发动机电控技术
第一章发动机电控系统概述
1．1 发动机电控技术的发展
汽车是当今社会最重要的交通工具之一。随着新兴科技领域的不断创新，尤其是计算机、电子控制技术、人工智能、生物工程、网络通信等高新技术的讯速发展，对汽车工业的发展产生了巨大的影响和渗透。汽车产业的快速发展也使相关产业从中得到了最大的收益。
从20世纪90年代开始，汽车已步入了一个全新的电子时代，电子技术在现代汽车上的应用越来越广泛，汽车电子化程度越来越高。发动机的电子控制不仅从单一项目的控制发展到多项复合集中控制，而且履盖汽油机、柴油机及近年来刚刚出现的混合动力等各种发动机。
当然，汽车的发展也带来了一些负面影响，如随着汽车保有量的增加，交通条件、安全、环境污染也成了日益严重的问题。汽车的安全、环保和节能是当今汽车技术发展的主要方向，而解决环保和节能两大难题是现代发动机的主要目标。
1．1．1 电控技术在发动机上的应用
随着电子技术的飞速发展，运用在现代汽车中新技术、新装置层出不穷。这些新型装置由品种繁多的传感器、电子控制单元（ECU）、微处理器、存储器、I/O接口、执行器、显示器和设计软件集合而成，可完成极其复杂的多元控制过程，以满足汽车技术性能要求。目前，在现代汽车发动机上，集中控制系统的应用最为广泛。在集中控制系统中，各种不同控制系统的传感器很多可以通用，控制功能集中，大大简化了系统结构、降低了生产成本、提高了控制效率。集中控制系统在不同形式的发动机上，其控制项目和组合形式各有异同，如大多数发动机点火控制均由发动机ECU统一控制，但有的发动机则单独由点火ECU控制，大多数发动机怠速控制是由发动机ECU控制，但有的发动机则将定速/怠速/加速控制共同由一个ECU控制。表1-1为发动机上应用较多的电子控制系统。
表1-1 发动机电子控制系统
息资料。所以发动机电子控制系统是一个非常复杂的综合控制系统，其配线也相当复杂。近年来汽车上已经开始应用CAN总线代替传统配线，它仅用一根光纤导线就可使信息交换迅速进行，其传递速度高，信息量大，并可同时提供与所有系统相关的许多信息，配线得到大大简化。
1．1．2 汽油机电控技术的发展
汽油喷射技术早在30年代已应用于航空发动机上，二次世界大战后，汽油喷射技术逐渐应用到汽车发动机上。
20世纪60年代，由德国波许(BOSCH)公司成功研制了K-Jetronic机械式汽油喷射系统。后来，在K-Jetronic系统的基础上，经改进成为KE-Jetronic机电式汽油喷射系统。
1957年，德国波许公司研制开发了D型电子控制汽油喷射系统，开创了汽油喷射电子控制的新时代。
20世纪70年代，德国波许公司在D型电子控制汽油喷射系统的基础上，又相继开发了L 型电子控制汽油喷射系统和LH型电子控制汽油喷射系统。
20世纪70年代，美国通用(GM)汽车公司采用了集成电路（IC）点火装置和高能点火（HEI）系统，并在分电器内装上点火控制线路，使点火系统成为一体。
1976年美国克莱斯勒汽车公司首创电子控制点火系统。系统中使用了模拟计算机，根据输入的空气温度、进气温度、水温、转速和负荷，计算出最佳点火时刻。1977年通用公司开始使用数字点火时刻控制系统。同年，福特公司将这种发动机上的电子控制系统扩展到同时控制废气再循环和二次空气喷射上。
1979年，德国波许公司开始生产集中电子点火和电控汽油喷射系统于一体的Motronic发动机集中控制系统。与此同时，美国和日本各大汽车公司也相继开发出与各自车型配套的电控发动机汽油喷射系统。
为了将电子控制汽油喷射系统进一步推广到普通轿车及轻型载货车上。1980年，美国通用公司首先研制成功一种结构简单、价格便宜的TBI节气门体喷射系统。1983年，德国波许公司又研制出Mono型单点喷
射系统。
1．1．3 柴油机电控技术的发展
随着石油危机的出现和汽车排放对大气污染的日趋严重，世界各国纷纷制定更严格的法规，要求柴油机的排放必须低于法规数值。对于柴油机的燃油装置来说，仅仅根据发动机转速控制喷油量和喷油时间的机械式燃油系统已经远远不能满足要求了。新的要求需要根据实时转速和实际负荷进行特殊形式的控制，或者根据温度、进气压力、运行状态等进行综合控制。
电子控制技术在满足柴油机排放法规、进一步提高燃油经济性、提高安全驾驶性能等社会
要求的背景下，从20世纪80年代开始，先后被各汽车生产厂家用来控制喷油定时和喷油量，到目前为止已经经历了三代变化：
第一代：凸轮压油、位置控制。
位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵-高压油管-喷油器系统，而且还保留了喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的传动机构，只是对齿条或滑套的运动位置，由原来的机械调速器控制改为电子控制，使控制精度和响应速度得以提高。柴油机的结构几乎无需改动，故生产继承性好，便于对现有机器进行升级改造。其缺点是控制自由度小，控制精度差，喷油率和喷油压力难于控
制，而且不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，也很难大幅度地提高喷射压力。
第二代：凸轮压油、时间控制。
发动机调速器时间控制系统是利用高速电磁阀直接控制高压燃油的喷射，喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量则取决于电磁阀关闭时间的长短。这样既可实现喷油量控制又可实现喷油定时的控制，其供油加压与供油调节在结构上就互相独立，使得传统的喷油泵结构得以简化，强度得以提高，而且传统喷油泵中的齿圈、滑套、柱塞上的斜槽、提前器、齿杆等可全部取消，喷油泵的设计自由度提高，高压喷油能力大大加强，控制自由度增大。但是这种喷油系统喷油压力依旧利用脉动柱塞供油，因此其对转速的依赖性很大。在低速、低负荷时，其喷油压力不高，而且很难实现多次喷射，极不利于降低柴油机的噪声和振动。
第三代：共轨蓄压、电磁阀时间控制。
电控共轨式喷油系统是20世纪90年代中期开发应用的一种新型柴油机电控喷油技术。它摒弃了以往传统使用的泵-管-嘴脉动供油的形式，代之用一个高压油泵在柴油机的驱动下，以一定的速比连续将高压燃油输送到共轨内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器。在这里，高压油泵并不直接控制喷油，而仅仅是向共轨供油以维持所需的共轨油压，并通过连续调节共轨油压来控制喷射压力，采用压力-时间式燃油计量原理，用高速电磁阀控制喷射过程，喷油压力、喷油量及喷油定时由电控单元（ECU）灵活控制。这
种系统具有以下优点：
1）可实现高压喷射，喷射压力可比一般直列泵系统高出一倍，最高可达200Mpa。
2）喷射压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷性能。
3）可以实现预喷射，调节喷油速率形状，实现理想喷油规律。
4）喷油定时和喷油量可自由选定。
5）具有良好的喷射特性，可优化燃烧过程，使发动机油耗、烟度、噪声及排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性。
6）结构简单，可靠性好，适应性强，能与小型、中型及重型柴油机匹配，可在所有新老发动机上应用，市场范围很大。
目前国外已开发出许多共轨喷油系统，其中比较典型的有：
1）美国BKM公司的servojet系统。这是一种典型的中压共轨式电控燃油喷射系统。
2）美国Caterpiller公司的HEUI系统，属于共轨液压式喷油系统，也属于中压共轨。
3）日本电装公司的ECD-U2高压共轨式喷油系统。
4）德国波许公司的高压共轨式喷油系统。
随着电控技术的采用，柴油机的面貌大为改观，电控系统响应快、控制精度高、控制策略灵活，不仅提高了发动机的工作可靠性、改善了排放，而且使柴油机原有的经济性好的优点更加突出，人们对柴油机所提出的种种苛刻要求也逐步得以满足。相信不久的将来，柴油机电控应用的鼎盛时期就会到来。
1．2 发动机电控燃油喷射系统的分类及主要控制内容
1．2．1 发动机电控燃油喷射系统的分类
燃油喷射系统的分类方法很多，主要按以下几种方式分类：
1．按喷射位置的不同分类：
（1）缸内直接喷射式：
该喷射方式是将汽油直接喷射到气缸内。因喷油器直接安装在发动机缸盖上，其本身必须能够承受燃气产生的高温、高压，且受到发动机结构制约，故这种形式采用较少。
（2）进气管喷射：
该喷射方式是目前普遍采用的喷射方式。根据喷油器和安装位置的不同又可分为两种：一种是在进气管的集合部有1~2个喷油器的单点节气门体喷射方式，也称为单点喷射方式；另一种是在各个气缸的进气歧管上各安装有一个喷油器的多点喷射方式。对于节气门体喷射，由于采用的喷油器少，易于实现计算机控制，成本比多点喷射方式低，但存在各缸燃料分配不均和供油滞后等缺点。与缸内喷射比较，喷油器不受缸内高温、高压的直接影响，喷油器的设计和发动机结构的改动都简单些。
2。按喷射控制装置的形式不同分类：
(1) 机械式：机械式汽油喷射系统早在五、六十年代就运用于汽车上，其空气计量板与汽油分配压差阀组合在一起。空气计量板检测空气流量的大小后，靠连接杆传动，操纵汽油分配压差阀的柱塞动作，以汽油计量槽开度的大小控制喷油量，以达到控制混合气空燃比的目的。见图1-1。
(2) 机电一体混合控制式：机电一体混合控制式汽油喷射系统是在机械式汽油喷射系统的基础上加以改进的产品，它与机械式汽油喷射系统的主要区别在于：在汽油分配压差阀上安装了一个由计算机控制的电液式压差调节器。ECU根据水温、节气门位置等传感器的输入信号控制电液式压差调节器动作，通过改变汽油分配压差阀汽油计量槽进出口油压差，以调节汽油供给量，达到对不同工况混合气空燃比修正的目的。见图1-2。
图1-1 机械式汽油喷射系统
1-喷油器；2-冷起动喷油器；3-汽油分配压差阀；4-空气计量板；5-暖机调节器；6-油箱；7-燃油滤清器；
8-电动燃油泵；9-蓄压器；10-速度继电器；11-最高速度切断器；12-辅助空气阀；13-节气门位置开关；14-热限时开关