4.2 電控汽油噴射系統主要部件的結構和工作原理

4.2.1 汽油機燃料供給系統主要部件的結構與工作原理

1.電動燃油泵的結構及其工作原理

電動燃油泵是電控燃油噴射發動機的基本部件之一。它一般由小型直流電動機驅動，其作用是把燃油從油箱中吸出、加壓后輸送到管路中，和燃油壓力調節器配合建立合適的系統壓力。

電動燃油泵按安裝形式可分為油箱外置型和油箱內置型兩種；按照其結構不同可分為滾柱泵式、齒輪泵式、渦輪泵式三種。

（1）滾柱泵式電動燃油泵

滾柱泵由轉子、滾柱和泵套組成，見圖4-12。轉子偏心地置于泵套內，燃油泵的電動機帶動轉子運轉時，由于離心力的作用使滾柱向外側移動而與泵套內壁接觸，這樣，由轉子、滾柱和泵套圍成的腔室將隨轉子的轉動而產生容積大小變化，在容積由小變大的一側，燃油被吸入，在容積由大變小的一側，燃油被壓出。

1-阻尼穩壓器；2-單向閥；3-滾柱泵；4-進油口；5-限壓閥；6-電動機；7-出油口；8-轉子；9-滾柱；10-定子（泵）

（2）齒輪泵式電動燃油泵

齒輪泵的工作原理與滾柱泵相似。它由帶外齒的主動齒輪、帶內齒的從動齒輪和泵套組成，見圖4-13，后者與主動齒輪偏心。主動齒輪被燃油泵電動機帶動旋轉，由于齒輪嚙合，主動齒輪帶動從動齒輪一起旋轉。在從動齒輪和主動齒輪的內外齒嚙合的過程中，由內外齒所圍合的腔室將發生容積大小的變化，這樣，若合理地設置進、出油口的位置，即可利用這種容積的變化將燃油以一定的壓力泵出。

1-殼體；2-泵套；3-從動齒輪；4-主動齒輪

（3）渦輪泵式電動燃油泵

渦輪泵的工作方式完全不同于其他兩種泵，泵的燃油輸送和壓力升高完全是由液體分子之間動量轉換實現的，其結構見圖4-14。渦輪泵的特點是燃油輸出脈動小，結構簡單。當葉輪與電動機一起轉動時，由于轉子的外圓有很多齒槽，在其前后利用摩擦而產生壓力差，重復運轉則泵內產生渦流而使壓力上升，由泵室輸出。這種泵由于使用薄型葉輪，所需轉矩較小，可靠性高，因此這種燃油泵被廣泛用于多種車型上。

l-單向閥；2-限壓閥；3-軸承；4-電刷；5-電樞；6-永久磁鐵；7-軸承；8-渦輪；9-濾清器；10-橡膠緩沖墊；11-殼體

2.燃油壓力調節器

燃油壓力調節器的主要功用是使系統油壓（即供油總管內油壓）與進氣歧管內壓力之差保持為恒定值，一般為0.25～0.3MPa。這樣，從噴油器噴出的燃油量便唯一地取決于噴油器的開啟時間。因為發動機所要求的燃油噴射量，是根據ECU加給噴油器的通電時間長短來控制的，隨著節氣門開度和發動機轉速的變化，進氣歧管內壓力即噴射環境壓力肯定發生變化，如果不控制燃油壓力，即使加給噴油器的通電時間相同，當進氣歧管內壓力高時，燃油噴射量也會減少；進氣歧管內壓力低時，燃油噴射量會增加。為了使系統油壓與進氣歧管壓力差保持穩定，燃油壓力調節器所控制的系統油壓應能隨進氣歧管壓力的變化而變化。

其結構見圖4-15。發動機工作時，燃油壓力調節器膜片下方承受的壓力為彈簧壓力和進氣管內氣體的壓力之和，膜片上方承受的壓力為燃油壓力，當壓力相等時，膜片處于平衡位置不動。當進氣管內氣體壓力下降時，膜片向下移動，回油閥開度增大，回油量增多，使輸油管內燃油壓力也下降；反之，進氣管內氣體壓力升高時，燃油的壓力也升高。

1-彈簧；2-膜片；3-閥門；4-回油口；5-進油口

3.噴油器

電磁噴油器是電控汽油噴射系統的一個重要的執行器，它根據ECU發來的噴油脈沖信號，精確地計量汽油噴射量。影響噴油量的因素主要有噴油孔尺寸、噴油壓力、噴油持續時間和噴油器動態響應特性等。對于一定形式的噴油器，其噴油孔尺寸和噴油器動態響應特性是確定的，噴油壓力由燃油壓力調節器調節為恒定值，因此，噴油量取決于噴油持續時間。

噴油器分類方法很多，按噴油器結構形式可分為軸針式、球閥式和片閥式三種。軸針式噴油器的結構見圖4-16。噴油器安裝在進氣歧管或進氣道附近的缸蓋上，根據ECU發出的噴油脈沖信號將電磁線圈接通，在電磁線圈磁場的作用下，針閥克服彈簧力而升起，向進氣歧管或總管噴射汽油。當ECU將電路切斷時，吸力消失，回位彈簧使針閥復位關閉噴油器，停止噴油。

4.燃油脈動阻尼器

燃油脈動阻尼器的作用是減小汽油管路中的壓力波動，并抑制噴油器或汽油壓力調節器在開啟與關閉過程中產生的壓力脈沖噪聲，使系統壓力保持穩定。其主要由膜片、回位彈簧、閥片和外殼組成，見圖4-17。

發動機工作時，燃油經過脈動阻尼器膜片上方進入輸油管，當燃油壓力產生脈動時，膜片彈簧被壓縮或伸張，膜片上方的容積稍有增大或減小，從而起到穩定燃油系統壓力的作用。

1-濾網；2-電接頭；3-電磁線圈；4-復位彈簧；5-銜鐵；6-針閥

l-燃油接頭；2-固定螺紋；3-膜片；4-彈簧；5-殼體；6-調節螺釘

4.2.2 空氣供給系統主要部件的結構與工作原理

1.進氣檢測裝置

電子控制汽油噴射系統的進氣檢測裝置有多種形式，按照檢測方式不同可以分為質量流量型和速度密度型兩大類型。

質量流量型空氣傳感器是利用空氣流量傳感器直接測量吸入發動機的空氣量。目前常見的質量流量型空氣傳感器按其結構形式可分為葉片（翼板）式、量芯式、熱線式、熱膜式、卡爾曼渦旋式等幾種。其中葉片（翼板）式、量芯式與卡爾曼渦旋式空氣流量傳感器測得的是空氣的體積，故還需要根據進氣的溫度等信息，由電控單元測算吸入汽缸的空氣質量。熱線式、熱膜式空氣流量傳感器直接測量的是吸入汽缸空氣的質量，因此精度更高。

速度密度型流量傳感器是利用進氣歧管壓力傳感器測出進氣歧管壓力，然后電控單元根據該壓力和發動機轉速，推算出發動機每一循環吸入的空氣量，并根據此空氣量來計算汽油的噴射量。

（1）葉片式空氣流量傳感器

葉片式空氣流量傳感器結構見圖4-18，由空氣流量計和電位計兩部分組成。在進氣通道內有一個可繞軸擺動的旋轉葉片（測量片），作用在軸上的卷簧可使測量片關閉進氣通路。發動機工作時，進氣氣流經過空氣流量計推動測量片偏轉，使其開啟。測量片開啟角度的大小取決于進氣氣流對測量片的推力與測量片軸上卷簧彈力的平衡狀況。進氣量的大小由駕駛員操縱節氣門來改變。進氣量越大，氣流對測量片的推力越大，測量片的開啟角度也就越大。

l-電位計；2-接線插頭；3-緩沖室；4-緩沖葉片；5-怠速調整螺釘；6-怠速旁通通道；7-測量葉片；8-進氣溫度傳感器；9-回位彈簧

電位計的滑動臂與測量片同軸同步轉動，把測量片開啟角度的變化（即進氣量的變化）轉換為電阻值的變化。電位計通過導線、連接器與ECU連接。ECU根據電位計電阻的變化量或作用在其上的電壓的變化量，測得發動機的進氣量。

（2）熱線式空氣流量傳感器

熱線式空氣流量傳感器的基本結構由感知空氣流量的白金熱線（鉑金屬線）、根據進氣溫度進行修正的溫度補償電阻（冷線）、控制熱線電流并產生輸出信號的控制電路板以及空氣流量傳感器的殼體等元件組成，其結構見圖4-19。

它兩端有金屬防護網，取樣管置于主空氣通道中央，取樣管由兩個塑料護套和一個熱線支撐環構成。熱線線徑為70μm的白金絲（RH），布置在支撐環內，其阻值隨溫度變化，是惠斯登電橋電路的一個臂，見圖4-20。熱線支撐環前端的塑料護套內安裝一個白金薄膜電阻器，其阻值隨進氣溫度變化，稱為溫度補償電阻（RK），是惠斯登電橋電路的另一個臂。熱線支撐環后端的塑料護套上黏結著一只精密電阻（RA）。此電阻能用激光修整，也是惠斯登電橋的一個臂。該電阻上的電壓降即為熱線式空氣流量傳感器的輸出信號電壓。惠斯登電橋還有一個臂的電阻RB安裝在控制電路板上。

1-防護網；2-取樣管；3-白金熱線；4-溫度補償電阻；5-連接器；6-控制電路

A-混合集成電路；RB-熱線電阻；RK-溫度補償電阻；RA-精密電阻；RB-電橋電阻

熱線溫度由混合集成電路A保持其溫度與吸入空氣溫度（由溫度補償電阻RK進行測量）相差一定值（即RK和RH相差一定值），當空氣質量流量增大時，混合集成電路A使熱線通過的電流加大，反之，則減小。這樣，就使得通過熱線電阻RH的電流是空氣質量流量的單一函數，即熱線電流IH隨空氣質量流量增大而增大，或隨其減小而減小，一般在50～120mA之間變化。ECU接收到這個電信號后即可計算出通過流量傳感器的空氣量。

（3）進氣壓力傳感器

進氣壓力傳感器檢測的是節氣門后方的進氣歧管的絕對壓力，它根據發動機轉速和負荷的大小檢測出歧管內絕對壓力的變化，然后轉換成信號電壓送至電子控制器（ECU），ECU依據此信號電壓的大小，控制基本噴油量的大小。

進氣壓力傳感器種類較多，本書主要以用得較多的半導體壓敏電阻式進氣壓力傳感器為例來介紹其結構和工作原理。其結構見圖4-21。

1-濾清器；2-塑料外殼；3-MFI過濾器；4-混合集成電路；5-壓力轉換元件

硅片裝在保持真空的真空室內，進氣管的壓力可從一面作用到硅片上。當進氣歧管上的壓力作用到硅片上時，此壓力與真空室壓力之差引起硅片的電阻發生變化，經真空室內的混合集成電路變換成電壓信號，并加以放大，作為進氣管的壓力信號輸入到ECU中。

2.節氣門體與節氣門位置傳感器

（1）節氣門體

節氣門體由駕駛員通過加速踏板操縱，用來控制發動機正常運行工況下的進氣量。它安裝在空氣流量傳感器之后的進氣管上，主要由節氣門、節氣門位置傳感器、怠速旁通氣道和調整螺釘等組成，見圖4-22。有些車型的節氣門體上還裝有節氣門回位緩沖器；有些節氣門體的外圍設有發動機冷卻液通道，用以對節氣門體加溫。怠速控制閥和附加空氣閥等也安裝在節氣門體上。

1-怠速調速螺釘；2-旁通氣道；3-節氣門；4-節氣門軸；5-穩壓箱（緩沖室）；6-加速踏板；7-加速踏板金屬絲；8-操縱臂；9-回位彈簧；10-節氣門位置傳感器；11-輔助空氣閥；12-通向冷卻水的管路；13-緩沖器

（2）節氣門位置傳感器

節氣門位置傳感器安裝在節氣門軸上，與節氣門聯動。其功用是將節氣門的位置或開度轉換成電信號傳輸給電控單元，作為電控單元判定發動機運行工況的依據。節氣門位置傳感器有線性、開關型及綜合型（既有開關又有線性可變電阻）三種。

綜合型節氣門位置傳感器（圖4-23）內有兩個觸點，分別為怠速觸點和節氣門開度輸出動觸點。當發動機在怠速時，節氣門接近關閉，怠速觸點閉合，這時電控單元將指令噴油器增加噴油量以加濃混合氣。動觸點與電阻臂組成了一個線性電位計，由節氣門軸帶動電位計的動觸點在電阻臂上滑動。當節氣門開度不同時，電位計輸出的電壓也不同，從而將節氣門由全閉到全開的各種開度轉換為大小不等的電壓信號傳輸給電控單元，使其精確地判定發動機的運行工況。

l-電阻膜；2-節氣門開度輸出動觸點；3-怠速觸點

3.怠速空氣閥

怠速空氣閥的作用是在發動機低溫運轉時，增加進氣量，使發動機快怠速運轉，加快暖機過程，熱機后減少空氣量，使發動機由快怠速轉入穩定的怠速運轉。

常用的怠速空氣閥有蠟式、雙金屬片式兩種。蠟式怠速空氣閥的結構見圖4-24。冷卻液經過軟管進入怠速空氣閥內與空氣隔絕的水道中，流經蠟盒周圍。發動機冷車時，水溫低，蠟盒內的蠟質凝固收縮，閥芯在彈簧力的作用下開啟，打開旁通氣道。發動機熱車后，水溫升高，蠟盒內的蠟質受熱融化膨脹，使推桿伸出，推動閥芯關閉旁通氣道。

1-節氣門；2-怠速調整螺釘；3-閥芯；4-冷卻液出口；5-冷卻液進口；6-蠟盒；7-進氣氣流

4.怠速控制閥

在節氣門體汽油噴射系統的節氣門體上裝有怠速控制閥。其功用是自動調節發動機的怠速轉速，使發動機在設定的怠速轉速下穩定運轉。

怠速控制閥主要有旋轉滑閥式、步進電動機式及電磁式三種。

（1）旋轉滑閥式怠速控制閥

旋轉滑閥式怠速控制閥結構見圖4-25，主要由旁通空氣閥和電動機組成。旁通空氣閥固定在電動機的轉子軸上，在電動機的驅動下可以在限定的90°轉角范圍內轉動。

旋轉滑閥式怠速控制閥控制過程如下：

發動機ECU將檢測到的怠速轉速實際值與其所存儲的設定目標值進行比較，隨時校正送至怠速控制的驅動信號的占空比，調節怠速旁通氣道的空氣流通截面積，以實現穩定的怠速運行。

（2）步進電動機式怠速控制閥

步進電動機式怠速控制閥螺旋機構中的螺母與步進電動機的轉子制成一體，螺桿與控制旁通空氣道的錐閥制成一體并與步進電動機殼體之間用花鍵連接。步進電動機轉動時，螺母驅動絲桿作軸向移動，步進電動機轉子每轉動一圈，螺桿移動一個螺距。螺桿向前或向后移動帶動錐閥關小或開大旁通空氣道的流通截面。ECU通過控制步進電動機的轉動方向和轉動角度（步級）來控制螺桿的移動方向和移動距離，從而達到控制怠速進氣量的目的，見圖4-26。

1-接線插頭；2-外殼；3-永久磁鐵；4-電樞；5-空氣通道；6-轉速調節滑閥

1-閥座；2-閥軸；3-定子線圈；4-軸承；5-進給絲桿；6-轉子；7-旁通氣道；8-閥芯

（3）電磁式怠速控制閥

電磁式怠速控制閥結構見圖4-27，主要由控制閥、閥桿、線圈和彈簧等組成。

控制閥的開度取決于線圈產生的電磁力大小，與旋轉閥式怠速控制閥相同，ECU是通過控制輸入線圈脈沖信號的占空比來控制電磁場強度，以調節控制閥的開度，從而實現怠速空氣量的控制。

1、5-彈簧；2-線圈；3-閥桿；4-控制閥

4.2.3 電子控制系統主要部件的結構與工作原理

電控汽油噴射系統中的控制系統由電控單元、各種傳感器、執行器，以及連接它們的控制電路所組成。不同類型的電控汽油噴射系統的控制功能、控制方式和控制電路的布置不完全一樣，但基本原理相似。

1.傳感器

（1）冷卻液溫度傳感器

冷卻液溫度傳感器安裝在發動機機體或汽缸蓋上，與冷卻液接觸，用來檢測發動機循環冷卻液的溫度，并將檢測結果傳輸給電控單元以便修正噴油量和點火正時。其結構及與電控單元的連接見圖4-28。

（2）進氣溫度傳感器

進氣溫度傳感器通常安裝在空氣流量計上，用來測量進氣溫度，并將溫度變化的信息傳輸給電控單元作為修正噴油量的依據之一。進氣溫度傳感器內部也是一個熱敏電阻，其電阻溫度特性、構造、工作原理以及與電控單元的連接方式均與發動機冷卻液溫度傳感器相同，見圖4-29。

（3）曲軸位置傳感器

曲軸位置傳感器通常安裝在分電器內，用來檢測發動機轉角、轉速、曲軸轉角以及第一缸和各缸壓縮行程上止點信號。

① 光電式曲軸位置傳感器

它由發光二極管、光敏三極管、轉盤等組成，并安裝在分電器底板上。兩對發光二極管和光敏三極管組成信號發生器。在轉盤的邊緣均勻地開有360個小細縫和6個大細縫。當轉盤隨分電器軸轉動時，發光二極管通過細縫射向光敏三極管的光線使光敏三極管導通，光線被轉盤遮擋時，光敏三極管截止，由此產生脈沖信號（圖4-30）。

1-分火頭；2-防塵罩；3-轉盤；4-分電器底板；5-光敏三極管；6-發光二極管

② 磁脈沖式曲軸位置傳感器

它由安裝在分電器軸上的兩個信號轉子和安裝在分電器底板上的三個傳感線圈組成。信號轉子隨同分電器軸一起轉動。當信號轉子的凸齒接近傳感線圈時，由于傳感線圈內磁通量增加而感生正電壓；當凸齒離開傳感線圈時，由于磁通量減少而感生負電壓，即一個凸齒每轉過傳感線圈一次，便在其中產生一個交流電壓信號或稱電脈沖信號（圖4-31）。

（4）氧傳感器

氧傳感器是電子控制汽油噴射系統進行反饋控制的傳感器，安裝在排氣管上。在閉環控制方式中，利用氧傳感器檢測排氣中氧分子的濃度，并將其轉換成電壓信號輸入電控單元。排氣中氧分子的濃度與進入發動機的混合氣成分有關。當混合氣太稀時，排氣中氧分子的濃度較高，氧傳感器便產生一個低電壓信號；當混合氣太濃時，排氣中氧分子的濃度低，氧傳感器將產生一個高電壓信號。電控單元根據氧傳感器的反饋信號，不斷地修正噴油量，使混合氣成分始終保持在最佳范圍內。通常氧傳感器和三元催化轉換器同時使用，由于后者只有在混合氣的空燃比接近理論空燃比的狹小范圍內凈化效果才最好，因此，在這種情況下，電控單元必須根據氧傳感器的反饋信號，控制混合氣的空燃比更接近于理論空燃比。目前應用最多的是二氧化鋯氧傳感器，見圖4-32。

1-氣孔；2-鋯管；3-排氣管；4-鉑電極；5-彈簧；6-鉑電極座；7-導線

2.發動機電子控制單元（ECU）

ECU是電子控制的中心，具有空燃比控制、點火正時控制、加減速控制、下坡斷油控制、超速控制、怠速控制、空調控制等功能。

控制系統中最主要的軟件是主控程序，它對整個系統進行初始化，實現系統的工作時序、判定控制模式、控制點火正時和噴油脈沖信號的輸出等。

軟件中還有轉速與負荷的處理程序、中斷處理程序及查表程序。針對發動機使用要求預先確定點火角脈譜圖及噴油脈譜圖，以及其他為匹配各工況而選定的修正系數、修正函數和常數等，都以離散數據的形式儲存在微處理器的存儲器中。

當整車供電后，ECU開始不斷地定時檢查各傳感器及開關信號，并以此為依據，計算出發動機各工況下的最佳供油量、最佳點火正時、最理想的怠速等，經輸出電路完成對噴油器、怠速控制器及空調系統等的控制。