电子控制汽油喷射系统主要元件结构及工作原理

4．4　电子控制汽油喷射系统主要元件结构及工作原理

4．4．1　电控单元

1．电控单元的组成

电控单元一般由中央处理器CPU、只读存储器ROM、可编程的只读存储器PROM、运行数据存储器RAM和输入／输出接口等组成，如图4－4所示。

图4－4　电控单元基本组成

1－传感器　2－输入回路　3－模／数（A／D）转换器　4－输出回路　5－执行元件

6－ROM－RAM存储器　7－中央处理器CPU　8－输入／输出接口

发动机工作时，电控单元开始工作，CPU中央处理器开始执行程序。程序由一系列指令组成，指令表示为操作码和地址码两部分。当电控单元进入工作状态时，某些程序和步骤从ROM中取出，进入CPU中央处理器，这些程序可包括燃油喷射控制、点火时刻控制或怠速控制等。

4．4．2传感器

1．空气流量传感器

空气流量计的作用是对进入气缸的空气量进行直接计量，并把空气流量的信息输送到ECU。空气流量传感器可分为两种：一种是直接测量空气体积流量的传感器，有叶片式、卡门涡流式、超声波式；另一种是直接测量空气质量流量的传感器，有热线式、热膜式。

（1）叶片式空气流量传感器。叶片式空气流量传感器在进气道中有一个可绕轴摆动的叶片（图4－5），作用在轴上的卷簧1弹力可使叶片关闭。发动机工作时，进气气流经过空气流量传感器并推动叶片偏转，使其开启。叶片开启角度的大小取决于进气流对叶片的推力与叶片轴上卷簧弹力的平衡状况。进气量的大小由驾驶员操纵节气门来改变。进气量愈大，气流对叶片的推力愈大，叶片的开启角度也就愈大，叶片上装有电位计2，它把叶片开启角度的变化（即进气量的改变）转变成电阻值大小的变化。电位计与电控单元相连，电控单元根据电位计电阻的变化或作用在电位计上电压的变化，测出发动机进气管空气量的多少。空气流量传感器进气通道旁还设有一个旁通空气道7。经此气道进入发动机的气流不对叶片产生推力，即不经过叶片的计量就进入发动机，在发动机怠速运转时，叶片处于接近关闭状态，此时经旁通空气道进入发动机的气流占很大比例。

图4－5　叶片式空气流量传感器

1－卷簧　2－电位计　3－叶片　4－温度传感器　5－缓冲挡板　6－怠速调节螺钉　7－旁通空气道

怠速混合气的调节可通过旁通道7上的怠速混合气调节螺钉6实现。因为供油量是依空气流量传感器测得的进气量确定的，而从旁通道进入的空气未被计量。因此，在主通道进气量不变的情况下，改变旁通道的截面，虽总供油量没变，但改变了混合气的浓度，即相对于单位进气量而言，供油量发生了变化。

（2）热线式空气流量传感器。热线式空气流量传感器是一种测量空气质量型传感器，它不需要校正“海拔高度、大气温度、大气压力对测量精度”的影响。

如图4－6所示，其基本结构由感知空气流量的铂金热线电阻RH（热线）、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻R_K（冷线）、控制热线电流并产生输出信号的控制电路板以及空气流量计壳体等组成。

取样管置于主空气通道中，两端有金属防护网防止脏物进入。取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成，一根直径约70μm的铂金属丝作为发热元件布置在支承环内，传感

图4－6　热线式空气流量传感器

器工作时，铂金属丝被控制电路提供的电流加热到高于进气温度100℃，故将它称之为热线电阻或热丝，其电阻值随温度变化，是惠斯通电桥电路的一个臂。热线支承环前端的塑料护套内安装一个薄膜电阻，其电阻值随进气温度变化，由于它靠近进气口一侧，称为冷丝或温度补偿电阻，该温度补偿电阻相当于一个温度传感器，起到温度参考基准的作用，它是惠斯通电桥电路的另一个臂。热线支承环后端的塑料护套上粘结着一只精密电阻R_S，也是惠斯通电桥电路的一个臂，该电阻上的电压降即为热线式空气流量计的输出信号。惠斯通电桥电路还有一个臂的电阻安装在控制电路板上。控制电路板安装在热线式空气流量计的下方，通过接线插座将空气流量计的信号传给发动机电控单元ECU。

铂金属热线和其它几个电阻组成惠斯通电桥电路（如图4－7）。在传感器工作时，热线被控制电路提供的电流加热到高于冷线温度100℃，此时惠斯通电桥处于平衡状态。进气时气流带走了热线上的热量使热线变冷，热线的电阻值随即也降低，桥形电路平衡被破坏；控制电路加大通过热线的电流使热线升温以恢复其原有的电阻值，使电桥重新平衡。进气量越大，热线被带走的热量也就越多，控制电路的补偿电流也就越大，这样就把空气流量的变化转换为电流的变化。电流的变化又使固定电阻R_S两端的电压发生变化，此变化的电压就是热线式空气流量计的输出信号。控制电路把这一根据空气质量流量变化的电压信号输入ECU。

图4－7　热线式空气流量计电路

铂金热线　R_K－温度补偿电阻　R₁、R₂－高阻值电阻　R_S－精密电阻UM－电压输出信号　I_H－加热电流

热线长时间暴露在进气中，会因空气中灰尘附着在热线上而影响测量精度，需增加自洁净功能：关闭点火开关时ECU向空气流量计发出一个信号，控制电路立即给热线提供较大电流，使热线瞬时升温至1000℃左右，把附着在热线上的杂质烧掉。自洁净功能持续时间约1～2s。

（3）热膜式空气流量传感器。热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器的结构与工作原理基本相同。但它不采用热线，而是将热线、温度补偿电阻及精密电阻用厚膜工艺镀在一块陶瓷基片上（称为热膜电阻），装在测量管内，如图4－8所示。

热膜式空气流量计测量精度高、响应速度快、进气阻力小，而且可靠、耐用，不会因粘附污物而影响测量精度。

图4－8　热膜式空气流量计

1－热膜电阻　2－进气气流

2．进气歧管压力传感器

进气歧管压力传感器（以下简称进气压力传感器）可根据发动机的负荷状态测出进气歧管内绝对压力的变化，并转换成电压信号与转速信号一起输送给微机控制装置，作为喷油器基本喷油量的依据。应变仪式进气压力传感器如图4－9所示。

图4－9　应变仪式进气压力传感器

1－硅片　2－硅　3－真空腔　4－硼硅酸玻璃片　5－二氧化硅膜

6－传感器电阻　7－金属块

该传感器主要元件是一个很薄的硅片1，其外围较厚，中间最薄。硅片上下两面各有一层0．03mm的二氧化硅膜5。在膜层中沿硅片四边，有四个传感器电阻6。在硅片四角各有一个金属块7，通过导线与电阻相连。

在硅片底面粘接了一块硼硅酸玻璃片4，使硅膜片中部形成一个真空腔。硅片装在一个密封容器内，通过一根橡胶管与进气歧管相通，使进气歧管压力作用在硅片周围。

硅片上的四个传感电阻，以惠斯通电桥方式连接，由稳压电源供电（图5－14）。由于硅片一面是真空腔，另一面即进气歧管内绝对压力较高，硅片变形较大，其应变与应力成正比，附在硅片上的应变电阻的阻值随应变成正比的变化，这样即可利用惠斯顿电桥将硅片的变形变成电信号，经放大器放大后，输送给电控单元。

3．曲轴位置传感器

曲轴位置传感器除了可提供相对于活塞上止点位置的曲轴转角信号外，还能精确地测出发动机的转速，因此也称为转速传感器。曲轴位置传感器有电磁感应式、霍尔效应式和光电式三种。

（1）磁感应式曲轴位置传感器。磁感应式曲轴位置传感器工作原理和交流发动机类似。其基本结构和工作原理如图4－10所示。它由齿轮式的信号轮和永久磁铁与铁芯构成的感应头以及绕在铁芯外的感应线圈组成。

图4－10　电磁感应式传感器工作原理图

1－信号轮　2－感应头　3－感应线圈　4－高速时的输出信号　5－低速时的输出信号

（2）光电式曲轴位置传感器。光电式曲轴位置传感器由发光二极管、光敏三极管及遮光盘组成（图4－11）。它通常也装在分电器内。在分电器底板上固定着由两对发光二极管和光敏三极管组成的信号发生器，分电器轴上装有遮光盘，盘上开有弧形槽。当遮光盘随分电器轴旋转时，弧形槽便交替的通、断从发光二极管射向光敏三极管的光线，使光敏三极管导通或截止，由此产生脉冲信号，经脉冲计数后即可得到曲轴的转速。脉冲信号取决于盘上的弧形槽数。遮光盘外圈的弧形槽个数一般与气缸数相同，与其对应的一对发光二极管和光敏三极管产生各缸活塞到达上止点的基准参考信号和转速信号。在遮光盘的内圈上另设一个弧形槽，与其对应的另一对发光二极管和光敏三极管就产生第一缸活塞到达上止点时的基准信号。

霍尔效应传感器的结构与工作原理见发动机点火系。

图4－11　光电式曲轴位置传感器

1－O形密封圈　2－曲轴位置传感器　3－分火头　4－分电器盖

5－G信号传感器　6－Ne信号传感器

4．水温传感器

水温传感器用来检测发动机冷却水的温度，该值作为喷油量和点火正时的修正量。水温传感器常采用对温度变化非常敏感的热敏电阻制成，其构造、特征及与电控单元的连接如图4－12所示。电控单元中的电阻与水温传感器串联，水温愈低，热敏电阻阻值愈大，电控单元根据这一信号，增加喷油量，使可燃混合气浓度增加；反之，喷油量减少。

5．进气温度传感器

进气温度传感器与体积空气流量传感器相配合，测量空气温度的变化，以确定空气密度的变化，进而获得较精确的空气质量流量及空燃比。进气温度传感器与水温传感器结构相同，也是采用热敏电阻作为敏感元件，其与电控单元的连线也相同。

6．氧传感器

氧传感器装置在排气管中，检测实际可燃混合气的空燃比较理论空燃比偏离的程度，并把信息输入电控单元，电控单元控制喷油脉冲长短，实现反馈，组成闭环控制，满足最佳排气净化要求。

图4－12　水温传感器

氧传感器分为二氧化锆和二氧化钛式两种，目前应用较普遍的是二氧化锆式二氧传感器。

二氧化锆式二氧传感器基本结构如图4－13所示。它的主体是锆管，锆管固定在有安装螺纹的固定套中，锆管的内外表面都镀有一层透气的多孔性铂膜作电极。

图4－13　氧化锆式氧传感器基本结构

1－壳体　2－陶瓷体　3－引线　4－带有通气狭槽的保护罩　5－二氧化锆管

6－电极接触部位　7－保护套　8－加热元件　9－加热元件夹持器

如图4－14所示。这两个电极间的电势差就是氧传感器要输出的信号电压。信号电压的高低取决于锆管内外表面的氧浓度差，由于内表面与大气相通，其含氧量几乎不变，因此，信号电压的高低就取决于外表面废气的残余氧浓度，当实际的空燃比小于理论空燃比即混合气偏浓时，氧传感器向ECU输入高电压信号（0．75～0．9V），当实际的空燃比增大至大于理论空燃比即混合气偏稀时，氧传感器输出信号电压突变降至0．1V左右，信号电压输送至ECU，ECU根据氧传感器信号不断调节喷油量。

7．节气门位置传感器

节气门位置传感器的作用是把发动机的负荷通过节气门开度转换成电压的信号，输送给微机，实现不同的节气门开度下的喷油量控制。节气门位置传感器装在节气门体上。

常见的节气门位置传感器有线性型、开关型和综合型三种类型。

（1）线性型节气门位置传感器，如图4－15所示。传感器内部装有滑动电阻，滑动电阻的滑臂与节气门轴一同转动。

图4－14氧传感器及其特性

1－加热器　2－法兰　3－铂电极　4－硅电极（ZrO₂元件）　5－涂层（陶瓷）

图4－15　线性型节气门位置传感器

当节气门打开时，滑臂随节气门轴转动的同时在滑动电阻片上滑动，将节气门开度的变化转变为电阻的变化，进而以电压方式输出，可以获得节气门从全闭到全开的连续变化的信号，从而精确地判断发动机的运行工况。

（2）开关型节气门位置传感器。该型节气门位置传感器仅以开、关两种状态的组合来反映节气门的开度。它的主体由一个活动触点和两个固定触点构成，两个固定触点一个为怠速触点，另一个为全负荷触点。如图4－16所示。当活动触点在节气门全关（怠速）时与怠速固定触点闭合，而在节气门接近全开时与全负荷触点闭合，节气门在中间位置时，活动触点于两个固定触点均断开。ECU根据触点的闭合情况确定发动机处于怠速、中等负荷或全负荷工况。

（3）综合式节气门位置传感器的构造和原理

综合式节气门位置传感器是在线性电位计式节气门位置传感器的基础上加装了一个怠速触点，如图4－17所示。

怠速时，怠速触点闭合，输出怠速工况信号，其它工况随节气门开度的变化，电位计的电阻也变化，从而将节气门开度转变为电压信号输送给ECU。

当节气门开度变化时，可变电阻的滑臂便随节气门轴转动，滑臂上的触点便在滑动电阻片上滑动，传感器输出端子“VTA”与“E₂”之间的信号电压随之发生变化，节气门开度越大，输出的信号电压越高。

图4－16　开关型节气门位置传感器

1－导向凸轮　2－节气门轴　3－控制杆　4－活动触点　5－怠速触点

6－全负荷　7－插座　8－导向凸轮槽

图4－17　综合式节气门位置传感器

4．4．3电动燃油泵

电动燃油泵的功用是供给各喷油器及冷起动喷油器所需要的燃油。

在电子控制燃油喷射系统中最常用的是滚柱式电动燃油泵，其结构如图4－18所示，主要由滚柱泵3、驱动电动机4和单向阀5组成。

泵的一端是进油口，另一端是出油口，电源插头在出油口一侧。进油口一侧的滚柱泵由泵壳中间的驱动电动机高速驱动。当油泵旋转时，由于离心力的作用，转子槽内的滚子向外移动，紧靠在偏心设计的泵体壁面上。滚柱随转子一同旋转时泵腔容积产生变化：进油口处容积越来越大，出油口处容积越来越小，使燃油经过进油口的滤网被吸入油泵，加压后经过驱动电动机周围的空间由出油口泵出。油泵出油口处有一单向阀，在油泵不工作时阻止燃油倒流回燃油箱，以保持发动机停机后的燃油压力，便于再次起动。出油口处的缓冲器是用来减小出油口处的油压脉动和运转噪声。若因汽油滤清器堵塞等原因使油泵出油口一侧油压过高，与油泵一体的限压阀被顶开，使部分燃油回到进油口一侧，以保护电动燃油泵。

图4－18　电动燃油泵结构简图

1－进油口　2－单向阀　3－滚柱泵　4－驱动电动机　5－单向阀　6－出油口

4．4．4　燃油滤清器

燃油滤清器的作用是过滤燃油中的杂质，防止污物堵塞喷油器等精密零件。

燃油滤清器（如图4－19）可以安装在燃油箱附近，也可以安装在发动机附近。它与化油器式燃油供给系的燃油滤清器不同，它的滤网较大，滤清效果好，外壳为密封式铁壳，有一定的耐压能力，使用寿命较长。

图4－19　燃油滤清器

4．4．5　燃油导轨

燃油导轨（分配管）的功用是将燃油均匀的、等压的分配给各个喷油器；另外，还有贮油蓄压的作用（见图4－20）。

燃油导轨的截面一般都比较大，其容积油量相对于发动机的喷油量来说，要多很多，这样可防止燃油压力波动，保证各缸喷油器的喷油量尽可能相等。燃油导轨总成用螺栓安装在进气歧管下部的固定座上，与喷油器相连，并向喷油器分配燃油。燃油由燃油泵泵出，经脉冲缓冲器，流入燃油导轨。燃油压力调节器保持正常的系统压力，多余的燃油从燃油压力调节器出油口流回油管返回燃油箱。

若燃油导轨堵塞，会使发动机性能下降和发动机过热。

图4－20　燃油导轨

1－燃油压力测试口　2、6－油道　3－进油口　4－燃油压力调节器　5－喷油器

4．4．6　燃油压力调节器

燃油压力调节器的功用是调节至喷油器的燃油压力，使油路中的燃油压力与进气管压力之差即喷油压差保持常数，这样从喷油器喷出的燃油量便唯一地取决于喷油器的开启时间，使微机能够通过控制喷油时间的长短来精确控制喷油量。燃油压力调节器的结构如图4－21所示。

图4－21　燃油压力调节器

1－通燃油导轨　2－通燃油箱　3－回油阀　4－回油阀支撑板

5－膜片　6－弹簧7－通进气管

金属壳内有一膜片，膜片将内腔分成两个腔室：下腔为真空气室，内有一个弹簧紧压在膜片上，使阀门关闭；上腔室通过燃油导轨和燃油箱相通。

发动机工作时，燃油压力调节器膜片下方承受的压力为弹簧的弹力和进气管内气体压力之和，膜片上方承受的压力为燃油压力，当膜片上、下承受的压力相等时，膜片处于平衡位置不动，当进气管内压力下降，膜片向下移动，回油阀开度增大，回油量增多，使输油管内压力下降；反之，进气管内气压升高时，膜片带动回油阀向上移动，回油量减少，输油管内油压升高。由此可见，在发动机工作时，燃油压力调节器通过控制回油量来调节输油管内燃油压力，从而保持喷油压差恒定不变。

图4－22　喷油器的结构

1－燃油滤阀　2－电线　3－电磁线圈　4－弹簧　5－衔铁　6－针阀　7－轴针

燃油压力调节器装在燃油导轨（分配管）的一端。按装置的不同，可使燃油压力调节在0．25～0．30MPa的范围内。

4．4．7　喷油器

喷油器是电子控制燃油喷射系统中的最重要零件。在多点燃油喷射系统中，每个气缸都装有一个喷油器。

轴针式喷油器的结构如图4－22所示。当ECU发出指令使电磁线圈通电时，便产生吸力，将衔铁和针阀吸起，打开喷孔，燃油经针阀头部的轴针与喷孔之间的环形间隙高速喷出，并被粉碎成雾状，与空气混合，在发动机进气行程中被吸入气缸。电磁线圈不通电时，磁力消失，弹簧将衔铁和针阀下压，关闭喷孔，停止喷油。

微机利用电脉冲的宽度来控制喷油器每次打开喷油的时间，从而控制喷油量。

4．4．8　冷起动喷油器

发动机在低温环境下起动时，需要极浓的可燃混合气。早期有些电子控制燃油喷射系统中设置了冷起动喷油器，在低温时喷射燃油以利于发动机起动。冷起动喷油器的结构如图4－23所示。

它也是一个电磁阀，在冷起动喷油器内有一个电磁线圈2，针阀1与线圈制成一体，被弹簧5紧压在阀座上。冷起动时，电磁线圈通电，产生电磁力将衔铁吸起，由燃油导轨来的燃油通过旋流式喷嘴以细雾状喷出，从节气门后的进气管内，均匀地分配到各气缸。

图4－23　冷起动喷油器　

1－针阀　2－电磁线圈　3－插头　4－燃油入口　5－弹簧　6－喷嘴

图4－24　冷起动温度开关

　　1－触点　2－加热线圈　3－双金属片　　4－壳体　5－接线柱

冷起动喷油器可直接由冷起动温度开关直接控制，不过目前，很少汽车上使用冷起动喷油器了，现在一般的电控发动机在起动时，电控单元直接根据冷却液的温度控制喷油器的开启时间来控制喷油量。

冷起动温度开关螺纹连接的方式安装在发动机的水路上，其结构如图4－24所示。冷起动温度开关内部有一段活动触点，其中活动触点由双金属片制成，在双金属片外围绕有加热线圈。冷起动温度开关与冷起动喷油器串联，当水温升高或加热线圈加热时间较长时，双金属片受热变形，触点断开，冷起动喷油器电磁线圈线路断开，喷油结束。

【实践教学】