第四节 汽油喷射与电子控制

汽车电子控制始于发动机，发动机电子控制始于汽油喷射。汽油喷射只有与电子控制相结合，方能尽显其优点。

一、汽油喷射电子控制系统的组成

与一般的电子控制系统一样，汽油喷射电子控制系统也是由三部分组成的，即传感器，电子控制单元和执行器。

1.传感器

传感器的功能是将传递发动机状态信息的各种非电物理量转变成电信号输送给电子控制单元。汽车发动机燃油定量控制常用的传感器包括：负荷传感器，直接或间接测定空气流量，进而算出每循环吸气量；转速传感器，测定曲轴转速；曲轴位置传感器，测定离开第1缸上止点的曲轴转角；凸轮轴位置传感器；节气门位置传感器；冷却液温度传感器；进气温度传感器；大气压力传感器；进气歧管绝对压力传感器；空调制冷剂压力传感器；氧传感器；缸内压力传感器等。

发动机控制系统的信号输入主要是通过各种传感器或其他输入装置将各种控制信号输入ECU的。发动机控制系统的传感器和输入信号主要有下列种类。

（1）空气流量计 在L型EFI中，由空气流量计测量发动机吸入的空气量，并将信号输入ECU，ECU将该信号和发动机转速作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。

（2）进气压力传感器 在D型EFI中，由进气压力传感器测量进气管压力（真空度），并将信号输入ECU，ECU将该信号和发动机转速作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。

（3）转速和曲轴位置传感器 曲轴位置传感器检测曲轴转角信号（转速信号），并将信号输入ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。

（4）凸轮轴位置传感器 凸轮轴位置传感器向ECU输入凸轮轴位置信号，是点火控制的主控制信号。

（5）冷却液温度传感器 检测发动机冷却液温度，向ECU输入温度信号，作为燃油喷射和点火正时的修正信号，同时也是其他控制系统的控制信号。

（6）进气温度传感器 检测进气温度，向ECU输入进气温度信号，作为燃油喷射和点火正时的修正信号。

（7）节气门位置传感器 节气门位置传感器检测节气门的开度状态及节气门开、闭的速率信号，输入ECU，控制燃油喷射及其他控制系统。

（8）氧传感器 检测排气中氧的含量，向ECU输入空燃比的反馈信号，进行喷油量的闭环控制。

（9）爆燃传感器 爆燃传感器向ECU输入爆燃信号，经ECU处理后，控制点火提前角，抑制爆燃产生。

（10）大气压力传感器 检测大气压力，向ECU输入大气压力信号，修正喷油和点火控制。

（11）车速传感器 检测车速，向ECU输入车速信号，实现超速断油控制。在发动机和自动变速器共同控制时，也是自动变速器换挡的主控制信号。

（12）起动信号 发动机起动时，由起动系向ECU提供一个起动信号，作为喷油量、点火提前角的修正信号。

（13）发电机负荷信号 当发电机负荷因开启用电量较大的电器设备而增大时，向ECU输入此信号，作为喷油量与点火提前角的修正信号。

（14）空调作用信号（A/C）当空调开关打开，空调压缩机进入工作，发动机负荷加大时，由空调开关向ECU输入空调作用信号，作为对喷油量及点火提前角控制的修正信号。

（15）挡位开关信号和空挡位置开关信号 自动变速器由P位或N位挂入其他挡位时，发动机负荷将有所增加，挡位开关向ECU输入信号，作为对喷油量及点火提前角的修正信号。当挂入P位或N位时，空挡位置开关提供P位或N位位置信号，在P位或N位时允许发动机起动。

（16）蓄电池电压信号 当ECU检测到蓄电池和电源系的电压过低时，将对供油量进行修正，以补偿由于电压过低，造成喷油量减少所带来的影响。

（17）离合器开关信号 在离合器接合和分离过程中，由离合器开关向ECU输入离合器工作状态信号，作为喷油量及点火提前角控制的修正信号。

（18）制动开关信号 在制动时，由制动开关向ECU提供制动信号，作为对喷油量、点火提前角、自动变速器等的控制信号。

（19）动力转向开关信号 采用动力转向装置的汽车，当转向盘由中间位置向左右转动时，由于动力转向油泵工作而使发动机负荷加大，此时动力转向开关向ECU输入修正信号，调整喷油量及点火提前角。

（20）EGR阀位置传感器EGR阀位置传感器向ECU提供EGR阀的位置信号，以检测EGR阀动作是否正常。

（21）巡行（定速）控制开关信号 当进入巡行控制状态时，由巡行控制开关向ECU输入巡行控制状态信号，由ECU对车速进行自动控制。

随着控制功能的扩展，输入信号也将不断增加。从上述所列传感器及输入信号中可以看出，发动机集中控制系统所用的传感器及输入信号有很多都是相同的。这就意味着在发动机集中控制系统中，可以减少大量的传感器数目，一个传感器或一个输入信号，可以多次重复使用，作为几个控制系统的输入信号。

2.电子控制单元

电子控制单元（Electronic Control Unit，简写为ECU）的功能是分析和处理由传感器提供的发动机的各种信息，发出指令给各种执行器，借此控制发动机。

早年ECU采用模拟电路技术，近年则改用数字电路技术。ECU的核心部件是模拟式或数字式微型计算机。

ECU是一种电子综合控制装置，它所具备的基本功能如下：

1）接受传感器或其他装置输入的信息，给传感器提供5V、8V、12V参考（基准）电压等，将输入的信息转变为微机所能接受的信号。

2）存储、计算、分析处理信息。存储计算所用的程序，存储该车型的特点参数存储运算中的数据（随存随取），存储故障信息。

3）运算分析。根据信息参数求出执行命令数值，将输出的信息与标准值对比，查出故障。

4）输出执行命令。输出喷油、点火等控制命令，输出故障信息。

5）自我修正功能（自适应功能）。

在发动机控制系统中，ECU不仅用来控制燃油喷射系统，同时还具有点火提前角控制、怠速控制、排放控制、进气控制、自诊断、失效保护和备用控制系统等多项控制功用。

3.执行器

执行器是受ECU控制，具体执行某项控制功能的装置。ECU控制执行器电磁线圈的搭铁回路，或控制某些电子控制电路，如电子点火控制器等。

在发动机控制系统中，执行器主要有下列各种形式：电磁式喷油器、点火控制器（点火模块）、怠速控制阀、怠速电动机、EGR阀、进气控制阀、二次空气喷射阀、活性炭罐排泄电磁阀、车速控制电磁阀、燃油泵继电器、冷却风扇继电器、空调压缩机继电器、自动变速器挡位电磁阀、增压器释压电磁阀、自诊断显示与报警装置、故障备用程序启动装置以及仪表显示器。

必须指出，现代汽油机电子控制已经远远超出了汽油喷射的范围，因此汽油机电子控制所用的传感器和执行器也不止上述这些。

二、汽油机电子控制的多样性

汽油机电子控制始于汽油喷射。常有人将汽油机电子控制系统称为电子控制燃油喷射系统，简称为电喷。这样做，极易使人误以为汽油机电子控制与电子控制汽油喷射是一回事。其实，电子控制汽油喷射的内容只涉及与燃油定量有关的电子控制，英语称为Electronic Fuel Injection，缩写成EFI。可是，除了燃油定量以外，还有许多因素对汽油机的性能有十分重要的影响，其中首先是点火提前角。今天已经实用化了的汽油机电子控制项目至少覆盖以下范围：燃油定量电子控制、点火正时电子控制、油箱蒸发排放电子控制、怠速转速电子控制、爆燃电子控制、增压压力电子控制、排气再循环电子控制、二次空气电子控制、可变气门正时电子控制、可变进气系统电子控制、冷却风扇电子控制、空调压缩机电子控制、稀薄燃烧电子控制等。由此可见，汽油机电子控制的内涵远比电子控制汽油喷射丰富。

三、汽油机电子控制中的控制变量

控制变量就是ECU借以决定发出何种指令给执行器的变量，例如汽油机的负荷、转速、冷却液温度、进气温度、进气压力等参数。一般说来，每一个传感器都提供一种控制变量的信息。

汽油机电子控制系统众多的控制变量中，有两个控制变量最为重要，称为主控制变量，即发动机的负荷和转速。

在汽油机中，每循环吸气量代表了负荷的大小。而在已知发动机转速的情况下，可以根据单位时间的吸气量算出每循环吸气量。所以通常也将进入发动机的空气流量当作负荷信息。

电子控制单元ECU根据由传感器提供的主控制变量的信息确定基本喷油量和基本点火提前角等，然后根据其他辅助控制变量如冷却液温度、进气温度等的信息对基本喷油量和基本点火提前角进行修正，得出最终的喷油量和点火提前角等数据，并根据这些数据发出指令给执行器，对发动机实施控制。

这些辅助控制变量之所以要在控制过程中加以考虑，其原因有三：

1）提高控制精度，例如冷却液温度、进气温度、大气压力、蓄电池电压等。

2）通过闭环控制实现某个预定的目标，例如氧传感器提供的关于混合气中是氧过剩（称为稀混合气）还是燃油过剩（称为浓混合气）的信息、爆燃传感器提供的爆燃信息等。

3）实现过渡工况控制，例如节气门位置等。

四、汽油机电子控制系统中的信息流动过程

图1-12给出了常见的汽油机电子控制系统中的信息流动过程。

图1-12 汽油机电子控制系统中的信息流动过程

尽管模拟式电子控制系统和数字式电子控制系统中信息处理的方式有所区别，不同的电子控制系统在具体组成上也会有所区别，但信息流动过程大体上都如图1-12所示。

传感器将发动机的各种信息传递给ECU。ECU对这些数据进行处理，然后发出指令给各种执行器，如执行燃油定量的电动燃油泵、电磁喷油器和冷起动喷油器等，又如执行点火正时的点火线圈等，使发动机得到最佳控制。

到此为止，其实已经形成了一种控制过程。但是在此过程中ECU并不知晓发动机执行指令的结果究竟如何。某些场合下恰恰要求将发动机的某个参数控制在某个范围内，例如要求混合气的空燃比保持在理论空燃比14.7附近，或者要求怠速转速保持在某一数值，如800r/min附近。又有些场合下要求发动机不出现某种现象，例如爆燃。为了解决这些问题，在发动机上专门设置一些传感器来监测相关的参数。例如，用氧传感器监测混合气的空燃比是大于还是小于理论空燃比14.7，用爆燃传感器监测是否发生了爆燃。至于对怠速转速的监测，完全可以利用本来就必需的转速传感器，不必另设。这些传感器将监测到的信息反馈给ECU，ECU将这些参数的实际值与期望的设定值相比较，若两者不一致，则调整发送给执行器的指令，借此使发动机保持在期望的状态下运行。这部分的信息流动过程用虚线表示，与实线表示的部分组成一个封闭的回路，故称闭环控制。相比之下，实线表示的信息流动过程虽然也构成了一种控制过程，却不构成封闭的回路，故称开环控制。

五、汽油机电子控制系统的作用剖析

发动机的工况是由负荷、转速及一系列辅助控制变量确定的。图1-12表明，汽油机电子控制系统的作用是根据汽油机的工况，通过执行器来调节各种控制对象，诸如燃油定量、点火正时及其他参数，诸如排气再循环率、排气旁通放空阀开度、活性炭罐清除阀（又称活性炭罐再生阀或吹洗阀）开度、二次空气控制阀开度及气门正时等，以使发动机在该工况下的各种性能及排放得到优化。

六、汽油机电子控制的优越性

相对于机械控制而言，汽油喷射电子控制具有无与伦比的优越性，这些优越性同样体现在整个汽油机的电子控制中。

1.控制元件引起的偏差较小

控制元件的尺寸和性能偏差会使控制精度下降。在机械控制的场合，控制元件的机械加工尺寸误差和磨损造成的尺寸误差都会带来较大的控制偏差。可是电子控制元件的性能偏差相对较小，而且不存在磨损问题，所以电子控制元件带来的偏差较小。

2.控制精细

控制装置对转速、负荷等工况参数的分辨率高，因此电子控制比机械控制精细。

3.对一个工况的优化控制不影响对其他工况的优化控制

在数字式电子控制的场合，不同工况下的控制数据储存在计算机的各个存储单元中，它们是孤立的、离散的、互不相关的，因此对每一个工况都可以实现最佳控制。

4.可以考虑更多的控制变量

在机械控制汽油喷射中，有些变量如负荷、转速、温度及压力等能利用机械的探测器来探知，并用于控制燃油定量。但是发动机其他许多状态信息如节气门位置、是否爆燃、空燃比是大于还是小于理论值14.7等却是很难探测，甚至无法用简单的机械装置探测到的。电子元件传感器可以从发动机提取几乎全部的状态信息供ECU处理。这使汽油机电子控制比机械控制具有更高的精度和更强的功能。

5.可以执行更多的控制项目

与传感器在发动机状态信息的探测方面给电子控制带来优越性一样，电子控制系统的执行器也带来很大的优越性，它们可以执行机械执行机构很难，甚至无法执行的许多任务，例如怠速转速电子控制、爆燃电子控制、可变进气系统电子控制等。

6.可以实现闭环控制

发动机控制的任务就是根据发动机当时的工况来调节一系列参数使之优化。而闭环控制则可将发动机某一特定参数调节到预定目标值。机械控制的场合，如果说发动机工况参数的信息可以通过机械控制装置对执行机构产生影响的话，那么这种影响对发动机产生的结果却难以反馈给机械控制装置。而电子控制系统借助于传感器，很容易将执行器指令执行结果的信息反馈给控制装置，形成闭环控制。

7.响应迅速

任何机械装置都有间隙和惯性，流体都有摩擦，特别是气体还有可压缩性。所以涉及机械和流体的控制系统往往会产生信息传递和处理的迟延。这种迟延虽然极其短暂，却是存在的，有时会产生不良影响。电子控制系统则不同，因为它的信息传递过程瞬息完成。

必须指出，有些传感器是根据流体力学—机械—电学原理设计的，另有些传感器是根据热学—电学原理设计的，这些传感器有可能因为流体可压缩性和热惯性（由热容量引起）而造成信号转换的迟延，进而影响整个控制过程的响应速度。