- 汽车发动机电控系统原理与诊断维修
- 行文凯
- 4451字
- 2020-06-25 19:03:24
第二节 燃油喷射系统的发展、分类与主要特点
现代发动机燃油喷射系统是由早期的燃油喷射装置逐步发展而成的。在我国,汽车刚刚开始进入家庭,未来市场对汽车多元化要求程度也非常高,所以在一定时期内,汽车发动机上装备的燃油喷射系统(EFI)从较早的到最新的将同时并存。
一、早期的燃油喷射系统
燃油喷射技术早在20世纪20年代就已经面世,当时主要用于航空发动机,直到第二次世界大战后,才被逐渐应用到汽车发动机上。60年代前,燃油喷射主要采用机械驱动的柱塞泵,喷油量也由机械装置控制,1967年,德国博世公司研制出K-Jetronic燃油喷射系统,首先采用在节气门前安装机械联动装置把喷油量和进气量联系起来,70年代,该公司在此基础上推出了第一代计算机控制的KE-Jetronic燃油喷射系统,如图2-8所示。
图2-8 第一代KE-Jetronic燃油喷射系统
1—发动机控制单元 2—滤清器 3—蓄压器 4—燃油泵 5—燃油分配器和空气流量传感器 6—冷起动喷油器 7—喷油器 8—冷起动计时器 9—氧传感器
安装在各缸进气门前的喷油器在发动机运行中连续喷油(化油器也是连续供油),燃油从燃油分配器输送到各个喷油器,电动燃油泵将燃油从燃油箱经过蓄压器和滤清器输送到燃油分配器,蓄压器用于防止燃油压力的波动。燃油从燃油分配器和压力调节器返回燃油箱。一个摆动式的空气流量传感器的感知板被安置在进气道内,如图2-9所示。当发动机停机时,感知板将关闭进气道的通道,分配器内的柱塞将回位顶住空气流量传感器的控制杆。
当发动机转速升高时,进气道内空气的流速也会相应地使流量传感器的感知板开启。感知板的运动用来精确控制喷油器的油量。压差调节阀的线圈周期地接通和断开是由发动机控制单元来控制的,这可使压差调节阀中的柱塞上下移动,进而控制燃油分配器下腔内的燃油压力,给各个喷油器提供精确的燃油量和空燃比。
连接到发动机控制单元的输入信号传感器随具体车辆而不同,但都有氧传感器和冷却液温度传感器。控制单元可以对发动机的空燃比、点火提前、排放控制装置和怠速等进行集中控制。
在美国,直到20世纪80年代,汽车制造商才开始用燃油喷射来代替化油器。早期的电子燃油喷射系统大多是节气门体喷射系统(TBI)。如图2-10、图2-11所示,燃油喷射点在节气门上方。节气门体大小和形状都与化油器类似,并且就像化油器一样也被安装在进气总管上,喷油器将燃油向下喷射到节气门体的混合室内,该混合室通向进气歧管。由进气歧管将空燃混合气送到各个气缸。
图2-9 连续供油空气流量传感器和燃油分配器
1—燃油入口 2—到压力调节阀的燃油回路 3—向喷油器供油 4—空气流量感知板 5—上腔 6—下腔 7—压差调节阀8—控制柱塞
图2-10 节气门体喷射系统
图2-11 节气门体喷射单元
与化油器相比,KE-Jetronic燃油喷射系统和节气门体(TBI)燃油喷射系统在节气门上方没有和极少发生燃油附着管壁的现象,可提供更为精确的燃油量。而与KE-Jetronic燃油喷油系统相比,TBI系统还能够实现间歇喷射,且制造成本较低,诊断和维修较容易,并且它与进气门前喷射系统不同,在喷油器堵塞时不会造成各缸喷油不均的问题。
但是与进气门前燃油喷射系统相比,TBI系统的效率相对较低。其缺点主要与进气歧管有关,燃油不能被均匀分配到各个气缸,并且在进气歧管温度较低时会使燃油在进气歧管内凝结,而且同化油器一样,TBI系统必须被安装在燃烧室的上方,这样就不可能设计出更高效的进气歧管。
二、现代燃油喷射系统
电子工业的飞速发展,促使汽车控制的电子化在20世纪的后30年逐渐成为各国汽车工业的重要发展方向。首先是德国博世公司成功研制并开始批量生产出D-Jetronic电控燃油喷射系统(D型EFI),如图2-12所示。这种电控燃油喷射系统是速度—密度型电子燃油喷射系统,它可将进气歧管绝对压力信号和转速信号输送到发动机控制单元,由发动机控制单元根据该信号计算出基本进气量,再由进气温度传感器、冷却液温度传感器、节气门位置等信号修正后发出与之相对应的喷油脉宽信号,控制喷油器喷射出适量的燃油。国产桑塔纳2000GLi、奥迪C3及A6、北京切诺基、东风富康、丰田威驰以及丰田皇冠车都采用D型燃油喷射系统。
图2-12 D-Jetronic电控燃油喷射系统
为克服D型EFI在某些工况下进气歧管绝对压力不够稳定、间接测量进气量不够精确的问题,博世公司在该系统基础上,用翼板式体积型空气流量传感器代替进气歧管绝对压力传感器检测进气量,这种系统简称为L-Jetronic电控燃油喷射系统(L型EFI),如图2-13所示。丰田佳美、丰田大霸王以及马自达MPV多用途汽车都采用这种燃油喷射系统。
由于L型EFI在进气道设置了一个空气流量感知板,造成发动机进气阻力增加,进而限制了发动机功率的提高;另外,它测量的体积流量并不能直接获取进入发动机气缸的空气质量,所以博世公司又研制出LH-Jetronic系统。如图2-14所示,它是用热线式或热膜式空气质量流量传感器(MAF)代替翼板式空气体积流量传感器来检测发动机的进气量。因它可直接检测进气质量,所以无需用进气温度和大气压力进行修正,并且进气阻力较低,对驾驶人加速意图响应比较快。这种燃油喷射系统在桑塔纳2000GSi、捷达、别克、日产等轿车上都已采用,是目前比较先进的燃油喷射系统。
图2-13 L型EFI电控燃油喷射系统
图2-14 LH型电子燃油喷射系统
不久前,通用汽车公司推出了中央多点燃油喷射系统(CMFI)。如图2-15所示,该系统兼具节气门体喷射系统和进气门前喷射系统的许多特点,使用一个中央喷油器就可对流向几个(图中为6个)提升式喷油器的燃油进行控制。CMFI喷油器总成由燃油检测体、压力调节器、一个中央喷油器,6个提升喷油器以及密封垫组成。中央喷油器通过一个多孔分配垫片分配经过检测的燃油。该垫片在中央喷油器以及分别与6个提升喷油器相连的6根燃油油管之间进行密封。
如图2-16所示,在每个喷油器内都装有一个由单向球阀、阀座和拉伸弹簧组成(它们被固定在一起)的总成来调节燃油流量。当高压燃油作用在单向阀上时,喷油器打开,将雾化的燃油送到各个气缸。当喷油器被ECU控制时(使用电磁喷油器),可以实现顺序喷射。目前,中央多点燃油喷射系统(CMFI)多用于大排量发动机。
图2-15 中央多点燃油喷射系统
1—中央喷油器总成 2—排水孔 3—分隔壁 4—气缸进排气口 5—尼龙管 6—提升式喷油器 7—排水孔 8—下半部分进气歧管
图2-16 中央喷油器和提升喷油器
1—电线接柱 2—电磁线圈 3—提升式喷油器 4—中央喷油器 5—回位弹簧
图2-17 缸内直接燃油喷射系统GDI
最新公布的燃油喷射系统是缸内直接燃油喷射系统(GDI),如图2-17所示。进气门前燃油喷射系统是将燃油喷射到进气门附近,而GDI系统同柴油喷射系统类似,是将燃油直接喷入燃烧室内。GDI系统的燃油压力远远高于普通的燃油喷射系统,可高达10MPa。在如此高的压力下,汽油一喷入气缸内就会汽化。对GDI系统来说,空燃混合气可以更稀(空燃比可达35∶1)。这样,可将燃油经济性提高30%,并且可显著减少在进气门出现燃油积垢和积炭的现象。
比较典型的缸内喷射系统有福特PROCO缸内喷射系统、丰田D-4缸内喷射系统和三菱4G缸内喷射系统。目前这种技术还处在完善和提高阶段,其中领先的是日本的三菱公司,到1998年2月为止,它的缸内直喷发动机已经售出200000台,到2010年,三菱公司计划把本公司的所有汽油机都实现直喷化。GDI系统可能会逐步取代传统的进气门前喷射系统,得到广泛应用。
在燃油喷射技术发展的同时,燃油喷射系统很自然地与共用许多资源的点火系统融为一体,并不断地增加了诸如故障报警、故障诊断、进气控制、排放控制以及自动变速器控制等功能,逐步发展成为发动机管理系统,如图2-18所示。
图2-18 发动机管理系统
近年来,随着汽车控制自动化程度越来越高,各系统之间的联系也越来越复杂。显然,此时若还采用通常的线路连接既不可靠也不经济,于是汽车网络控制系统应运而生,其中比较典型的是博世公司开发的CAN系统(Controller Area Network),又称为多路传输系统。图2-19所示为某奔驰轿车上使用的CAN系统。汽车上不同系统的控制模块、一些共用的传感器等都通过CAN总线连接成网络,进行相互通信和资源共享。
图2-19 某奔驰轿车CAN系统示意图
随着半导体芯片价格的不断降低,汽车网络系统已不再是高档轿车的专利,很多国产车型,如奥迪、宝来、帕萨特、派里奥等都已经使用了基于CAN数据总线的网络技术。
综上所述,发动机燃油喷射系统的发展可以由图2-20和图2-21来表示。
图2-20 发动机燃油喷射系统(EFI)的发展(一)
三、燃油喷射系统的分类和主要特点
如前所述,燃油喷射系统在不断发展,试图对其进行有效的分类是困难的,为学习方便,将其分类和主要特点描述如下:
1)按喷油器的布置方式不同,燃油喷射系统可以分为:节气门体燃油喷射系统(又称单点燃油喷射系统)、进气门前燃油喷射系统(又称多点燃油喷射系统)和中央多点燃油喷射系统。这是燃油喷射系统的主要分类。
节气门体燃油喷射系统(TBI)是在节气门体上安装一个或两个喷油器,如图2-22所示。其结构和控制方式简单,成本低;但对混合气的控制精度较低,各个气缸混合气的均匀性也比较差。由于喷射时间多与曲轴位置无关,在各行程中连续喷射,所以又称为连续燃油喷射系统。
图2-21 发动机燃油喷射系统(EFI)的发展(二)
图2-22 节气门体喷射系统(单点燃油喷射系统)
进气门前燃油喷射是指在每一个气缸的进气门前安装一个喷油器,所以又称多点燃油喷射,如图2-23所示。喷油器喷射出燃油后,在进气门附近与空气混合形成可燃混合气,这种喷射系统能较好地保证各缸混合气总量和浓度的均匀性。目前大多数车型采用进气门前燃油喷射系统。
进气门前燃油喷射系统一般在进气行程时才喷射,所以又称为间歇燃油喷射系统,间歇燃油喷射开始时间(喷油正时)与活塞行程有关。
进气门前燃油喷射系统根据各缸喷油组合方式不同分为:同时喷射方式、分组喷射方式和顺序喷射方式。
①同时喷射方式:在一个工作循环中(曲轴转两周),各缸喷油器同时喷射1~2次。每个工作循环只需要一个喷油信号且与点火顺序无关,控制最简单,但燃油需在进气口前停留较长时间。
②分组喷射方式:按照点火顺序,相邻的2~3个气缸的喷油器编为一组,在一个工作循环中(曲轴转两周)每组喷油器同时喷射1~2次,不同组气缸的喷油器顺序喷射。它兼具同时喷射和顺序喷射的特点,常用于多缸发动机,如图2-24所示。
图2-23 进气门前燃油喷射系统 (多点燃油喷射系统)
图2-24 进气门前燃油喷射系统的分组喷射方式
③顺序喷射方式:在一个工作循环中(曲轴转两周),按照点火顺序,每缸喷油器一般在进气循环喷射1次,这是最精确、最理想的燃油喷射方式。但由于各缸燃油喷射时刻与点火时刻有关,所以需要气缸判别信号和曲轴转角信号,控制系统较复杂。
2)按进气量检测方式不同,燃油喷射系统(EFI)可分为:速度密度型EFI,体积流量型EFI和质量流量型EFI。
速度密度型EFI:系统使用进气歧管绝对压力传感器,通过检测进气歧管绝对压力间接检测进气量。如博世公司的D型EFI。
体积流量型EFI:系统使用叶片式或卡门涡旋式等体积型空气流量传感器检测进气量。如博世公司的L型EFI。
系统根据以上两种方式计算出的喷油量都需要用进气温度传感器信号进行修正。
质量流量型EFI:系统使用热线式或热膜式等空气质量流量传感器检测进气量。如博世公司的LH型EFI。由于此种方式可以检测出发动机实际进气质量,所以是目前较为精确的燃油喷射系统,得到了日益广泛使用。