fc汽油机电控喷射系统的电路设计.doc
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1、 汽油机电控喷射系统的电路设计09汽车检测与维修 20091407105 李治超内容摘要:电控汽油喷射系统的基本任务是以减少汽油机有害物排放为主要目标,尽可能兼顾发动机的其他要求。为了实现这一基本任务,空燃比的精确控制是关键,现代电子控制汽油喷射系统都遵循以空气流量和发动机转速为基本控制参数,以电控单元为控制核心,以喷油器为控制对象的控制原则。【关键词】汽油机 电子控制 电控单元第一章 汽油机电控系统的组成和工作原理1.1发动机电子控制的目的 (1)提供更足的动力。 (2)减少燃料的消耗。 (3)增长发动机的使用寿命。 (4)价格低。1.2 发动机电子控制的原因 汽车尾气中有害物质的排放量与进
2、入发动机的空气/燃料比(空燃比)的大小有直接关系。当发动机混合气浓度低时,有害物质的排放量大为减少,而采用低浓度混合气就必须采用特殊的混合方式和燃烧方式,否则燃烧将会不稳定,发动机动力性下降,排放及油耗反而上升,特别市采用稀薄混合气燃烧实现起来比较困难。 而随着排放法规的严格化,即便采用稀薄燃烧方式,也必能满足发动机所有工况下的排放要求。于是采用一种三元催化转换器来净化排气。空燃比只有在理论空燃比附近时,三元催化转换器才有较高的转换效率,而这时发动机运行的经济性并不是最好,二者相互矛盾。但采用电子控制技术后,发动机动控制单元根据各传感器传来的信息,分析发动机运行中的各种参数,并予以综合分析处理
3、,以达到较为满意的效果。另外控制发动机的最佳点火时间,可以降低发动机的油耗,然而燃油喷射量和点火时间与发动机的运行参数有很大关系,靠离心与真空调节的机械式点火系统只能咋发动机运行的个别点能达到最佳状态,而大部分工况下,均不能达到最佳值。如果通过采用电脑的电子控制系统,就能很容易地满足发动机在各种不同工况下均能达到最佳值的要求。1.3发动机电子控制的实现1.收集信号发动机通过各传感器收集进气量等信号,发动机动作控制单元根据传感器锁采集的信号对发动机的点火时间、喷油量等进行反馈控制,从而达到最佳的运行工况。2.信号输出在传感器接收到信号后,通过输入电路转换成微电脑可以接收的数字信号,微电脑通过各种
4、输入信号的计算、判断后发出各种控制信号,但这种信号是比较微弱的数字信号,不满足直接驱动各种控制动作的执行器,必须通过输出电路把信号放大后去控制燃油喷射过程和点火过程等。电子控制具有供油精确、响应快、动力性好及各缸油量分配均匀等优点。四、发动机电子控制系统的主要控制内容 (1)电子点火系统(2)电子控制燃油喷射系统 (3)发动机其他电子装置 废气再循环、怠速控制、冷却风扇、发动机排量、气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发及系统自我诊断功能等。第二章 电控汽油喷射系统2.1电控汽油喷射系统的发展历程简介 1934年德国研制成功第一架装用汽油喷射发动机的军用战斗机。第二次世界大战后期,美国开
5、始采用机械式喷油泵向气缸内直接喷射汽油的供油方式。 1952年曾用于二战德军飞机的机械式汽油喷射技术应用于轿车,德国戴姆勒-奔驰(Daimler-Benz)300L型赛车装用了德国博世(Bosch)公司生产第一台机械式汽油喷射装置。它采用气动式混合气调节器控制空燃比,向气缸直接喷射。1957年,美国本迪克斯(Bendix)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。由于汽油喷射系统比起化油器,计量更精确、雾化燃油更精确、控制发动机工作更灵敏,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
6、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全导致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-Je
7、tronic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少,使响应速度更快,性能更加卓越。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Motronic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
8、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,德国博世公司一推出了自己的单点汽油喷射系统,即Mono-Jetronic系统。2.2电控汽油喷射系统的功用现代汽车发电机电子控制燃油喷射系统EFI(Electronic Fuel Injection)简称电控燃油喷射系统,它的主要功能是控制汽油喷射、电子点火、怠速、排放、进气增压、发动机负荷、巡航、警告指示、自我诊断与报警、安全保险、备用功能。1. 电子汽油喷射(DFI)控制1) 电喷量控制电子控制单元(ECU)把发动机的转速和负荷作为主要控制信号,以确定喷油脉冲宽度(即基本喷油量),并根据其他信号加以修正,如冷却液温度
9、修正,最后确定总喷油量。2) 喷油正时控制当发动机采用多点顺序燃油喷射系统时,ECU除了控制喷油量以外,还要据发动机的各缸点火顺序,将喷油时间控制在最佳时刻,以使汽油充分燃烧。3) 断油控制汽车在正常行驶中,驾驶员突然放松加速踏板时,ECU将自动切断燃油喷射控制电路,使燃油喷射中断,目的是降低减速时HC和CO的排放量,而当发动机转速下降至临界转速时,又能自动恢复供油。4) 燃油泵控制当打开点火开关后,ECU将使燃油泵工作2至3秒,用于建立必须的油压。若此时发动机不启动,ECU将会切断电动燃油泵的电路,使燃油泵停止工作。在发动机启动和运转过程中,ECU控制燃油泵保持正常运转。2. 电子点火控制包
10、括点火提前角控制、通电时间(闭合角)与恒流控制、爆震控制。3. 怠速控制发动机在汽车制动、空调压缩机工作、变速器挂入档位,或发动机负荷加大等不同工况下,由ECU控制怠速控制阀,使发动机处于最佳怠速稳定转速下运转。4. 排放控制包括废气再循环、开环与闭环控制、二次空气喷射控制、活性碳罐清污电磁阀控制。5. 进气增压控制包括进气谐波增压控制和涡轮增压控制。6. 发动机控制ECU根据发动机输出电压的变化,调节发动机的励磁电流,使发动机输出的电压保持稳定。2.3电控汽油喷射系统的分类 1.按喷油器安装位置分为单点喷射(SPI)也称门体喷射多点喷射(MPI)2.按喷射时序分为同时喷射:所有喷油器同时喷油
11、,分组喷射:两个喷油器同时喷油,顺序喷射:按各缸进气行程的顺序轮流喷射3.按喷油方式连续喷射:多用于机械式或机电结合式汽油喷射系统,喷油量大小不取决于喷油器间歇喷射:广泛应用于现代电控汽油喷射系统, 喷油量大小取决于喷油器喷油阀开启时间4.按喷射部位缸内喷射:汽油直接喷射入气缸内(目前应用少), 需要较高喷射压力(约35MPa),喷油器结构和布置比较复杂缸外喷射:将喷油器安装在进气管或歧管上,喷射压力低压(约0.20-0.35MPa) 5.按喷油实现的方式分类机械式汽油喷射系统:汽油的计量是通过机械方式实现的。如Bosch公司K-Jetronic系统。机电结合式汽油喷射系统:汽油的计量是通过机
12、械和电液方式实现的。如Bosch公司KE-Jetronic系统。电控式汽油喷射系统:汽油的计量是通过电控单元和电磁喷油器实现的。如Bosch公司Motronic系统。2.4电控燃油喷射的主要优点(1)改善了各缸混合气的均匀性(2)使发动机的动力性和经济性有一定程度的提高(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第三章 汽油机电控喷射系统的主要电路 一个完整的电控汽油喷射系统通常由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三个系。3.1进气系统进气系统的组成与型式进气系统是测量和控制汽油燃烧时所需的
13、空气量的。其组成是由测量空气流量的方式决定的,根据测量空气流量的方式不同,进气系统有质量流量式的进气系统(用于L型EFI系统)、速度密度式的进气系统(用于D型EFI系统)和节流速度式的进气系统三种。一质量流量式进气系统图为质量流量式进气系统,该系统利用空气流量计直接测量吸入的空气量,通常用测得的空气流量与发动机转速的比值作为计算喷油量的标准。空气经过空气滤清器过滤后,用空气流量进行测量,然后通过节气门体到达稳压箱,再分配给各缸进气管。在进气管内由喷油器中喷出的汽油与空气混合后被吸入气缸内进行燃烧。 质量流量式进气系统结构图a)系统图 b)剖视图1-空气滤清器 2-空气流量计 3-节气门体 4-
14、节气门 5-进气总管(稳压箱) 6-喷油器 7-进气歧管 8-辅助空气阀节气门装在节气门体上,控制进入各缸的空气量,在该总成上还装有空气阀。当温度低时空气阀打开,部分附加空气进入进气总管,以提高怠速转速,加快暖机过程(亦称快怠速)。在装有怠速控制阀(ISCV)的发动机上,由ISCV来完成空气阀的作用。二、速度密度式进气系统 速度密度方式进气系统a)系统框图 b)系统构成图1-进气歧管绝对压力传感器 2-发动机 3-稳压箱 4-节流阀体 5-空气滤清器 6-空气阀 7-喷油器速度密度式进气系统,利用进气歧管绝对压力传感器测得进气歧管中的绝对压力,然后根据绝对压力值和发动机转速推算出每一循环发动机
15、吸入的空气量。由于进气歧管中的空气压力是变化的,因此速度密度方式不容易精确检测吸入的空气量。速度密度方式的进气系统组成如图所示,它与质量流量方式进气系统的主要差别是用进气歧管绝对压力传感器代替了空气流量计。经过空气滤清器过滤的空气,经节气门体流入稳压箱,分配给各缸进气管,然后与喷油器喷射的汽油混合形成可燃混合气,再吸入气缸内。三、.节流速度式进气系统3.11进气系统主要零部件的结构1.空气流量计空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间,用来测量进入气缸内空气量的多少,然后,将进气量信号转换成电气信号输入电控单元,从而由电控制单元计算出喷油量,控制喷油器向节气门室(进气管)喷入与进气量成最佳比例的
16、燃油。目前汽车上所用的空气流量计主要有叶片式空气流量计、卡门涡旋式空气流量计、真空度-转速(压感式)空气流量计(进气歧管压力传感器)、热线式空气流量计和热膜式空气流量计等五种。其中真空度-转速空气流量计仅为一只进气歧管压力传感器。(1)叶片式空气流量计所示是叶片式空气流量计的结构,图所示是叶片式空气流量计的空气通道,所示是叶片式空气流量计的电位计部分结构。叶片式空气流量计的结构1-电位计 2-电动汽油泵触点(可动)3-进气温度传感器 4-电动汽油泵固定触点 5-测量板(叶片)6-怠速调整螺钉叶片式空气流量计的空气通道1-旁通气道 2-进气温度传感器 3-阀门 4-阻尼室 5-缓冲板 6-主空气
17、通道 7-测量板(叶片)叶片式空气流量计的电位计部分结构图1-空气进口 2-电动汽油泵接点 3-平衡块 4-回位弹簧 5-电位计部分 6-空气出口 叶片式空气流量计由测量板(叶片)、缓冲板、阻尼室、旁通气道、怠速调整螺钉、回位弹簧等组成,此外内部还设有电动汽油开关及进气温度传感器等。在有的叶片式空气流量计中,还有一电动汽油泵开关,其作用是当点火接通而发动机不转动时,控制电动汽油泵不工作。一旦空气流量计中有空气流过时,此开关闭合,电动汽车油泵开始工作。这种有电动汽油泵开关的空气流量计的电插座一般为7脚。叶片式空气流量计电位器是以电位变化检测空气量的装置,它与空气流量计测量板同轴安装,能把因测量板
18、开度而产生的滑动电阻变化转换为电压信号,并送给电控单元(图a)。图 b所示是其工作原理图,在测量板的回转轴上,装有一根螺旋回位弹簧,当吸入空气推开测量板的力与弹簧变形后的回位力相平衡时,测量板即停止转动。用电位计检测出测量板的转动角度,即可得知空气流量。叶片式空气流量计电位器的内部电路如所示,电位计检测空气量有电压比与电压值两种方式。电位计与测量板的安装关系及叶片式空气流量计的工作原理a)电位计与测量板的安装关系 b)叶片式空气流量计的工作原理1-电位计 2-自空气滤清器来的空气 3-到发动机的空气 4-测量板 5-电位计滑动触头 6-旁通气道电位计内部电路1-电动汽油泵开关 2-电位计在VB
19、端子上加有蓄电池电压而形成电压VC,那么,检测出来的是VB-E2与VC-VS的电压比。如表中的图所示。电压值的检测方法为:吸入空气量随电位计动作变化的电压值。当在VC点加上一定的电压(+5V)时,电位计滑动触头的动作随吸入空气量变化,VS-E2间的电压变化直接作为吸入空气量信息,把滑动触头电压值送入电控单元并进行A/D变换,即可以数字信号输出检测结果。滑动触头电压与吸入空气量成正比,呈线性关系。a)电压值Us随进气量增加而降低 b)电压值Us 随进气量增加而升高(2)卡门旋涡式空气流量计卡门旋涡式空气流量计与叶片式空气流量计相比,具有体积小、重量轻、进气道结构简单、进气阻力小等优点。卡门旋涡式
20、空气流量计的结构按照旋涡数的检测方式不同,可以分为反光镜检测方式卡门旋涡式空气流量计和超声波检出方式卡门旋涡式空气流量计两种。图所示为反光镜检测方式卡门旋涡式空气流量计,这种卡门旋涡式空气流量计是把卡门旋涡发生器两侧的压力变化,通过导压孔而引向薄金属制成的反光镜表面,使反光镜产生振动,反光镜一边振动,一边将发光二极管射来的光反射给光电晶体管这样旋涡的频率在压力作用下转换成镜面的振动频率,镜面的振动频率通过光电耦合器转换成脉冲信号,进气量愈大,脉冲信号的频率愈高,进气量愈小,脉冲信号频率愈低。ECU根据该脉冲信号的频率,检测进气量(当然也要经过进气温度修正)和基准点火提前角,如图1-12c所示。
21、反光镜检测式卡门涡旋空气流量计结构 a)结构图 b)结构简图 c)输出脉冲信号波形1-反光镜 2-发光二极管 3-钢板弹簧 4-空气流 5-卡门旋涡 6-旋涡发生体 7-压力导向孔 8-光电晶体管 9-进气管路 10-支承板图所示为超声波检出式卡门旋涡式空气流量计结构图,这种空气流量计是利用卡门旋涡引起的空气疏密度变化进行测量的,用接收器接收连续发射的超声波信号,因接收到的信号空气疏密度的变化而变化,由此即可测得旋涡频率,从而测得空气流量。其具体方法是在卡门旋涡发生区空气通道的两侧,分别装上超声波发射头5和超声波接收器9,发射头4沿涡列的垂直方向发射超声波,由于旋涡使超声波的传播速度发生变化,
22、超声波受到周期性的调制,使其振幅、相位、频率发生变化。这种被调制后的超声波,被超声接收器9接收后,变换成相应的电压,再经整形、放大电路,形成与旋涡数目相应的矩形脉冲信号,然后送入电控单元作为空气流量信号。超声波检出式卡门旋涡式空气流量计1-整流栅 2-旋涡发生体 3-旋涡稳定板 4-信号发生器(超声波发射头) 5-超声波发生器 6-通往发动机 7-卡门旋涡 8-超声波接收器 9-与旋涡数对应的疏密声波 10-整形放大电路 11-旁通通路 12-通往计算机 13-整形成矩形波(脉冲)由于卡门旋涡式空气流量计,没有可动部件,反应灵敏,测量精度高,所以现在被广泛采用。卡门旋涡式空气流量计与叶片式空气
23、流量计直接测得的均是空气的体积流量,因此在空气流量计内均装有进气温度传感器,以便对随气温而变化的空气密度进行修正,从而正确计算出进气的质量流量。(3)热线式空气流量计热线式空气流量计有三种形式:一种是把热线和进气温度传感器都放在进气主通路的取样管内,称为主流测量式,其结构如图a所示;热线式空气流量计a)主流测量式热线式空气流量计 b)旁通测量式热线空气流量计 c)热膜式空气流量计1-防回火网 2-取样管 3-白金热线 4-上游温度传感器 5-控制回路 6-连接器7-热金属线和冷金属线 8-陶瓷螺线管 9-接控制回路 10-进气温度传感器(冷金属线)11-旁通气路 12-主通气路 13-通往发动
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