_汽油机电控概述

电控汽油发动机概述

通过本章的学习应掌握汽油机微机控制系统基本构成及三个基本组成的作用、主要控制功能、汽油喷射的分类等基本内容；

了解采用微机控制汽油喷射的主要优点。

§2.1汽油机电控系统及控制内容

自1967年德国（Bosch ）公司开发的D-Jetronic 电控汽油喷射系统面世以来，经过几十年的发展，汽油机电子控制技术经历了从模拟电路到数字电路，从普通电子控制到微型计算机控制，从单一功能到综合控制的过程。

§2.1.1 汽油机电控系统的构成

现在汽油机电控系统尽管种类繁多, 但作为一个控制系统, 它们具有与其它控制系统相同的三个基本组成部分：传感器、电控单元(Elcetronic Control Unit ,ECU)和执行组件构成如图2.1所示：

传感器的作用是将反映发动机运行状况的机械动作、热状态等物理量信息，转换成相应的模拟或数字电信号，并输送到电控单元。每一个传感器都是一个完整的测量装置，它们传输的信息，是电控系统做出各种控制决策的依据，如果没有这些传感器，电控单元就无法实现对发动机的有效可靠控制。一台发动机的电控系统应有多少个传感器，取决于控制功能的简繁和需要达到的控制精度。一般而言，控制功能越多，控制精度要求越高，所需的传感器越多。

电控单元（ECU ）是电控系统的核心。主要任务是：向各种传感器提供它们所需的基准电压（如：2V 、5V 、9V 、12V 等）；接收传感器或其它装置输入信号，并将它们转换为微机能够处理的数字脉冲；储存输入的信息，运用内部已有的程序对输入信息进行运算分析，输出执行命令；根据发动机性能的变化，自动修正预置的标准值；将输入信息与设定的标准值进行比较，如发现数据异常，确定故障位置，并把故障信息储存在内存中。

执行组件是在电控单元控制下完成特定功能的电气装置。在电控系统中，ECU 对执行组件的控制，一般通过控制执行组件电磁线圈搭铁回路来实现。

§2.1.2 汽油机电控系统的主要控制功能

汽油机微机控制系统的控制功能, 视发动机生产年份、制造商、发动机类型等有很大的差异。一般而言，生产年份较早的发动机，控制功能相对较少，而近年生产的发动机，电控系统控制功能已有很大的扩展。 主要控制如下：

一、汽油喷射控制：是汽油机电控系统最主要的控制功能，汽油喷射控制的内容主要有喷油正时控制、喷油持续时间控制、停油控制和电动汽油泵控制等。

喷油正时控制：即喷油开始时刻控制，包括根据曲线转角位置进行控制的同步喷射控制循和根据发动机运行工况进行控制的异步喷射控制两种方式。

喷油持续时间控制：也即喷油量控制。包括发动机起动时的喷油持续时间控制，发动机起动后的喷油持续时间控制两种控制程序。

停油控制：包括减速停油控制、超速停油控制及停油后的恢复供油控制。

电动汽油泵控制：包括发动机起动前电动汽油泵的预运转控制、发动机正常运转时电动汽油泵运转控制。

二、点火控制：是汽油机电控系统的第二个主要控制功能。电控系统对点火的控制包括点火正时控制、闭合角控制和爆震回馈控制三个内容。

点火正时控制：即最佳点火提前角控制。包括初级线圈接通时间确定和通过电流的修正及点火控制。

闭合角控制：即点火线圈通电时间控制。包括初级线圈接通时间确定和通过电流的控制。 爆震回馈控制：是汽油机电控系统特有的控制功能。包括爆震的检测和回馈修正控制。

三、怠速控制：当发动机处于工况时，ECU 根据转速的变化或附属装置接入与否，通过控制怠速控

制装置，调整怠速工况的空气供给，使发动机保持最佳的怠速转速。

四、排气净化控制：其功能包括氧传感器的回馈控制、废气再循环控制（EGR ）、二次空气喷射控制、活性炭罐清洗控制内容。

氧传感器的回馈控制：当ECU 根据发动机的运行工况确定对空燃比实行死循环控制时，ECU 根据氧传感器的回馈信号，修正喷油持续时间，把空燃比精确控制在14.7:1附近, 使三元催化净化装置具有最高的净化效率。

废气再循环控制：在采用废气再循环的发动机中，ECU 根据发动机的运行工况，通过真空电磁

阀对废气再循环过程及再循环废气量进行控制，以降低NO X 的生成量。

次空气喷射控制：在采用二次空气喷射装置的发动机中，ECU 根据发动机的运行工况及工作温度，向排气管或三元催化转化器喷入新鲜的空气，以减少某些特殊工况下CO 和HC 的排放量。

活性炭罐清洗控制：在装有活性炭罐清洗控制装置的发动机中ECU 定时打开炭罐清洗控制电磁阀，清洗活性炭层，恢复活性炭的吸附功能。

五、进气控制：包括进气谐振增压控制、进气涡流控制、配气定时控制及增压控制等。

进气谐振增压控制：在采用改变进气歧管长度的发动机中，ECU 根据发动机的转速，控制谐振阀的开或关，以改善发动机高、低速工况时的功率和扭矩输出特性。

进气涡流控制：在采用进气涡流控制的多气门发动机中，ECU 根据发动机转速，控制涡流阀的开或关，改变进气涡流强度，改善燃烧过程，提高发动机的输出扭矩和动力性。

配气定时控制：在采用可变配气定时的发动机中，ECU 根据发动机的负荷和转速，通过改变配气定时定时，提高发动机的充气效率，改善发动机的动力性和经济性。

增压控制：在采用废气充气涡轮增压的电控汽油机中，ECU 根据进气歧管压力控制增压器放气阀的开或关，使进气增压压力保持稳定。

六、故障自诊断和带故障运行控制

故障自诊断控制：当电控系统的组成组件发生故障时，ECU 根据故障类型做出最适当的应急处理，在大多情况下，使汽车仍能以稍差的性能行驶到汽修厂进行检修。

§2.2 汽油机燃油喷射系统的分类

由于生产的厂商和年代的不同，正在使用的电控汽油机品种繁多，布置形式和结构有较大的差异。为了对电控汽油机有一个概要的全面认识，对众多的电控汽油机按它们的主要结构特征或工作特征，可作如下分类。

§2.2.1按喷射位置分类

对采用压力喷射方式形成混合的电控汽油机，按汽油的喷入位置分类，可分为缸内直喷式和进气管喷射式两种类型。

一、缸内喷射方式

缸内喷射方式主要特点是：喷油器安装在气缸盖上，喷油器把汽油直接喷入发动机气缸内与空

气混合形成可燃混合气，如图：2.2所示

采用缸内喷射方式，通过合理组织缸内的气体流动可以实现分层稀薄燃烧，有利于进一步降低发动机有害排放和燃油消耗量。但采用缸内喷射方式，为了布置喷油器，气缸盖需要重新设计，同时也增加了气缸盖结构的复杂性，使制造成本增加。另外，采用缸内喷射方式，需要能耐高温和高压，动态响应速度快，可靠、寿命长的喷油器，目前在技术上还存在一定的困难。

在缸内喷射方式的电控汽油机开发研制中，取得较大成就的是日本三菱公司的GDI 系统。

二、进气管喷射方式

进气管喷射方式（也称缸内喷射方式）的特点是：喷油器安在进气总管或者进气歧管上，喷油器把汽油喷入进气总管或者进气歧管，喷入的汽油在进气气管中与空气混合形成可燃混合气，在进气行程被吸入气缸。采用进气管喷射方式，喷油器不与高温高压的燃气接触，且发动机改动很小，所以现代电控汽油机普遍采用进气管喷射方式。对于进气管喷射方式，按喷油器的安装部位不同，又分为单点喷射系统和多点喷射系统。

a) 单点喷射系统

单点喷射系统也称节气门体喷射或集中喷射系统，喷油器安装在进气总管的节气门上方，采用1—2个喷油器，如图2.3所示

单点喷射系统的主要特点是：结构简单，化油器式汽油机几乎不经过改制就能成为微机控制的汽油喷射发动机。另外，由于单点喷射系统的故障少，工作可靠性好。但是，由于单点喷射系统的燃油是喷在进气总管内，因此各缸混合气的均匀性不如多点喷射系统。

b) 多点喷射系统

多点喷射系统的喷油器安装在每一个气缸的进气歧管上，喷油器把汽油喷在进气门附近与进气歧管内的空气混合形成混合气，如图2.4所示。对于多点喷射系统，由于每一个气缸都有一个喷油器，使各缸混合气的均匀性得到很大的改善。另外在进气管设计时，可充分利用进气的惯性增压效应，实现高功率设计。现代微机控制汽油喷射发动机，普遍采用多点喷射系统。

§2．2．2 按喷射的时序分类

汽油喷射的时序分类，可以分为连续喷射方式和间歇喷射方式两种类型。

一、连续喷射方式

连续喷射也称稳定喷射。发动机运行期间，喷油器的喷油是连续进行的。这种喷射方式不需要考虑喷油定时和各缸的喷油顺序，因此控制非常简单，但混合气的均匀性、空燃比控制精度及过渡工况的回应特性都较差。

连续喷射方式仅用在Bosch 公司的机械控制汽油喷射系统（K-Jetronic 系统）和机电结合式汽油喷射系统（KE-Jetronic 系统）中。

二、间歇喷射方式

间歇喷射方式也称脉冲喷射。喷油器以间歇方式，在规定的时间段内把汽油喷入进气管。间歇喷射方式按各缸喷油器的工作时序，分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种。

I 同时喷射方式

同时喷射方式，各缸喷油器开始喷油和停止喷油的时刻完全相同，一般发动机每转一转，各缸喷油器同时喷油一次，发动机一个工作循环所需的油量，分二次喷入进气管，因此也称同时双次喷射方式，各喷油器的喷油正时及工作情况如图2.5所示

对于同时喷射方式，由于所有气缸的喷油是同时进行的，因此也称喷油正时与发动机的工作过程没有关系，各缸混合气形成时间的长短不一致，造成各缸混合气的质量不一致的缺点。但是，喷射方式具有不需要气缸判别信号，用一个控制电路就能控制所有的喷油器，电路与控制软件简单等优点，早期生产的电控汽油喷射发动机都采用同时喷射方式。

I 分组喷射方式

分组喷射方式把发动机所有气缸分成2组（四缸机）或3组（六缸机），ECU 用两个或三个控制电路控制各组喷油器。发动机工作期间，各组喷油器依次交替喷射，每个工作循环各组喷油器都喷射一次（或两次）。分组喷射方式各组喷油器的喷油正时和工作情况如图2.6所示

分组喷射方式的控制电路虽然比同时喷射方式复杂，但各缸混合气的质量及空燃比控制精度都有较大的提高。

三、顺序喷射方式

顺序喷射方式，也称独立喷射方式。发动机运行期间，喷油器按各缸的工作顺序，依次把汽油喷入各缸的进气歧管，发动机曲轴每转二转，各缸喷油器轮流喷油一次。顺序喷射方式各缸喷油器的喷油正时和工作情况如图2.7所示

由于顺序喷射是按各缸的工作顺序进行喷油，因此微机控制系统必须配置检测基准气缸活塞位置和行程特征的传感器，获得判缸信号。喷油开始时刻一般在排气行程上止点前60°～70°曲轴转角。

顺序喷射方式需要有与喷油器数目相同的控制电路，控制程序中需要增加基准气缸判别和喷油正时计算等内容，因此硬件设计和软件的编写都比较复杂。但顺序喷射可以使每一个气缸都具有较佳的喷油正时，对提高混合气的最终质量，保持各缸混合气质量的一致具有重要的意义，同时有利于减少有害物排放，提高燃油经济性。因此，现在的大多数电控汽油机都采用顺序喷射方式。

§2.2.3按喷射系统的控制方式分类

按汽油喷射系统的控制方式分类, 可分成机械式汽油喷射系统和电控汽油喷射系统.

a) 机械式汽油喷射系统

机械式汽油喷射系统是一种以机械控制方式对汽油喷射过程进行控制的系统。具有代表性的是Bcsch 公司的机械汽油喷射系统和机电混合式汽油喷射系统。

1．机械式汽油喷射系统，也称K —Jetronic 系统。1972年由德国Bosch 公司推出，如图2.8所示。该系统的汽油喷射控制装置和空气空气计量装置以机械方式方式相互连接，发动机工作时，空气空气计量装置的计量板被进气气流托起，计量板向上位移与进气量多少有关。计量板在向上移动的同时，通过相连的连杆 机构推动燃油计量分配器的柱塞向上移动，使燃油燃油计量槽孔的开启截面增大，供油量增加。若进气量减少，则计量板向下移动，燃油计量分配器柱塞在另一端油压的作用下，向下移动供油量减少。这种系统应用于早期的汽油喷射发动机中，现已为电控汽油喷射系统所代替。

2．机电混合式汽油喷射系统

机电混合式汽油喷射系统也称KE —Jetronic 系统，它是K —Jetronic 系统的改进型，德国Bosch 公司于1982年推向市场。KE —Jetronic 系统的基本构架与K —Jetronic 系统相同，汽油喷射控制仍为机械控制方式，两者的差异在于，后者增加了一个电控单元、若干个传感器及一个电液式压差调节器，如图2.9所示。

电控单元根据水温和节气门开度，通过电液式压差调节器，调节燃油计量分配器内系统油压的高低，改变计量槽进、出口的油压差，对喷油量进行修正，即对混合气的空燃比进行修正。KE —

Jetronic 系统空燃比的控制精度、发动机过渡工况特性较K —Jetronic 系统有较大的提高，但与电控汽油喷射系统相比仍的不小的差距。

b) 汽油喷射系统

现代电控汽油机已全部采用发动机集中管理系统，但汽油机电控系统发展的初期，都是仅具有单一电控汽油喷射控制功能，因此按电控系统的控制功能分类，可分为电控汽油喷射系统和发动机集中管理系统。

1． 单一电控汽油喷射系统

电控汽油喷射技术发展的初期，都采用仅有单一汽油喷射控制功能的电控系统。电控系统的电控单元，早期采用模拟电路控制单元，后来采用单片机控制单元。20世界70年代初期到80年代末，电控汽油喷射系统在中、高级汽油机轿车中有较广泛的应用，现已全部被发动机集中管理系统所代替。

2． 发动机集中管理系统

发动机集中管理系统由德国Bosch 公司于1979年首先推出，称为Motronic 系统，该系统是一个集汽油喷射控制、点火控制和空燃比回馈控制等多项控制功能于一体的电控系统，如图2.10所示。早期的发动机集中管理系统仅具有汽油喷射控制、战火控制和空燃比回馈控制三项功能。经过20多年的发展，现代汽油机发动机集中管理系统的基本控制除了以上三项外，还增加了怠速控制、活性炭清洗控制、故障自诊断和带故障运行等基本控制功能。此外，根据需要配置了相关的装置和系统，还能增加废气再循环控制、二次空气喷射控制、进气谐振增压控制、进气涡流控制、配气定时控制等控制内容和功能。近年生产的电控汽油机已普遍采用发动机集中管理系统。

§2．2．4按进气测量方式分类

为了精确控制汽油机混合气的空燃比，电控系统必须对发动机吸入的空气空气量进行测量，才确定相应的喷油量。按空气测量方式分类，可分为间接测量方式电控系统和直接测量方式电控系统两类。

c) 间接测量方式电控系统

由于节气门的开度和发动机转速、进气歧管压力和发动机转速与吸入空气量有一定对应关系。在间接测量方式电控系统中，ECU 通过测量发动机转速、节气门开度或进气歧管压力，计算出发动

机吸入的空气量。按所需测量的参数分类，可分为节流--速度方式和速度—密度方式两种。

1． 节流—速度方式

节流—速度方式是指ECU 通过测量节气门开度和发动机转速，根据节气门开度、发动机转速和发动机进气量的关系，算出每一循环的进气空气量，从而确定循环基本喷油量。

由于节流—速度方式直接检测节气门开度，因此发动机具有较好的过渡工况响应特性，在一些赛车上采用这种方式。但是节气门开度、发动机转速与发动机进气量之间的函数关系相当复杂，因此要精确确定进气量有一定的困难。

2． 速度—密度方式

速度—密度方式是指ECU 通过测量进气歧管压力和发动机转速。根据进气歧管压力、发动机转速和发动机进气量的关系，算出每一循环的进气空气量，从而确定循环基本喷油量。

速度—压力方式测量方法简单，喷油量精度容易调整和控制。但由于进气歧管内压力、发动机转速与进气量之间的函数关系比较复杂，在过渡工况和采用废气再循环时由于进气歧管内压力波动大，在这些工况测得的进气量误差较大，影响空燃比控制精度，因此需要对干量进行修正。采用速度—密度方式的典型电控系统是Bosch 公司的D —Jetronic 系统，如图2.11所示。国产轿车中，上海大众的99系列、SGM 的赛欧系列、广州的本田雅阁等采用这种进气量测量方式。

四、 直接测量方式电控系统

直接测量方式采用空气流量计直接测量发动机单位时间吸入的空气量。ECU 根据流量计测出的空气流量和发动机的转速，计算出每一工作循环吸入的空气量，从而确定循环基本喷油量。对于直接测量方式，按测出的是空气的体积流量、还是质量流量，可分为体积流量方式和质量流量方式。

1． 体积流量方式

体积体积流量方式采用翼片式空气流量计或卡门旋涡流量计，测量发动机单位时间吸入的空气体积。ECU 根据流量计测出的空气体积和发动机转速，计算出每一工作循环发动机吸入的空气体积，然后根据进气压力和温度转换为对应的空气质量，从而算出循环基本喷油量，这种进气测量方式与间接测量方式相比，测量精度高，有利于提高空燃比控制精度。但由体积流量方式测出的空气体积，还需要根据进气压力和温度转换成对应的空气质量。采用体积流量方式的典型电控系统是Bosch 公司的L —Jetronic 系统，如图2.12所示。

2. 质量流量方式

质量流量方式利用热线式或热膜式空气流量计，测量发动机单位时间吸入的空气质量。ECU 根据空气流量计测量出空气质量和发动机转速，计算出每一工作循环发动机吸入的空气质量，从而算出循环基本喷油量。质量流量方式具有测量精度高，响应速度快，结构紧凑，不需要进行质量换算的突出优点。采用质量流量方式的典型电控系统是Bosch 公司的LH —Jetronic 系统，如图2.13所示。国产大众的2000系列和帕萨特、SGM 的别克系列、一汽大众的捷达和奥迪，二汽的神龙富康等采用这种进气测量方式。

§2.3电控汽油喷射的主要优点

电控控制技术在汽油机上的应用, 全面提高了汽油机的综合性能, 与化油器式汽油机相比, 电控汽油喷射在以下几个方面有明显的改善和提高。

a) 改善了各缸混合气的均匀性

在化油器式汽油机中，当混合气在通过不同截面、不同长度，具有一定弯曲弧度的进气管时，由于空气和汽油微粒的密度不同，空气比较容易改变方向，而汽油微粒受惯性力的作用继续向进气管的末端运动，造成了各缸混合气浓度不均匀。对微机控制的多点喷射系统，燃油喷在各缸的进气歧管内，从进气总管分流到各缸仅仅是空气，这样就能使各缸混合气的浓度基本一致，有利于降低CO 和HC 的排放量，改善发动机的经济性。

b) 使发动机的动力性和经济性有一定程度的提高

由于电控汽油喷射采用压力喷射方式形成混合气，因此进气管中不需要设置喉管，这样可以降低进气系统的阻力，减少进气压力损失，使发动机具有较高的充气效率，有利于提高发动机的经济性和动力性。另外，电控汽油机一般不采用进气预热，这样可以提高进气的密度，有利于提高发动机的升功率。

c) 有害物排放量显著减少

现代电控汽油机都采用空燃比回馈控制，因此在死循环控制时，都能把空燃比精确控制在14.7:1（即入=1），此时三元催化剂具有最高的净化效率，使排入大气的CO 、CH 和NO X 大为减少。另外有些电控汽油机还采用废气再循环、二次空气喷射、进气涡流强度控制、废气涡轮增压等多种综合措施，这些综合措施不仅可以提高发动机的其它性能，而且进一步减少汽油机有害物的排放量。

d) 、改善了汽油机过渡工况响应特性

发动机运行工况发生变化，电控系统根据传感器的输入信号迅速调整喷油量或增加异步喷射，提供与发动机运行工况相适应的空燃比。不仅提高了汽油机变工况响应速度。而且也改善了工况过渡的平稳性。另外，电控发动机采用压力喷射方式，汽油的雾化质量好，蒸发速度快，在各种工况下混合气都有良好的质量，也有利于提高汽油机非稳定工况的性能。

e) 改善了汽油机对地理及气候环境的适应性

由于电控系统是根据进气质量来确定喷油量的，因此当汽车在不同地理环境或不同气候条件的专区行驶时，由于大气压和温度变化引起的进气密度变化，对电控系统空燃比控制没有影响，使汽车在各种地理环境及气候条件下，都能保持良好的排放性能。

f:提高了汽油机高低温起动性能和暖机性能

发动机在高温或低温条件下起动时，电控系统根据起动时发动机冷却水的温度，提供与起动条件相适应的喷油量，使汽油机在高温和低温条件下都能顺利起动。低温起动后，电控系统又能根据发动机冷却水温度，自动调整怠速空气供给量和喷油量，缩短了汽油机暖机时间，使发动机很快进入带负荷运行状态。

综上所述，电控系统使汽油机在低排放、低油耗和高功率等方面有了质的飞跃和提高。随着科学技术的进步与发展，电控系统的控制功能将会进一步拓展制造和使用成本将进一步提高，电子控制技术将会使汽车发动机的综合性能迈上新的台阶。

本章小结

本章介绍了电控系统的基本组成部分和主要控制功能，汽油机燃油喷射系统分类，汽油喷射的主要优点。（）电控系统由传感器、电控单元和执行组件三个基本组成部分构成。传感器的作用是将反映发动机运行状况的机械动作、热状态等物理量信息转换为电信号。电控单元是电控系统的核心，它的作用是处理输入各种信息及控制执行组件的工作。执行组件是在电控单元控制下，完成特定功能的电气装置 。（）现代电控系统主要控制功能有汽油喷射控制、战火控制、怠速控制、排气净化控制、进气控制及故障自诊断和带故障运行控制等。对于上述的每一项控制功能，都包含若干具体控制内容，这些控制内容有些属于基本内容，即所有现代电控系统都具备的，有些属于拓展控制内容，则因发动机而异。

实际上现在的汽油发动机基本上已经到了颠峰阶段，从能量转换到控制，都已经接近完美。除非……

下一步的发展，我认为将是巨大的改变，既能量的超高度利用。从散热上来讲，现阶段的发动机都无法避免这个问题，浪费能量很严重。这一点，甚至不如蒸汽机的利用率和转换率。

在这个问题实现之前，的确会发展到相对更好的动力程度，但是这只是片面的发展，谈不上趋势。因此，节能只是一个过度。

节油、高效采用VVT （可变正时气门）技术就是基于这2点

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