发动机电控燃油喷射技术.docx

1、发动机电控燃油喷射技术电控燃油喷射技术【摘要】本文从发动机的基础入手，以我们最常见的，应用最广泛的电控燃油喷射系统为例，较系统地介绍了汽油电控燃油喷射技术的发展历程，汽油电控燃油喷射系统的类型，结构组成，工作原理，较详细的介绍了迈腾轿车与明锐轿车电控燃油喷射系统组成与工作原理，例举了迈腾轿车，明锐轿车故障诊断与维修实例，文章内容具有较强的针对性与实用性，可作为汽车维修入门的参考资料。关键词： 电控燃油喷射系统 结构 工作原理Abstract: From the basic knowledge of the engine, to us the most common, the widely ap

2、plication of electronic fuel injection system as an example, the paper systematically introduces the gasoline fuel injection technology development, gasoline fuel injection system types, structure and work principle, is introduced in detail the maiteng car with mingrui electronic-control fuel inject

3、ion system composition and working principle, lists the maiteng car, mingrui fault diagnosis and maintenance examples, the article content with strong pertinence and practicability, can be used as automobile maintenance primer reference material.Key words: Electronic fuel injection system Structure

4、Working principle 1.1电控燃油喷射技术发展历程 1.2电控燃油喷射技术的功用 1.2.1汽油机电控燃油喷射技术的功用1.2.2柴油机电控燃油喷射技术的功用 2.1.1汽油机电控燃油喷射技术的分类 2.1.2柴油机电控燃油喷射技术的分类3电控汽油喷射系统的组成及工作原理 3.1.1汽油机电控汽油喷射系统的组成 3.1.2柴油机电控汽油喷射系统的组成 3.2 电控燃油喷射系统的工作原理3.2.1汽油机电控燃油喷射系统的工作原理3.2.2柴油机电控燃油喷射系统的工作原理 4汽油机直喷技术 4.1 概述 4.2 GDI发动机的特点4. 3 大众TDI柴油机5典型轿车电控燃油喷射系统

5、的故障诊断与检修 5.1汽油机典型轿车电控燃油喷射系统的故障诊断与检修 5.2柴油机典型轿车电控燃油喷射系统的故障诊断与检修 1电控燃油喷射技术简介1.1电控燃油喷射技术发展历程1.1.1汽油机电控燃油喷射技术发展历程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。第二世界大战后期，美国开始采用机械式喷射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被应用于轿车，德国戴姆乐-奔驰(Daimler-Benz)300L型赛车装用了德国博世(Bosch)公司生产的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

6、，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来，计量更精确、雾化燃油更精细、控制发动机工作更为灵敏，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全电子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

7、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-Jetronic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小，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

8、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，德国博世公司也推出了自己的单点汽油喷射系统,即Mono-Jetronic系统。1.1.2 柴油机电控燃油喷射技术发展历程 柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来

9、的。汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验。柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。 经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准(如欧洲、标准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，

10、解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。 柴油机电控技术发展的三个阶段是位置控制、时间控制、时间压力控制（压力控制）第一代柴油机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）,它的优点是结构不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代;缺点是系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度不够高，喷油压力无法独立控制。第二代柴油机电控燃油喷射系统（高压电控喷油系统）,它改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行“时间压力控制”或“压力控制”。该系统通过设置传感器、电控单

11、元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵的供油量和供油正时。但供油压力还无法独立控制。 1.2电控燃油喷射系统的控制功能1.2.1汽油机电控燃油喷射系统的控制功能 （1）喷油量控制电子控制单元（ECU）把发动机的转速和负荷信号作为主要控制信号，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，如冷却液温度信号等，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，还要根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。多点喷射分为同时喷射，即各缸喷油

12、时刻相同；分组喷射，即多缸发动机分为若干组进行喷射，同一组各缸同时喷油，不同组间顺序喷油；顺序喷射，即按点火顺序要求逐缸喷油。喷油正时就是喷油器什么时候开始喷油的问题。对于多点间歇喷射发动机，喷油正时分为同步喷射和异步喷射。同步喷射指在既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。发动机在启动和加速时，为了保证启动迅速、加速响应快，ECU会根据水温、节气门变化程度适当地增加供油量，此时应采用与曲轴的旋转角度无关的异步喷射。另外，采用卡门旋涡式流量计的发动机，其喷油器的开启时间与其涡流频率同步。下面介绍同步喷射发动机中的顺序喷射。顺序喷射也叫独立喷射。曲轴每

13、转两转，各缸喷油器都轮流喷射一次，且像点火系统一样，按照特定的顺序依次进行喷射。各缸喷油器分别由微机进行控制，驱动回路数与气缸数目相等，如图1-1所示。顺序喷射方式由于要知道向哪一缸喷射，因此应具备气缸判别信号，常叫判缸信号。采用顺序喷射控制时，应具有正时和缸序两个功能，微机工作时，通过曲轴位置传感器输入的信号，可以知道活塞在上止点前的位置，再与判缸信号相配合，可以确定向上止点运行的是哪一缸，同时应分清该缸是压缩行程还是排气行程。图1-1 顺序喷射的控制电路因此当微机根据判缸信号、曲轴位置信号，确定该缸是排气行程且活塞行至上止点前某一喷油位置时，微机输出喷油控制信号，接通喷油器电磁线圈电路，该

14、缸即开始喷射。顺序喷射可以设立在最佳时间喷油，对混合气的形成十分有利，因此它对提高燃油经济性和降低有害物的排放等有一定好处。尽管顺序喷射方式的控制系统的电路结构及软件都较复杂，但这对日益发展的先进电子技术来讲，是比较容易得到解决的。顺序喷射方式既适合进气歧管喷射，也适用于气缸内喷射。（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23S，用于建立必需的油压。若此时发动机不起动，ECU将会切断电动燃

15、油泵控制电路，使燃油泵停止工作。在发动机起动和运转过程中，ECU控制燃油泵保持正常运转。1.2.2柴油机电控燃油喷射技术的功用 燃油喷射控制主要包括供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制、供（喷）油速率控制和喷油压力控制等。2电控燃油喷射系统 2.1电控燃油喷射系统的分类2.1.1汽油机电控燃油喷射系统的分类电喷系统发展至今，已有多种类型。根据其结构特点分为以下几种类型。（1）按系统控制模式分类在发动机电喷控制系统中，按系统控制模式可分为开环控制和闭环控制两种类型。1）开环控制 就是把根据试验确定的发动机各种运行工况所对应的最佳供油量的数据事先存入计算机中，发动机在实际运行过程中，主要根据各个传

16、感器的输入信号，判断发动机所处的运行工况，再找出最佳供油量，并发出控制信号。2）闭环控制 闭环控制系统又称为反馈控制系统，其特点是加入了反馈传感器，输出反馈信号，反馈给控制器，以随时修正控制信号。闭环控制系统在排气管上加装了氧传感器，可根据排气管中氧含量的变化，测出发动机燃烧室内混合气的空燃比值，并把它输入计算机中再与设定的目标空燃比值进行比较，将偏差信号经功率放大器放大后再驱动电磁喷油器喷油，使空燃比保持在设定的目标值附近。因此，闭环控制可达到较高的空燃比控制精度，并可消除因产品差异和磨损等引起的性能变化对空燃比的影响，工作稳定性好，抗干扰能力强。采用闭环控制的燃油喷射系统后，可保证发动机在

17、理论空燃比(14.7)附近很窄的范围内运行，使三元催化转换装置对排气的净化处理达到最佳效果。 但是，由于发动机某些特殊运行工况(如启动、暖机、加速、怠速、满负荷等)需要控制系统提供较浓的混合气来保证发动机的各种性能，所以在现代汽车发动机电子控制系统中，通常采用开环与闭环相结合的控制方式。 （2）按喷油器的喷射方式分类 在发动机电子控制系统中，按喷油器的喷射方式可分为连续喷射和间歇喷射两种形式1） 连续喷射喷油器稳定连续地喷油，其流量正比于进入气缸的空气量，故又称为稳定喷射。2） 间歇喷射 又称为脉冲喷射或同步喷射。其特点是喷油频率与发动机转速同步，且喷油量只取决于喷油器的开启时间(喷油脉冲宽度

18、)。因此，ECU可根据各种传感器所获得的发动机运行参数动态变化的情况，精确计量发动机所需喷油量，再通过控制喷油脉冲宽度来控制发动机各种工况下的可燃混合气的空燃比。由于间歇喷射方式的控制精度较高，故被现代发动机集中控制系统广泛采用。如图2-1所示，间歇喷射又可细分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射。(a) 同时喷射 (b) 顺序喷射 (c) 分组喷射图2-1间歇喷射三种形式 同时喷射是指发动机在运行期间，各缸喷油器同时开启、同时关闭。 分组喷射是将喷油器按发动机每工作循环分成若干组交替进行喷射。 顺序喷射则是指喷油器按发动机各缸的工作顺序依次进行喷射。顺序喷射是缸内喷射和进气管喷射都可采用的喷射方式

19、。相比而言，由于顺序喷射方式可在最佳喷油情况下，定时向各缸喷射所需的喷油量，故有利于改善发动机的燃油经济性。但要求系统能对待喷油的气缸进行识别，同时要求喷油器驱动回路与气缸的数目相同，其电路较复杂，多在高档轿车发动机控制系统中采用。(3) 按喷油器的喷射部位分类在发动机电子控制系统中，按喷油器的喷射部位进行分类，又可分为缸内喷射和缸外喷射两种形式。1) 缸内喷射它是将喷油器安装于缸盖上直接向缸内喷油，因此需要较高的喷油压力(3到12MPa)。由于喷油压力较高，故对供油系统的要求较高，成本也相应较高。同时由于要求喷出的汽油能分布到整个燃烧室，故缸内喷油器的布置及气流组织方向比较复杂，同时发动机设

20、计时需保留喷油器的安装位置，使发动机的结构设计受到限制，在过去的机械式汽油喷射系统中，尚有这一类型的例子，但现在已经不使用了。 汽油缸内直接喷射式()发动机，是上世纪90年代末国外内燃机研究与开发中最引人注目的发动机。专家们认为，发动机的出现使汽车发动机技术进入了一个崭新的时代。它将在21世纪取代传统的汽油机和柴油机而成为轿车最理想的动力装置。与传统的汽油发动机相比较，发动机的工作特点是，将燃油直接喷入气缸，利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化效果达到燃烧的目的。据有关资料介绍，发动机在工作的均匀性及全负荷下的性能方面都有极佳的表现，而且使汽油机的冷车工作不稳定性问题也有了显著的改善。此外，发动机

21、还有实现分层燃烧的特点，可使燃油经济性大大提高。 发动机与一般汽油发动机的主要区别在于汽油喷射的位置，目前一般汽油发动机上所用的汽油电控喷射系统，是将汽油喷入进气歧管或进气管道上，与空气混合成混合气后再通过进气门进入气缸燃烧室内被点燃作功；而缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷注汽油，它将喷油嘴安装在燃烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油混合成混合气被点燃作功，这种形式与直喷式柴油机相似，因此有人认为，汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。缸内喷注的关键在于产生与传统发动机不同的缸内气流运动状态，通过技术手段使喷射入气缸的汽油与空气形成一种多

22、层次的旋转涡流。因此GDI采用了立式吸气口、弯曲顶面活塞、高压旋转喷射器等三种技术手段。目前，各国的汽车公司都在大力开发和采用这种技术先进、性能优异的产品。日本三菱汽车公司一直处于领先地位。自1996年月率先向市场投放第一台发动机以来，三菱公司先后又开发出了多种不同类型的发动机，即2.4L四缸机、3.0L六缸机和3.5L六缸机，它们已分别装用于四种中、大型轿车投放市场。近年来，该公司又推出多种新机型:4.5L的V8机、1.5L的直列四缸机和0.66L的直列三缸机。三菱公司称，其1.8L的发动机不仅可节省燃油20，降低排放20，而且还可把发动机的功率和扭矩提高10。继三菱之后，丰田公司研制出一种

23、型2.0L的发动机，并已批量装车使用。随后，丰田公司又开发出1.6L、1.8L和2.0L的发动机。据该公司说，其型发动机可降低油耗30左右，提高功率约10。 除上述两家公司外，日本其它厂家也有多种发动机上市，如日产3.0L和2.5L的V6机、富士重工2.5L的卧式对置四缸机、马自达2.0L的直列四缸机和本田1.0L的直列三缸机。与日本一样，美国和欧洲的汽车厂家也都在积极研究技术和开发产品。据报道，美国福特汽车公司正与威斯康星麦迪逊大学联手研制发动机。经过深入研究发现，发动机有进一步提高热效率和功率的潜力。克莱斯勒汽车公司开发的四冲程汽油机在采用了其两冲程汽油机科研成果后，使燃油经济性提高了20

24、-30。该公司称，目前所获得的这种燃油经济性(5.2L/100km)，简直可以与小排量的直喷式柴油机相媲美。德国奔驰汽车公司于上世纪末投资近亿马克，开始全面启动研究项目。该公司认为，欧洲汽车装用的发动机应能满足欧洲法规对排放标准的最新要求。大众公司开发的发动机，在法兰克福国际汽车博览会上首次亮相后便得到一致好评。奥迪公司也于上世纪末推出了其1.2L三缸发动机(每缸气门)。据介绍，该机的油耗较同等功率(56kW)的传统发动机低15-20。另据报道，鲍许公司为发动机开发出一种“共轨”喷油系统，其优良的设计可使燃油经济性改善20-50。2）缸外喷射它是指在进气歧管内喷射或进气门前喷射。在该方式中，喷

25、油器被安装于进气歧管内或进气门附近，故汽油在进气过程中被喷射后与空气混合形成可燃混合气再进入气缸内。理论上，喷射时刻设计在各缸排气行程上止点前70左右为佳。喷射方式可以是连续喷射或间歇喷射。 相比而言，由于缸外喷射方式汽油的喷油压力(0.1到0.5MPa)不高，且结构简单，成本较低，故目前应用较为广泛。 (4) 按空气量的检测方式分类在发动机电子控制系统中，根据空气进气量的检测方式，可分为直接检测方式和间接检测方式两种。直接检测方式称为质量-流量方式(如K型、KE型、L型、LH型等)，间接检测方式又可分为速度-密度方式(如D型)和节气门-速度方式。由于空气在进气管内的压力波动，故该方法的测量精

26、度稍差。L型EFI系统是用空气流量计直接测量发动机吸入的空气量，其测量的准确程度高于D型，故可更精确地控制空燃比。D和L型系统均采用多点间歇脉冲喷射方式，配用这两种系统的发动机可获得良好的综合性能，目前，在汽油发动机上得到广泛应用。 2.1.2柴油机电控燃油喷射技术的分类（1）位置控制方式位置控制系统不仅保留了传统的泵管嘴系统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。（2）时间控制方式时间控制系统是用高速强力电磁阀直接控制高压燃油，一般情况下，电磁阀关闭，开始喷油；电磁阀打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量

27、取决于电磁阀关闭的持续时间。传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前期等全部取消，对喷射定时和喷射油量控制的自由度更大。 （3）时间压力控制方式 第二代柴油机电控燃油喷射系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，对喷油量的控制采用“时间压力控制”或“压力控制”，用的最多的是“时间压力控制”方式。在该系统中，控制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制三通电磁阀工作实现喷油量和喷油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。 （4）压力控制方式在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采

28、用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。在系统中，根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制。 共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理，通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或者高压共轨等形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程，可以实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨

29、腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。 2.2电控燃油喷射技术的特点2.2.1汽油机电控燃油喷射技术的特点汽油机电控燃油喷射系统的优点1)能实现空燃比的高精度控制。2） 充气效率高3）瞬时响应快4）启动容易5）节油和排放效果明显6）减速限速断油功能，能降低废气排放量节省燃油7）便于安装2.2.2 柴油机电控燃油喷射技术的特点柴油机电控燃油喷射技术的特点是改善低温起动性、降低氮氧化物和烟度的排放 、提高发动机运转稳定性 、提高发动机的动力性和经济性 、控制

30、涡轮增压、适应性广等。3 电控汽油喷射系统的组成及工作原理3.1 汽油机电控喷射系统的组成及工作原理3.1.1组成电控汽油喷射系统尽管类型不少，品种繁多，但它们都具有相同的控制原则：即以电控单元(ECU)为控制核心，以空气流量和发动机转速为控制基础，以喷油器、怠速空气调整器等为控制对象，保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳混合气成分和点火时刻。相同的控制原则决定了各类电控汽油喷射系统具有相同的组成和类似的结构。电控汽油喷射系统大致可分为进气系统、燃油系统和电子控制系统三个部分。(1)进气系统进气系统，又称空气供给系统，其功能是提供、测量和控制燃油燃烧时所需要的空气量，如图3-1所示(以L型系统

31、为例)。空气经空气过滤器过滤后，由空气流量计(在D-Jetronic系统中为进气歧管绝对压力传感器)计量，通过节气门体进入进气总管，再分配到各进气歧管。在进气歧管内，从喷油器喷出的燃油与空气混合后被吸入气缸内燃烧。一般行驶时，空气的流量由进气系统中的节气门来控制。踩下加速踏板时，节气门打开，进入的空气量多。怠速时，节气门关闭，空气由旁通气道通过。怠速转速的控制是由怠速调整螺钉和怠速空气调整器调整流经旁通气道的空气量来实现的。怠速空气调整器一般由电控单元(ECU)控制，在气温较低发动机暖机时，怠速空气调整器的通路打开，以供给暖机时必须给进气歧管的空气量，此时发动机转速较正常怠速高，称为快怠速。随着发动机冷却水温升高，怠速空气调整器使旁通气道开度逐渐减小，旁通空气量亦逐渐减小，发动机转速逐渐降低至正常怠速。（2）燃油系统燃油供给系统的功能是向发动机精确提供各种工况下所需要的燃油量。燃油系统一般由油箱、电动燃油泵、过滤器、燃油脉动阻尼器、燃油压力调节器、喷油器、冷启动喷油器及供油总管等组成，如图3-2所示。图3-1 进气系统 图3-2 燃油系统 燃油由燃油泵从油箱中泵出，经过过滤器，除去杂质及水分后，再送至燃油脉动阻尼器，以减少其脉动。