汽车发动机理论|中级汽车修理工

1.汽油机电子控制技术发展史

为适应降低汽油机燃油消耗和有害物排放量的要求，汽油机燃油供给技术经历了从机械控制汽油喷射到发动机集中管理系统，以及目前正在迅猛发展的缸内直喷技术。

1934年，德国怀特（Wright）兄弟发明了向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术。

1952年，德国博世（Bosch）公司研制成功了第一台机械控制缸内喷射汽油机。

1953年美国本迪克斯（Bendix）公司开始研制由真空管电子控制系统控制的汽油喷射装置，并在1957年研制成功。

1958年，德国博世（Bosch）公司研制成功了机械控制进气管喷射汽油机。

1967年，德国博世公司根据美国本迪克斯公司的专利技术，开始批量生产利用进气歧管绝对压力信号和模拟式计算机来控制发动机空燃比（A/F）的D型燃油喷射系统（D_- Jetronic）。

1973年，德国博世公司在D型燃油喷射系统（D-Jetronic）的基础上，改进发展成为L型燃油喷射系统（L-Jetronic）。

1973～1974年，美国通用（General）汽车公司生产的汽车装上了集成电路（IC）点火控制器。

1976年，美国克莱斯勒（Chrysler）汽车公司研制成功微机控制点火系统，取名为“电子式稀混合气燃烧系统（ELBS）”。

1977年，美国通用汽车公司研制成功了数字式点火控制系统。

1979年，德国博世公司开发出了M-Motronic系统，即发动机集中管理系统。

1979年，日本日产（Nissan）汽车公司研制成功了集点火时刻控制、空燃比控制、废气再循环控制和怠速转速控制于一体的发动机集中控制系统（ECCS）。

1980年，日本丰田（Toyota）公司开发出了具有汽油喷射控制、点火控制、怠速转速和故障自诊断功能的丰田计算机控制系统（TCCS）。

1981年，博世公司开发出了LH-Jetronic系统。1987—1989年，博世公司开发出电控单点汽油喷射系统。

1995年，日本三菱（Mitsubishi）汽车公司公布了电控缸内直喷汽油机（即GDI系统）。2001年，大众（Volkswagen/Audi）集团研制出独有的FSI（Fuel Stratified Injection）缸内直喷系统。

1994年上海大众推出采用D-Jetronic电控汽油喷射系统的桑塔纳2000型轿车。

2000年，我国政府规定：5人座以下的化油器式发动机汽车自2001年1月1日起停止生产。

2.柴油机电子控制技术发展史

20世纪70年代典型的产品有德国博世公司电控VE分配泵，日本杰克赛尔（Zexel）公司的电控系统。

20世纪80年代基于时间控制方式的新型电控喷油泵和高压喷射系统的开发取得了巨大成功。典型产品有第二代电控VE分配泵的ECD-Ⅱ；德国博世公司可变预行程直列柱塞式电控喷油泵。

3.发动机电控技术发展趋势

1）喷油规律的控制。

2）混合气浓度分布控制。

3）输出转矩控制。

4）可变EGR控制。

4.发动机电子控制系统的组成

就总体结构而言，发动机电子控制系统都是由传感器、电子控制单元（Electronic Con-trol Unit，ECU）和执行器三部分组成。

桑塔纳2000GSi、3000型轿车发动机电子控制系统的传感器有空气流量传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、怠速节气门位置传感器和节气门位置传感器（两只传感器与节气门控制组件J338制作成一体）、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、爆燃传感器和车速传感器。

发动机电控单元（ECU）除了接收上述传感器输送的信号外，还要接收点火起动开关、空调开关、怠速开关、电源电压以及空档安全开关（对装有自动变速器的汽车而言）信号，以便判断汽车运行状态并采取相应的控制措施。

桑塔纳2000GSi、3000型轿车发动机电子控制系统的执行器有电动燃油泵、电磁喷油器、怠速控制电动机（在节气门控制组件J338内）、活性炭罐电磁阀、点火控制器和点火线圈。

发动机上不同的执行器完成不同的控制功能。一个执行器和若干个传感器组合起来，构成了发动机电子控制系统中一个子系统，有的子系统同时具有多种控制功能。这些子系统有燃油喷射控制系统、微机控制点火系统、空燃比反馈控制系统、怠速控制系统、燃油蒸气回收系统、发动机爆燃控制系统、超速断油控制系统、减速断油控制系统、溢流清除控制系统、故障自诊断系统等。

5.按喷油器的喷射部位分类

按喷油器喷射燃油的部位不同，汽油机燃油喷射系统可分为进气管喷射系统和缸内喷射系统两种类型。其中进气管喷射又可分为单点喷射（SPI、TBI或CFI）和多点喷射（MPI）两种类型，多点喷射又可分为压力型（即D型）和流量型（即L型）多点喷射系统两种类型。

（1）进气管喷射系统

1）单点喷射系统：单点喷射系统（Single Point Fuel Injection System，SPFI或SPI）也称节气门体喷射或集中喷射系统，是指在多缸发动机节流阀体（即节气门体）的节气门上方安装一只或并列安装两只喷油器的燃油喷射系统。

2）多点喷射系统：多点喷射系统（Multi-Point Fuel Injection System，MPFI或MPI）是指在发动机每个气缸进气门前方的进气歧管上均设计安装一只喷油器的燃油喷射系统。发动机工作时，燃油适时喷在进气门附近的进气歧管内，空气与燃油在进气门附近混合，使各个气缸都能得到混合均匀的混合气。

（2）缸内喷射系统 缸内喷射系统又称为缸内直接喷射系统，其主要特点是：喷油器安装在气缸盖上，喷油器以较高的燃油压力（约3～4MPa）把汽油直接喷入发动机气缸内，并与空气混合形成可燃混合气。

6.按喷油器喷射方式分类

按喷油器喷射方式分类，汽油机燃油喷射系统可以分为连续喷射系统和间歇喷射系统两种类型。

（1）连续喷射系统 连续喷射系统是指在发动机运行期间，喷油器连续不断地喷射燃油的燃油喷射系统。

（2）间歇喷射系统 间歇喷射系统是指在发动机运转期间，喷油器间歇喷射燃油的燃油喷射系统。间歇喷射系统按照各缸喷油器的喷油时序不同，分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种方式。

1）同时喷射：同时喷射是指各缸喷油器开始喷油和停止喷油的时刻完全相同。一般发动机曲轴每转一圈，各缸喷油器同时喷油一次，发动机一个工作循环所需的油量，分两次喷入进气管。

2）分组喷射：分组喷射是指把发动机所有气缸分成2组（四缸机）或3组（六缸机），ECU用两个或三个控制电路控制各组喷油器。发动机工作期间，各组喷油器依次交替喷射，每个工作循环各组喷油器都喷射一次（或两次）。

3）顺序喷射：顺序喷射又称次序喷射，是指在发动机运行期间，喷油器按各缸的工作顺序，依次把汽油喷入各缸的进气歧管。发动机曲轴每转两圈，各缸喷油器轮流喷油一次。

7.按喷射系统的控制方式分类

按汽油喷射系统的控制方式不同，汽油机燃油喷射系统可分成机械控制式汽油喷射系统、机电结合式汽油喷射系统和电子控制式汽油喷射系统。

（1）机械控制式汽油喷射系统 机械控制式汽油喷射系统是指利用机械机构实现燃油连续喷射的汽油喷射系统。

（2）电子控制式汽油喷射系统 电子控制式汽油喷射系统是指由电控单元直接控制燃油喷射的系统。现代电喷汽油机已全部采用电子控制式汽油喷射系统，但汽油机电控系统发展的初期，都是仅具有单一电控汽油喷射控制功能，现已全部被发动机集中管理系统所代替。

发动机集中管理系统由德国博世（Bosch）公司于1979年首先推出，称为Motronic系统，该系统是一个集汽油喷射控制、点火控制和空燃比反馈控制等多项控制功能于一体的电控系统。

现代汽油发动机集中管理系统的基本控制除了以上三项外，还增加了怠速控制、活性炭罐清洗控制、故障自诊断和带故障运行等基本控制功能。此外，根据需要配置相关的装置和系统，还能增加废气再循环控制、二次空气喷射控制、进气谐振增压控制、进气涡流控制、配气定时控制等控制内容和功能。

8.按进气量测量方式分类(www.xing528.com)

按进气量测量方式分类，可分为间接测量方式汽油喷射系统和直接测量方式汽油喷射系统两类。

（1）间接测量方式汽油喷射系统 ECU通过测量发动机转速、节气门开度或进气歧管压力，计算出发动机吸入的空气量。按所需测量的参数分类，可分为节流-速度方式和速度-密度方式两种。

1）节流-速度方式：节流-速度方式是指ECU通过测量节气门开度和发动机转速，根据节气门开度、发动机转速和发动机进气量的关系，计算出每一循环进入气缸的空气量，从而确定循环基本喷油量。

2）速度-密度方式：速度-密度方式是指ECU通过测量进气歧管压力和发动机转速，根据进气歧管压力、发动机转速和发动机进气量的关系，计算出每一循环进入气缸的空气量，从而确定循环基本喷油量，如博世公司的D-Jetronic系统。

（2）直接测量方式汽油喷射系统 直接测量方式采用空气流量传感器直接测量发动机单位时间吸入的空气量，ECU根据流量传感器测出的空气流量和发动机的转速，计算出每一工作循环发动机吸入的空气量，从而确定循环基本喷油量。对于直接测量方式，按测出的是空气的体积流量，还是质量流量，可分为体积流量方式和质量流量方式。

1）体积流量方式：体积流量方式采用翼片式空气流量传感器或卡门旋涡式空气流量传感器，测量发动机单位时间吸入的空气体积。

2）质量流量方式：质量流量方式利用热线式或热膜式空气流量传感器，测量发动机单位时间吸入的空气质量。

9.节气门位置传感器的结构与工作原理

常见的节气门位置传感器有触点式、可变电阻式、触点与可变电阻结合式三种。

（1）触点式节气门位置传感器 触点式节气门位置传感器由转盘、活动触点、怠速触点、全开触点（功率触点）等组成。

在某些装备自动变速器的轿车上，采用多触点式节气门位置传感器，触点数目多，能更精确地反映发动机负荷的变化，以便于更加准确地控制自动变速器的换档时刻和变矩器锁止离合器的锁止时刻。

（2）可变电阻式节气门位置传感器 可变电阻式节气门位置传感器由滑动电刷、电阻片组成。

（3）触点与可变电阻结合式节气门位置传感器 为使ECU更准确地得到节气门怠速位置信号，在可变电阻式节气门位置传感器的基础上增设了一个怠速触点，形成触点与可变电阻结合式节气门位置传感器。

10.温度传感器

常见的温度传感器按结构与物理性能不同可分为热敏电阻式、双金属片式、热敏铁氧体式、蜡式等。双金属片式和蜡式温度传感器属于结构型传感器，热敏电阻式和热敏铁氧体式温度传感器属于物性（物理性能）型传感器。现代汽车广泛采用热敏电阻式温度传感器。

根据特性不同，热敏电阻可分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻、临界温度热敏电阻（CTR）。

（1）冷却液温度传感器 冷却液温度传感器的主要元件是负温度系数热敏电阻，其作用是把冷却液温度转换为电信号。该信号输入ECU后用于：

1）修正喷油量。

2）修正点火提前角。

3）冷起动时决定喷油量。

4）影响怠速控制阀动作。

5）影响怠速断油。

6）影响废气再循环（EGR控制）。

（2）进气温度传感器 进气温度传感器的结构、工作原理与冷却液温度传感器相同，都是采用负温度系数热敏电阻。

11.氧传感器

氧传感器的作用是把排气中氧的浓度转换为电压信号，ECU根据氧传感器输入的信号判断混合气的浓度，进而修正喷油量。

（1）氧传感器的结构与工作原理 氧传感器根据内部敏感材料不同分为氧化锆式和氧化钛式两种。氧化锆式氧传感器又分为加热型和非加热型两种，氧化钛式氧传感器一般都是加热型传感器。

1）氧化锆式氧传感器：氧化锆式氧传感器主要由锆管、电极、电极引线、金属保护套（管）、加热元件（仅指加热式氧传感器）、线束插接器等组成。

发动机运转时，排气管内的废气从锆管外电极表面的陶瓷层渗入，与外电极接触，内电极与大气接触。锆管内、外侧存在氧浓度差，使氧化锆电解质内部氧离子开始向外电极扩散，扩散的结果是在内、外电极之间产生电位差，形成了一个微电池。其外电极为锆管负极，内电极为锆管正极。

如果没有外电极铂的催化作用使锆管外侧的氧离子急剧减小到0，那么在浓混合气时就不会有接近1.0V的高电压信号，传感器的输出信号也不会在混合气由浓变稀时出现跃变现象，这正是使用铂电极的另一个重要因素。

氧化锆式氧传感器的工作状态与工作温度有着密切的关系。

2）氧化钛式氧传感器：氧化钛式氧传感器的材料是二氧化钛（TiO₂）。二氧化钛在常温下的电阻值是稳定的，但当其表面缺氧时，其内部晶格会出现缺陷，电阻会大大降低。

（2）氧传感器的工作电路 加热式氧传感器除去非加热式氧传感器的两条连接导线外，还有两条导线：一条是加热器的搭铁线，另一条是通过ECU主继电器供给加热器的电源线。

（3）氧传感器的故障 氧传感器常见的故障有氧传感器老化、氧传感器中毒、氧传感器破裂、氧传感器内部电热元件损坏、导线断开、氧传感器信号不正确等，其中传感元件老化和中毒是氧传感器失效的主要原因。氧传感器的传感元件受到污染而失效的现象称为氧传感器中毒，氧传感器中毒主要是指铅（Pb）中毒、硅（Si）中毒和磷（P）中毒。

1）氧传感器老化：氧传感器老化的主要原因是传感元件局部表面温度过高。

2）铅中毒：铅中毒是指燃油或润滑油添加剂中的铅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应，导致催化剂铂的催化性能降低的现象。

3）硅中毒：硅中毒是指硅离子与氧传感器的铂电极发生化学反应而导致催化剂铂的催化性能下降的现象。

4）磷中毒：磷中毒是指各种磷化物污染氧传感器的现象。

由于在汽车发动机上不可避免地存在铅离子、硅离子、磷离子，而且氧传感器必须安装在排气管上且必须在高温下工作，因此氧传感器（氧化锆式或氧化钛式）中传感元件的中毒和老化也都是不可避免的，所以，氧传感器应当按规定的行驶里程（一般为80000km）进行更换。

12.爆燃传感器

爆燃传感器的作用是把发动机爆燃信号转换为电信号输入发动机ECU。该信号输入ECU后用于控制点火提前角，使发动机在最接近爆燃的时刻点火。

检测发动机爆燃的方法有三种：检测发动机燃烧室压力、检测发动机缸体振动、检测燃烧噪声。

（1）爆燃传感器的结构与工作原理 爆燃传感器按检测方式不同可分为共振型与非共振型两种；按结构不同可分为磁致伸缩式和压电式两种。

1）磁致伸缩式爆燃传感器：磁致伸缩式爆燃传感器属共振型传感器。磁致伸缩式爆燃传感器主要由感应线圈、铁心、永久磁铁和传感器外壳等组成。

2）压电式爆燃传感器：压电式爆燃传感器是利用压电效应制成的。压电效应是指某些晶体（如石英、压电陶瓷等）在特定方向受压（或受拉）产生变形时，在晶体内部产生极化现象，并在其两个表面出现异性电荷；当去掉外力后，又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。

压电式爆燃传感器按检测缸体振动频率的方式不同，又可分为共振型与非共振型。

①共振型压电式爆燃传感器：共振型爆燃传感器的主要元件是压电元件与振荡片。共振型爆燃传感器输出的信号电压高，不需要专门的滤波器，信号处理比较方便。但由于共振型爆燃传感器的共振频率必须与发动机燃烧时的爆燃频率匹配（即产生共振），因此共振型爆燃传感器只能用于指定型号的发动机（因为各种发动机有自己特定的共振频率），互换性差。

②非共振型压电式爆燃传感器：非共振型压电式爆燃传感器的主要元件是惯性配重和压电陶瓷元件。非共振型压电式爆燃传感器是以接收加速度信号的形式来判断爆燃是否产生。配重将振动引起的加速度转换成作用于压电元件上的压力。

非共振型爆燃传感器输出的信号电压小、平缓，必须将输出信号输送至带通滤波器中，判断爆燃是否发生。带通滤波器一般由线圈和电容器组成，它只允许特定频带的信号通过，对其他频带的信号进行衰减。

非共振型爆燃传感器的适用范围广，当用在不同类型的发动机上时，只需将带通滤波器的过滤频率进行调整即可，无需更换传感器，这是非共振型爆燃传感器的优点。

（2）爆燃传感器的工作电路 桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机上压电式爆燃传感器每两个缸共用一个爆燃传感器，1、2缸共用一个传感器，安装在气缸体进气管侧1、2缸之间，3、4缸共用一个传感器，安装在气缸体进气管侧3、4缸之间。两个传感器的屏蔽线直接搭铁。