电控汽油喷射技术学习课件

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1、电控汽油喷射技术 第一章 概论1-1 汽油喷射的历史 汽油机混合气形成方式：化油器式和喷射方式 1883年戴姆勒发明化油器，实现汽油机。 化油器的结构特点及其混合气形成原理； 化油器混合气形成特点：喉部形成压差，喷油， 高速气流雾化，蒸发 缺点：进气流动损失，喉部易结冰。 汽油喷射，针对化油器的缺点而开发研究，并与化油器相互竞争过程中发展起来的。 汽油喷射的发展过程：从机械式喷射发展到电子控制喷射。 电控汽油喷射技术发展的前提： 电子技术、IC技术的发展的前提； 用户不断提高的要求安全性、舒适性、驾驶性； 社会环境要求排气净化。1、机械式汽油喷射 1930年，针对化油器缺点，对航空用发动机进行

2、开发研究。在第二次世界大战后期，用于军车上； 50年代末，用于赛车上。 1950年1953年，在二冲程2缸机上采用（Gutbrod公司）。 1957年，奔驰（Benz）在四冲程发动机上采用。 当时机械式汽油喷射系统采用的柱塞式喷油泵模仿柴油机，均由波许公司提供的。 主要缺点是成本高，安装不方便。2、电子控制汽油喷射的发展 对机械式喷油系统进行了评价，归纳了以下特点： 优点： 1）相对化油器，进气阻力小，充气效率高； 2）各缸分配均匀性高； 3）无结冰、汽阻现象； 4）加减速响应性好； 5）起动性好 缺点： 1）安装性差。为安装必须改变机体； 2）成本高 结论：与化油器相比较其优点明显。所以，当

3、时开发电控汽油喷射技术的目标只是考虑安装性。而对控制精度高等优点未做评价。因当时环境污染问题还没有提到日程上来。 所以，当时开发电控汽油喷射的主要目标： 在发动机结构改动量最小的前提下，安装喷射系统。 即由电控化强调安装性方面的优越性。优先考虑动力性。 前期工作： 早在1953年，Bendix公司已研究电控喷射器。但电子技术落后。当时晶体管均为锗晶体管，价格高可靠性差。因此，开发时用真空管； 到1957年研究成功时，才勉强实现晶体管化。因此，在汽车上采用电控技术未免过早。 到了50年代中期，汽车排放对大气污染日趋严重，已开始引起重视。 历史背景： 1）1957年1960年上半年，美联邦和加利福

4、尼亚州发布污染调查报告，强烈要求汽车厂家采取排放控制措施； 2）1960年，加利福尼亚州制定排放法规，于1965年7月开始实施。 3）开始重视排放控制技术。作为排放控制技术之一，研究提高空燃比的控制精度 4）电子技术已得到发展。晶体管已用硅管取代锗管。成本降低，可靠性提高，达到车用部件的程度。 研制过程： 1）1962年开始波许公司开发电控汽油喷射系统，1967年研制出D-Jetronic（速度-密度）喷射系统。 2）1972年波许公司开发质量流量式（板式）L-Jetronic系统，取代D-Jetronic适应排放法规的要求。 同时开发质量流量式连续喷射的机械式K- Jetronic系统，在欧

5、洲为中心广泛应用。 3）1976年，（GM）将微机应用于点火时期（MISAR）的控制，表证已开始进入（微机）数字化控制阶段。此时，晶体管已IC化，模拟控制向数字控制发展。 4）1977年，日本日产和丰田公司实现氧传感器反馈控制的质量流量式电控汽油喷射系统。 传感器技术的发展促进了汽车电控技术的发展。 5）1980年三菱电机公司推出卡门涡式空气流量计。 6）1981年，波许、日立制作所推出热线式空气流量计。微机控制的优点： 1）实现复杂的控制及自由特性，提高整机性能； 2）控制集中化。可集中控制点火等辅助控制，以提高发动机性能； 3）通过数字化的控制，保证经时的稳定性 4）相对各种发动机，硬件可

6、共用化。 进入数字化时代后，值得注意的点是：实现了 1、控制集中化； 2、反馈控制加学习控制，进一步提高控制精度；3、速度-密度控制方式的开发；4、可实现独立喷射稀燃1-2 车用电子的发展历史 一、车用电子技术的发展 最初电仅作为点火装置应用于汽车上。 1886年奔驰（Benz）发明电池和线圈的点火方法-车用点火装置，并第一次用于卡尔奔驰车上。 之后，电用于照明灯。 1910年夏，美国汽车先驱者卡特引起动发动机事故而去世; 其友凯帝莱克发明者亨利-玛尔廷-理朗德，招标全体有关凯帝莱克设计者开发设计自动起动装置。 弗朗可林-卡特灵，改进研制现金出纳机时开发过的小电机成功地实现了起动装置。并于19

7、12年第一次用于凯帝莱克车上。并得到普及。 1920年美国开发出蓄电池-线圈式点火装置。 1930年左右，波许公司开发出高压磁电式点火装置。 1930年开发真空式车用收音机，但未能得到普及。因真空管怕振，所占空间大，耗电量大。 1948年发明晶体管，真空管被替代。 1958年发明IC集成电路 1960年开始半导体元件用于汽车上。最初是交流发电机整流用硅二极管，之后调压器，晶体管点火系等。 1967年后，IC应用于汽车上。如IC化电压调节器，IC化点火模块等。同时，开发模拟电路式汽油喷射装置，定速装置，ABS控制装置，变速器控制装置等。但当时因成本高未能普及。作为技术储备。 1970年后，基于美

8、国发布的三大法规，车用电子技术迅速发展。 三大法规：安全法规：必系安全带，以保护乘客安全。 排放法规 有关油耗的法规 针对保护乘客安全法规，要求开发若不系安全带就不能起动的系统。 课题是：尽可能降低蓄电池的放电量。因，既是关闭点火开关安全带系统仍通电。为此开发耗电少的IC。 1971年，微机问世，并于1976年由通用应用于汽车点火控制上。 从1970年后期到进入80年代，进一步提出了排放法规和油耗法规。 适应这种法规的课题是：如何在降低排放的同时，改善动力性和经济性。一般二者互相矛盾。 所采取的措施：改进发动机机体结构： 轻量、5缸机、转子发动机等 点火时期的最佳控制 提高空燃比的控制精度 怠

9、速转速的低速化控制 后处理技术 1980年以后，尖端技术的发展，用户要求的多样化，微机的普及以及数字化控制的发展，使整车的综合控制技术全面开展到至今。1-3 汽车电控技术的现状及展望 一、现状 到目前为止整车控制包括： 1.动力传动系的控制。如 汽油机的控制， 柴油机的控制， 变速器的控制。 2.车辆控制。包括：悬挂控制（缓冲器、弹簧常数）， 定车速控制， 转向控制， ABS控制， 牵引力控制。 WS控制（4Wheels Steering） 3.车身控制。 空调数字仪表化 风挡刮水器控制 车门锁死控制（车速提高到一定值后自 动锁门）、车门遥控 障碍物探测 多重通讯系统（即一根信号线传递多种 信

10、号） 缓冲气袋（撞车时安全） 防盗系统 4.情报通讯：多通道情报系统。即一个显示装置可显 示多种信息、汽车电话 5.领航系统。（三个卫星）全球定位系统GPS，位置， 道路拥挤信息等二 、车用电子的发展前景 1半导体技术 ECU的小型化、轻量化、耗电量小的要求逐年提高。为此，LSI 大规模集成电路化，输出元件、传感器的智能化。 2微机的联网化（局域网） 装在车上的多个ECU的联网，由此可共用信息，相互故障诊断，发生故障时相互支援，与外部通信。 3引入新的控制理论 为了进一步提高汽车的功能，将引入各种控制理论。即用新的控制理论替代以往的PID控制。如现代控制理论，将汽车动态模型化， 进行更精密的动

11、力传递控制及车辆综合控制。 PID控制：指比例、积分、微分控制。 操作量u与偏差量成比例 积分消除定偏差 微分保证控制不受外部的干扰 kp：比例常数，T1：积分时间，TD：微分时间 4微机技术的不断完善 实现人工智能，集中熟练者的智慧，依此管理和抽检，故障分析系统，通过模拟人的神经网络，学习司机的习惯，以实现最舒适的汽车。 - -+ +- -+ +- -= =)()(1)(000 xxdtdTdxxxTxxkuDIp三、未来的汽车展望 对汽车的要求仍然是以下几方面： 大气污染 降低油耗 用户价值观的多样化 驾驶操安性、舒适性等 为此，在广泛的领域里应用电控技术，振动噪声控制技术，安全技术，而且

12、以往的机械控制转为电子控制化。 21世纪的汽车，信息化、概念化。 “20世纪的汽车是靠燃料跑的，而21世纪的汽车却靠信息跑”。 汽车通讯：除了收音机，手提电话以外，卫星电话，电波光纤，地上波、卫星数字通信等通信网；直接将外部信息代入车内；车内设有微机、携带信息终端、电视、传真机以及游戏机等办公设备和家庭用信息设备。 汽车将具有移动式办公室的机能； 汽车上设有红外线摄像仪、微波、激光、超声波雷达等许多探测设备，称为汽车的“眼睛”。 设有自动控制车间距离，障碍物探测和警报，车线脱线警报及控制，飞车警报及控制等机能； 通过音响识别技术的使用化，可实现汽车和驾驶员的对话，兼备秘书的作用。2-1 汽车发

13、动机电控的特点及分类 一、电控汽油喷射的特点 相对化油器比较有如下的特点： 1）提高发动机的设计自由度。 电控汽油喷射系统：由空气系、燃料系、控制系等组成，各系统的机能相互独立，所以安装性好； 进气系统可设计成动力性，充分利用波动效应提高充气效率； 进气阻力小，无节流损失。 加减速等过渡工况响应性好； 起动、暖车性能好。 第二章 电控汽油喷射 2）提高空燃比的控制精度。是最大的特点。 体现在： 多点喷射，各缸独立，所以各缸分配均匀性高； 氧传感器反馈控制基础上增加学习控制，提高空燃比的控制精度； 随大气环境变化，可修正空燃比； 加减速等过渡工况响应性好； 起动、暖车性能好。 3）提高经济性。

14、体现在： 根据各工况只供给所需量，不供给多余的量； 可形成稀薄燃烧过程。2电控汽油喷射的分类 汽油机的电控包括：电控汽油喷射（EFI）； 点火控制，爆震控制； 怠速控制； EGR控制； 故障自诊断等。 其中，电控汽油喷射又分为， 1）按空气流量测量方式分为： 质量流量方式：用空气流量计直接侧空气流量； 速度-密度方式：用转速、进气压力推算进气量； 节气门-速度方式：用节气门开度、转速推算进气量。 质量流量方式根据流量计分为：热线式、板式、卡门涡式油箱滤清器燃油泵喷油器分电器控制单元蓄电池起动开关水温传感器空气阀进气温度传感器冷起动喷油器调压器节气门开关压力传感器冷却水图1-2 D-Jetron

15、ic系统ECU蓄电池起动开关水温传感器起动喷射定时开关节气门开关分电器喷油器冷起动喷油器调压器燃料滤清器燃油泵空气阀空气流量计图 1-3 L-Jetronic系统表3-1 不同喷射方式的性能比较基 本 性 能其 他 特 性功率空燃比精度响应性EGR的影响特性恶化可靠性高地修正对增压的影响O2传感器的必要性安装性成本卡门涡式较好好较好好好一般较好较好一般一般板式一般好一般好一般一般较好较好一般一般热线式较好好较好好较好较好较好较好较好一般节气门速度式 好一般较好一般一般一般一般差好好速度密度式好一般较好一般好较好较好差好较好性 能类 型 2）按喷射方式分类 按喷射位置分为：缸内喷射 进气管内喷射

16、： SPI 单点喷射 MPI 多点喷射 按喷射时期分为： 连续喷射： 间歇喷射：同期喷射：独立喷射 同时喷射 分组喷射 非同期喷射：在起动、怠速等工况，同 一频率喷射以提高响应性。 连续喷射：与化油器类似，连续地供给燃料的喷射方式。 主要用于质量流量式进气管喷射方式。 特点：将空气流量的变化，转换成机械式位移变化， 在油路中计量孔前后压差一定的条件下，对应 位移变化改变计量孔面积，由此调节供油量， 达到控制空燃比的目的。 独立喷射：将每次燃烧所需要的燃料量，在各缸最适合的 喷射时期进行喷射。所以，可扩大稀薄燃烧的空 燃比界限，提高经济性。 但各缸独立，所以，需要气缸判别信号和与气 缸相同数目的

17、喷油器驱动电路。 同时喷射：每工作循环，所有喷油器分2次（对4缸机）同时喷射的方式。只限于进气管喷射方式。 不需要气缸判别信号，且喷油器驱动电路可共用。所以结构简单。 分组喷射：按燃烧顺序分组喷射，2组喷射：2缸同时喷射。 3）按喷射压力分为： 高压喷射：相对进气管压力200kPa 低压喷射：相对进气管压力200kPa 特点: 高压喷射：不易形成汽阻现象。但，要求燃油系有一定 耐压强度，输送高压油，油泵耗电增加，而且，结 构也大。 主要用于多点喷射。 低压喷射：易产生汽阻。但，燃油系的耐压要求低，结 构简化，轻，易小型化。主要用于工作时喷油器温度 低的单点喷射上。 2-2 质量流量方式 系统组

18、成：空气系、燃油系、控制系。 一、空气系 1.组成： 作用：计量和控制发动机燃烧所必要的空气量。 与化油器发动机不同之处在于流量计、节气门体以及空气阀。 2.空气流量计：热线式 板式 卡门涡式空滤器流量计节气门体空气阀稳压箱发动机a）热线式流量计的结构及测量原理构成： 热线布置在进气通道内， 温度传感器测进气温度， 定温差控制回路控制热线电流，使热线与空 气温差一定， 整流子保证测量稳定性图 3-5 热线式流量计VGIHTAT上游温度传感器热线（白金）采样管电路插座 防止回火栅空气（a） 结 构（b） 测量原理 测量原理： 空气流动场中的发热体（热线），向空气放热冷却。 当空气流速增加时，冷却

19、强度增加，散热量增加。 所以，传热系数设为 其中，a，b：常数， G：空气质量流量 对热线，由热平衡： A：热线传热面积，m2；TH：热线温度， TA：空气温度，I：热线电流，V：热线两端电压。Gba + += =a a）（）（AHAHTTAGbaTTAIV- -+ += =- -= =)(a a 保持（TH - TA）一定，则 所以， 即，热线电流直接与空气质量有关。 特点:不需要空气密度修正。 根据空气流量的变化，通过惠斯登电桥控制流经热线的电流，使（TH - TA）一定。 则，此时其输出特性为：GbaIV+ + RIV= = GbaI+ +G kg/sV 卡门涡式流量计 构成：整流器将空

20、气流动整流为层流 保证涡的发生稳定； 探测部由涡发生体、导压孔、反射镜； 进气温度传感器用来修正空燃比。 光电晶体管 卡门涡 导压孔 涡发生体 管路 V LED 图 3-8 测量原理： 在层流流场中放置一涡发生体，则在其后产生卡门涡群。 卡门涡产生的频率为： 其中，St：斯特劳赫尔常数。当 时， St =（0.1380.148） ； d：涡发生体的特征尺寸； V：来流速度 通过整流，保证层流， St =常数（0.1380.148）。 f 即，通过测量卡门涡的频率f，计算空气的流速V，由此求得 空气流量Q。dVSft= =41010=eRV3节气门体 作用：调节进入气缸的空气量，控制负荷（量调）

21、。 组成：节气门及其开度传感器；节气门缓冲机构； 怠速通道及其调节螺钉，控制怠速空气量； 冷却水路，由此加热节气门体，以防结冰。 旁通道 旁通流量调节螺钉 节气门 轴 油门拉线 油门脚踏板 节气门拉杆回位弹簧 图 3- 节气门体的基本结构 节气门 开度传感器 旁通空气量 调节螺钉 节气门 缓冲机构 控制杆 回位弹簧 图 3-9 节气门体 工作原理： 正常运行时，由油门控制节气门开度，改变进气通道面积，调节进气量Q，控制发动机输出功。 节气门开度传感器检测其开度状态，由ECU判断，并控制。 节气门的关闭靠回位弹簧，其弹力要克服节气门轴的摩擦力、传动系的摩擦力、减轻司机的负担。 设计要点： 节气门

22、开度与油门操作量的变化特性，应考率发动机节气门开度和车辆的最佳匹配，以保证驾驶性。 一般，采用开度与油门呈线性， 但大功率发动机采用非线性。 因大功率发动机节气门直径d大， 所以，少量的开度变化， 造成急加减速变化， 而且急加速时，车轮空转。 非线性 线性 节气门 开度 油门开度 节气门的缓冲机构： 其作用是在急减速时，松开油门后，使节气门在全关闭之前缓慢关闭。 原因：急减速时，突然松开油门，节气门靠弹簧力关闭，所以进气量迅速减少，使发动机输出功急剧降低，造成车辆行驶不舒感。4、 空气阀（快怠速装置） 作用： 是用来供给在起动后的暖车运转时，克服发动机内部摩擦力和快怠速暖车所必要的空气量。 控

23、制方法：空气阀的位置设置在与节气门并行布置的快怠速通道上。 起动后，冷态下被打开，空气经流量计后通过空气阀进入气缸，提高发动机的怠速转速，实现快怠速。当冷却水温提高到指定温度（暖车结束）后关闭。之后，进入正常怠速状态。 发动机转速 冷却水温 暖机终了 空气阀流量 流经节气门流量 起动 80 60 40 20 0 冷却水温， 冷却水温， 2000 1000 0 转速/1min 发动机 进气流量，m3/h 30 20 10 0 图 3-12 暖机特性 图 3-13 蜡式空气阀（a） 外 形发动机冷却水弹簧 A弹簧 B伞形阀热敏元件空气空气（b） 结 构图3-14双金属片式空气阀 加热线圈 稳压箱侧 空滤器侧 阀门双金属片 阀门 开口面积（起动前） 开口面积（暖车时） 转动销 双金 属片 螺旋 弹簧(b) 阀门结构原理(a) 结 构