第一章　汽车发动机电子控制装置

第一节　汽油发动机电子喷射系统

一、汽油喷射系统的发展及应用

汽车发动机电子控制系统的英文名是Engine Electronic Control System（EECS或EEC系统）。发动机电子控制系统（EECS）的主要功能是控制燃油喷射式发动机的空燃比和点火时刻。除此之外，还有控制发动机启动、怠速转速、排气再循环、闭缸工作、二次空气喷射、进汽增压、爆震、发电机输出电压、电动燃油泵和系统自诊断等辅助功能。

自从1967年博世公司研制开发成功了K型机械式汽油喷射系统以来，汽油喷射系统经历了K型系统、K-E型系统（机械与电子混合控制）、EFI（电控燃油喷射系统）的发展过程。

目前除少数汽车仍在采用K或K-E系统外，大多数都采用了EFI（电控燃油喷射系统）。SPI单点燃油喷射系统因其结构较简单，只用一个喷油器，发动机结构在化油器式的基础上变动较少，成本较低，故国内外现在已经迅速推广应用在低排量的普通轿车甚至载货汽车上。大排量的轿车大多采用MPI多点喷射。

目前代表国际中级轿车顶尖水平的第5代车型，如奥迪A6和帕萨特（PASSAT）B5等都是采用了多点电控喷射。而且它们还采用了德国大众集团独有的领先于世界的三大技术，即5气门技术、可变配气相位技术和可变进气管技术。以前汽车都是采用每气缸1进气门1出气门的2气门发动机，现代轿车上多数采用了2进2出的4气门发动机，而5气门发动机技术是采用3进2出的方法，在每个燃气室有5个气门，使燃气混合更快、更均匀，排气也更迅速、更彻底，燃烧室的空间可以得到更充分的利用。因此，发动机的动力性将得到提高，废气排放将大大减少。可变凸轮轴通过改变进排气门的开启和关闭时间（可变配气相位），使发动机在高转速工况下获得尽可能高的功率，在低转速的情况下极大地降低了燃烧不平稳性，提高转矩。采用可变通的通道进气管，即随发动机的转速和负荷改变进气路径长短，高转速时，通道变短，减少流动损失，提高高速功率。低转速时，进气通道变长，提高进气流速，增加转矩。

日本日立（HITACHI）公司近年来开发了一种MSI（Multi Stream Injection）系统，即所谓单点多方向喷射系统。它采用一个喷油器同时向各缸的进气歧管喷射，因此性能比SPI强，成本比MPI低。且发动机的质量轻，它的质量约为2kg，比SPI的3.4kg及MPI的5kg都要小。虽然排放性能比MPI差，但还是可以达到欧洲3号标准。目前正将该系统推广应用在小排量的3缸普及型轿车和微型车上。

近年来，高档豪华轿车有采用DI（Direct Injection）系统，即采用直喷系统的趋势。该系统最早由日本三菱公司研制开发，它是将喷油器安装在每个气缸的燃油室上方，燃油直接喷入气缸内进行混合燃烧，一般喷射系统的喷射压力为250kPa，而DI系统的喷射压力将达到5MPa以上。由于压力增大，因而燃烧更充分，效率更高，可以节约燃料20%以上，并能满足2005年开始实施的欧洲4号排放规定。但是，由于它必须使用低硫汽油，其目前的应用还受到一定限制，汽油直喷式发动机的开发成功为制造出更节能、更干净的汽车提供了良好的开端。缸内直喷特别是四冲程汽油机缸内直喷是当前轿车汽油喷射中的前沿技术，电控燃油直喷式发动机将成为21世纪汽车的主流。桑塔纳2000型电控燃油喷射系统见图1-1。

二、汽油喷射系统的优缺点

汽油喷射系统的实质就是一种新型的汽油供油系统。化油器利用空气流动时在节气门上方的喉管处产生负压，将浮子室的汽油连续吸出，经过雾化后输送给发动机。汽油喷射系统则是通过采用大量的传感器感受各种工况，根据直接或间接检测的进气信号，经过计算机判断和分析，计算出燃烧时所需的汽油量，然后将加有一定压力的汽油经喷油器喷出，以供发动机使用。

电控发动机系统取消了化油器供油系中的喉管，喷油位置在节气门下方，直接在进气门负极或缸内，有计算机控制喷油器精确供油。与化油器式发动机相比，汽油喷射系统具有以下优点。

①提高了发动机的充气系数，从而增加了发动机的输出功率和扭矩。这是因为汽油喷射系统没有化油器的喉管，减少了进气压力的损失；汽油喷射是在进气歧管附近，只有空气通过歧管，这样可以增加进气歧管的直径，增加进气歧管的惯性作用，提高充气效率。

②能根据发动机负荷的变化，精确控制混合气的空燃比，适应发动机的各种工况，使汽油燃烧充分，降低油耗，减少排气污染，而且响应速度快。

③可均匀分配各缸燃油，减少了爆震现象，提高了发动机工作的稳定性。同时，也降低了废气排放和噪声污染。

④提高了汽车驾驶性能。在寒冷的季节里，化油器主喷油管的附近容易结冰，会造成发动机输出功率不足，而汽油喷射供油不经过节气门和进气歧管，所以没有结冰现象，从而提高了冷启动性能；另外，汽油喷射是高压供油，喷出的汽油雾滴比较小，汽油不经过进气歧管，所以，当突然加速时，雾滴较小的汽油能与空气同时进入燃烧室混合，因而比化油器供油的响应速度快，加速性能好。

与传统的化油器相比，电控汽油喷射系统可以使汽车燃油消耗率降低5%～15%，废气排放量减少20%左右，发动机功率提高5%～10%。电控汽油喷射系统无论是从燃油经济性、发动机动力性，还是从排气和噪声污染等方面，都具有化油器式发动机无法比拟的优越性。电控汽油系统的缺点在于价格偏高、维修要求高。

三、电控汽油喷射系统的组成

汽车发动机电子控制系统由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三部分组成。

（一）空气供给系统

空气供给系统简称供气系统。其作用是为发动机提供必要的空气。一般由空气滤清器、节气门体、节气门、空气阀、进气总管、进气歧管等部分组成。另外，为了随时调节进气量，进气系统中还设置了进气量的检测装置，见图1-2。

燃油在发动机气缸内燃烧需要一定数量的空气，空气供给系统的任务就是为发动机提供必要的空气，并测量出进入气缸的空气量。根据发动机怠速转速的控制方式不同，供给空气的进气道分为有旁通空气道和无旁通空气道两种。设有旁通空气道的空气供给系统的结构如图1-3所示。

发动机工作时，空气通道为进气口→空气滤清器→空气流量传感器→进气管→节气门→动力腔→进气歧管→发动机进气门→发动机气缸。

当发动机怠速运转时，空气通道为进气口→空气滤清器→空气流量传感器→进气管→节气门前端的旁通空气道入口→怠速转速控制阀→节气门后端的旁通空气道出口→动力腔→进气歧管→发动机进气门→发动机气缸，如图1-4所示。

捷达AT、GTX以及桑塔纳2000GSi型轿车的怠速转速采用节气门直接控制方式，空气供给系统没有设置旁通空气道，这种供给系统的结构如图1-5所示，主要由空气滤清器、空气流量传感器、进气软管、进气歧管、动力腔、节气门位置传感器、进气温度传感器等组成。

发动机工作（包括怠速）时，空气通道为进气口→空气滤清器→空气流量传感器→进气软管→节流阀体→动力腔→进气歧管→发动机进气门。

空气经滤清器后，由节流阀体进入动力腔，再分配给各缸进气歧管。进入发动机气缸空气量的多少由电控单元（ECU）根据安装在进气道上的空气流量传感器检测的进气量信号求得。捷达AT、GTX与桑塔纳2000GSi型轿车发动机供气系统在发动机怠速时的标准进气量为2.0～5.0g/s。

L型和D型EFI系统框图如图1-6所示。在L型EFI系统中，采用装在空气滤清器后的空气流量计（空气流量传感器）直接测量发动机吸入的进气量。其测量的准确度高于D型EFI系统，可以精确地控制空燃比。“L”是德文“空气”的第一个字母。

D型EFI系统是根据进气歧管压力传感器进行检测。由于进气管内的空气压力在波动，所以控制的测量精度稍微差些。“D”是德文“压力”的第一个字母。

空气阀只是在发动机温度低时用来调节进气量，控制发动机的怠速转速。

节气门总成包括控制进气量的节气门通道和怠速运行的空气旁通道。节气门位置传感器与节气门轴相连接，用来检测节气门的开度。

　　1.空气滤清器

空气滤清器的作用是清除进入发动机气缸的空气中的尘土、砂粒和杂质，以减少气缸、活塞和活塞环的磨损。

桑塔纳2000型电控燃油喷射发动机上的空气滤清器是由空气滤清和温度调节两部分组成。主要由滤清器壳、滤清器盖、滤芯、进气软管、热空气软管、热空气收集板及温度调节器等组成，如图1-7所示。

发动机工作时，冷、热空气从滤清器壳体下部进入，经滤芯过滤后，干净空气从空气滤清器盖上的出口通过软管进入进气道。当流经空气滤清器的空气温度较低时，热空气收集板的热空气，经热空气软管进入空气滤清器。当流经空气滤清器的空气温度较高时，冷空气直接进入空气滤清器。总之，都是由温度调节器自动调节进入的冷、热空气量，使进入进气道的空气温度相对稳定，不会因环境温度的变化而过低或过高。

　　2.节气门体

节气门体的作用是控制进气通道截面积的变化，实现对发动机转速和负荷的控制。节气门体位于空气滤清器与稳压箱之间，与加速踏板相联动。

节气门体是由节气门及装在壳体上的一些部件，如节气门位置传感器、节气门缓冲器、怠速旁通气道和怠速调整螺钉等组成，如图1-8所示。

发动机工作时，驾驶员通过操纵加速踏板使节气门转动，来控制进气通道截面积的变化，即控制进入发动机气缸内的进气量，从而达到控制发动机转速和负荷的目的。

发动机怠速运转时，节气门关闭，怠速时所需的空气经旁通气道进入进气总管。在旁通通路中，装有可改变旁通通路截面积的调整螺钉，可进行怠速调整。为了实现怠速的自动控制，在怠速旁通通道中还设置了能够改变通道面积的步进电机。

（二）燃油供给系统

燃油供给系统简称供油系统，其功用是向发动机各个气缸供给混合气燃烧所需的燃油量。燃油供给系统通常由电动汽油泵、汽油滤清器、压力调节器、脉动阻尼器、喷油器和冷启动喷油器组成。如图1-9所示，在电控汽油喷射系统中，汽油由电动汽油泵从油箱中泵出，经汽油滤清器等输送到电磁喷油器和冷启动喷油器调节器与喷油器并联，保证供给电磁喷油器内的汽油压力与喷射环境的压力之差（喷油压差）保持不变。

燃油喷射式发动机供油系统的结构如图1-10所示，主要由汽油箱、电动燃油泵、输油管、汽油滤清器、油压调节器、燃油分配管、喷油器和回油管等组成。

发动机工作时，汽油泵工作，将油箱内的燃油泵入供油系统，供油系统的油压由油压调节器调节，一般控制在高于进气管压力300kPa左右。喷入发动机气缸内的燃油流过的路径为汽油箱→汽油泵→输油管→汽油滤清器→燃油分配管→喷油器。喷油器将燃油喷射在进气门附近（缸内喷射系统则直接喷入气缸）。当发动机工作、进气门大开时再吸入气缸燃烧做功。

当汽油泵泵入供给系统的燃油增多、油路中的油压升高时，油压调节器将自动调节燃油压力，保证供给喷油器的油压基本不变。供油系统过剩的燃油由回油管流回油箱，回油路径为：汽油箱→汽油泵→输油管→汽油滤清器→燃油分配管→油压调节器→回油管→油箱，如图1-11所示。

　　1.电动燃油泵

电动燃油泵的作用是在规定的压力下，供给燃油系统足够的燃油。它将燃油从燃油箱内吸出，经压缩将油压提高到调节器控制的规定值，然后通过压力系统将燃油送到发动机的喷油器中。

电动燃油泵有外装式和内装式两种。外装式是将燃油泵安装在燃油箱外面的输油管中，而内装式是将燃油泵安装在燃油箱内。与外装泵相比，内装泵不易产生气阻和燃油泄漏，而且噪声小。目前多数EFI采用内装泵。桑塔纳2000型轿车的电动燃油泵属内装式滚柱泵。其结构如图1-12所示。电动机与泵轴制成一体，安装在泵体内，带有滚柱的转子偏心地装在泵体内。

发动机工作时，永磁电动机驱动偏心转子旋转，转子凹槽内的滚柱在离心力的作用下压在泵体的内表面上，从而在两个相邻的滚柱之间形成一个空腔。随着转子旋转，一部分空腔的容积不断增大成为低压空腔，将燃油从进油口吸入，而另一部分空腔的容积则不断减小成为高压油腔，将燃油从出油口泵出。在进油端内设有限压阀，当泵腔内油压过高超过油压界限时，泵腔内燃油便顶开限压阀倒流回进油口。在出油端设有单向阀，以防电动燃油泵停止运转时供油管中的燃油倒流回泵腔，保持供油管路中有一定的剩余压力，以便下次发动机启动时能迅速泵油。

　　2.汽油滤清器

汽油滤清器的作用是清除燃油中的粉尘、铁锈等固体杂质，防止供油系统堵塞，减少机械磨损，提高发动机工作的可靠性。汽油滤清器安装在电动燃油泵出口一侧的高压油路中。其结构与组成如图1-13所示。滤芯采用菊花形结构，这种结构的特点是单位体积内过滤面积大。滤清器内经常承受200～300kPa的燃油压力，因此，要求滤清器壳体及油管的耐压强度应在500kPa以上。

发动机工作时，燃油从滤清器的进口进入滤芯外围，通过滤芯后从出口出去。如果滤清器堵塞，将使油压降低、输油量减少，发动机不能正常工作，应及时更换滤芯。

　　3.油压调节器

油压调节器的作用是控制供油系统的油压，使燃油压力相对大气压力或进气管负压都能保持恒定。

油压调节器的结构与组成如图1-14所示。在壳体上有真空管通口、燃油入口和出口。膜片将油压调节器的内腔分成弹簧室和燃油室两部分，弹簧室与进气管相通，燃油室与供油管道相通。发动机工作时，电动燃油泵将燃油泵入并充满油压调节器的燃油室，燃油顶动膜片将球阀打开，使油压与弹簧力相平衡，多余的燃油从出口流回汽油箱。当节气门开度增大使进气管内负压减小时，弹簧使膜片下移而关闭球阀，使油压上升；当节气门开度减小使进气管内负压增大时，弹簧室真空吸力克服弹簧张力使膜片向上拱曲而开启球阀，燃油室内部分燃油流回燃油箱，使油压下降。通过球阀的开闭，使喷油压力始终恒定在约250kPa。

　　4.喷油器

桑塔纳2000型轿车发动机使用的喷油器是电磁式的，通过绝缘垫装在进气管上。它的作用是根据电控单元的指令将燃油以雾状喷入进气管内。

电磁喷油器由滤网、电磁线圈、磁芯、针阀、阀体、螺旋弹簧、调整垫等组成，如图1-15所示。

发动机工作时，电控单元的喷油控制信号将喷油器的电磁线圈与电源回路接通。电磁线圈有电流通过便产生磁场，磁芯被吸引，同磁芯为一体的针阀向右移动碰到调整垫时，针阀全开，燃油从喷口喷出。当没有电流通过电磁线圈时，在弹簧的作用下，使针阀左移压在阀座上并起密封作用。

（三）电子控制系统

电子控制系统的功能是根据各种传感器的信号，由计算机进行综合分析和处理，通过执行装置控制喷油量等，使发动机具有最佳性能。如图1-16所示，从控制原理来看，电控汽油喷射系统由传感器、ECU和执行器三大部分组成。传感器是感知信息的部件，功能是向ECU提供汽车的运行状况和发动机工况。ECU接收来自传感器的信息，经信息处理后发出相应的控制指令给执行器。执行器即执行元件，其功用是执行ECU的专项指令，从而完成控制目的。ECU根据空气流量计（L型）、进气歧管压力传感器（D型）和转速传感器的信号确定空气流量，再根据传感比要求即进气量信号就可以确定每一个循环的基本供油量，然后根据各种传感器的信号进行点火提前角、温度、节气门开度、空燃比等各种工作参数的修正，最后确定某一工况下的最佳喷油量。

　　1.传感器

传感器是一种信号转换装置，安装在发动机的各个部位，其功用是检测发动机运行状态的各种电量参数、物理量和化学量等，并将这些参量转换成计算机能够识别的电量信号输入电控单元（ECU）。

传感器的种类有空气流量传感器、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、爆震传感器、冷却液温度、进气温度传感器、氧传感器（或O₂传感器）、车速传感器、空挡安全开关信号、点火开关信号、空调A/C（Air Conditioning Switch）选择与请求信号、蓄电池电压信号UBAT。

　　2.电子控制器

电子控制器又称为电控单元（ECU），俗称电脑，是发动机控制系统的核心部件。其功用是根据各种传感器和控制开关输入的信号参数，对喷油量、喷油时刻和点火时刻等进行实时控制。

　　3.执行器

执行器包括电动燃油泵、电磁喷油器、冷启动喷油器及热限时开关、怠速控制阀ISC或ISCV、活性炭罐及其电磁阀。

四、电控汽油喷射系统的分类

　　1.按汽油的喷射方式分类

按汽油的喷射方式分类，电控汽油喷射系统可以分为缸内喷射、进气管喷射两大类。

（1）缸内喷射　该喷射方式是将喷油器安装在缸盖上直接向缸内喷油。因此，要求喷油器阀体能承受燃气产生的高温高压。另外，发动机设计时，需保留喷油器发生的安全位置。缸内喷射是近几年来燃油喷射技术的发展趋势之一。

（2）进气管喷射　该喷射方式是目前普遍采用的喷射方式。

　　2.按喷油器和安装位置的不同分类

按喷油器和安装位置的不同分类，电控汽油喷射系统可以分为单点喷射和多点喷射两大类。

（1）单点喷射　单点喷射系统（SPI）是把喷油器安装在化油器所在的节气门段，它的外形也有一点儿像化油器，通常用一个喷油器将燃油喷入进气流，形成混合气进入进气歧管，再分配到各缸中。因此，单点喷射又可以理解为把化油器换成节流阀体喷射装置（TBI），也称为中央燃油喷射（CFI）。单点喷射系统由于在气流的前段（节气门段）就将燃油喷入气流，因此属于前段喷射。

（2）多点喷射　多点喷射系统是在每缸进气口处装有一个喷油器，由电控单元（ECU）控制进行分缸单独喷射或分组喷射，汽油直接喷射到各缸的进气门前方，再与空气一起进入气缸形成混合气。多点喷射又称为多气门喷射（MPI）或顺序燃油喷射（SFI），或单独燃油喷射（IFI）。由于多点喷射系统是直接向进气门前方喷射，因此，多点喷射是在气流的后段将燃油喷入气流，属于后段喷射。多点喷射是目前最普遍的喷射系统。

　　3.按空气量的检测方式分类

按空气量的检测方式分类，电控汽油喷射系统可以分为直接式检测、间接式检测两大类。

（1）直接式检测　该方式是由空气流量计（MAF）直接测量进入进气歧管的空气量。这种方式称为质量流量控制型，K型和L型汽油喷射系统均属于这种类型。

（2）间接式检测　该方式不是直接检测空气量。而是根据发动机转速和其他参数，推算出吸入的空气量。现在采用的有两种方式：一种是根据测量进气管压力和发动机转速，推算出吸入的空气量，并计算出燃油流量的速度密度，这种方式也称为速度密度控制型。例如D型控制系统。这种控制方式由于受到进气管空气压力波动的影响，进气量的测量精度并不高，但是其进气阻力小，充气效率高。另一种是根据测量节气门开度和发动机转速，推算吸入的空气量，并计算出燃料量的节流速度，这种方式也称为节流速度控制型，由于这种控制方式换算比较复杂，只在赛车中才有使用的例子。

　　4.按有无反馈分类

按有无反馈分类，电控汽油喷射系统可以分为开环控制、闭环控制两大类。

（1）开环控制　开环控制系统只给主系统发出指令，不能检查或控制主系统的实际输出情况。它是把根据实验决定的发动机各种工况的最佳供油参数输入微机，发动机运转时微机根据各传感器的输入信号，确定喷油量，从而决定空燃比，使发动机良好运行。这种控制系统是单向的。这样，一个磨损的喷油器的实际喷油量就有可能比微机所控制喷出的喷油量要多，而微机却以为喷油量是理想的，这就使得该系统的各部件的精度要求较高，只有这样才能与输入微机的基准数据保持一致。

（2）闭环控制　闭环控制是通过对输入信号的检测并利用反馈信号，对输入进行调整，使输出满足要求。如在排气管上加装氧传感器，根据排气中的含氧量来测定发动机燃烧室的工况，并把信号反馈到微机与原来给定的信号进行比较，将燃油量与空燃比进行修正。因此，闭环控制可达到较高的控制精度，可消除产品差异和磨损等形成的性能变化。

　　5.按结构分类

按喷射系统的结构分类，电控汽油喷射系统可以分为机械控制式和电子控制式两大类，一般采用电子控制式。

五、汽油喷射系统结构与工作原理

电控燃油喷射系统采用各种传感器，它们将发动机的负荷、转速、加速、减速、吸入空气流量和温度、冷却水温度等变化情况转换成电信号，然后把这些电信号输入计算机控制系统［电子控制器（ECU）］，ECU根据这些信号与存储的信号进行精确计算后，输出一个控制信号去控制喷油阀的开启时间和持续时间，从而供给发动机气缸最佳油量，如图1-17所示。

电控汽油喷射系统根据对进气检测机构的不同有D型和L型两种。D型系统通过检测进气歧管的真空度和发动机转速来确定发动机的进气量，由ECU根据进气管确定喷油量。L型系统是采用空气流量计直接测量发动机进气量，因此控制精度要比D型系统更高。L型系统控制方法又称为质量流量控制法，大部分结构与D型系统相似。工作时电动汽油泵按80～120L/h的泵油量供油。燃油压力调节器使管道内油压维持在200kPa，为喷油器提供稳定的喷油压力。喷油器在距发动机进气门10～15cm处喷射到进气歧管。燃油被电动燃油泵从油箱中泵出后送往滤清器，清洁的燃油一部分经压力调节器调压后送往喷油器和冷启动阀，多余的燃油则由压力调节器返回油箱。喷油器喷油时，油路中油压会有微小变化，因此需要有脉动阻尼器调整，以减少油压变化。脉动阻尼器可安装在回油道或者是电动汽油泵上。

空气先流经空气滤清器，被空气温度传感器测量温度后流经节流阀体（当怠速时，空气由节流阀上的旁通气道流经进气歧管；当冷启动时，一部分进气由旁通空气阀为发动机提供额外的进气），流经节流阀后的进气被进气歧管压力传感器测压后流入进气歧管。

ECU根据传感器信号进行处理，形成一个脉冲信号去操纵喷油器的开启，从而控制喷油量。对于喷油量的控制需要很多传感器进行工作，通常是发动机根据发动机的转速和节气门开度信号提供一个基本喷油量，在空气温度传感器、冷却液温度传感器、爆震传感器、氧传感器等传来的信号给ECU经过计算修正后得出实际喷油量，按照实际喷油量，ECU控制喷油器电磁阀的开启时间，从而使喷油器喷射燃油。

下面对D型燃油喷射装置与L型燃油喷射装置控制电路的总图、各主要传感器的连接电路、电子控制器（ECU）的控制作用作说明，如表1-1所示。