第1課汽油機燃油控制原理

車輛電子控制技術講授內容：第二章汽油機供油控制〔第1課〕《車輛電子控制技術》課件18一月2024218一月2024本章內容安排第二章汽油機供油控制第1課汽油機供油控制的根本原理第2課汽油機供油控制系統(tǒng)的根本組成本章主要介紹：汽油發(fā)動機電子控制燃料噴射〔EFI〕系統(tǒng)的根本原理、方式、組成和功能，主要控制參數及其在特殊工況下的修正方法和特性，以及各個分系統(tǒng)主要元、器件的根本構造和工作原理。318一月2024一、汽油機燃料配供二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求三、噴油正時控制原理四、噴油量控制原理本節(jié)課的主要內容第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制418一月2024為使汽油發(fā)動機正常運轉，必須為其提供連續(xù)的、特定數量的和具有特定混合比的燃料空氣混合氣，該過程稱為燃料供給。燃料供給過程的質量在很大程度上決定著發(fā)動機的性能及其發(fā)揮。燃料配給由燃料供給系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)向發(fā)動機提供特定濃度和數量的可燃混合氣，進入氣缸內燃燒。燃燒過程化學反響式為：一、汽油機燃料配供可燃混合氣中的空氣與燃油質量之比稱作空燃比，其數值用A/F值表示。理論上完全燃燒時相應的A/F值〔約為14.7〕稱為理論空燃比。但運行過程中由于受到發(fā)動機結構與工況變化等因素影響，混合氣實際A/F值通常大于或小于理論值。汽油發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)控制指標為：適時提供特定數量與A/F值的可燃混合氣。第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制518一月2024發(fā)動機功率取決于工作循環(huán)過程中進入氣缸內并完全燃燒的燃料數量。功率調節(jié)方式有兩種類型：1)量調節(jié)式所謂量調節(jié)式是指：可燃混合氣燃料與空氣在進氣系統(tǒng)中混合而成，每個工作循環(huán)進入氣缸的混合氣A/F值和數量均是變化的，進入氣缸內的燃料數量由此而定。即：通過改變混合氣供給數量來調節(jié)發(fā)動機功率?；推魇饺剂瞎┙o系統(tǒng)就是按照量調節(jié)原理設計的。一、汽油機燃料配供第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制618一月20242)質調節(jié)式所謂質調節(jié)式是指：每個工作循環(huán)由進氣系統(tǒng)進入氣缸的氣體數量根本不變，且僅為純空氣，其混合氣形成是在缸內完成的。即：進入氣缸的燃料數量取決于缸內形成的混合氣的濃度〔A/F值〕。質調節(jié)方式燃燒較為充分，熱效率高，而且排氣有害成分較少，是一種較為理想的功率調節(jié)方式。柴油機的燃料供給方式就是典型的質調節(jié)方式。汽油機缸內直噴屬于質調節(jié)一、汽油機燃料配供第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制718一月20241.空燃比對發(fā)動機性能的影響1)空燃比對發(fā)動機動力性、經濟性的影響理論與實踐均說明，當A/F約為12.5時，燃燒速度最快，發(fā)動機所產生的功率與扭矩最大，故發(fā)動機的動力性最好，所以又稱其為功率空燃比；當空燃比約為16時，由于混合氣較稀有利于燃料完全燃燒，故可降低發(fā)動機的油耗。因為，此時發(fā)動機的經濟性最好，故又稱其為經濟空燃比。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制818一月20242)空燃比對發(fā)動機排放性能的影響CO和HC以理論空燃比為界，隨著混合氣變濃而逐漸上升在空燃比略大于理論空燃比的區(qū)域內，CO及HC的濃度均比較低。由于NOX是高溫富氧的產物，故在理論空燃比的區(qū)域內將出現最大值。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制918一月20242. 發(fā)動機工況對混合氣空燃比的要求汽車發(fā)動機的工作模式是變工況模式，即在車輛運行過程中，其工況〔負荷和轉速〕在工作范圍內是不斷變化的，且在工況變化時，發(fā)動機對可燃混合氣的空燃比要求差異較大。1)穩(wěn)定工況對混合氣的要求發(fā)動機的穩(wěn)定工況是指發(fā)動機已完全預熱，進入正常運轉，且在一定時間內轉速和負荷沒有突然變化的情況.可分為怠速、小負荷、中等負荷、大負荷和全負荷等幾種。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1018一月2024(1) 怠速和小負荷工況——AB線段怠速工況發(fā)動機對外無功率輸出且以最低穩(wěn)定轉速運轉。怠速工況下混合氣燃燒所做的功只用于克服發(fā)動機內部的阻力，維持最低轉速穩(wěn)定運轉。汽油機怠速轉速一般為300～1000r／min。怠速工況下節(jié)氣門處于關閉狀態(tài)。此時吸入氣缸內的可燃混合氣數量極少，且汽油霧化蒸發(fā)不良，進氣管中的真空度很高。當進氣門開啟時，缸內壓力仍高于進氣管壓力，結果導致氣缸內的混合氣廢氣率較大。因此，為保證混合氣能正常燃燒，須供給小A/F值濃混合氣，如圖3-2中A處。隨著負荷的增加，節(jié)氣門開度逐步增大而轉入小負荷工況，此時吸入混合氣的品質逐漸改善。所以小負荷工況對混合氣成分的要求如圖3-2中的AB線段所示。即：發(fā)動機在小負荷運行時，供給混合氣也應加濃，但加濃的程度隨負荷的增加而減小。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1118一月2024(2) 中等負荷工況——BC段汽車發(fā)動機的大局部工作時間都處于中等負荷狀態(tài)。節(jié)氣門開度在25%-75%之間此時，節(jié)氣門已有足夠大的開度，上述影響因素已不復存在，因此可供給發(fā)動機較稀的混合氣，以獲得最正確的燃油經濟性。這種工況相當于圖3-2中的BC段，A/F約為16～17。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1218一月2024(3) 大負荷和全負荷工況——CD段節(jié)氣門開度已超過3／4，此時應隨著節(jié)氣門開度的開大而逐漸地加濃混合氣以滿足發(fā)動機功率的要求實際上節(jié)氣門未全開時，如需獲得更大的扭矩，只需進一步加大節(jié)氣門開度即可實現，沒有必要改變混合氣A/F來提高功率，而應當繼續(xù)使用經濟混合氣來到達省油的目的。因此，在節(jié)氣門全開之前所有的局部負荷工況都應按經濟混合氣配給。只是在全負荷工況時，節(jié)氣門已經全開，此時為了獲得該工況下的最大功率必須供給功率混合氣，如圖3-2中的C點。從大負荷—→全負荷，混合氣的加濃也是逐漸變化的。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1318一月20242〕過渡〔非穩(wěn)定〕工況對混合氣的要求汽車運行中過渡工況主要包括冷起動、暖機、加速和減速等4種狀況，其典型特征就是在一定時間內，轉速和負荷處于非穩(wěn)定的工作狀況，(1)冷起動：冷機起動時，燃料和進氣溫度均很低，汽油蒸發(fā)率很小，霧化不良。為了保證冷起動順利，發(fā)動機要求供給很濃的混合氣，以保證混合氣中有足夠的汽油蒸氣。一般要求A/F到達2:1，才能保證在氣缸內形成足夠濃度的可燃混合氣。(2)暖機：冷機起動后氣缸開始點火作功，發(fā)動機溫度逐漸上升，即為暖機。在曖機過程中，由于溫度較低、燃油霧化較差，因此也需要較濃的混合氣，而且隨著溫度增加而逐漸減小，直至到達正常工作溫度?！?〕加速：發(fā)動機加速是指負荷突然迅速增加的動態(tài)過程?！案奖讪暚F象?！?〕減速：當汽車減速時，進氣管壁面汽油蒸發(fā)氣化，造成混合氣過濃，嚴重時甚至熄火。對于發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)的關鍵要求是：實時、連續(xù)、精確地控制混合氣A/F，以滿足發(fā)動機在變工況和條件下對混合氣的要求。二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1418一月2024二、汽油機工作過程對可燃混合氣的要求第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1518一月2024定義：噴油正時是指噴油正確的時間類型：同步噴射、異步噴射。1.同步噴射所謂“同步〞意指噴射頻率與曲軸運動狀態(tài)〔或活塞行程〕同步，即噴油時刻與曲軸位置有嚴格對應關系，且最終噴油信號由曲軸位置傳感器信號觸發(fā)。同步噴射又分為同時噴射、分組噴射和順序噴射三種類型。三、噴油正時控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1618一月2024〔1〕同時噴射將所有噴油器并聯(lián)共用一個噴油驅動回路。曲軸每轉一圈，噴油器同時噴射一次，即每工作循環(huán)噴油兩次。同時噴射方式中所有噴油器同步動作，噴油正時與發(fā)動機工作循環(huán)無關，因此各缸噴射時刻不可能同時到達最正確，有可能造成各缸混合氣的混合濃度不均勻。對各活塞行程位置不需判定，噴射驅動回路通用性好，系統(tǒng)結構、控制電路和控制軟件均較簡單，目前根本被淘汰。三、噴油正時控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1718一月2024〔2〕分組噴射分組噴射噴油過程分組進行。如四缸發(fā)動機噴油器分成兩組，由ECU控制交替噴射，每循環(huán)噴射一次或兩次。其噴油信號也是由曲軸位置傳感器信號觸發(fā)分組噴射屬于一種過度和簡化性的技術，目前仍然擁有一定的實際運用范圍三、噴油正時控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1818一月2024〔3〕順序噴射順序噴射〔獨立噴射〕每循環(huán)各缸噴油器按照特定的順序依次獨立噴射1次。各噴油器噴油過程分別由ECU單獨控制?？刂齐娐返奶攸c是驅動回路與氣缸數相同。順序噴油控制由曲軸位置傳感器提供曲軸轉角及活塞行程位置信號，ECU據此信號準確判定工作氣缸位置與活塞行程，發(fā)出指令控制驅動電路使相應的噴油器噴油。噴射時序與點火順序順序噴油可在各缸工作循環(huán)的最正確時刻進行，控制精度好，對混合氣形成和A/F控制十分有利，可提高發(fā)動機各項性能。三、噴油正時控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制1918一月20242.異步噴射噴油正時控制與曲軸運動無任何相關關系，多屬臨時性的補充供油性質。〔1〕起動時異步噴油正時控制起動時，為改善起動性能，除同步噴油外，還增加一次異步噴油在起動開關〔STA〕處于接通狀態(tài)時，ECU接收到第一個G信號后，接收到第一個Ne信號時，開始進行起動時的異步噴射〔2〕加速時異步噴油正時控制由怠速過渡到起步時，為改善起步加速性能，ECU接受到IDL信號從接通到斷開時，增加一次固定量的噴油〔有些發(fā)動機〕ECU接受到IDL信號從接通到斷開后，檢測到第一個Ne信號時，增加一次固定量的噴油〔有些發(fā)動機〕當節(jié)氣門突然開啟或進氣量突然增加時〔急加速〕，增加噴油三、噴油正時控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2018一月2024當發(fā)動機工況和噴油系統(tǒng)結構確定后，每循環(huán)噴油量取決于由ECU控制的噴油器工作〔噴射〕持續(xù)時間。由于ECU發(fā)出的控制噴油持續(xù)時間的指令是脈沖型信號，該脈沖的工作寬度〔簡稱“噴油脈寬〞〕就決定了噴油持續(xù)時間。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2118一月20241.起動時的同步噴油量控制組成：根本噴油時間+進氣溫度修正+電壓修正〔1〕起動時的根本噴油時間起動時的根本噴油時間由ECU內存的冷卻液溫度—噴油時間曲線確定控制信號主要有：點火開關STA擋THW信號轉速低于規(guī)定值四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2218一月20241.起動時的同步噴油量控制〔2〕進氣溫度修正根據THA信號修正噴油時間〔TA〕—延長或縮短，起動時進氣溫度低時延長，進氣溫度高時縮短〔3〕電壓修正實際噴油時刻晚于ECU發(fā)出噴油指令時刻，會使噴油量缺乏蓄電池電壓越低，噴油滯后時間越長，電壓修正噴油時間〔TB〕越長四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2318一月20242.起動后的同步噴油量控制組成：根本噴油量+修正噴油量〔1〕起動后的根本噴油量1〕D型EFI中起動后根本噴油時間由ECU內存的根本噴油時間三維圖(三元MAP圖)確定控制信號：Ne信號〔轉速〕和PIM信號〔進氣管壓力〕2〕L型EFI中起動后根本噴油時間由ECU內存的實現既定空燃比〔理論空燃比14.7:1〕所需的噴射時間確定控制信號：Ne信號〔轉速〕和Vs信號〔空氣流量計〕四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2418一月2024〔2〕起動后的修正噴油量1)冷起動后加濃修正。低溫導致的汽油霧化不良和附壁現象的存在，會造成實際混合氣A/F較大。必須在基于理想A/F配給的根底上增加噴油量。ECU對冷起動后加濃修正按以下程序處理：①根據發(fā)動機工作溫度確定起動后加濃修正系數的初始值；②發(fā)動機完成爆發(fā)后，每隔一定時間，對起動后燃油加濃修正系數進行衰減。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2518一月20242) 暖機燃油加濃修正冷車起動后即進入暖機階段。暖機時加濃修正的目的是補償冷態(tài)時汽油氣化缺乏而導致的實際供油數量的缺乏，如圖3-12所示，發(fā)動機啟動運轉之后，機件溫度和冷卻液溫度會不斷上升，修正系數隨發(fā)動機工作溫度的上升而逐漸衰減。起動后燃油加濃修正與暖機加濃修正同時開始。不同之處在于：起動后燃油加濃修正在發(fā)動機完成爆發(fā)后數十秒內即告結束，而暖機加濃修正過程將一直持續(xù)到冷卻液溫度到達規(guī)定值為止。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2618一月20243〕高溫起動燃油加濃修正夏天汽車長時間高速行駛之后熄火后的10—30分鐘內再起動，一般應進行高溫燃油加濃修正。汽車高速行駛時，由于風冷作用，汽油溫度通常不會太高〔約50℃〕。如此時熄火發(fā)動機將成為熱源，使燃油總管和噴油器內的溫度上升至80—100℃，出現沸騰現象產生汽油蒸氣，致使噴油器噴射工作過程中的實際燃油噴射量較計算值減少，造成A/F值偏大。為此而采用高溫起動燃油加濃修正措施，一般當發(fā)動機工作溫度上升到某一設定值〔如100℃〕以上時才進行，修正值范圍與變化規(guī)律如圖3-13所示。有的發(fā)動機在進行高溫起動燃油加濃修正時，不是檢測發(fā)動機工作溫度信號，而是直接檢測燃油總管內的汽油溫度傳感器發(fā)出的汽油溫度信號，再根據其值確定高溫燃油加濃修正的范圍四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2718一月20244) 加速燃油修正燃料附壁效應：進氣系統(tǒng)壓力越高或附著部位外表的溫度越低，附壁燃油汽化速度越慢，附壁燃料數量越多。加速時節(jié)氣門突然開大，進氣系統(tǒng)壓力驟增，附壁燃油數量增加，造成實際供給燃油量相對缺乏，致使實際A/F大于目標值。考慮壓力與溫度的共同影響，燃油修正系數FAC應由兩局部組成，即：FAC=FDL1×FTH1式中：FDL1——負荷變化率修正系數；FTH1——冷卻液溫度修正系數四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2818一月20245〕減速燃油修正減速時節(jié)氣門開度減小，進氣系統(tǒng)壓力降低，附壁汽油加速汽化，因此與加速工況恰恰相反，這時混合氣的濃度顯然會變稀。同樣考慮進氣系統(tǒng)壓力與發(fā)動機工作溫度的影響，減速燃油修正系數FDC應為：FDC=-FDL2×FTH2FDL2——發(fā)動機負荷率變化的修正系數；FTH2——冷卻液溫度修正系數。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制2918一月20246)急加速時異步噴射上述是同步噴射模式的燃油供給量修正。但急加速工況突然增大的負荷使燃油供給產生滯后現象。為確保急加速工況發(fā)動機反響靈敏，過度迅捷，須實施臨時性異步燃油增量噴射。從圖3-18可以看出急加速時節(jié)氣門開度、吸入空氣質量與活塞行程的對應關系。圖中Ga1為加速初始時測定的空氣質量流量，TA為依據目標A/F和Ga1確定的同步噴射脈寬。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制3018一月2024異步噴射量的是根據發(fā)動機的節(jié)氣門開度變化率的來確定。假設節(jié)氣門初始開度用THA表示，以10-20ms內的THA變化量△THA為依據，確定異步噴射量。如圖3-19所示，節(jié)氣門開度變化量△THA越大，吸入的空氣質量增量越大，所需的異步噴射油量也就越大。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制3118一月20247〕大負荷、高轉速穩(wěn)定工況燃油增量修正當汽車在大負荷、高速度行駛時，應追求發(fā)動機的動力性?？刂葡到y(tǒng)應根據負荷與轉速信號，將A/F控制中心設定在與扭矩峰值相對應的12.5處，并實施時開環(huán)控制，以提高發(fā)動機動力性。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制3218一月20248〕空然比〔A/F〕反響控制修正為充分利用三元催化反響器凈化排氣，必須將混合氣A/F控制在理論值附近，才能使CO、HC的氧化作用與NOx的復原作用同時、有效地進行。為此須提高A/F的控制精度，使其盡可能收斂于以理論值〔14.7〕為中心的非常狹窄的理想狀態(tài)范圍內，以獲得催化反響器的最正確凈化效果。必須借助氧傳感器進行反響控制，才能到達此目的。四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制3318一月2024EFI系統(tǒng)利用氧傳感器輸出信號電壓在A/F=14.7時發(fā)生臨界躍變的特征，將其與基準電壓〔4.5V〕進行比較，即可判定適時混合氣A/F值并以此進行反響控制。如果氧傳感器輸出信號電壓大于基準電壓，那么判定A/F過小，進而減小噴油脈寬；反之那么增大噴油脈寬。A/F反響控制的實質就是通過氧傳感器信號使A/F回歸理論值的控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)反響控制過程需經過一定時間，才能使A/F穩(wěn)定收斂于理論值附近。該時間段包括混合氣從進入氣缸直至廢氣到達氧傳感器，以及氧傳感器的響應時間等四、噴油量控制原理第1課汽油機供油控制的根本原理第二章汽油機供油控制3418一月2024反響控制的實施條件：通常在下述的情況中，反響控制將自動解除：發(fā)動機起動與曖機時；起動后燃油增量修正〔加濃〕時；節(jié)氣門全開〔大負荷、高轉速〕時；發(fā)動機處于非穩(wěn)定工況〔加、減速〕時；燃油中斷停供油時；氧傳感器檢測的A/F信號過小且持續(xù)時間大于規(guī)定值〔如10秒以上〕時；氧傳感器檢測的A/F信號過大且持續(xù)時間大于規(guī)定值〔如4秒以上〕時