第四節 汽油噴射與電子控制

汽車電子控制始于發動機，發動機電子控制始于汽油噴射。汽油噴射只有與電子控制相結合，方能盡顯其優點。

一、汽油噴射電子控制系統的組成

與一般的電子控制系統一樣，汽油噴射電子控制系統也是由三部分組成的，即傳感器，電子控制單元和執行器。

1.傳感器

傳感器的功能是將傳遞發動機狀態信息的各種非電物理量轉變成電信號輸送給電子控制單元。汽車發動機燃油定量控制常用的傳感器包括：負荷傳感器，直接或間接測定空氣流量，進而算出每循環吸氣量；轉速傳感器，測定曲軸轉速；曲軸位置傳感器，測定離開第1缸上止點的曲軸轉角；凸輪軸位置傳感器；節氣門位置傳感器；冷卻液溫度傳感器；進氣溫度傳感器；大氣壓力傳感器；進氣歧管絕對壓力傳感器；空調制冷劑壓力傳感器；氧傳感器；缸內壓力傳感器等。

發動機控制系統的信號輸入主要是通過各種傳感器或其他輸入裝置將各種控制信號輸入ECU的。發動機控制系統的傳感器和輸入信號主要有下列種類。

（1）空氣流量計 在L型EFI中，由空氣流量計測量發動機吸入的空氣量，并將信號輸入ECU，ECU將該信號和發動機轉速作為燃油噴射和點火控制的主控制信號。

（2）進氣壓力傳感器 在D型EFI中，由進氣壓力傳感器測量進氣管壓力（真空度），并將信號輸入ECU，ECU將該信號和發動機轉速作為燃油噴射和點火控制的主控制信號。

（3）轉速和曲軸位置傳感器 曲軸位置傳感器檢測曲軸轉角信號（轉速信號），并將信號輸入ECU，作為燃油噴射和點火控制的主控制信號。

（4）凸輪軸位置傳感器 凸輪軸位置傳感器向ECU輸入凸輪軸位置信號，是點火控制的主控制信號。

（5）冷卻液溫度傳感器 檢測發動機冷卻液溫度，向ECU輸入溫度信號，作為燃油噴射和點火正時的修正信號，同時也是其他控制系統的控制信號。

（6）進氣溫度傳感器 檢測進氣溫度，向ECU輸入進氣溫度信號，作為燃油噴射和點火正時的修正信號。

（7）節氣門位置傳感器 節氣門位置傳感器檢測節氣門的開度狀態及節氣門開、閉的速率信號，輸入ECU，控制燃油噴射及其他控制系統。

（8）氧傳感器 檢測排氣中氧的含量，向ECU輸入空燃比的反饋信號，進行噴油量的閉環控制。

（9）爆燃傳感器 爆燃傳感器向ECU輸入爆燃信號，經ECU處理后，控制點火提前角，抑制爆燃產生。

（10）大氣壓力傳感器 檢測大氣壓力，向ECU輸入大氣壓力信號，修正噴油和點火控制。

（11）車速傳感器 檢測車速，向ECU輸入車速信號，實現超速斷油控制。在發動機和自動變速器共同控制時，也是自動變速器換擋的主控制信號。

（12）起動信號 發動機起動時，由起動系向ECU提供一個起動信號，作為噴油量、點火提前角的修正信號。

（13）發電機負荷信號 當發電機負荷因開啟用電量較大的電器設備而增大時，向ECU輸入此信號，作為噴油量與點火提前角的修正信號。

（14）空調作用信號（A/C）當空調開關打開，空調壓縮機進入工作，發動機負荷加大時，由空調開關向ECU輸入空調作用信號，作為對噴油量及點火提前角控制的修正信號。

（15）擋位開關信號和空擋位置開關信號 自動變速器由P位或N位掛入其他擋位時，發動機負荷將有所增加，擋位開關向ECU輸入信號，作為對噴油量及點火提前角的修正信號。當掛入P位或N位時，空擋位置開關提供P位或N位位置信號，在P位或N位時允許發動機起動。

（16）蓄電池電壓信號 當ECU檢測到蓄電池和電源系的電壓過低時，將對供油量進行修正，以補償由于電壓過低，造成噴油量減少所帶來的影響。

（17）離合器開關信號 在離合器接合和分離過程中，由離合器開關向ECU輸入離合器工作狀態信號，作為噴油量及點火提前角控制的修正信號。

（18）制動開關信號 在制動時，由制動開關向ECU提供制動信號，作為對噴油量、點火提前角、自動變速器等的控制信號。

（19）動力轉向開關信號 采用動力轉向裝置的汽車，當轉向盤由中間位置向左右轉動時，由于動力轉向油泵工作而使發動機負荷加大，此時動力轉向開關向ECU輸入修正信號，調整噴油量及點火提前角。

（20）EGR閥位置傳感器EGR閥位置傳感器向ECU提供EGR閥的位置信號，以檢測EGR閥動作是否正常。

（21）巡行（定速）控制開關信號 當進入巡行控制狀態時，由巡行控制開關向ECU輸入巡行控制狀態信號，由ECU對車速進行自動控制。

隨著控制功能的擴展，輸入信號也將不斷增加。從上述所列傳感器及輸入信號中可以看出，發動機集中控制系統所用的傳感器及輸入信號有很多都是相同的。這就意味著在發動機集中控制系統中，可以減少大量的傳感器數目，一個傳感器或一個輸入信號，可以多次重復使用，作為幾個控制系統的輸入信號。

2.電子控制單元

電子控制單元（Electronic Control Unit，簡寫為ECU）的功能是分析和處理由傳感器提供的發動機的各種信息，發出指令給各種執行器，借此控制發動機。

早年ECU采用模擬電路技術，近年則改用數字電路技術。ECU的核心部件是模擬式或數字式微型計算機。

ECU是一種電子綜合控制裝置，它所具備的基本功能如下：

1）接受傳感器或其他裝置輸入的信息，給傳感器提供5V、8V、12V參考（基準）電壓等，將輸入的信息轉變為微機所能接受的信號。

2）存儲、計算、分析處理信息。存儲計算所用的程序，存儲該車型的特點參數存儲運算中的數據（隨存隨取），存儲故障信息。

3）運算分析。根據信息參數求出執行命令數值，將輸出的信息與標準值對比，查出故障。

4）輸出執行命令。輸出噴油、點火等控制命令，輸出故障信息。

5）自我修正功能（自適應功能）。

在發動機控制系統中，ECU不僅用來控制燃油噴射系統，同時還具有點火提前角控制、怠速控制、排放控制、進氣控制、自診斷、失效保護和備用控制系統等多項控制功用。

3.執行器

執行器是受ECU控制，具體執行某項控制功能的裝置。ECU控制執行器電磁線圈的搭鐵回路，或控制某些電子控制電路，如電子點火控制器等。

在發動機控制系統中，執行器主要有下列各種形式：電磁式噴油器、點火控制器（點火模塊）、怠速控制閥、怠速電動機、EGR閥、進氣控制閥、二次空氣噴射閥、活性炭罐排泄電磁閥、車速控制電磁閥、燃油泵繼電器、冷卻風扇繼電器、空調壓縮機繼電器、自動變速器擋位電磁閥、增壓器釋壓電磁閥、自診斷顯示與報警裝置、故障備用程序啟動裝置以及儀表顯示器。

必須指出，現代汽油機電子控制已經遠遠超出了汽油噴射的范圍，因此汽油機電子控制所用的傳感器和執行器也不止上述這些。

二、汽油機電子控制的多樣性

汽油機電子控制始于汽油噴射。常有人將汽油機電子控制系統稱為電子控制燃油噴射系統，簡稱為電噴。這樣做，極易使人誤以為汽油機電子控制與電子控制汽油噴射是一回事。其實，電子控制汽油噴射的內容只涉及與燃油定量有關的電子控制，英語稱為Electronic Fuel Injection，縮寫成EFI。可是，除了燃油定量以外，還有許多因素對汽油機的性能有十分重要的影響，其中首先是點火提前角。今天已經實用化了的汽油機電子控制項目至少覆蓋以下范圍：燃油定量電子控制、點火正時電子控制、油箱蒸發排放電子控制、怠速轉速電子控制、爆燃電子控制、增壓壓力電子控制、排氣再循環電子控制、二次空氣電子控制、可變氣門正時電子控制、可變進氣系統電子控制、冷卻風扇電子控制、空調壓縮機電子控制、稀薄燃燒電子控制等。由此可見，汽油機電子控制的內涵遠比電子控制汽油噴射豐富。

三、汽油機電子控制中的控制變量

控制變量就是ECU借以決定發出何種指令給執行器的變量，例如汽油機的負荷、轉速、冷卻液溫度、進氣溫度、進氣壓力等參數。一般說來，每一個傳感器都提供一種控制變量的信息。

汽油機電子控制系統眾多的控制變量中，有兩個控制變量最為重要，稱為主控制變量，即發動機的負荷和轉速。

在汽油機中，每循環吸氣量代表了負荷的大小。而在已知發動機轉速的情況下，可以根據單位時間的吸氣量算出每循環吸氣量。所以通常也將進入發動機的空氣流量當作負荷信息。

電子控制單元ECU根據由傳感器提供的主控制變量的信息確定基本噴油量和基本點火提前角等，然后根據其他輔助控制變量如冷卻液溫度、進氣溫度等的信息對基本噴油量和基本點火提前角進行修正，得出最終的噴油量和點火提前角等數據，并根據這些數據發出指令給執行器，對發動機實施控制。

這些輔助控制變量之所以要在控制過程中加以考慮，其原因有三：

1）提高控制精度，例如冷卻液溫度、進氣溫度、大氣壓力、蓄電池電壓等。

2）通過閉環控制實現某個預定的目標，例如氧傳感器提供的關于混合氣中是氧過剩（稱為稀混合氣）還是燃油過剩（稱為濃混合氣）的信息、爆燃傳感器提供的爆燃信息等。

3）實現過渡工況控制，例如節氣門位置等。

四、汽油機電子控制系統中的信息流動過程

圖1-12給出了常見的汽油機電子控制系統中的信息流動過程。

圖1-12 汽油機電子控制系統中的信息流動過程

盡管模擬式電子控制系統和數字式電子控制系統中信息處理的方式有所區別，不同的電子控制系統在具體組成上也會有所區別，但信息流動過程大體上都如圖1-12所示。

傳感器將發動機的各種信息傳遞給ECU。ECU對這些數據進行處理，然后發出指令給各種執行器，如執行燃油定量的電動燃油泵、電磁噴油器和冷起動噴油器等，又如執行點火正時的點火線圈等，使發動機得到最佳控制。

到此為止，其實已經形成了一種控制過程。但是在此過程中ECU并不知曉發動機執行指令的結果究竟如何。某些場合下恰恰要求將發動機的某個參數控制在某個范圍內，例如要求混合氣的空燃比保持在理論空燃比14.7附近，或者要求怠速轉速保持在某一數值，如800r/min附近。又有些場合下要求發動機不出現某種現象，例如爆燃。為了解決這些問題，在發動機上專門設置一些傳感器來監測相關的參數。例如，用氧傳感器監測混合氣的空燃比是大于還是小于理論空燃比14.7，用爆燃傳感器監測是否發生了爆燃。至于對怠速轉速的監測，完全可以利用本來就必需的轉速傳感器，不必另設。這些傳感器將監測到的信息反饋給ECU，ECU將這些參數的實際值與期望的設定值相比較，若兩者不一致，則調整發送給執行器的指令，借此使發動機保持在期望的狀態下運行。這部分的信息流動過程用虛線表示，與實線表示的部分組成一個封閉的回路，故稱閉環控制。相比之下，實線表示的信息流動過程雖然也構成了一種控制過程，卻不構成封閉的回路，故稱開環控制。

五、汽油機電子控制系統的作用剖析

發動機的工況是由負荷、轉速及一系列輔助控制變量確定的。圖1-12表明，汽油機電子控制系統的作用是根據汽油機的工況，通過執行器來調節各種控制對象，諸如燃油定量、點火正時及其他參數，諸如排氣再循環率、排氣旁通放空閥開度、活性炭罐清除閥（又稱活性炭罐再生閥或吹洗閥）開度、二次空氣控制閥開度及氣門正時等，以使發動機在該工況下的各種性能及排放得到優化。

六、汽油機電子控制的優越性

相對于機械控制而言，汽油噴射電子控制具有無與倫比的優越性，這些優越性同樣體現在整個汽油機的電子控制中。

1.控制元件引起的偏差較小

控制元件的尺寸和性能偏差會使控制精度下降。在機械控制的場合，控制元件的機械加工尺寸誤差和磨損造成的尺寸誤差都會帶來較大的控制偏差。可是電子控制元件的性能偏差相對較小，而且不存在磨損問題，所以電子控制元件帶來的偏差較小。

2.控制精細

控制裝置對轉速、負荷等工況參數的分辨率高，因此電子控制比機械控制精細。

3.對一個工況的優化控制不影響對其他工況的優化控制

在數字式電子控制的場合，不同工況下的控制數據儲存在計算機的各個存儲單元中，它們是孤立的、離散的、互不相關的，因此對每一個工況都可以實現最佳控制。

4.可以考慮更多的控制變量

在機械控制汽油噴射中，有些變量如負荷、轉速、溫度及壓力等能利用機械的探測器來探知，并用于控制燃油定量。但是發動機其他許多狀態信息如節氣門位置、是否爆燃、空燃比是大于還是小于理論值14.7等卻是很難探測，甚至無法用簡單的機械裝置探測到的。電子元件傳感器可以從發動機提取幾乎全部的狀態信息供ECU處理。這使汽油機電子控制比機械控制具有更高的精度和更強的功能。

5.可以執行更多的控制項目

與傳感器在發動機狀態信息的探測方面給電子控制帶來優越性一樣，電子控制系統的執行器也帶來很大的優越性，它們可以執行機械執行機構很難，甚至無法執行的許多任務，例如怠速轉速電子控制、爆燃電子控制、可變進氣系統電子控制等。

6.可以實現閉環控制

發動機控制的任務就是根據發動機當時的工況來調節一系列參數使之優化。而閉環控制則可將發動機某一特定參數調節到預定目標值。機械控制的場合，如果說發動機工況參數的信息可以通過機械控制裝置對執行機構產生影響的話，那么這種影響對發動機產生的結果卻難以反饋給機械控制裝置。而電子控制系統借助于傳感器，很容易將執行器指令執行結果的信息反饋給控制裝置，形成閉環控制。

7.響應迅速

任何機械裝置都有間隙和慣性，流體都有摩擦，特別是氣體還有可壓縮性。所以涉及機械和流體的控制系統往往會產生信息傳遞和處理的遲延。這種遲延雖然極其短暫，卻是存在的，有時會產生不良影響。電子控制系統則不同，因為它的信息傳遞過程瞬息完成。

必須指出，有些傳感器是根據流體力學—機械—電學原理設計的，另有些傳感器是根據熱學—電學原理設計的，這些傳感器有可能因為流體可壓縮性和熱慣性（由熱容量引起）而造成信號轉換的遲延，進而影響整個控制過程的響應速度。