器的电磁阀29 打开，活性炭过滤器中的燃油蒸汽传入进气歧管。
2 结束语
电控燃油喷射系统目前在国内部分城市(如北京)要求达到国际先进水平，排放控制达到欧II 标准；其本身系统所含技术比较高，但是随着技术的不断更新，只有瞄准世界上最新的技术，掌握和采用新技术，才会缩短与汽车先进国家的差距，达到改善环境的目的。
参考文献
1 付百学. 汽车电子控制技术. 北京：机械工业出版社
2 葛仁礼. 汽车新结构新技术及其使用与维修. 西北大学出版社
3 汽车电器
4 维修手册. 三菱公司(end)
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(5/17/2005) |
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