- 汽車發動機電控系統原理與診斷維修
- 行文凱
- 5267字
- 2020-02-11 16:01:18
第三節 噴油量(噴油脈寬)的控制
燃油噴射系統(EFI)是通過對電磁噴油器噴油脈沖寬度的控制實現對噴油量控制的。分不同工況計算機先根據一個或兩個傳感器信號,確定出基本噴油脈寬,再由其他傳感器信號修正后輸出。一般可以將噴油脈寬控制分為:起動過程中的噴油脈寬控制和起動后的噴油脈寬控制。
一、起動過程中噴油脈寬的控制
由于起動時轉速波動大,控制單元無法精確檢測發動機的進氣量,所以不能根據其內存的空燃比計算出所需的噴油脈寬,而是首先根據起動開關信號和發動機轉速信號(如轉速在400r/min以下)判斷發動機是否處于起動工況,然后根據發動機冷卻液溫度,在其內存中查出對應的基本噴油脈寬,再經進氣溫度和蓄電池電壓信號修正后得到實際輸出噴油脈寬,如圖2-25、圖2-26所示。
圖2-25 發動機冷卻溫度與噴油脈寬
圖2-26 噴油脈寬的確定
如果蓄電池電壓偏低,噴油器打開的響應時間變長,由于蓄電池電壓對噴油器關閉時間影響較小,所以實際噴油時間減少,無效噴油時間增加。即當蓄電池電壓降低或升高時,應增加或減少噴油脈沖寬度,如圖2-27所示。
某些發動機根據冷卻液溫度、轉速以及自起動開始累積的轉數、時間等參數控制噴油器的實際噴油時間。為了避免燃油對火花塞的浸潤(淹缸),要求噴油器在發動機每轉一轉進行多次噴射。這些要求使控制系統的硬件和軟件變得復雜起來。
對于早期的發動機,起動時的加濃是由裝在節氣門附近的冷起動噴油器實現的,其控制形式有兩種:
(1)由裝在冷卻液管路上的溫度時間開關控制 如圖2-28所示,冷起動噴油器控制回路主要由冷起動噴油器與溫度時間開關組成。冷起動噴油器可在發動機起動時的很短時間內,向進氣總管噴入所需的附加燃油。
圖2-27 無效噴油時間與蓄電池電壓
圖2-28 冷起動噴油器控制回路
發動機起動時點火開關接通,開始時由于冷卻液溫度和發動機機體溫度都很低,溫度時間開關觸點“冷縮”閉合,冷起動噴油器電磁線圈通電,冷起動噴油器工作。隨著發動機冷卻液溫度和機體溫度的升高,溫度時間開關觸點“熱脹”斷開,冷起動噴油器停止噴油,冷起動加濃結束。冷卻液溫度和機體溫度越低,溫度時間開關觸點“熱脹”斷開所需時間越長,冷起動加濃時間也就越長,圖2-29所示為某發動機冷起動噴油器的工作特性。若起動時間過長或多次重復起動,這時由于電加熱絲的加熱作用,溫度時間開關觸點將斷開,以防止“淹缸”。
(2)由溫度時間開關與ECU共同控制 為了改善發動機的冷起動性能和降低起動時CO和HC的排放量,在冷起動期間,如圖2-30、圖2-31所示,由溫度時間開關和ECU根據冷卻液溫度共同控制冷起動噴油器。當發動機冷卻液溫度高于20℃時,溫度時間開關觸點斷開,由ECU繼續接通冷起動噴油器的接地回路維持其噴油,當冷卻液溫度達到60℃時,ECU斷開接地回路,冷起動加濃結束。
圖2-29 冷起動噴油器的工作特性
圖2-30 溫度時間開關和ECU共同控制冷起動噴油器
現代發動機大多數已不再使用冷起動噴油器,起動時的加濃由ECU直接控制噴油器來實現。
為解決“淹缸”問題,一般ECU內都設有清除溢流功能。所謂清除溢流功能,是在起動時踩下加速踏板,使節氣門全開或開度達80%~100%時,ECU將發出指令暫停噴油或供給稀混合氣(如空燃比為20∶1),以消除燃油過多現象,直到發動機轉速達400r/min時恢復正常供油。
圖2-31 冷起動噴油器噴油時間與冷卻液溫度
二、起動后噴油脈寬的確定
發動機起動后,當轉速超過預設值時(如400r/min),ECU即認為起動過程結束,轉而按起動后控制噴油脈寬。起動后噴油脈寬的計算式為
噴油脈寬=基本噴油脈寬×基本噴油脈寬修正系數+噴油器無效噴油時間(由蓄電池電壓修正)
(1)基本噴油脈沖寬度 對于依據進氣歧管絕對壓力來計算噴油脈寬的EFI(D型EFI),確定基本噴油脈沖寬度是以進氣量與進氣歧管絕對壓力成正比為前提的。實際上轉速變化使進氣歧管絕對壓力變得不穩定,進氣歧管絕對壓力不能在任何工況下都能夠正確反映進氣量。所以這種系統根據進氣歧管絕對壓力傳感器(MAP)信號確定的基本噴油脈寬必須經發動機轉速傳感器信號(Ne)校正,然后再用進氣溫度傳感器(IAT)信號修正后得到基本噴油脈沖寬度。有些發動機還用其他傳感器輸入信號進行附加修正。
對于依據體積型進氣流量來計算噴油脈寬的EFI(L型EFI),ECU根據進氣體積流量和發動機轉速在其內存中查出對應的目標空燃比,進而計算出一個噴油脈寬,然后用進氣溫度傳感器(IAT)信號修正后得到基本噴油脈沖寬度。也有用大氣壓力傳感器(BARO)等輸入信號進行附加修正的。
因為冷空氣的密度比熱空氣的密度大,因此,在其他因素相同時,吸入發動機的空氣質量隨空氣溫度的升高而減少,為了避免混合氣隨進氣溫度升高而逐漸加濃,發動機控制單元會根據進氣溫度對基本噴油脈寬進行修正,即進氣溫度越高,噴油器的基本噴油脈寬就越小。
因為大氣壓力和密度隨著海拔的增加而降低,所以汽車在高原地區行駛時傳感器檢測到同樣的空氣體積流量時,比在平原的實際進氣質量流量要小。為了避免在高原地區混合氣過濃,應根據大氣壓力傳感器輸入的信號,對基本噴油脈寬進行修正。即大氣壓力越低,噴油器的基本噴油脈寬越小。
對于裝有熱線式或熱膜式等空氣質量流量傳感器的EFI,可由進氣質量流量和轉速查出其內存的目標空燃比直接算出基本噴油脈寬,無需任何傳感器信號修正。
圖2-32 空燃比與轉矩和排氣溫度的關系
當發動機工作在大負荷工況下(節氣門全開、排氣溫度較高),如圖2-32所示,ECU將空燃比設定在與轉矩峰值相對應的12∶1~13∶1附近,所以又稱功率空燃比。
另外,從圖2-32還可以看出,如果減小空燃比(混合氣變濃),也會降低排氣溫度。所以當排氣系統部件(排氣管、氧傳感器、三元催化轉化器)的溫度超過許用溫度時,也可通過減小空燃比降低排氣溫度,保護氧傳感器和三元催化轉化器。
(2)基本噴油脈寬修正系數 它是一個考慮了冷卻液溫度、加減速工況、負荷變化等后總的修正系數。
1)與冷卻液溫度有關的修正。發動機起動后尤其是冷起動后,或在高溫行駛后熄火再起動時(熱起動),都需要增加噴油脈沖寬度,否則可能造成熄火、怠速不穩、熱起動困難等故障。
①在起動后的短暫時間內(如10s內),由于冷卻液溫度和進氣速度都較低,燃油的霧化能力差,所以應給予增加噴油量的修正。起動時的冷卻液溫度決定起動后燃油增量修正系數的初值和修正時間,起動后修正系數隨時間或發動機轉數的增加而逐漸減小至零,如圖2-33所示。
圖2-33 起動后燃油增量修正系數的初值和衰減
a)初期值 b)衰減系統
②發動機起動后,為了盡快暖機、使三元催化轉化器和氧傳感器達到正常工作溫度,以進入氧傳感器反饋閉環工作狀態,需要給予增加噴油量的修正,也稱作暖機修正。暖機修正和上述起動后修正同時開始,如圖2-34所示,隨著發動機冷卻液溫度的升高修正值逐漸減小,直到冷卻液溫度達到規定值,暖機修正才結束。
③汽車高速或大負荷行駛時,由于風冷作用且燃油一直在流動,所以燃油溫度不會太高,(如50℃左右)。如果此時熄火,在發動機熱源加熱下,失去風冷作用和停止流動的燃油溫度將持續升高。當發動機熱起動時,由此產生的燃油蒸氣使噴油量減少,混合氣變稀造成起動困難或“氣阻”。其修正措施,一般是當冷卻液溫度上升到設定值(如100℃)以上時,進行高溫燃油增量修正,如圖2-35所示。
圖2-34 暖機燃油增量的修正
圖2-35 高溫時燃油增量的修正
2)加、減速時噴油脈寬的修正。汽車加、減速時,僅使用基本噴油量,會使實際空燃比相對于目標空燃比產生偏移。一般加速時混合氣偏稀,減速時混合氣偏濃。所以汽車加、減速時要分別進行噴油脈寬增、減的修正。否則發動機可能會產生喘振、加速不良等現象,排氣中的有害成分也會增加。
加速時,進氣歧管絕對壓力增大,使附著在管壁上的燃油汽化速度降低,混合氣變稀,負荷變化率越大,即一定時間間隔的進氣歧管絕對壓力變化量越大,噴油脈沖寬度的修正量也就越大,如圖2-36所示。另一方面,在負荷變化率相同的加速工況下,冷卻液溫度越低,加速修正量越大,如圖2-37所示。顯然,減速時修正系數隨負荷變化率變化的值為負值,即負荷變化率變化越大(減速度越大),噴油脈寬越小。減速時修正系數隨冷卻液溫度變化的修正值與加速時相同的。
圖2-36 負荷變化時燃油增減量修正系數
圖2-37 冷卻液溫度與燃油增量修正系數
控制單元根據節氣門位置傳感器或空氣流量傳感器(進氣歧管絕對壓力傳感器)來識別發動機是否處于加、減速狀態,以便對基本噴油脈寬進行修正。在冷卻液溫度不變條件下,節氣門開啟或關閉的速度越高、進氣量增加或減小越快,噴油脈寬的增量或減量就越大。
3)氧傳感器反饋信號修正(短期燃油修整)。發動機控制單元根據氧傳感器的反饋信號,隨時調整噴油脈沖寬度。當氧傳感器輸入高電位信號時,說明混合氣偏濃,應減小噴油脈沖寬度;相反,當氧傳感器輸入低電位信號時,說明混合氣偏稀,應增大噴油脈沖寬度。
三、起動后某些穩定工況下噴油脈寬的控制方法
(1)噴油脈寬的氧傳感器反饋閉環控制(短期燃油修正)為控制排放,發動機控制單元根據置于排氣管上氧傳感器的反饋信號,隨時調整噴油脈寬。一般地,當氧傳感器輸入高電位信號時,說明混合氣偏濃(空燃比小),應減小噴油脈寬;相反,當氧傳感器輸入低電位信號時,說明混合氣偏稀(空燃比大),應增大噴油脈寬,所以該控制也稱為空燃比反饋控制。發動機控制單元對噴油脈寬的修正是逐次進行的,使空燃比恢復到目標空燃比需要一定時間(約幾十毫秒),另外也只能在一定范圍內修正空燃比的偏差,其修正系數一般為目標空燃比的±20%,即0.8~1.2。詳見第四章排放控制。
(2)噴油脈寬的學習空燃比控制(長期燃油修正)氧傳感器的反饋控制具有一定的局限性。對于某一型號的發動機來說,基本噴油脈沖寬度都是標準數據,存儲在發動機控制單元的只讀存儲器中。在發動機使用壽命期內,由于進氣系統、供油系統部件的機械磨損和阻塞、電子元件的老化等原因,會造成發動機性能變化,可能使實際空燃比相對目標空燃比的偏離量不斷增大。如圖2-38中A—B—C所示,隨著混合氣變稀,反饋修正系數會增大,其修正中心會偏向濃的一邊。但當反饋修正值到達C處,超出修正范圍時,發動機控制單元就無法進行反饋修正。
為了彌補氧傳感器反饋控制的不足,提高空燃比的控制精度,增加了學習空燃比控制。學習空燃比控制是發動機控制單元學習了一段時間氧傳感器對噴油脈寬的反饋修正量后,求出并記憶下反饋修正量及其對應的工況,當該工況再次出現時,發動機控制單元會自動從其RAM中取出對應的修正量對基本噴射時間進行修正。圖2-39所示為學習空燃比控制過程的三個階段。
圖2-38 學習空燃比控制
圖2-39 學習空燃比控制過程的三個階段
人們可以通過儀器觀察氧傳感器反饋修正數據(短期型)和學習空燃比控制產生的修正數據(長期型),來判斷混合氣是偏濃還是偏稀,進而診斷出燃油噴射系統的故障。
學習控制修正量存儲在RAM中,一般可以通過儀器對其操作。當蓄電池電源線脫開時,存儲在RAM中的空燃比學習控制修正量數據也會被清除,如令其自然恢復則需要一定時間和條件,例如某些汽車的怠速閥清洗或更換后需要起動運行50次后才能恢復正常控制。
四、斷油控制
所謂斷油控制,是指發動機控制單元在某些工況條件下停止給噴油器發送燃油噴射脈沖控制信號,使噴油器停止噴油。
(1)減速時的斷油控制 為了降低燃油消耗和改善尾氣排放,當ECU檢測到節氣門突然關閉即急減速時,會中斷噴油器噴油脈寬信號停止噴油器噴油,慣性使發動機曲軸繼續旋轉,當轉速下降到一定程度后ECU又恢復噴油脈寬信號,噴油器重新開始噴油。在燃油停噴期間,ECU一旦檢測到節氣門被打開,就會立即恢復燃油噴射。
如圖2-40、圖2-41所示,ECU根據冷卻液溫度、空調使用等信號確定燃油停噴時和恢復噴油時的發動機轉速。發動機冷卻液溫度較低時怠速設定的轉速比較高,為了防止此時進入燃油停噴狀態,冷卻液溫度越低,燃油停噴時的轉速就越高。
(2)高轉速時的斷油控制 當某種意外使發動機轉速升高至最高轉速時,為保護發動機,ECU將使噴油器停噴。
圖2-40 減速時的斷油與恢復供油
1—停供轉速 2—復供轉速
圖2-41 減速斷油控制框圖
如采用空加油(不帶負荷)檢查發動機,一般將發動機轉速限制在4000~4500r/min。
在汽車行駛時,控制單元將發動機的實際轉速與ROM內存儲的最高轉速進行比較,當實際轉速達到設定的最高轉速時,ECU立即停止輸出噴油信號,使噴油器停止噴油。當發動機轉速降低至規定值時,又恢復噴油。如紅旗7200E3轎車,當車速達到180km/h或轉速超過6800r/min時,發動機控制單元進入超速斷油保護程序,此時駕駛人即使將加速踏板踩到底,發動機轉速也不會升高。
車型不同使ECU進入斷油控制的條件也不同。以下為某奔馳汽車發動機的斷油控制模式:
1)停車或駐車時(變速桿處于P位或N位),轉速超過4000r/min時,進入斷油控制。
2)行駛時(變速桿處于D位),車速超過250km/h時,進入斷油控制。
3)當變速桿處于D3位或D2位行駛時:
轉速大于6200r/min,按點火順序每缸間斷停止噴油一次;
轉速大于6350r/min,所有噴油器停止噴油;
轉速降到6325r/min,按點火順序每缸間斷噴油一次;
轉速降到6200r/min,所有噴油器正常噴油。
4)為保護三元催化轉化器,當ECU檢測到點火系統故障時,如當某缸缺火達到16次時,停止該缸噴油器噴油。ECU通常通過檢測點火模塊IGf反饋信號、轉速Ne信號的異常波動(忽大忽小)或火花塞線感應電壓等判斷各缸是否缺火。