汽车发动机电子控制系统结构原理

结构组成如图4-66所示。其工作原理是通过各种传感器收集发动机运行信号并输入ECU，ECU通过内部存储数据计算出最佳喷油量并发出指令给喷油器，喷油器把相应量的汽油喷入到进气歧管或气缸中，（如图4-67所示）。

图4-67 电控汽油发动机电子控制系统的工作原理

1.传感器

传感器的主要作用是收集发动机运转的各种信号。发动机上常见的传感器有：空气流量计（L型进气系统）、进气歧管绝对压力传感器（D型进气系统）、曲轴/凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、爆燃传感器、车速传感器、制动开关、空调开关、空挡开关等。

（1）空气流量计的作用及结构原理 空气流量计主要应用于L型电控燃油喷射系统中，其作用是将单位时间内进入发动机的进气量转换成电信号，并将信号输入ECU。它一般安装于空气滤清器后节气门前，如图4-68所示。

如图4-69所示，空气流量计按照测量原理可分为叶片式空气流量计、热式空气流量计、卡门涡旋式空气流量计和量芯式空气流量计四种类型。叶片式空气流量计和量芯式空气流量计，因体积庞大、结构复杂、响应较慢、控制精度不高等缺点，目前已很少使用。

图4-68 空气流量计的安装位置

图4-69 空气流量计的分类

a）叶片式空气流量计 b）热式空气流量计 c）卡门涡旋式空气流量计 d）量芯式空气流量计

1）热式空气流量计。热式空气流量计可以分为热线式空气流量计和热膜式空气流量计两种。

①热线式空气流量计。热线式空气流量计有主流测量方式（图4-70）和旁通测量方式（图4-71）两种。其结构基本相似。主流测量方式的热线式空气流量计主要由防回火和滤除脏物的防护网、取样管、白金热线、温度补偿电阻、控制线路板及接线插头等组成。热线式空气流量计主要使用于沃尔沃、日产、别克等部分车型上，其工作原理如图4-72所示。

图4-70 主流测量方式的热线式空气流量计实物及结构组成

图4-71 旁通测量方式的热线式空气流量计实物及结构组成

图4-72 热线式空气流量计的工作原理

R_t—温度补偿电阻 R_h—热线电阻 R₁、R₂、R_s—精密电阻 A—集成电路 U_s—输出信号

在进气管道中放置热线电阻R_h，当空气流过热线时，热线的热量被空气吸收，使其变冷。热线周围通过的空气质量流量越大，被带走的热量就越多。热线式空气流量计就是利用热线与空气之间的这种热传递现象进行空气质量流量测量的。其工作中将热线温度与吸入空气温度差保持在100℃，热线温度由混合集成电路控制，当空气质量流量增大时，由于空气带走的热量增多，为保持热线温度，混合集成电路使热线电阻通过的电流增大，反之，则减小。这样，使得通过热线电阻的电流是空气质量流量的单一函数，即热线电流随着空气质量流量的增大而增大，随空气质量流量的减小而减小。这样ECU根据热线电流的变化就可以计算出空气流量的大小。

热线式空气流量计都有自洁功能。当发动机转速超过1500r/min，关闭点火开关使发动机熄火后，控制系统自动将热线加热到1000℃以上并保持约1s，使附在热线上的粉尘烧掉。

②热膜式空气流量计。热膜式空气流量计的结构如图4-73所示，其发热体不是热线而是热膜，它是由发热金属铂固定在薄的树脂膜上构成的。这种结构可使发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，增加了发热体的强度，提高了空气流量计的可靠性和使用寿命。

热膜式空气流量计的工作原理与热线式基本相同。目前主要应用在捷达、桑塔纳2000GSi、别克、奔驰等乘用车上。

图4-73 热膜式空气流量计实物及结构组成

③热式空气流量计的电路原理。热线式及热膜式空气流量计的插接器接口形式基本相同。如图4-74所示为热线式空气流量计的电路原理图。

图4-74 热线式空气流量计的电路原理图

2）卡门涡旋式空气流量计。卡门涡旋是一种物理现象，其产生如图4-75所示。当空气穿过锥状涡流发生器后不断产生卡门涡旋，涡旋的频率（个数）与空气流速成正比，与涡流发生器直径成反比。卡门涡旋式空气流量计通过监测涡旋频率计算空气流速，进而计算空气流量。

图4-75 卡门涡旋形成原理图

根据传感器输出信号的检测原理，卡门涡旋式空气流量计可以分为反光镜式和超声波式两种。

①反光镜检测方式的卡门涡旋式空气流量计。该类型空气流量计主要应用在丰田凌志LS400型乘用车和皇冠3.0型乘用车上。

a.结构组成。如图4-76所示，该类型空气流量计主要由涡流发生器、发光二极管、光敏晶体管、反光镜、集成控制电路等组成。

图4-76 反光镜测量式卡门涡旋空气流量计结构组成

b.工作原理。如图4-77所示，当空气流经涡流发生器时产生卡门涡旋，其压力发生变化，通过压力导向孔作用于铂金属制成的反光镜表面，使反光镜产生振动。反光镜振动时，将发光二极管投射的光反射给光电晶体管，光电晶体管将其转换为电信号经流量计内IC集成电路整形后输入ECU，ECU根据该信号频率计算进气量。

图4-77 反光镜测量式卡门涡旋空气流量计工作原理

②超声波测量方式的卡门涡旋式空气流量计。该类型空气流量计主要应用在三菱、中国长丰猎豹、韩国现代汽车部分车型上。

a.结构组成。其结构组成及工作原理如图4-78所示。其结构主要由涡流发生器、超声波发生器、超声波接收器、集成控制电路等组成。

b.工作原理。超声波检测方式的卡门涡旋式空气流量计是利用卡门涡旋引起的空气密度变化进行测量的，其工作原理如图4-78所示。

当发动机运转时，超声波发生器不断向超声波接收器发送一定频率的超声波。在超声波通过空气流到达接收器的过程中，卡门涡旋会造成空气密度的变化，受其影响，超声波信号发生器发出的超声波到达接收器的时机将变早或者变晚，即超声波的相位产生了一定的差值，利用集成电路中的放大器将其变成矩形波，矩形波的脉冲频率即为卡门涡旋的频率。从而计算出空气涡流的数量，得到发动机的进气量大小。

图4-78 超声波测量方式的卡门涡旋式空气流量计结构组成及工作原理

③卡门涡旋式空气流量计电路原理。卡门涡旋式空气流量计的插接器接口端子一般有三个，分别是ECU输入电压端、传感器信号输出端及搭铁端。如图4-79所示为丰田LS400超声波检测方式卡门涡旋式空气流量计电路图。

图4-79 丰田LS400卡门涡旋式空气流量计与ECU的连接电路图

空气流量计的形式较多，其拆装方法也不一样，应注意：

①安装时点火开关必须关闭。

②空气流量计一般不允许解体。

③拆卸时应尽量避免灰尘等脏物进入进气道。

（2）进气歧管绝对压力传感器的基本结构及工作原理 在D型电控燃油喷射系统中，由进气歧管绝对压力传感器测量进气管压力（实际测量的是进气管的真空度，通过计算换算成反映进气量的电参数），并将信号输入ECU。如图4-80所示为各种进气歧管绝对压力传感器的外形及安装位置。

进气歧管绝对压力传感器通常可分为压敏电阻式、电容式、膜盒式三种类型。膜盒式进气歧管绝对压力传感器，因体积大、反应慢、易破损，目前已很少使用。

1）压敏电阻式进气歧管绝对压力传感器。

①结构组成。其结构如图4-81所示，主要由压电转换元件（硅片）、惠斯顿电桥和IC集成放大电路等部分组成。该类型传感器具有尺寸小、输出信号稳定、抗振性好等特点，目前得到广泛使用。本田雅阁等乘用车采用该类型的进气歧管绝对压力传感器。

图4-80 进气歧管绝对压力传感器的外形及安装位置

图4-81 压敏电阻式进气歧管绝对压力传感器的实物及结构组成

②工作原理。该类型传感器的核心部件为压电转换元件。压电转换元件是利用半导体压阻效应制成的硅膜片。硅膜片为约3mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2mm、厚约50μm的薄膜。在膜片表面规定位置有四个应变电阻，以惠斯顿电桥方式连接，其工作原理如图4-82所示。

图4-82 压敏电阻式进气歧管绝对压力传感器工作原理

2）电容式进气歧管绝对压力传感器。

①结构组成。如图4-83所示，该类型传感器的结构特点是位于传感器壳体内腔的弹性膜片用金属制成，弹性膜片上、下两个凹玻璃的表面也均有金属涂层，这样在弹性膜片与两个金属涂层之间形成两个串联的电容。

②工作原理。电容式进气歧管绝对压力传感器利用电容效应检测进气歧管绝对压力。发动机工作时，进气管内的进气压力作用于膜片，使电容C₁和电容C₂发生变化。电容变化量经过测量电路转换成电压信号输送给ECU，ECU通过处理这些信号计算出进气歧管压力大小，从而计算出进气量的大小。

（3）冷却液温度传感器及进气温度传感器的作用及结构原理

1）冷却液温度传感器（ECT）。其作用是向ECU提供一个随冷却液温度变化的模拟信号，在起动工况作为燃油喷射和点火正时控制的修正信号。典型的ECT在-40℃时电阻可达35000Ω，在120℃时只有120Ω。ECT与计算机之间有两条连线，一条是电压信号线，另一条是搭铁线。其安装位置通常固定在冷却液回水管上，其下端浸入发动机的冷却液中，如图4-84所示。结构组成及温度特性曲线，如图4-85所示。

图4-83 电容式进气歧管绝对 压力传感器的结构组成

图4-84 冷却液温度传感器安装位置及实物

图4-85 冷却液温度传感器的结构组成及工作原理

2）进气温度传感器。进气温度传感器的功用是给ECU提供进气温度信号，作为燃油喷射和点火正时控制的修正信号。目前，主要用于D型燃油喷射系统。其原理和特性与冷却液温度传感器类似，同样为负温度系数。

（4）凸轮轴/曲轴位置传感器作用及结构原理

1）作用。凸轮轴/曲轴位置传感器是电控汽油发动机上的最重要的主控制信号。其中，凸轮轴位置传感器（CMPS）的作用是给ECU提供曲轴转角基准位置信号（称G信号，决定第一缸压缩上止点位置，即BTDC领缸位置），作为燃油喷射控制和点火控制的基准信号。曲轴位置传感器（有时可以称为转速传感器）的作用是用来检测曲轴转角位移，给ECU提供发动机转速信号（决定喷油脉宽和点火提前角）和曲轴转角信号（称Ne信号，也称判缸信号，决定喷油和点火的间隔角及工作时刻），亦作为燃油喷射系统的喷油控制和点火控制的主控制信号。

2）安装位置。如图4-86和图4-87所示，分别为本田汽车、通用汽车部分车型凸轮轴/曲轴位置传感器的安装位置。

图4-86 本田乘用车凸轮轴/曲轴位置传感器安装位置

图4-87 通用车系凸轮轴/曲轴位置传感器安装位置

注意：

①现代电控汽油发动机点火系，已基本取消了分电器式点火系统，取而代之的是电脑控制的无分电器式分组或独立电子点火系统。

②凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器的结构和工作原理基本相同，只是各车型安装位置不同。一般凸轮轴位置传感器安装在曲轴或凸轮轴前端，而曲轴位置传感器可安装在曲轴或凸轮轴前端，也可安装在飞轮齿圈上。

3）结构类型。常见的凸轮轴/曲轴位置传感器主要有电磁式、霍尔式和光电式三种类型，且已基本取消整体式结构（即分电器式结构），改为分开安装。

①电磁式凸轮轴/曲轴位置传感器的结构及工作原理。目前大部分汽车都采用电磁式凸轮轴/曲轴位置传感器，其结构如图4-88所示，主要由永久磁铁、软铁心和绕组等组成。如图4-89所示为电磁式曲轴位置传感器在发动机上的安装位置。

如图4-89b所示，在带轮后端设置一个带有细齿的薄圆齿盘（用以产生电信号，称为信号盘），它和曲轴带轮一起装在曲轴上，随曲轴一起旋转。发动机转动时，信号盘的齿和凸缘使通过感应绕组的磁场发生变化，从而在感应绕组里产生交变的电动势，经滤波整形后，即变成脉冲信号，以控制喷油脉宽及点火提前角。

图4-88 电磁式凸轮轴/曲轴位置传感器的组成及外形

图4-89 电磁式曲轴位置传感器安装位置

a）安装在飞轮附近的曲轴位置传感器 b）安装在曲轴前端皮带轮后面的曲轴位置传感器

1—曲轴信号轮 2—曲轴位置传感器 3—信号轮上的检测孔

②霍尔式凸轮轴/曲轴位置传感器结构及工作原理。捷达ATK、GTX、桑塔纳2000GSi型等大众系列乘用车一般采用霍尔式凸轮轴位置传感器，且大多安装在发动机进气凸轮的一端。如图4-90所示，其结构主要由霍尔式传感器和信号转子组成。

图4-90 捷达ATK发动机霍尔式凸轮轴位置传感器的结构原理

1—进气凸轮轴 2—凸轮轴位置传感器 3—固定螺钉 4—定位螺栓与座圈 5—信号转子 6—发动机缸盖

信号转子也叫做触发叶轮，安装在进气凸轮上，用螺栓和座圈固定。信号转子的隔板又叫做叶片，在隔板上有一个窗口（或四个或六个），窗口对应产生的信号为低电平信号，隔板对应产生的信号为高电平信号。发动机工作时，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器产生的信号不断地输入ECU。当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺（图4-91）对应的低电位信号（15°）和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电位信号时，可以识别出1缸活塞在压缩上止点、4缸活塞处于排气行程，并根据曲轴位置传感器小齿缺对应输出的信号来控制喷油脉宽及点火提前角。

图4-91 捷达ATK乘用车霍尔式曲轴位置传感器的安装位置及霍尔原理

1—气缸体 2—大齿缺 3—传感器磁头 4—信号转子

③光电式凸轮轴/曲轴位置传感器的结构及工作原理。如图4-92所示，光电式凸轮轴/曲轴位置传感器主要由遮光盘（信号盘）、发光二极管、光敏二极管和放大电路等组成。

图4-92 光电式凸轮轴/曲轴位置传感器的结构原理

1—曲轴转角测量孔 2—第1缸上止点测量孔

日产汽车及韩国现代SONATA等少数车型采用光电式曲轴位置传感器。目前，该传感器总成一般安装在凸轮轴左端部（从车前向后看）。信号盘外圈有4个孔（如图4-92所示中1），用来感测曲轴转角并将其转化为电压脉冲信号，电控单元根据该信号计算发动机转速，并控制汽油喷射正时和点火正时。信号盘内圈有一个孔（如图4-92所示中2），用来感测第1缸压缩上止点（在有些SONATA车上，设有两孔，用来感测第1、4缸的压缩上止点，目的是为了提高精度），并将其转换成电压脉冲信号输入电控单元，电控单元根据此信号计算出汽油喷射顺序。

（5）节气门位置传感器的作用及结构原理 前已述及，不再赘述。

（6）氧传感器的作用及结构原理

1）作用。氧传感器是排气氧传感器EGO（Exhaust Gas Oxygen Sensor）的简称。其功用是通过监测排气中氧离子的含量获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制（闭环控制），从而将过量空气系数（α）控制在0.98～1.02之间的范围内（空燃比A/F约为14.7），使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油之目的。详见后续内容。

2）安装位置。现代大部分电控汽油发动机上都装有两个氧传感器，如图4-93所示为氧传感器的外形及安装位置。其中1号氧传感器用于实现空燃比反馈控制，2号氧传感器用于实现三元催化装置净化效果的反馈控制。

图4-93 氧传感器的安装位置

3）结构类型。电控燃油喷射系统采用的氧传感器分为氧化锆（ZrO₂）式和氧化钛（TiO₂）式两种类型，氧化锆式氧传感器又分为加热型与非加热型两种，氧化钛式氧传感器一般都为加热型。氧传感器根据其接线类型又可以分为单线、双线、三线及四线氧传感器，如图4-94所示。

①氧化锆式氧传感器的结构原理。如图4-95 a所示，氧化锆式氧传感主要由信号线（电极引线）、压紧装置、内铂电极、外铂电极、防护罩、陶瓷传感器体、氧化铝绝缘层及外壳等组成。氧化锆式氧传感器实际上是一个化学电池，所以又称氧浓度差电池。

其工作原理如图4-95b所示，当400℃以上高温时，若氧化锆管内外表面接触的气体浓度差别很大时，在氧化锆式氧传感器内外两个铂面之间将产生电动势，如图4-95c所示。

当浓混合气燃烧所产生的废气遇上外侧的白金电极时，在白金的催化作用下其残余的微量O₂与废气中的CO和HC发生反应，使外侧白金表面上的O₂几乎全部消失。而此时它与内侧电极的氧浓度之差达到最大，而产生较大的电动势。

当稀混合气燃烧时，因为废气中含有高浓度的O₂和低浓度的CO和HC，即使O₂和CO发生反应，外测电极表面上还有剩余的O₂。所以，内外侧电极氧浓度差小，几乎不产生电动势。

由此可知，以理论空燃比为界，可以产生很大的电动势变化。通过氧传感器进行反馈控制过程为：

图4-94 氧传感器接线类型

a）单线氧传感器 b）带加热器的四线氧传感器

喷油量偏少→空燃比大→废气中氧含量大→氧浓度差小→氧传感器产生0.1V电压→ECU控制喷油量增大。

喷油量偏大→空燃比小→废气中氧含量少→氧浓度差大→氧传感器产生0.9V电压→ECU控制喷油量减少。

注意：氧化锆式氧传感器满足以下三个条件才能正常调节混合气浓度：

a.发动机温度高于60℃。

b.氧化锆式氧传感器自身温度高于300℃。

c.发动机工作在怠速工况和部分负荷工况。

因此，氧化锆式氧传感器安装在温度较高的排气管上，一般采用了加热器对锆管进行加热。(www.xing528.com)

图4-95 氧化锆式氧传感器的结构及工作原理示意图

a）结构 b）工作原理 c）输出电压与空燃比关系

②氧化钛式氧传感器的结构原理。如图4-96所示，氧化钛式氧传感器具有两个氧化钛元件，一个是多孔性的二氧化钛陶瓷，用来感知排气中的含氧量；另一个是实心的二氧化钛陶瓷，用来作加热调节，补偿温度误差。传感器外面套有带孔槽的金属防护套。传感器接线端以橡胶作为密封材料，防止外界气体渗入。它一般安装在排气歧管上。

图4-96 二氧化钛式氧传感器的结构

氧化钛式氧传感器是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的，故又称电阻型氧传感器。二氧化钛式氧传感器的外形和氧化锆式氧传感器相似，在传感器前端的护罩内是一个二氧化钛厚膜元件。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，但表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小。由于二氧化钛的电阻也随温度不同而变化，因此，在二氧化钛式氧传感器内部也有一个电加热器，以保持氧化钛式氧传感器在发动机工作过程中的温度恒定不变。

其工作原理为：废气中的氧浓度高时，二氧化钛的电阻值增大；废气中氧浓度较低时，二氧化钛的电阻值减小。从而通过计量二氧化钛氧传感器的电阻值可以计算出空燃比的大小。

（7）爆燃传感器的作用及结构原理

1）作用。用来检测发动机的爆燃情况并将信号输入ECU，ECU根据爆燃传感器信号，对点火提前角进行修正，实现点火提前角的反馈控制（闭环控制），从而将点火提前角控制在最佳范围内，使发动机得到最佳点火控制，达到降低有害气体的排放量和节约燃油之目的。汽油机正常燃烧分为着火落后期、速燃期和后燃期三个阶段，如图4-97所示。

着火落后期是指从火花塞点火到火焰中心形成的阶段，如图4-97所示中Ⅰ，即从火花塞开始点火（1点）至气缸压力线明显脱离压缩压力线时（2点）的曲轴转角或时间。这一时期主要进行物理、化学准备。由于可燃混合气存在着火延迟，必须使点火提早到上止点前进行，从火花塞跳火开始到活塞运行到上止点时曲轴所转过的转角，称为点火提前角θ，它对发动机的动力性、经济性和排放性能影响极大。

速燃期是指火焰由火焰中心烧遍整个燃烧室的阶段，如图4-97所示中Ⅱ，即从气缸压力线的2点到压力达到最高的3点止。因为绝大部分燃料在这一时期燃烧，此时活塞又靠近上止点，所以气缸压力迅速上升。

后燃期又称补燃期，是指从最高压力点开始到燃料基本燃烧完全为止的阶段，如图4-97所示中Ⅲ。此时，混合气燃烧速度开始降低，加上活塞向下止点加速运动，热功转换效率明显下降，大部分热量以增加发动机热负荷的形式被释放，为了保证高的循环热效率和循环功，应使后燃期尽可能短。

由于燃料、发动机结构和负荷等原因，汽油机有时会产生爆燃和表面点火两种不正常燃烧。

图4-97 汽油机燃烧过程

Ⅰ—着火落后期 Ⅱ—速燃期 Ⅲ—后燃期

1—火花塞跳火点 2—出现火焰中心 3—最高压力点

火花塞点火后，在正常火焰传来之前，末端混合气即自燃并急速燃烧的现象称为爆燃。轻微爆燃时，发动机功率有所上升，但严重爆燃时，火焰传播速度可高达800～1000m/s，会产生爆炸性冲击波和尖锐的金属敲击声，缸内压力线出现锯齿形爆燃波，最高燃烧压力和压力升高率都急剧增大，工作不稳定，机身有较大振动，使缸壁、缸盖、活塞、连杆、曲轴等机件的机械负荷增加，机件变形甚至损坏。同时爆燃时的压力波冲击缸壁，破坏了气缸油膜层，冷却系统过热，润滑油温度明显上升，导致活塞、气缸和活塞环磨损加剧。试验表明，严重爆燃时磨损比正常燃烧时大27倍。严重爆燃时，局部燃气温度可高达4000℃以上，引起燃料热分解为CH、NO及游离碳，排气冒烟严重，排放污染加剧。故电控汽油机一般通过爆燃传感器进行控制。

表面点火是由燃烧室内炽热部分（排气门端面、火花塞电极、金属突出点或积炭等）点燃可燃混合气的现象称为表面点火或炽热点火。表面点火发生在火花塞点火之前的现象称为早火。由于它提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率加快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且压缩功增大，向缸壁传热增加，致使功率下降，火花塞、活塞等零件过热。表面点火发生在火花塞点火之后的现象称为后火。在炽热点的温度比较低时，电火花点燃可燃混合气后，在火焰传播的过程中，炽热点点燃其余混合气，但此时形成的火焰前锋仍以正常的速度传播。这种现象可在发动机断电以后发现，这时发动机仍像有电火花一样继续运转，直到炽热点温度下降以后，发动机才停止运转。

表面点火和爆燃之间也会相互影响，强烈的爆燃必然增加向气缸壁的传热，从而促成燃烧室炽热点的形成，导致表面点火。早火又使气缸压力升高率和最高燃烧压力增大，使未燃混合气受到较大的压缩和传热，从而促使爆燃发生。

2）爆燃传感器安装位置。如图4-98所示为爆燃传感器的安装位置及外形图。

3）结构类型。爆燃传感器可分为电感式及压电式两种类型。压电式爆燃传感器又可分为共振型、非共振型和火花塞金属垫型三种。

①电感式爆燃传感器的结构原理。如图4-99a所示，电感式爆燃传感器主要由铁心、永久磁铁、线圈及外壳组成。它是利用电磁感应原理检测发动机的爆燃现象。当发动机发生振动时，铁心在线圈中移动，使线圈磁通发生变化，从而产生感应电动势。如图4-99b所示，当传感器的固有频率与发动机爆燃时振动频率相同时，传感器输出电压最大。

图4-98 爆燃传感器的安装位置及外形

图4-99 电感式爆燃传感器的结构及输出信号

a）结构 b）输出信号

②压电式爆燃传感器。

a.压电式共振型爆燃传感器。如图4-100a所示，压电式共振型爆燃传感器主要由压电元件、振子、基座、外壳等组成。当发生爆燃时，振子与发动机产生共振，压电元件输出的信号电压也有明显增大，输入ECU后则由ECU判定其是否为爆燃。图4-100b所示为压电式共振型爆燃传感器的输出特性。

图4-100 压电式共振型爆燃传感器的结构及输出信号

a）结构 b）输出信号

由于共振型爆燃传感器振子的振动固有频率与发动机爆燃时的振动频率一致，所以必须与发动机配套使用。

b.压电式非共振型爆燃传感器。如图4-101所示，压电式非共振型爆燃传感器的结构与共振型相比，其内部无振荡片，而设置了一个配重块，配重块以一定预紧力压紧在压电元件上。压电式非共振型爆燃传感器是以接收加速度信号的形式来检测爆燃的。当发动机产生爆燃时，配重块以正比于振动加速度的交变力施加在压电元件上，压电元件则把此压力信号转换为电信号输送给ECU。

注意：压电式非共振型爆燃传感器输出的信号电压，在爆燃时与非爆燃时并没有明显增加，爆燃是否发生是通过滤波器测出有无爆燃频率来判别的，爆燃信号检测比较复杂。但此种传感器可用于不同发动机，只需调整滤波器的频率范围即可。

c.压电式火花塞座金属垫型爆燃传感器。如图4-102所示，压电式火花塞座金属垫型爆燃传感器是将压电元件直接安装在火花塞的垫圈处，每缸安装一个，根据各缸的实际燃烧压力直接检测爆燃信息，并转为电信号输入ECU。

图4-101 压电式非共振型爆燃传感器

图4-102 火花塞座金属垫型爆燃传感器

1—火花塞 2—爆燃传感器

（8）常见开关信号及其他类型传感器

1）起动开关信号。如图4-103所示，起动开关（STA）一般安装在驾驶室。其作用是用来判断发动机是否处于起动状态（STA信号）。在起动时，进气管内混合气流速慢、温度低、燃油雾化比较差，为了改善起动性能，在起动发动机时必须使混合气加浓。ECU利用STA信号，确认发动机处于起动状态，将自动控制喷油量、点火时刻等参数。如起动信号不良将导致发动机无法起动。

图4-103 起动开关位置及外型

2）制动开关及离合器开关信号。如图4-104所示为制动踏板开关和离合器踏板开关的安装位置示意图。

制动开关信号作用是在巡航控制系统中，电脑接收到制动信号后解除巡航设定；汽车制动时，控制发动机减速断油。

离合器开关信号作用是判断离合器是处于分离状态还是结合状态，若分离，控制单元将减少喷油器喷油时间，这样可以确保换档平顺，如果该信号失效，换档时容易出现熄火现象。

3）空调开关信号。如图4-105所示为空调设置面板，当按下A/C开关时，空调开关信号将输入ECU。

图4-104 制动踏板开关和离合器踏板开关

图4-105 空调设置面板

空调开关信号的作用是：

①怠速时的点火提前角修正、喷油量修正和怠速控制修正。

②发动机控制单元在急加速、应急程序或冷却液温度高于120℃时自动切断空调压缩机工作。

4）车速传感器。车速传感器的作用是检测汽车的行驶速度，给ECU提供车速信号（SPD信号），用于巡航控制和限速断油控制。在汽车集中控制系统中，也是自动变速器的主控制信号。

车速传感器一般安装在组合仪表或者变速器输出轴上。其结构类型主要有舌簧开关式和光电式两种形式。现代汽车使用最多的是舌簧开关转速传感器，其结构主要由永久磁铁、舌簧开关及内充注的惰性气体（或真空）等组成。如图4-106所示为其结构及原理。

图4-106 舌簧开关传感器的结构及原理

2.发动机控制单元ECU

ECU是发动机运行的大脑，它采集各传感器的信号，经过比对计算后，把结果输送给执行元件的驱动电路，以便进行喷油控制、点火控制、怠速控制以及废气再循环控制等。

如图4-107所示，ECU主要由输入回路、A/D转换器（模拟/数字转换器）、微型计算机、输出回路四大部分组成。其实物如图4-108所示。

图4-107 ECU控制系统的基本组成

图4-108 ECU实物图

3.执行器

如图4-109所示，执行器主要是一些能够通过电参数进行控制的机件，如喷油器、点火线圈、电动机（如怠速步进电动机、燃油泵电动机等）、EGR阀、继电器、电磁阀等。

图4-109 常见执行器种类

a）继电器 b）怠速步进电动机 c）燃油泵电动机 d）喷油器

4.电控汽油发动机电子控制系统的喷油控制

如图4-110所示，电控汽油发动机电子控制系统除了具有喷油控制、点火控制、怠速控制、废气再循环等主要控制功能外，还具有其他各种控制和自诊断功能，以确保发动机运行的动力性、经济型、环保性和可靠性。这里只讲解喷油控制功能，其他功能介绍，见相关学习任务。

图4-110 电控汽油机电子控制系统的各项控制功能

（1）喷油正时控制

1）同步喷油正时控制。

①顺序喷射的正时控制。如图4-111所示，在顺序喷射系统中，发动机工作一个循环（曲轴转两周720°），各缸喷油器轮流喷油一次，且像点火系统跳火一样，按照特定的顺序依次进行喷射。

②分组喷射的正时控制。多点燃油分组喷射就是将喷油器分组进行控制，一般将四缸发动机分成两组，六缸发动机分成三组，八缸发动机分成四组。

图4-111 多点燃油顺序喷射控制电路正时关系

如图4-112所示，发动机工作时，由ECU控制各组喷油器轮流喷油。发动机每转一圈，只有一组喷油器喷油，每组喷油器喷油时连续喷射1～2次。

图4-112 多点燃油分组喷射控制电路正时关系

③同时喷射的正时控制。如图4-113所示，多点燃油同时喷射就是各缸喷油器同时喷油，各缸喷油器并联在一起，电磁线圈电流由一只功率管VT驱动控制。

图4-113 多点燃油同时喷射控制电路正时关系

2）异步喷油正时控制。

①起动异步喷油正时控制。为简化结构，目前大部分电控燃油喷射系统取消了冷起动喷油器，但为改善发动机的起动性能，在发动机起动时，除同步喷油外，再增加一次异步喷油。

具有起动异步喷油正时控制功能的电控燃油喷射系统，在起动开关（STA）处于接触状态时，ECU接收到第一个凸轮轴位置传感器（CMPS）信号（G信号），当接收到第一个曲轴位置传感器（CKPS）信号（Ne信号）时，开始进行起动时的异步喷油。

②加速时异步喷油正时控制。汽车发动机由怠速工况向起步工况过渡时，由于燃油惯性等原因，会出现混合气过稀的现象。为了改善起步加速性能，ECU根据节气门位置传感器（IDL信号）从接通到断开时，增加一次固定量的喷油。在有些电控燃油喷射系统中，ECU接收到的IDL信号从接通到断开后，检测到第一个Ne信号时，增加一次固定量的喷油。有些发动机电控燃油喷射系统，为使发动机加速更灵敏，当节气门迅速开启或进气量突然增加（急加速）时，在同步喷射的基础上再增加异步喷射。

（2）喷油量控制 喷油量控制是电控燃油喷射系统最主要的控制功能之一。其目的是使发动机在各种运行工况下，都能获得最佳的混合气浓度，以提高发动机的经济性和环保性。

当喷油器的结构和喷油压差一定时，喷油量的多少就取决于喷油时间。在汽油机电控燃油喷射系统中，喷油量的控制是通过对喷油器喷油时间的控制来实现的。

喷油量的控制大致可分为起动控制、基本喷油量控制、加减速控制、怠速控制和空燃比反馈控制等。

1）起动时喷油量控制。如图4-114所示，起动控制采用开环控制。

①冷起动时。起动发动机时，ECU根据当时发动机冷却液温度，从预存的温度—喷油时间数据表中找出相应的基本喷油持续时间。然后，ECU再根据进气温度和蓄电池电压对基本喷油时间进行修正，得到起动过程实际的喷油持续时间，作为起动工况的主喷油量，其喷油量与发动机曲轴转角有固定的关系，这部分喷油为同步喷射。同时进行一定量的异步喷射，以补充冷起动过程对燃油量的额外要求。

图4-114 起动时喷油量控制示意图

②高温起动时。汽车高速行驶后停车再次热起动时，由于发动机对燃油的加热作用，会使汽油温度上升至80～100℃。在这种情况下，喷油器内的汽油中含有汽油蒸气，导致混合气变稀。为此，必须进行高温起动时喷油量的修正。

一般在发动机冷却液温度高于设定值（如100℃）情况下起动发动机时，ECU即对喷油量进行高温起动喷油量修正。在有些电控汽油机中，ECU根据汽油温度传感器的汽油温度信号，来确定是否进行高温起动喷油量修正。

2）起动后喷油量控制。如图4-115所示为起动后喷油量的控制示意图。在发动机运转过程中，喷油器的总喷油量由基本喷油量、喷油修正量和喷油增量三部分组成。

图4-115 起动后喷油量控制示意图

①暖机喷油量修正。如图4-116所示，发动机起动后，在达到正常工作温度之前，ECU根据冷却液温度信号（THW信号）对喷油时间进行修正，修正系数的确定随车型而异。

②进气温度修正。发动机进气温度影响进气密度，ECU根据进气温度传感器提供的进气温度信号（THA信号），对喷油时间进行修正。通常以20℃为进气温度信息的标准温度，低于20℃时空气密度大，ECU适当增加喷油时间，使混合气不致过稀；进气温度高于20℃时，空气密度减小，适当减少喷油时间，以防混合气偏浓。

图4-116 暖机加浓修正系数

③大负荷工况喷油量修正。发动机在大负荷工况下运转时，要求使用较浓的功率混合气以获得大功率。ECU根据发动机负荷修正喷油时间。

发动机工作时，ECU可根据进气管绝对压力传感器信号（PIM信号）或空气流量计信号（VS信号）以及节气门位置传感器输送的全负荷信号（PSW信号）或节气门开度信号（VTA信号）判断发动机负荷状况，大负荷时适当增加喷油时间。大负荷的加浓量约为正常喷油量的10%～30%。有些发动机大负荷加浓量还与冷却液温度信号相关。

④过渡工况喷油量修正。发动机在过渡工况（加速或减速）下运行时，为获得良好的动力性、经济性和响应性，需要适当修正喷油时间。

ECU主要根据PIM信号或VS信号、Ne信号、SPD信号（车速信号）、VTA信号、NSW信号（空档起动开关信号）判断过渡工况，对喷油时间进行修正。

⑤怠速稳定性修正（只用于D系统）。在D型电控燃油喷射系统中，决定基本喷油时间的进气管绝对压力的变化，在过渡工况时，相对于发动机转速的变化将产生滞后。节气门之后进气管容积越大，怠速时发动机转速越低，这种滞后时间越长。

⑥空燃比反馈修正。在装有三元催化转化器的电控汽油机中，用氧传感器对排气中氧含量进行检测，ECU根据检测结果对空燃比进行修正，将空燃比控制在理论空燃比附近。

⑦学习空燃比修正。发动机在使用过程中，电子控制燃油喷射系统各部件性能会有所改变，从而使空燃比控制发生偏差，且这种偏差随着时间的推移，会不断加大。在电子控制汽油喷射系统中虽然设有空燃比反馈修正，但它有一定修正范围，一旦修正值超过修正范围，就会造成控制困难。

在实际运行中，当修正值大于设定值时，为进一步提高空燃比的控制精度，ECU根据计算出的实际空燃比与理论空燃比的偏差，对喷油时间进行总修正，并把学习修正系数储存在EPROM或RAM中作为以后的预置值。

⑧电源电压修正。通常把开启滞后与关闭滞后的差值称为无效喷射时间。由于在无效喷油时间内，事实上没有进行喷射，因此需要进行补偿修正。

在实际运行条件下，针阀开启滞后时间受蓄电池电压影响较大，针阀关闭滞后时间受蓄电池电压的影响较小，ECU根据蓄电池电压对喷油持续时间进行修正，蓄电池电压低，修正时间长；蓄电池电压高，修正时间短。

（3）断油控制

1）超速断油控制。现在电控汽油机都采用切断燃油供给的电子限速装置，Bosch公司Motronic系统中采用的电控转速限制装置的工作特性如图4-117所示。

2）减速断油控制。断油转速和恢复喷油转速与冷却液温度、空调是否工作、用电设备用电情况等因素有关。发动机冷却液温度越低，断油转速越高。断油和恢复供油的转速特性如图4-118所示。

图4-117 超速断油控制示意图

图4-118 减速断油控制示意图

3）清除溢流控制。清除溢流功能就是将发动机加速踏板踩到底，接通起动开关起动发动机时，ECU自动控制喷油器，中断喷油，以便排除气缸内的燃油蒸气，使火花塞干燥，从而能够跳火。

当驾驶人踩下加速踏板而发动机又不能起动时，可利用电控系统的清除溢流功能先将溢流清除，然后再进行起动。

4）减转矩断油控制。在配装电子控制自动变速器的汽车上，当行驶中变速器自动升档时，变速器ECU会向燃油喷射系统ECU发出一个减转矩信号。燃油喷射ECU接收到这一信号后，将立即发出控制指令，暂时中断个别气缸喷油，降低发动机转速，以便减轻换档冲击，这种控制功能称为减转矩断油控制。