电喷发动机的发展历程分析研究电气工程专业.docx

1 电喷发动机 1.1 电喷发动机的发展历程 汽油喷射技术在1834年用于军用飞机上，机械式汽油喷射技术于1952年第一次在轿车上实现应用，基于该技术的第一台装置由德国博世公司生产并用在了奔驰300L型赛车上，该装置的空燃比通过气动式混合气调节器来控制，进而实现直接喷射入气缸[14]。随着时代的进步和发展，对汽油机各项参数要求的提高，化油器发动机的缺陷愈发的明显：（1）燃烧不完全；（2）各缸进气不均匀；（3）喉管降低进气效率。针对这些缺陷，人们不断对化油器进行改进。从20世纪中期开始，随着人们对环境保护的愈发重视，将汽油喷射技术应用于汽车上，这一改进方式日益受到了人们对关注。早在20世纪50年代末，全球首款电子燃油喷射系统（EFI）由美国Bendix公司研制成功，并将其装在AMC Rambler Rebel车型上实验，虽然动力得到了很大的提升：5.4L V8发动机的最大功率从259马力提升到了292马力，峰值扭矩转速也下降了500转[14]。但只可惜因为故障率太高，在冬天里启动发动机不顺利等原因，致使它的可靠性非常差，这套系统当时只安装在了为数不多的几台试验车上，最终也没能将其量产。1958年，克莱斯勒在自己品牌旗下的克莱斯勒300D、迪索托Adventurer、道奇D-500和普利茅斯Fury等35台车上都试着安装了美国Bendix公司研发出的电子燃油喷射系统（EFI），但还是因为电子技术不达标，无法与发动机很好地匹配[14]。因此Bendix公司做了一个重要决策——将EFI的研发技术变卖出去，很快就有买家出手了，接手买下这项技术它的公司，便是德国博世（Bosch）公司。随着电子技术的飞速发展，经过多年的深入研发和系统的修改完善，20世纪60年代后期，德国博世（Bosch）公司推出了一套名为“D-Jetronic”的电子燃油喷射系统，这套系统才是今天电喷系统的雏形。德国博世（Bosch）公司于1967年将其研制的D-Jetronic电子燃油喷射系统安装在德国大众Type 3 1600TL/E车型上进行试验并最终成功量产。这套名为D-Jetronic的电子燃油喷射系统会依据发动机的转速和进气量来计算燃油喷射的计量，不论是在燃油经济性还是动力性提升等方面都较化油器的车型有了质的飞跃，因此如今才会全面替代化油器车型。 1.2 电喷发动机简介 电喷发动机对发动机实现燃油供应的方式并非采用老旧的机械式化油器，而是运用电子控制装置来完成。比如，应用于汽油机中的电喷系统，其发动机的各种运行信号参数可以在多种电子传感器的作用下，传输到电子控制装置，该装置以这些获得的信号参数为基础，解算出发动机的各个气缸运行所需的喷油量及喷油节点，通过特定的压力手段使汽油经喷油器作用，从而在进气管达到雾化效果，该雾气与空气充分混合成混合气，再进入到燃烧室中燃烧，这样一来可以保证发动机与催化转化器总是维持在最理想的工作状态[9]。所以我们可以这样来理解电喷发动机的含义：首先它的的燃油供应过程是由相关电子控制系统完成，并且经过喷油器高压作用雾化产生的燃料雾气才能被推送到发动机的进气系统内。 1.2.1 电喷发动机组成 电喷发动机的电子控制系统是根据汽车发动机当时的工况来确定燃油的理想的喷射剂量与喷射时间点。该控制系统主要由三部分构成，具体组成如图1-1所示。 图1-1 电控系统的基本组成 该电子控制系统在工作时，实现主要控制功能的是电控单元（ECU），其控制的条件是空气的流量及发动机的转速，所要控制的是喷油器，进而保障发动机获得与运行状态匹配且理想的空燃比。要实现这样的功能，这类型的电喷发动机所要求的构架基本相同。通常情况下，电控燃油喷射装置，大体上可由三部分来进行分解，具体如下： 1 进气系统 进气系统的作用在于，能监控喷入发动机燃烧室中，当时最佳工况空燃比所需要的空气量。电喷发动机系统不再设置化油器,而是用喷油器取而代之，在它的作用下，燃油在压力作用下被喷射到进气门周围，并与周围空气充分混合后，再喷人气缸。所以，进气系统不再受到阻力影响，也不再用到预热部件，这一切都由电子控制系统完成。系统设计过程中，可以对进气管的形态进行优化设计，提升进气能力，进而改善进气效率。 2 燃油系统 燃油系统也是燃油喷射系统，它的功能是将燃烧时所需要的燃油量以一定压力喷射进汽缸或进气管。燃油在电动汽油泵的作用下，从油箱内输送到汽油滤清器中进行过滤，完成后，通过压力调节器的作用，使压力值上升到比进气管高出一定量的压力点，然后把燃油通过输油管喷送到喷油器内，在电控单元的脉冲信号控制下，喷油器将理想的燃油量喷入到气缸中。如图1-2所示。 图1-2 汽油喷射系统示意图 3 电子控制系统 电子控制系统，简称电控系统，其最终目的在于使发动机的理想运行状态得到控制，这个过程中，该系统通过电子传感器来监测发动机的运行状态及汽车所处路况来匹配所需的燃油量以及最佳点火时刻。 1.3 电喷发动机工作原理分析 1.3.1 ECU端子分析 在发动机控制系统中，ECU是关键部件。该部件存储了发动机在各种不同运行状态下，最理想的喷油时长，当汽车上各种传感器将电信号传入ECU后，ECU通过一定的解算方式解算得到发动机当前工况下所要的最理想的燃油喷射量及喷油时刻。 ECU功能强大，控制全面，可同时处理多路检测到的信号，从而在完成对EFI电喷系统的控制外，还能实现其它多种控制功能[5]。 本文以帕萨特1.8t的电喷发动机故障为分析对象，该车型的ECU端子见图1-3，各端子的用途见表1-1。 图1-3 帕萨特ECU端子 表1-1 帕萨特ECU端子的用途 ECU端子的用途 端子 条件 端子用途 标准值 9 用遥控装置驱动 电源 系统电压 2、5、13和25 搭铁端 0Ω 8和9 进气温度传感器 160～300Ω 7和8 起动时，慢慢地踩下加速踏板 空气流量计 电阻数值有所变化 8和5 空气流量计 340～450Ω 21 点火开关“ON” 系统电压 10和25 水温传感器 冷机：1080～2750Ω 热机：150～500Ω 4 起动机工作运转时 起动信号 蓄电池电压 3 遥控装置驱动时，节气门完全打开 节气门位置传感器 14 遥控装置驱动时，节气门完全关闭 节气门位置传感器 9和12 9和24 1、4缸喷油器电阻器 2、3缸喷油器电阻器 3.9～4.5Ω 1 点火开关开启于ON处，图示1处有“+”电压 与点火线圈端子1连接 15和20 用导线连接图示15与20，再断开点火控制插头，检查图示端子16与17之间电阻 应为0Ω 1.3.2 主要传感器分析 1 爆震传感器 功能：分辨发动机的爆震程度，该过程需要在电子控制器的参与下完成，需要对发动机气缸的振动程度进行检测。 原理：爆震传感器是振动加速度传感器的一种。使用时可在发动机气缸缸体进行单个或多个配装。在该传感器中，压电晶体充当其传感元件，当发动机出现爆震状况的时候，压电晶体通过内部质量块感知该振动。压电晶体在感知到质量块因振动所出现的压力后，电压在其两极出现，此时气缸的振动状态就被变换成电压信号并被输出。 特点：结构可靠、小巧；测量的灵敏度高。 2怠速调节器 功能：进行发动机怠速运行状态下的转速闭环控制，该过程，需要有怠速旁通空气通道支持，而且该通道的通风量可以通过对其截面积的控制来实现，这一切都离不开怠速调节器。 原理：在怠速调节器结构中，永磁体在轴上旋转自由度不受限制，它与旋转滑块间进行刚性连接，而永磁体在电缆线圈作用下可转动，这样一来滑块也一起转动。执行器的旁通空气通道的开度角由滑块的角位置来决定，这样旁通空气量就能被控制。电子控制器通过发送具有不同占空比的脉冲信号到执行器从而确定旁路气流，以确定滑块的角度位置。 特点：能源消耗低，结构较为紧凑，耐脏耐污。 3节气门位置传感器 功能：可以检测出发动机是处于怠速工况或负荷工况，能提供发动机实时工况信息。 原理：节气门位置传感器实质是一个具线性输出特性的转角电位计，它告诉电脑节气门的位置。电脑用它传递的电信号来计算传发动机运转负、实时工况、点火时间等。 4压力传感器 功能：压力传感器可以通过测量压力的方式来反映汽车的基本状态。 原理：硅芯片构成了传感器原件。其上有压力膜片，空气的压力会改变膜片的外形，从而改变电阻值的大小，在经过相关处理以后，它会和压力共同作用形成电压信号。 特点：体积较小，重量也不重，技术含量比较高，不会占用过多的进气管空间。 5喷油器 功能：通过喷油器可以将油盆栽进气口的前面。 原理：壳体上的喷油口可被设计的阀针在外力作用下封住。在喷油过程中，控制器产生控制信号，给电磁线圈接通电源并获得磁场，在这个磁场的作用下，有关作用力被克服，此时阀针被弹起，燃油喷射畅通。另外只要在喷油器的进、出口维持压差不变，喷出燃油量就不会改变。喷油量由线圈电源接通时间来控制。 特点：体积较小，重量也不重，热启动性能非常好，具有较强的防腐蚀力，不容易被损害等等。 6空气质量流量计 功能：空气质量计量器的作用是对空气质量流量进行测量，掌握发动机的负荷情况。 原理：传感器中很重要的一个器件就是传感器件，特别是加热的传感器件。空气可以降低传感器温度，改变它的电阻大小，混膜电路在结合了电桥电路以后，可以处理相关信号，用来反映相应的电压信号。此类传感器可以使流量的测试结果保持稳定性。 特点：体重较小、重量也不重，精确度比较高，测量效果比较稳定，成本也较小。 7温度传感器 功能：温度传感器主要是为了测试进气时候的温度或者是测试冷却液的温度。 原理：温度上升的时候，温度传感器的热敏电阻会随之变小，当电阻值发生变化时，系统会采用分压的方式把电压信号传送至电子控制器。 8碳罐控制阀 功能：使控制系统中的再生气流保持在比较稳定的状态下。 原理：碳罐的作用是吸收油蒸汽，一直到油蒸汽到达最大的量，在电子控制器来打开碳罐控制阀以后，蒸汽流和空气向结合生成了再生气流，然后进入到发动机的进气管里面。阀内很重要的一个器件就是电磁线圈，它可以在不同工况的情况下，改变其占空比，从而找到适合的阀的开度。除此之外，阀的压力差还能够决定阀开度的大小。 特点：它能做在不同的范围内工作；能够很好的控制精确流量；阀门的密封性也非常不错。 9压力调节器 功能：使管内和管外之间保持一定的压力值。 原理：随着系统压力增加，进油口的压力超过一定值时，膜片的位置会发生变化，此时，膜片上面的阀球组件将会分来，一定量的燃油将会回到燃油箱里面，此时油压就会回到原来的状态。 特点：使用的范围比较广，有很长的使用寿命，安装起来非常简单，具有不错的防腐性能等等。 1.3.3 主要执行器分析 执行器，顾名思义，就是执行系统的指令的机构，它对相关指令做出相应的动作，让发动机能够正常的工作。 1喷油器 喷油器是根据ECU的指令，控制燃油喷射量。帕萨特1.8T电控燃油喷射系统有4个缸分别为N30、N31、N32、N33，全部采用电磁式喷油器，基本电路图如图1-4所示。 图1-4 喷油器的基本电路 2点火模块 帕萨特1.8T是独立点火，分为4个点火模块，分别为N70、N127、N291、N292，，基本电路图如图1-5所示。 图1-5 点火模块的基本电路 2 电喷发动机故障    当发动机出现的问题十分明显时，通常不需要通过专业的设备就能够检查出来，比如，听声音，看状态等等。此类问题一般表现在加速状态不大理想，汽车行驶的时候动力明显不足、排气管发生很大的声响，或者是不能够正常开启等等。     1．发动机不能被正常开启；又或者是开启以后不能够正常工作；也有可能发动机在正常工作时发出很响的声响，就犹如鞭炮声。以上三种情况都可以表明发动机出现了故障