发动机电喷系统介绍

前言

60年代，一些发达国家随着汽车、摩托车数量的不断增加，汽车、摩托车排气对大气的污染也日趋严重，欧、美、日等国相继制订了严格的排放法规，限制摩托车CO、HC和NOx等有害物质的排放。70年代初，受能源危机的影响，美国、日本等国又制订了车辆燃油经济法规。一方面随着两种法规要求的逐年提高，愈来愈严格，已到传统的机械改良方式难以胜任经济指标和环保要求的地步，迫使世界汽车、摩托车工业寻求新的技术途径，实现节油和减少排放污染。另一方面，随着电子技术的飞速发展，汽车摩托车电子化成为各国汽车摩托车工业的一个重要发展方向。目前减少排放污染有很多解决方案，如机内控制（电喷技术、电控化油器、优化燃烧室、多气门和可变技术、稀薄燃烧等）；机外控制（废气再循环（ERG）、采用三元催化剂、二次空气喷射等）。

2003年1月，国家环保总局、经贸委、科技部联合颁发的《摩托车排放污染防治技术政策》总则和控制目标中规定：2004年新定型的摩托车（不含轻便摩托车）产品，污染物的排放应达到欧盟第二阶段排放控制水平。并鼓励研制、使用先进的摩托车电控燃油喷射技术和设备。

目前，随着世界经济一体化步伐的加快，我国摩托车工业能否在未来的世界竞争中掌握主动权，关键取决于能否在电子技术和环保上占领制高点。所以，加快环保技术的研究是我国摩托车工业发展的当务之急。

重庆是中国乃至世界最大的摩托车生产基地。已形成了以嘉陵、建设、力帆、隆鑫、宗申为主体的摩托车生产企业，400多家零部件企业为之配套。摩托车工业已成为重庆工业的支柱产业。因此，随着排放法规的日渐严格开发符合环保要求的摩托车电喷系统具有重大意义。（附表1.0：2006年度产销量居前10位企业排名表：）

2006年度产销量居前10位企业排名表 大长江集团 隆鑫集团 重庆建设 中国嘉陵 力帆集团 钱江集团 宗申集团 洛北集团 中国轻骑 金城集团 合计 行业总量

名次 全年累计(万辆)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

232.58 151.17 137.31 137.19 133.20 123.70 119.80 114.05 91.24 84.62 1324.87 2144.35

占行业比重(%)

10.85 7.05 6.40 6.40 6.21 5.77 5.59 5.32 4.25 3.95 61.79

表1.1 欧II两轮摩托车排气污染物限值 g/km

摩托车排量ml CO <150ml 5.5 ≥150ml 5.5 HC 1.2 1.0 NOx 0.3 0.3 表1.2欧III摩托车排气污染物限值 g/km

摩托车排量ml CO HC NOx 两轮

<150ml 2.0 0.8 ≥150ml 2.0 0.3 三轮（全部）

0.15 0.15 4.0 1.0 0.25 与欧II标准相比，欧III标准的CO限值加严64%，Nox限值加严50%，排量低于150ml的摩托车HC限值加严33%，排量大于150ml的摩托车HC限值加严70%。

1. 从2006年到2009年大多数国家将引进EURO-3 2. 2008年7月1日起欧Ⅲ法规将出版和执行

从欧Ⅱ到欧Ⅲ，一般调整性技术比较难以达到排放指标。所以摩托车采用电喷供油系统逐步替代化油器供油系统就成为摩托车发动机的发展趋势。传统的化油器供给系统，主要缺点是控制精度不足，尤其是在特殊工况（如加减速、冷启动），难于在满足动力性的同时，兼顾经济性和排放控制。而这恰恰是电子控制燃油喷射系统的优点所在，它可以根据发动机运行的不同工况，使发动机始终保持最佳点火状态和可燃混合气空燃比，实现燃油经济性、动力性和排放的最佳匹配。

1.1国内外摩托车电喷技术现状

70年代后期迅速发展起来的以微机为基础的车用电控汽油喷射系统为同时解决节油和排气净化提供了重大技术突破。致使电控汽油喷射系统的应用在70年代末，80年代初就得到了迅猛发展。在1976年至1984年的9年间，电控汽油喷射系统在各国生产的轿车中采用的比重不断增长，德国有8%增长到42%，日本由3%增长到18%，至1987年增长到46%，而美国1977年才开始采用电喷系统，至1984年即猛增到60%，87年高达78%。进入90年代，美国三大汽车公司生产的轿车几乎100%采用电喷系统。电喷技术虽然在汽车上得到了大量应用，但在摩托车上的应用不足1%。1980年日本川崎公司率先在四缸四冲程Z1000型摩托车上应用EFI电喷系统。随后又在川崎Z750GP型摩托车和本田CX500 Turto型摩托车上应用了EFI和S-EFI电喷系统。国外大排量豪华型摩托车上应用电喷技术，使现代摩托车实现了高效燃烧和清洁排放的目的。

由于当时电控元件的成本较高，电喷技术在中小排量摩托车发动机上的应用到目前都非常有限。近年来由于电子工业的迅速发展使电控元件成本大幅降低，其价格已经降

至中小排量摩托车基本可以接受的范围。国外一些知名摩托车厂家开始准备将电喷技术大量使用在自己的产品中。

虽然中国的摩托车产量已经超过日本位居世界第一，但到目前为止只能称为世界摩托车大国，却不能算是世界摩托车强国。其原因就在于中国摩托车的质量、新产品开发和应用能力与世界发达的日本、美国、意大利等国相比存在较大的差距。而且相同品种、排量的摩托车其售价只有日本产品的二分之一到三分之一甚至更低，只能依靠低价才能在国际市场上占居一席之地。随着中国加入WTO，全球经济一体化、市场一体化步伐的加快。中国摩托车企业要想在国际竞争中取的更大成绩，产品质量就必须过硬，各项指标就必须符合国际标准。目前摩托车产品的排放标准一般认为应符合欧洲相应阶段的标准(即欧II或欧III标准)。国内一些厂家为了提高产品的环保性能、扩大产品的销售市场。开始引进适合各自企业产品的电喷系统。如海南新大洲和澳必托公司合作开发的新大洲XDZ50QT.DP-K环保摩托车；比亚乔·佛山摩托车有限公司引进比亚乔电喷专利“FAST”；南方公司在NF125上运用了贵州红林机械厂与美国BKM公司联合开发的电喷系统；春兰集团在244FMI摩托车上应用了电喷系统等等……

通过国内外现状分析可知，由于目前国内市场上缺乏性能／价格比适合中国摩托车发动机的电喷控制装置，所以研制开发一种适合中国摩托车发动机售价的电喷控制装置具有十分重要的现实意义。

摩托车车辆和发动机所具有的特殊属性使得汽车的电喷系统不能原封不动地移植到摩托车上，系统设计的更改是必需的。基于德国BOSCH公司成熟可靠的汽车电喷技术，联合汽车电子有限公司（UAES）成功开发出性能稳定、成本较低的小型汽油发动机电喷系统平台MSE2.0。

我公司开发的电子控制燃油喷射系统即发动机管理系统(Engine Management System，简称EMS)，采用各种传感器，将发动机 吸入空气量、冷却水温度、发动机转速与加减速等状况转换成电信号，送入控制器ECU。控制器将这些信息与储存信息比较、精确计算后输出控制信号。EMS不仅可以精确控制燃油供给量，以取代传统的化油器，而且可以控制点火提前角和怠速空气流量等，提高了发动机性能；实现排放、燃油经济性和动力性的最佳匹配。

1.2 摩托车电喷技术发展趋势

开环控制电喷系统中，控制单元ECU仅根据传感器传递来的电信号，对喷油器的喷油量进行修正，以调整混合气在理论空燃比附近。但对喷射以后，发动机的实际燃烧状况没有检测与实施控制。随着传感器技术的迅速发展，传感元件的种类越来越多，捕捉信息的能力越来越强，精度越来越高，寿命越来越强长，价格却大幅度降低。并且向集成化、数

字化、智能化方向发展。致使电喷系统向闭环和智能化方向发展，特别是近年来．随着环保法规的日益严格，治理摩托车排放新技术也日趋完善，各种更为先进的电喷系统不断涌现。

闭环控制系统是通过氧传感器检测排气中氧的浓度反馈给电脑ECU，不断修正燃油喷射量，精细调整空燃比在各种工况下均收敛于理论空燃比14．7附近，以充分发挥三元催化转化器与排气再循环 EGR装置的作用，同时降低HC、CO和NOx三种有害物质的排放量。

摩托车发动机电控燃油喷射系统

汽油发动机电子控制系统的一般控制原则均为：以电脑（ECU）为控制核心，以空气流量和发动机转速为控制基础，以喷油器、点火器和怠速空气调节等为控制对象，保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳混合气成分和点火时刻。

发动机管理系统(Engine Management System，简称EMS)采用各种传感器，将发动机的负荷、转速、加减速、吸入空气的流量、温度等变化情况转化为电信号，然后将这些电信号输入到控制单元ECU中，控制单元ECU根据这些信号与储存的数据对比并进行精确计算后，输出一个控制信号去控制喷油器的开启时刻和持续时间，从而供给发动机汽缸最佳燃油量。电控燃油喷射系统的基本原理框图如图3.1所示

图3.1电控燃油喷射系统的基本原理框图 燃油定量执行器点火正时执行器电子控制单元ECU发动机空气控制执行器 负荷传感器 转速传感器 各种辅助控制变量传感器

其它各种执行器Lambda 闭环控制氧传感器爆震闭环控制爆震传感器怠速转速闭环控制转速传感器 2.1 电控系统主要装置结构及原理

尽管电控燃油喷射系统的种类繁多，但其组成基本相同。其电子控制系统可分为空气供给系统、燃油供给系统、点火系统和控制系统四个部分。

空气供给系统主要由：空气滤清器、IMSE(或节气门体)、进气歧管等组成。 燃油供给系统主要由：油箱、油管、电动燃油泵、汽油滤清器、燃油压力调节器及喷油器等组成。

点火系统主要由：点火器、点火线圈和火花塞等组成。

控制系统主要由：各种传感器和控制单元（ECU）组成。

MSE2.0电喷系统平台可以提供空燃比开环控制和闭环控制两种形式的系统。两种系统可根据客户需求进行相应的系统配置，如可选择转速、负荷的检测方式及其相应的传感器，

以及选择点火、喷油的方式等等。该电喷系统平台的系统结构如图1所示，图中包含的零部件必须根据开、闭环控制系统分别进行配置。

图1

MSE2.0摩托车电喷系统平台系统结构

3.1空气供给系统结构及工作原理

空气供给系统为发动机可燃混合气的形成提供必要的空气，空气经空气滤清器、节气门体、进气管进入发动机汽缸。空气流量由进气通道中的节气门来控制，（节气门由油门转把控制）。

3.1.1进气压力传感器

进气压力传感器装在节气门体上，用软管与节气门体连接探测进气压力，提供发动机负荷信息。进气压力传感元件由一片硅芯片组成。硅芯片上有一片压力膜片和信号处理电路，压力膜片上有4 个压电电阻。进气歧管绝对压力的改变会使硅芯片发生机械变形， 4 个压电电阻跟着变形，其电阻值改变。通过硅芯片的信号处理电路处理后，形成与压力成线性关系的电压信号。

1. 压力范围：20 ~ 115 kpa

2. 工作电压 / 电流：5.0 ± 0.5 V / 9 mA 3. 工作温度范围：-40 ~ +125 ºC

4. 响应时间：0.2 ms

⑥ 进气压力传感器（DS-S）：测量进气歧管绝对压力，提供发动机负荷信息；

3.1.2节气门体

节气门体的作用是控制进入汽缸的空气量，从而控制发动机转速。主要有节气门、怠速调整螺钉、怠速空气孔和节气门开关等组成。当发动机在怠速时（节气门全关），空气流经旁通孔（怠速空气孔），此时只要调节怠速调整螺钉就可以调整发动机在怠速时的

转速。

机械式节气门体 集成式节气门体

⑦ 节气门位置传感器（DKG）：提供发动机负荷、工况信息；

1. 电子角度范围：≤ 86º 2. 转动方向：任意 3. 总电阻：2.0 kΩ ± 20% 4. 工作电压：5 V

5. 工作温度：-40ºC ~ +130 ºC 6. 转臂保护电阻：710 ~ 1380 Ω 7. 转臂允许电流：≤ 18 μA

3.1.3怠速执行器

它安装在节气门上方。其作用是在低温下起动发动机时，它通过另一通道，使进入汽缸的空气增多，从而使喷油量也增加，以便在低温下顺利起动发动机。

3.2燃油供给系统结构

燃油供给系统将经电子控制单元ECU控制的具有一定压力的干净汽油定时、定量的喷入进气道或汽缸实现汽油喷射。燃油从燃油箱中被汽油泵吸出，通过汽油滤清器后送入压力调节器，使油压保持在比进气管压力高出约0.3Mpa的压力，然后通过输油管送到各个喷油器，最后把汽油喷入进气管，而多余的燃油从调压器经回油管流回燃油箱

3.2.1电动燃油泵的结构与工作原理

燃油泵的作用是把燃油从燃油箱吸出并通过喷油器供给发动机气缸工作。按安装方式燃油泵可分为内装式和外装式两种。而内装式又分为滚柱式和叶片式燃油泵。对摩托车而言主要采用方便的噪声及压力脉动比较小的内装式叶片式燃油泵。

a.滚柱式燃油泵

1）构成：滚柱式燃油泵主要由直流电动机和滚柱式油泵组成，配有保护燃油输送管路用的安全阀、保持燃油管路残压的单向阀、防止燃油脉动用的缓振器等。

2）工作原理：电动机驱动转子，使滚柱在转子的外圈切槽中自由滚动。当转子转动起来后，滚柱在离心力的作用下，贴紧泵壳的内壁，形成了一个封闭的油腔，由于转子和泵体为偏心安装，故使滚柱与泵壳内壁之间形成的封闭油腔的容积在转动过程中是不断变化的。左边封闭油腔容积从小到大变化，从进油口吸入燃油，右边封闭油腔容积从大到小变化，将燃油从油口挤出。

b.叶片式燃油泵

1）构成：叶片泵由叶轮、泵壳和泵盖等组成。（叶轮由电动机带动而高速旋转，叶轮外缘上的叶片将燃油从吸油口压向出油口。）叶片泵的自吸能力差，故采用内装式，（如图3.3）。 叶片式燃油泵与滚柱式燃油泵相比具有以下优点：

(1)油压输出脉动小，无需设置油压缓冲器。

(2)电动机采用高转速、低扭矩的直流电动机，燃油泵的结构尺寸小，重量轻。 (3) 与外装滚柱式燃油泵相比，外部油路简单，减少了燃油泄漏和产生气阻的可能。 图3.3内装式燃油泵 2）工作原理：当发动机工作时，主继电器供电给直流电动机，电动机带着叶轮一起作高速转动，使叶片沟槽前后的燃油产生压力差，由于叶片的循环往复，使出油口的压力升高，燃油从入口进入流向电动机里面，从泵腔强迫燃油经止回阀流出。当发动机停止运转时，泵自动停止工作，但是止回阀关闭使管路中维持约150Kpa的压力，防止气阻，以利于再启动。故本次设计的发动机采用的是叶片式更合适些。

3.2.2燃油滤清器、燃油压力调节器的构成及工作原理

a.燃油滤清器：燃油滤清器的主要作用是滤除燃油中的水分和杂质等污物，以防堵塞喷油器针阀。

1)构成：燃油滤清器由滤清器盖、滤芯、密封圈、滤清器外壳、支撑筋板及沉积杯等组成。滤芯构造有菊花形和螺线形两种。

2)工作原理：发动机工作时燃油在汽油泵的作用下经过进油管接头流入沉淀杯，由于水的

比重大于汽油，故水分及较重的杂质颗粒沉

淀于杯的底部，较轻的杂质随燃油流向滤芯，被粘附在滤芯上，而清洁的燃油通过纸滤芯渗入滤芯内腔，从出油管流出。

b.燃油压力调节器

1)构成：由调节螺钉、弹簧托盘、弹簧、膜片、阀托盘、阀体组成。

2)工作原理：燃油压力调节器是使燃油压力与大气压力或进气管负压保持一定的压力差（一般压力差控制在250kPa）的燃油压力调整阀，它由金属制成外壳，内部利用橡胶膜片将弹簧室和燃油室分开。燃油泵送来的燃油，由压力调节器入口输入，充满燃油室后将

介于膜片与出油口的阀门向上顶，与设定好的弹簧压力平衡。来自输油高压油推动膜片打开阀门，部分燃油经回油管流回油箱。输油管压力的大小取决于膜片弹簧的压力。进气管真空度增加，喷油压力减少，即油压和进气管真空度的总和保持不变。

3.2.3喷油器

a构成：喷油器安装在节气门体空气入口处或进气管靠近气门附近，受控制单元喷油信号控制，喷油器通电时间长短决定进入进气管油量多少。主要由燃油滤网、电接头、电磁线圈、弹簧、衔铁、针阀、轴针组成。（如图3.5所示）

b性能要求：

1)有良好的动态流量特性，喷射范围大，既能满足发动机最大功率的供油量的要求，又能满足怠速时很小的供油量。

图3.5喷油器

2)具有良好的雾化性能和恰当的喷雾形状，以利于怠速稳定性、冷起动性的提高和排气污染的降低。

3)具有良好的抗污物堵塞能力、使用耐久性好

c.工作原理：控制单元内晶体管导通，线圈开始通电到喷油器，电脑对流过喷油器电磁线圈的电流进行控制。当电磁线圈无电流时，喷油器内的弹簧将针阀压紧在锥形密封阀座上，燃油不能喷出；当控制单元输出脉冲使电磁线圈通电并产生磁场吸引衔铁上移，衔铁带动轴针从其座面上升约0.1mm，燃油在压力差的作用下便从轴针和阀座之间的环形间隙喷出。

d.喷油器位置设计：喷油器的安装位置和角度对燃油雾化程度影响很大。在不改变发动机结构的前提下，尽量使喷油器的安装满足以下要求。

1)喷柱应对准进气门的中心线,使喷雾尽可能分布在进气门上,利用进气门较高的温度促使燃油汽化

图3.6喷油器的安装位置

2)喷油器前端喷嘴离气门的距离应适中。当距离太近时容易造成喷嘴温度过高而使喷油器中的燃油汽化产生气泡；当距离太远，将使燃油传递过程变长。按以上要求，喷油器

的安装应如图3.6所示。

e.喷油器的特性

图3.5所示喷油器稳定流动时的流量可表示为：

mf=Smt2ρm•Δpm……………………………（3-1）

式中：mf为燃油的质量流量；Sm为喷孔的有效流通截面积；t喷油器中燃油流过空隙时的时间；ρm为燃油的密度；Δpm为喷孔前后的压力差。 对于特定型号的喷油器而言，Sm、ρm为常量。

mf=KitΔp…………………………………（3-2）

所以喷油量mf除了与喷油脉宽成正比外，还与压力差Δpm有关。所以，要想让控制单元ECU用控制每循环喷油脉冲宽度Ti来唯一地控制燃油供给量，就必须保持喷孔前后的压力差为定值。如果不采取措施，喷孔前的压力为进气管压力，它会随工况而变化；喷孔后的压力为燃油轨的压力，它会随燃油泵供油量而变化，压力差Δpm显然不为定值。燃油压力调节器利用调节燃油回流量多少的办法，使燃油轨中的压力随进气管压力而变化，从而使Δpm保持恒定，本文压力差值为250kPa。所以，喷油器喷油量可表示为

mf=T•K……………………………（3-3）

根据针阀运动过程和脉冲电压波形的关系可以看出（图3.7所示）：脉冲开始后，电磁线圈的磁场逐步建立，对衔铁的吸引力逐渐增大，当电磁吸引力大于衔铁、针阀重力、弹簧作用力、燃油压力及摩擦力的合力时，针阀开始升起并加速。喷油脉冲结束后，磁场逐步减弱，电磁吸力逐渐减小，当电磁吸力小于衔铁、针阀重力、弹簧作用力、燃油压力及摩擦力的合力时，针阀开始回落并加速。t1为从线圈电磁电路开始通电起直到针阀刚离座所用的时间，称为开阀延迟。t2为从针阀离座到针阀完全打开所用的时间，称开启反应时间。t3为针阀从开始下降到针阀完全落座所用时间，称关闭反应时间。所以，喷油器的喷油量与通电时间不完全成正比。

喷油器通电后，喷出的燃油流量随脉宽的变化规律见图3.8所示。经过约2ms的滞留时间后，喷油量突然跃升，以后按线性规律变化，其斜率为M。喷油量在线性段的任一

时刻，可用下式表示：

mf=Mt−B=M(t−t0)…………………………（3-4）

式中mf为喷油量（g）；M为斜率（g/ms）；t为脉宽（ms）；t0为无效喷射时间（ms）；

B为偏移量（g）。所以，在电控单元ECU的控制策略中，事先要标定好喷油量曲线，才可以用控制脉宽的方法确定所需的喷油量。

3.3点火系统结构

点火系统是由点火脉冲及触发电路、点火线圈、火花塞等三部分组成。点火系统的作用就是点火脉冲触发电路在CPU的控制下给点火线圈充电和放电，点火线圈上积聚的能量由火花塞按时释放出来产生火花，点燃汽缸中的混合气。一般而言，在标准大气压需要2~3KV的电压；对于高压缩比的稀薄燃烧发动机力下火花塞要跨越0.6mm的间距，

来说，要求电压达到20KV。而发动机蓄电池的电压仅为12V左右，为此，点火电路就把能量储存在点火线圈中，由点火线圈在瞬时放电中产生高电压，点燃混合气。

点火线圈中的电流主要受线圈的电感、电路电阻的影响，下式可以计算点火线圈电路中的电流：

i=V/R(1−eRt/L)……………………………………（3-5）

式中：i— 瞬时基本电流；

R—充电电路总电阻；

L —线圈电感；

t —充电时间

线圈中的能量可以用下式计算：

E=Li2/2 …………………………………………(3-6)

3.4控制系统结构 3.4.1传感器

在摩托车发动机电控燃油喷射系统中，对发动机运转状况的判断参数主要为：发动机转速和发动机负荷。同时运用一些辅助参数对发动机的运转状况进行更加细化的判断。本论文的电控燃油喷射系统对发动机运转状况的判断参数，将发动机转速和发动机负荷作为主要判断参数。辅助参数也选用相应的传感器予以判断。主要对发动机转速和曲轴位置、节气门位置、发动机缸体温度、进气温度、蓄电池电压信号和排器管氧浓度等用传感器予以判断。

a. 氧传感器 氧传感器利用氧化锆陶瓷在高温下良好的离子导电性，将氧化锆陶瓷作为固体电解质来检测气体或液体中的氧含量。

1）氧化锆氧传感器结构 这种传感器通常由CaO或Y2O3稳定ZrO2陶瓷制成。其核心

部件为固体电解质元件的锆管（如图3.11所示）。

2）工作原理 由于在大气一侧和排气侧的氧浓度及氧气分压不同，氧离子会从氧气压高的一侧移向氧气压低的一侧， 所以在高温下氧化锆管的内外电极之间就会产生电动势。在管内外电极之间产生的电动势E可用Nernst方程式来表示：

E=(RT/4F)ln(P/Pref)……………………………（3-7）

式中，E-为电动势（mV）；

R-为理想气体常数（R=8.314J•mol−1•K−1）； T-传感器工作温度（绝对温度，K）；

F-法拉第常数（F=96493C•mol−1）。

当温度T一定时，只需测定电动势E就可直接计算出排气中的氧含量。当空燃比A/F大于理论空燃比时，排气中有大量的未燃氧气，其氧气分压P接近参比氧分压Pref，因此电动势E很小，几乎接近于零。当空燃比A/F小于理论空燃比时，排气中氧气很少，而且未完全燃烧的CO、HC等在锆管表面铂的催化作用下，与氧发生反应而进一步消耗排气中残余的氧，锆管外表面氧气浓度接近于0，则氧气分压P远远小于参比氧分压Pref，因此电动势E的绝对值很大，约为1V左右。当A/F等于理论空燃比时，在铂的催化下，电动势产生突变（见图3.12）。

图3.11氧化锆传感器

1- 护套 2-废气 3-锆管 4-电极

5-弹簧 6-绝缘体 7-信号输出导线 b.发动机转速和曲轴位置传感器 由于摩托车发动机磁电机与曲轴相连，

磁电机转速与曲轴转速同步。所以本系统采用原磁电机系统中的触发器作为转速和曲轴位置传感器。利用磁电机上的凸台与感应线圈中铁芯的相对运动，产生一感应脉冲信号用以控制发动机各个工况下的点火角及喷射时间。感应信号经电路处理后，由单片机计算出转速和曲轴相对位置。

c.节气门位置传感器 节气门位置传感器装在节气门体上，与节气门同轴旋转，节气门轴带动电位计的滑动触点运动，在不同的节气门开度下，电位计的电阻值不同，从而将节气门的不同旋转角度状态转换成不同的电压信号传递给ECU；单片机根据这些信号及变化速率，判断发动机的运行状况。

d.缸体温度和空气温度传感器 本系统所用温度传感器是用氧化镍等半导体材料制作

图3.12不同空燃比下氧传感器输出特性

的负温度系数的热敏传感器。这种传感器非常敏感，较小的温度变化就会产生较大的阻值变化，通过实验可以测得它的温度—阻值变化曲线如图3.14所示。它们之间的变化关系可以用下式表示：

Rt=AeB/T…………………………（3-8）

式中，Rt—热电阻传感器的阻值；

A —热传感器常数；

B —热传感器的温度特征值； T—绝对温度。

该传感器的电阻信号是非线性的，一般信号 采集时可对其线性化处理和不处理时取其电压。

在图3.15的a中，得到的电压与电阻的关系表达 图3.14 温度传感器输出特性 式为：

RT

………………………（3-9） R+RT

把式（3-8）代入式（3-9）中，可以得到电压与温度的关系：

V0=Vs

V0=VsAeB/T/R+AeB/T………………（3-10）

在图3.15的b中，利用桥式电路的非线性补偿了热敏电阻的非线性。采集输出电压V0的

()⎛R2RT⎞⎜表达式为：V0=Vs⎜R+R+R+R⎟⎟………………（3-11） ⎝21T3⎠

a

图3.15电阻信号转化电路

b

3.4.2控制单元

相对于汽车的控制系统而言，摩托车的控制系统较为简单。主要有三个控制量：喷油量、点火提前角和空气量。控制系统的核心功能是燃油喷射的控制，控制目的主要是通过对各种传感器信号的处理，控制发动机在各种工况下的喷油量，使发动机始终工作在理论

空燃比下的最佳状态。对点火提前角的控制是结合喷油量，匹配最佳的点火提前角。

3. MSE2.0小型汽油发动机电喷系统平台系统解决方案 （一）空燃比控制

空燃比是决定发动机排放和油耗的最重要的决定因素。

在MSE2.0电喷系统平台中的空燃比开环控制功能充分考虑到了大批量生产的摩托车发动机不可避免的散差因素，及摩托车发动机在运行过程中会逐渐老化后对发动机负荷的影响。在开环控制时，MSE2.0电喷系统平台采用电位计。通过电位计便捷的手动调节作用，将调节得到的电压输送到ECU，根据这个电压调整总体的喷油量。

通过这种方法，发动机生产厂和售后服务站可以方便迅速地对某些车辆的空燃比进行手动调节，保证空燃比的偏差在可以接受的范围内，从而满足客户的排放和油耗需求。 而在采用空燃比闭环控制的系统中使用氧传感器将空燃比的信号传给电子控制器，电子控制器根据空燃比的反馈信号控制喷油，自动使空燃比始终处在最佳的状态。 （二）转速检测

摩托车发动机化油器系统通常都采用电容放电点火系（CDI）方式点火。摩托车由磁电机给整个系统供电，磁电机的磁缸与曲轴相连，上有一片凸块，CDI的探头检测到由凸块引起的脉冲信号，输送到CDI控制盒触发点火。其原理如图2所示：

图2 CDI系统简图

MSE2.0电喷系统平台提供了两种实现转速检测的解决方案： 磁电机磁缸

① 在磁电机磁缸外加装36-2齿信号轮，用速度传感器替代触发线圈，将信号输送到电喷系统的控制器（ECU），由ECU内的软件计算出转速。

触发线圈 CDI点火器这种方法的优点是精度高，动态性能最优。因为曲轴每转一圈要给出36-2个信号，如果发动机转速在一圈内发生变化，用这种方法可以精确地计算出来。

② 完全保留整个CDI脉冲信号的检测部分（图2虚框内部分），脉冲信号被输送到ECU进行分析。由于曲轴每转一圈给出一个脉冲信号，所以经过ECU的处理也可以由此判别转速，但其动态性能逊于前种方法，因为曲轴每转一圈给出的信号数最少。这种方案最大的优点是为整套系统节约了一个传感器和一个信号轮，这将大大地降低成本；而且最大程度地保留了原有的化油器系统的零件，仅取消了CDI控制盒，这大大降低了发动机厂改装发动机的工作量，否则曲轴顶端和磁电机磁缸及外罩必须改造，以安装传感器和信号轮。其动态精度虽然比其他两种系统有所降低，但经过测试，能满足客户的需求。也可以增加几个凸块，这样曲轴每转一圈会给出数个脉冲信号，提高动态性能。

（三）负荷检测系统

负荷检测的目的是与转速一起为ECU提供发动机的工作点，确定喷油、点火的基本依据。负荷不对或不稳定，会使整个系统工作失效，造成排放及驾驶性能恶化。

现代汽车电喷系统的负荷检测系统经常使用热膜（线）式空气流量计（HFM）作为负荷传感器，但这并不适合摩托车。因为HFM需要较大的安装空间，而在摩托车上很难找到这样的空间；而且HFM的高精度带来的是高成本。

MSE2.0电喷系统平台提供了两种实现负荷检测的解决方案：

① 采用节气门位置传感器和转速传感器判别负荷，即所谓的α+n系统。α指节气门位置，n指转速。

α+n系统的优点是性价比好。只要工况稳定，节气门不动，负荷就不会动。但这种方法要求发动机有很高的一致性，尤其是进气歧管和节气门体的加工一致性，否则发动机之间的差异和发动机老化引起的负荷差异不能被检测出来。这是因为ECU认为节气门开度一样则负荷一样，并不知道其他因素引起的负荷差异。这在空燃比开环控制的系统中，将导致空燃比散差大，排放和油耗都会大大恶化。而这种对发动机的一致性的要求又是摩托车发动机生产厂难以保证的。现在MSE2.0电喷系统平台通过软件设计采用自适应的方法较好的解决了该问题。

② 采用进气歧管压力传感器和转速传感器判别负荷，即所谓的P+n系统，P是指压力，n指转速。

P+n系统的优点是精度较高，能适应由各种原因引起的负荷变化，因为如果负荷变化，进气压力也会随之发生变化。但进气压力传感器成本较高，而且进气压力波动较大，使得

ECU判定真正的负荷点有一定难度。一般汽车的进气压力也会有波动，但一般汽车的进气

歧管上都会设计稳压腔，压力波动会被稳压腔平抑。由于摩托车发动机进气歧管的体积受到限制，一般不带有稳压腔，进气门离节气门体距离也很短，所以进气压力波动较大。在

MSE2.0电喷系统平台中经过专门设计的软件处理后，可以保证进气压力十分稳定，即便在开环控制系统中空燃比也可稳定在1左右。

通过综合比较，建议客户选用开环系统时采用P系统以保证负荷的精度；选用闭环系统时采用α+n系统，这时负荷差异引起的喷油变化将被氧传感器信号所修正。

（四）怠速调节系统

怠速调节系统设计需要考虑两个问题：如何判定怠速以及如何控制怠速。

由于电喷系统对怠速的控制与其他工况有所不同，所以对于怠速调节系统的设计来说首先需要判定发动机是否处于怠速状态。

在MSE2.0电喷系统平台中，对于α+n系统，有节气门位置传感器，只要节气门位置小于某一限值，就可以方便地判定发动机是否处于怠速状态。但对于P+n系统，因为没有节气门位置传感器，所以需要加装一个怠速开关来判定怠速状态。这个怠速开关实际上是一个简化节气门位置传感器，当节气门开度小于某一限值后输出一个高电平，输入ECU判定发动机已经处于怠速状态。

通常怠速调节是通过调节空气量和点火提前角实现的。在现代汽车上采用的怠速空气调节装置通常包括EWD或步进电机。这两种方式都是通过控制旁通道的进气量控制怠速。但在摩托车上要找到合适的安装位置并不容易，这主要是因为这两种执行器都需要较大的安装空间。另外，由于摩托车发动机的排量都较小，这就要求怠速执行器的漏气量要小，避免由漏气量大于控制怠速所需空气量导致怠速失控的情况出现。而这两种执行器的漏气量都不能满足摩托车发动机的需要。

MSE2.0电喷系统平台提供了两种怠速控制方案以供选择：

① 取消怠速执行器，使用化油器的怠速调节方式，用调节螺钉调节节气门最小开度，这样系统不能通过空气调节转速。作为补偿，在系统中通过调节点火提前角调节转速。这种方式比化油器系统效果好，因为化油器系统在怠速时并不调节点火提前角，但不如汽车系统，因为不调节怠速空气。在实际应用中，如果客户对怠速要求不高，如±100转，则这种方案完全适用。

② 如果客户对怠速转速有较高要求，则可以使用一种小流量的电磁阀，其精度和漏气量都可以满足客户的需要。这种方案作为备用方案。

4. MSE2.0小型汽油发动机电喷系统平台功能设计

MSE2.0摩托车电喷系统平台包含的系统功能有： 1）燃油喷射控制

根据系统工况及上止点信息，ECU发出指令控制喷油器在最佳的喷油时刻喷射恰当数量的燃油，保证最佳的油耗和排放；若选用相位传感器，则可精确判定做功冲程；

2）点火控制

根据系统工况及上止点信息，ECU发出指令控制火花塞的最佳点火时机，在绝大多数情况下，保证在没有爆震的同时得到最大扭矩和功率；若选用相位传感器，则可精确判定做功冲程；

3）转速测量

根据相应的转速测量信号，ECU计算出发动机转速和活塞上止点位置；

4）负荷测量

选用节气门位置传感器时，ECU能够利用α-n 方法计算发动机负荷；选用进气压力传感器时， ECU利用P-n 方法计算出发动机的进气量，随后换算为发动机负荷量；同时利用怠速开关判断发动机是否处于怠速工况；

5）起动控制

在各种温度、各种工况下，ECU都能够合理控制点火和喷油，使发动机能够在最短的时间内顺利起动；

6）怠速控制

怠速控制的目的在于停车和滑行时ECU能够保证良好的怠速稳定性和驾驶舒适性； 在怠速判断方面，选用节气门位置传感器时，根据节气门开度与某一限值的比较就可以方便地判定发动机是否处于怠速状态；

对于怠速控制，可以用调节螺钉调节节气门最小开度，辅以调节点火提前角调节转速；另外可以使用一种小流量的电磁阀，其精度和漏气量都可以满足客户的需要；

7）过渡工况控制

过渡工况控制可以在负荷发生突变时调整喷油及点火，保证空燃比在负荷突变前后保持一致，改善驾驶性能和排放；

8）驾驶舒适性优化

在换档、急加速、急减速时，ECU都能够合理控制发动机喷油、点火和扭矩的平稳过渡，减少车辆的抖动，自动将由此带来的对驾驶员的冲击降低到最小程度；

9）发动机转速限制功能

在发动机转速超过设计标准后，ECU切断供油，保护发动机不受损伤；

10）零部件和催化器保护功能

如果在排气系统中有零部件（如氧传感器）或催化转化器，ECU在适当的时候加浓混合气，降低排气温度，确保排气系统中零部件和催化器的安全；

11）滑行断油功能

在摩托车滑行时，ECU切断供油，节省油耗，并在适当的时刻，恢复供油，保证驾驶的连续性。在断油和恢复供油时，ECU合理地控制发动机，使得断油和恢复供油都不被察觉；

12）排放控制

选用开环控制系统时，借助CO电位计，可以对混合气过量空气系数进行人工调节，保证发动机在每个工作点的排放都得到优化；选用闭环控制系统时，利用氧传感器提供的反馈信息使排气空燃比始终最优，从而发挥三元催化器的最高转化效率；

13）故障自诊断

ECU可以诊断出系统故障，并存储在ECU中，供维修站检查用。诊断协议为KWP2000； 14）跛行回家

在发现传感器出现故障时，ECU能提供合适替代值，使摩托车仍能行驶至维修站；

15）故障代码显示

通过MIL灯的闪烁码反映故障类型，或者用故障诊断仪通过K线读取故障信息；

16）防盗功能

通过K线，对发动机加以使用权限制，以防他人盗用；

4 控制系统

本项研究的主要目的是通过对燃油喷射和点火系统的控制，实现摩托车发动机上对空燃比和点火时刻的控制，以达到提高功率、降低油耗、改善排放的目的。

（点火提前角、燃油喷射量、空燃比控制）

4.1点火控制系统

点火控制是发动机电子控制的重要目标之一，在本控制系统中，通过控制点火提前角来控制点火时刻。点火时刻是燃烧过程的起点。进入汽缸的可燃混合气被压缩处于氧化状态，遇火很容易燃烧，这时如火花塞跳火，便可产生火焰核心。所以火花塞什么时刻点火对发动机的性能和排放都会产生较大影响，点火提前角在不同工况的最佳值是不同的，它是转速和油门开度（负荷）的二维函数。

4.1.1点火提前角与发动机性能

a. 点火时间与燃烧过程的关系 发动机汽缸内最高压力在上止点后15～20度。如点火过早，混合气压力尚未充分上升，着火延迟期变大，压缩功增加，热损失增大；反之，

点火过迟，因混合气紊流减弱，火焰传播速度降低，后燃增加，排气温度上升，热损失增大。由此可见，点火时间无论过早或过迟，对燃烧过程而言，都会产生不良后果。所以，必须根据发动机实际工况选择合适的点火提前角。

b.点火提前角和排气成分的关系 排气中碳氢和氮氧化物的浓度随点火提前角

的增大而增加，燃烧废气温度越高，燃烧后残留的氧浓度越大氮氧化物的生成量就越多。推迟点火时间，燃烧废气的最高温度下降，氮氧化物的生成明显减少，碳氢的排放也减少。这是由于膨胀行程后期，气体温度升高，可燃混合气体的继续燃烧，使排气中的HC浓度下降。但推迟点火提前角会使热效率下降，故推迟点火时间是有一定限度的。

c.点火时间与发动机爆震的关系 爆震是由于燃烧室内末端混合气被压燃而产

生的一种异常的燃烧现象。正常的火焰传播速度为每秒几十米，但爆震时的传播速度可达每秒上千米，产生几千赫兹的高频压力波。点火过早，使上止点附近压力升高率增大，使末端混合气的压缩压力上升，容易产生爆燃，但暴燃过剧时会影响发动机的寿命和性能。适当减小点火提前角是避免爆震的有效手段。

4.1.2发动机对点火提前角的要求

发动机在某一点火提前角开始点火，发动机完成工作后能发出最大功率，而燃油消耗率最低，此时的点火提前角称为发动机的最佳点火提前角。偏离最佳点火提前角，会影响发动机的动力性、经济性和排放性；不同的发动机，最佳点火提前角不同，即使同一台发动机，不同的工况及工作条件也会有不同的点火提前角。影响最佳点火提前角的因素归纳如下：

a.发动机的最佳提前角随发动机转速的提高而增大 假设发动机燃烧室内混合气燃烧速率不变，那么发动机转速较低时，在某一时间内，活塞移动的距离较小，曲轴转过的角度较小，因此要求最佳点火提前角也相应小。此时如果点火提前角大，活塞移到上止点需要的时间长，在活塞尚未到达上止点之前就会产生爆发压力，从而引起点火过早或产生爆燃等后果；相反，当发动机的转速增大时，在相同的时间内，活塞移动的距离也会加大，曲轴转过的角度也会相应加大，所以最佳点火提前角也应大些。此时，如果点火提前角小，活塞将很快移过上止点，在活塞下行太多时产生爆发压力。而出现点火滞后。

b.发动机转速不变时，随负荷的加大，最佳点火提前角相应减小 发动机负荷加大时，节气门开度加大，吸入汽缸内的混合气增多。在压缩终了时，汽缸内的压力和温度也会急剧增高，使混合气的燃烧加快，因此最佳点火提前角也应减小。在启动和怠速时，虽然混合气燃烧速度较慢，但混合气燃烧终了只占较小的曲轴转角，因此要求点火提前角减小或不提前。

c发动机压缩比增大则最佳点火提前角减小 压缩比增大时，压缩行程终了时的压力和温度增高，使混合气燃烧速度加快。当混合气过浓或过稀时，由于燃烧速度变慢，必须增大点火提前角。进气压力减小，混合气雾化和扰流变坏，使燃烧速度变慢，点火提前角应增大。

4.1.3数字CDI点火方法的实现

在摩托车发动机中，多使用磁电机电容放电式无触点点火装置，其工作原理见图4.1所示。当发动机曲轴带动磁电机飞轮旋转时，飞轮上的磁铁绕定子旋转，产生一个旋转磁场，这个旋转磁场使磁电机中的各个线圈铁芯中的磁通量发生周期性变化，从而在各个线圈中感应电压。在充电线圈输出电压的正半周时，二极管D1处于导通状态，电容C被充电。在向电容C充电时，由于可控硅SCR触发电压滞后一个相位角，此时可控硅控制极上无触发电压而处于截止状态。当飞轮继续旋转到某一位置，点火触发线圈提供的电压可使可控硅触发导通。根据可控硅SCR特性可知，当可控硅一经触发便一直保持其导通状态，相当于开关闭合。这时电容C向点火初级线圈放电，从而使初级线圈产生高压供火花塞点火。当电容放电，其电流小于可控硅维持电流时，可控硅就自行关断，并一直保持截止状态，直到下一周期电子点火器再重复上述充放电过程。

CDI的特点是低速启动性好，点火提前角容易实现自动提前进角,进角原理如图4.2所示，因为在低速N1时触发线圈产生的电压低，当曲轴转至θ1时，产生的电压触发电压值。当发动机转速升高到N2时，磁电机触发电压随之升高，转至θ2处，产生的电压已达到触发电压。这里的θ1-θ2就是对应两种不同发动机转速的点火提前角进角量。如图4.2中进角特性可以看出，转速较低时的点火提前小，这有利于发动机启动，随着转速升高，点火提前角增大，有利于发动机的高速性能，但是，它也存在着不足，CDI点火提前特性是一条转速与点火提前的二维曲线，只适用于发动机某一运行工况，对于其它工况只进行近似控制，并不是最佳值。从图4.2中进角特性可知，当转速增加到某一值时，点火提前角趋于平坦，这是由于触发线圈产生的电压在某一转速上已达到饱和，当转速再增高时，电压将不再增大。所以当转速超过某一值时，这种进角方式将不再起作用。并且，这种进角方式与负荷无关，，而实际却与之相反，与点火提前角相关的因素很多，仅靠转速的变化调节点火提前角是远远不够的。此外，点火提前角的变化受电磁感应线圈产生电压的控制，在触发SCR控制端是产生电流，此电流反过来又在电磁感应线圈产生反向磁通来限制触发电压的增长，由于这种现象的存在使触发电压与触发电流产生相位差，从而使触发点火的时刻滞后，即点火提前角滞后。这种现象在发动机低速时并不明显，但是在高速时会产生掉角现象。因此，为解决上述CDI点火不足，实现发动机点火的最佳控制，实现发动机点火的最佳控制，电控系统采用数字进角方式。

图4.1磁电机电容放电式无触点点火原理

图4.2波形进角原理

所谓数字进角是利用单片机实时采样计算从点火基准开始延迟时间的方法。其控制原理如图4.3所示。从发动机启动时到转速达到N1为止的点火提前角为θ1。转速从N1到N2期间，点火角从θ1进角到θ2，转速超过N2后的点火提前角为θ2。为实现这一点火提前特性，在θ1和θ3处产生信号，转速在区域Ⅰ中，用θ1的信号点火，转速在区域Ⅱ，Ⅲ中，以比最大进角θ2

更提前的点火提前角θ3的信号为基准来设定点火提前角。使之延迟时间T点火。因为θ3的角度为预先设定，是已知数，如果知道转速（由单片机检测），则延迟时间T就能通过预先测得的点火角数据，在经过查表拟合得出。T1和T2的时间是不同的，即使是同一个点火提前角θ2，对应不同的转速延迟时间T31，T32，T33也都是不同的。在实施电子控制时，将转速范围细分，MCU根据安装在曲轴上的磁电机发出的基准信号以及检测到的节气门开度信号、转速信号，针对发动机的不同工况，经过精确计算在表中查到相应的点火延迟时间，就可以得到最佳点火延迟角。

采用单片机进行点火系统的电子控制方法如图4.4所示。单片机MCU的输入信号包括转速信号、节气门开度信号和点火基准信号。其中基准信号的相位对控制系统至关重要。在系统设计时，应使基准信号在触发线圈产生的触发电压过零点时发出，该信号处于上止点前某一角度，定义为基准角。以这一信号为基准在不同延迟角度之后在发出点火触发信号，根据基准角=点火延迟角+点火提前角这一关系，在一定范围内调节点火角的大小。系统工作时，当MCU接受到基准信号时，根据发动机当前的工况从二维预置表中查出最佳点火延迟角，然后结合转速值计算出点火延迟时间。MCU根据这个延迟时间发出点火脉冲信号触发可控硅导通，使发动机在最佳的时间点火。

Ⅰ

图4.3 数字式进角原理

图4.4MCU控制的无触点点火

4.1.4 影响点火提前角的其它因素

点火提前角的控制本身属于相当复杂的多元求解问题，因此难以找到精确的数学模型。但考虑到影响发动机点火提前角的主要因素是转速和负荷，则采用了优化参数匹配实验方法来获得发动机在不同转速、负荷下所对应的点火提前角最佳值，即基本点火提前角，以此得到三维控制模型图，即基本点火提前角MAP图，如图4.5所示。然而，实验法建立的三维控制模型图的原始数据的获取存在着限制条件，目前一般发动机的实验数据测试量在16×16点阵。再将模型图转换成二维表，如图4.6所示。将基于该表建立的基本点火提前角数据库储存在ECU中，以供形成实际的点火提前角控制之用。发动机工

作时，ECU

点火提前进气真空度编码 4321根据实时采样得到的发动机运行时的转速和负荷，从所储存的数据库中查寻相应的基本点火

负荷 转速图4.5 发动机点火最佳特性图0 1 2 3 4 6 点 火转速编码 提前角图 4.6 点火特性二维表 提前角，并根据影响发动机点火提前角的其它因素进行修正后，确定发动机最佳的点火时刻。发动机在实际工作中，所需的点火提前数据远不止这些。如果ECU无法查到与之完全对应的基本点火提前数据，它就根据事先确定的数学模型计算基本点火提前角。

在控制系统中，实际点火提前角是初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角三者之和。

a. 初始点火提前角 初始点火提前角为设定值，也称为固定点火提前角。ECU根据压缩行程上止点位置确定点火时刻。ECU计算点火正时时，就把这一个作为参考点，并将这一个角度定义为初始点火提前角，其大小随发动机不同而不同。

在下列之一情况出现时，实际点火提前角等于初始点火提前角： z 发动机起动时，由于发动机转速变化大，无法正确计算点火提前角； z 当发动机转速在进角转速以下时； z 节气门位置传感器怠速触点闭合。

b. 基本点火提前角 基本点火提前角分为怠速工况和正常行驶工况两种情况： 怠速工况时的基本点火提前角，是指节气门位置传感器的怠速触点闭合时所对应的基本点火提前角。其值根据发动机怠速转速目标值略有不同，随着发动机怠速的目标转速的提高，应适当地增加点火提前角，以利于发动机运转速度的稳定，

正常行驶时的基本点火提前角是指节气门位置传感器怠速触点打开时所对应的基本点火提前角。如前所述基本点火提前角通常以二维表的形式储存在ECU的存储器中。

c. 点火提前角的修正 点火提前角修正一般分为启动工况修正、过热修正、怠速工况修正及空燃比反馈修正等。如图4.7所示。

1) 启动工况修正 发动机冷机起动后，当发动机温度较低时，应增大点火提前角。暖机过程中，随温度升高，点火提前角的变化随发动机型式不同而异。

2) 过热修正 发动机处于正常运行工况（怠速触点IDL断开），当温度过高时，为避免产生爆震，应将点火提前角推迟；发动机处于怠速工况（IDL触点闭合），温度过高时，为避免发动机长时间过热，应将点火提前角增大。

3) 怠速工况修正 发动机怠速运行期间，由于发动机负荷变化使发动机转速降低时，ECU根据与怠速目标转速的差值大小相应地增大点火提前角；当转速高于规定的怠速转速时，推迟点火提前角， PID控制。

4) 空燃比反馈修正 在装有氧传感器的EFI系统中，ECU可根据氧传感器的信号对空燃比进行修正。喷油量的增大或减小会引起发动机转速在一定范围内波动，特别是

在怠速时

IDL通 提前或推迟的角度 的影响更为明显。

40 60 80 100 120 发动机温度/(C) （a）点火提前角启动工况修正曲线 提前角修正值 ０提前角 0 25 50 与怠速目标转速的差值/(r.min-1) （c）点火提前角怠速稳定性修正IDL断 0 40 60 80 100 120 发动机温度/(C) （b）点火提前角过热修正 ０为了提高发动机转速的稳定性，油量

喷油量减少时，点火提前

提前角0时间/(ms) （d）点火提前角空燃比修正 角应增

图4.7 点火提前角修正曲线 大；反之应减小。

5) 蓄电池电压的影响

点火通电时间/ms 由于电感储能式点火线圈的一次线圈通电时间是以建立磁场的形式在点火线圈的磁场中蓄积点火能量的时间，蓄电池电压越低，通电时间就越长，如图4.8所示。

6) 最大、最小点火提前角

当ECU计算出的实际点火提前角超出允许的最大值或最小值范围时，发动机将难以正常运转。点火提前角太大，即点火太早，会产生逆向扭矩；点火提前角太小，即点火

20 1006 10 14 18 蓄电池电压/V 图4.8 蓄电池电压修正系数太迟，甚至在上止点后若干度才点火，则点火时已进入膨胀冲程。两种情况都会使发动机的经济性和动力性大幅度下降。由于在初始点火提前角已被固定的情况下，受ECU控制的部分只有后两部分之和，因此该值应保证在某一允许范围之内。当超过此范围时，则ECU应以设定的最大或最小点火提前角进行控制。

4.2电控燃油喷射方式与喷油量控制

4.2.1 电控汽油机燃油喷射量的控制

燃油喷油量的控制即燃油喷射持续时间的控制，其目的是根据发动机燃烧时所设定的目标空燃比来精确配置燃油量，使其达到最佳空燃比。电控燃油喷射系统由传感器将各种信号提供给控制单元ECU，控制单元ECU根据这些信号控制喷油器适时喷射适量的燃油或断油。由于油压调节器使油路压力与进气管压力之差保持恒定，所以喷油量的多少只与喷

油器喷油持续时间有关，而ECU控制的正是喷油器的喷射持续时间。

燃油喷射持续时间是以一个进气行程中充入燃烧室内的空气质量为基准计算的。在进气行程中，ECU通过进气压力传感器或空气流量计（质量流量型）的信号计算充入气缸的空气质量，然后计算出空气质量的目标空燃比，确定每次燃烧所需的燃油质量，从而计算出基本喷油持续时间。

ma

……………(4-1) mf

式中 ma——每个吸气行程中充入气缸的空气质量（g）；

目标空燃比=

mf——每次燃烧需要的燃料量（g）。

有了基本喷油持续时间，ECU再根据传感器检测到的发动机温度、进气温度、节气门开度等与发动机工况有关的参数及蓄电池电压等，对基本喷油持续时间进行修正，确定最佳喷油持续时间。如果把起动时的特殊运转条件除外，则最佳喷油持续时间可用下式算出：

TI=(TL * fga * fstat* fns*fwl * fwe * fkh* xfra * xfr + tradtv + xteukg_h+teukwm_h ) * frlfs *fea + TVUB( ub) Aim: Ti= TL * fea + TVUBHFKORR=128 喷油压力修正frlfsPsysFRLFSDP= ( returnless)Psys+DPFRLFSDP=1 (return)过渡工况修正Xteukg_h,teukwm_hFKLM=0KFBAW=0KFVAW=0闭环控制修正xfra,xfr,tradtv催化器加热修正 xfkh_h+xfkh_l滑行断油暖机修正后启动修正稳态工况修正TMRA1=125TMRA2=125TMRAA=125TKHMX=0NMEW=10000FLWM=0After Nsactr=0KFLF=1KFLFL=1KFLFV=1KFTK=1FANS=1FGAT0=1基本喷油修正4.2.2基本喷油时间的确定 a. 负荷信息的检测 现代汽油机电子控制系统大都以每循环吸入的空气质量作为负荷信息。每循环空气吸入量的检测方法有间接检测和直接检测两种方法。间接检测法根据节气门位置或进气管压力，结合转速、进气温度、冷却水温等信息来确定每循进气量。直接检测法根据空气流量传感器直接测定空气流量，并根据转速确定每循环吸入的空气质

量。

间接检测法所采用的传感器主要有节气门位置传感器和进气管绝对压力传感器；直接检测法所采用的传感器主要有阻流板式空气流量传感器、卡门涡式空气流量传感器、热线和热膜式质量空气流量传感器等。上述传感器输出信号的动态特性如图4.9所示。图中，曲线1是节气门位置传感器的输出信号，曲线2是阻流板式空气流量传感器的输出信号，曲线3是热线式质量空气流量传感器的输出信号，曲线4是热膜式质量空气流量传感器的输出信号，曲线5是进气管绝对压力传感器的输出信号。

在测量精度方面，热线和热膜式质量空气流量传感器可以直接测量质量空气流量，测量精度最高，测量结果不受空气压力影响。而其它各种传感器测量的都是体积空气流量，测量结果受空气压力影响。

在稳态响应特性方面，节

0 25 75 125 175 225

时间/ms

图4.9 负荷信息传感器输出信号的动态特性

5

传感器输出信号

1 4 2 3

气门位置传感器输出曲线直接反映了节气门转角的变化，但反映不出气流的真实变化；阻流板式空气流量传感器输出曲线，可以反映出气流的真实变化，但因阻尼作用，这种波动的幅度很小；热线式质量空气流量传感器输出曲线清楚地反映了气流的脉动情况；热膜式质量空气流量传感器输出曲线与曲线3类似，但热膜的热容量远大于热丝，因此脉动的幅度较热线式传感器的小；进气管绝对压力传感器的输出曲线也可以反映这种波动。

在过渡工况响应特性方面，如图4.9中，节气门从怠速位置突然开启加速时，节气门位置传感器可以快速地作出响应，接着依次响应的是进气管绝对压力传感器、热线式质量空气流量传感器、热膜式质量空气流量传感器和阻流板式空气流量传感器。

怠速工况时，阻流板式空气流量传感器和热膜式质量空气流量传感器的输出响应，在节气门突然开启之初可以超过节气门全开时稳定工况的空气流量，ECU可以供给多的燃油，使混合气加浓。相反，进气管绝对压力传感器和节气门位置传感器虽然能够快速地作出响应，但不能自动地为发动机加速工况提供浓混合气所需的信号。

负荷范围的检测，包括全负荷（节气门全开或接近全开）、部分负荷（节气门半开）和怠速（节气门关闭，或微开）的检测，过去采用节气门开关，现在大多采用进气压力传感器加节气门位置传感器。

b.基本喷油持续时间Tp 根据不同负荷信息的检测方法，基本喷油时间的计算可分

&为α－n法（转角-速度法）、pin－n法（密度-速度法）和m。 a-n法（流量-速度法）1) α－n法 采用节气门位置传感器检测负荷信息。这时，

Vhp0ηv

………………………(4-3) Tp=

&14.7λmRTf

式中，Vh为气缸工作容积；ηv为以环境状态为参照标准的充气效率；p0为大气压力；R为空气气体常数；T为进气温度。

式(4-3)中，λ取决于发动机转速和负荷，p0、T可以分别通过压力传感器和进气温度传感器检测。ηv取决于进气过程中的充量节流与加热情况，在确定的发动机和稳定工况下，ηv取决于α和n，ma取决于α、n、p0和T，故上述又可近似表达为：

Tp=f(α,n)……………………………(4-4)

因此，对于确定的发动机，可以通过参数优化实验方法匹配获得最佳的Tp=f(α,n)

MAP图，如图4.10所示。MAP图中的数据分割数一般为16×16点阵。

发动机运行时，根据所测量的α和n在ECU存储器中查寻相应的Tp。同样，如果ECU无法查到与之完全对应的基本喷油持续时间，它就根据事先确定的数学模型计算基本喷油持续时间。ECU然后根据当时的大气压力p0和进气温度T进行校正，最后根据影响喷油持续时间的其它因素进行修正后，即可获得实际的喷油持续时间。

2) pin－n法 采用进气管传感器检测负荷信息。这时，

Vhpinηvm

……………………(4-5) Tp=

&14.7λmRTfin

式中，ηvm为标准状态时进气管的充气效率；pin为进气管绝对压力；Tin为进气管空气温度。

式(4-5)中，pin、Tin可以分别通过进气管绝对压力传感器和进气温度传感器检测。在确定的发动机和稳定工况下，ηvm取决于从进气管到气缸流动过程中的充量节流与加热情况，因此ηvm取决于α和n；ma取决于α、n、pin和Tin，故上述又可近似表达为：

图4.10基本喷油时间map图

Tp=f(pin,n) ……………………………(4-6)

同理，对于确定的发动机，可以通过参数优化实验方法匹配获得最佳的Tp＝f(pin,n)

MAP图。发动机运行时，根据所测量的pin和n在ECU存储器中查寻、计算相应的Tp。然后根据进气温度Tin校正，最后根据影响喷油量的其它因素进行修正后，即可获得实际的喷油持续时间。

&3) ma-n 法 采用阻流板式空气流量传感器、卡门涡式空气流量传感器、热线和热膜式质量空气流量传感器等直接测定空气流量的传感器。这时，

&120ma

&Tp==f(ma,n)……………（4-7) &14.7λmnif

式中，i为发动机气缸数。

同理，对于确定的发动机，可以通过参数优化实验方法匹配获得最佳的

&&Tp=f(ma,n)MAP图。ma-n 法虽采用直接测定空气流量的传感器，但随进气温度上升，空气密度会下降，使得每循环吸入的空气质量下降，因此也须进行进气温度修正。发动

&机运行时，根据所测量的ma和n在ECU存储器中查寻、计算相应的Tp。然后再根据影响喷油量的其它因素进行修正后，即可获得实际的喷油持续时间。

汽油机污染物的产生与控制

发动机的性能主要取决于发动机的设计和发动机控制两个方面。设计的目的是使发动机内的热力过程有可能按理想的方式进行，同时保持良好的润滑，降低摩擦损失以提高效率；控制的目的是保证发动机内的热力过程能按理想的方式进行，使发动机的设计思想得以实现。电控方式优化发动机的控制，从而改善发动机的性能并成为当今发动机的主要控制手段。其控制目的是保证发动机在各种工况下的动力性、燃油经济性和排污达到最佳状态。

2.1汽油机排气污染物的产生

2.1.1 CO的生成机理

排气中CO主要是在局部缺氧或低温下由于烃的不完全燃烧产生的。理论上讲，当空燃比（空气和燃料的质量混合比）A/F=14.7时，将实现完全燃烧，生成CO2和H2O。而当空气不足时（A/F<14.7）则有部分燃料不能完全燃烧而生成CO。实际上，不仅空气不充足时燃烧生成物中有CO，就是在空气充足时，燃烧物中也含有CO及H2。其原因是由于混合气的形成与分配不均匀造成的。另外在使用稀混合气时，高温下燃烧生成的CO2和H2O也有一小部分发生如下离解反应：

2CO2=2CO+O2 2H2O=2H2+O2

而离解反应生成的H2又会使CO2还原成CO，即：

CO2+ H2=CO+ H2O

所以，在发动机排气中，总会有CO的存在。尽管如此，排气中CO的浓度，基本上取决于空燃比。

2.1.2 HC的生成机理

HC产生的原因除燃料的不完全燃烧外，缸壁淬冷也是排气中CO的主要来源。

发动机工作中，如果混合气过浓，由于空气不足，燃烧不完全，未燃气体和燃烧过程中生成的HC增多，使排气中HC浓度增加；若混合气过稀，则引起火焰不充分，使排气中的HC浓度增加。所以，混合气过浓或过稀都会使排气中的HC浓度增加。

汽油机混合气的燃烧是靠火焰传播进行的，由于燃烧室壁面的冷却作用，火焰不能完全传播到缸壁表面，使大约0.5mm厚度上的混合气不能燃烧。这层不能燃烧的淬冷层的厚度随空燃比、汽缸内的压力、气体的流动速度而变化。在混合气空燃比某个值附近，淬冷层最薄，比其更浓或稀混合气的空燃比，都会使淬冷层变厚。排气时，活塞将淬冷层排到排气管中，使HC的浓度大大增加。

2.1.3 NOX的生成机理

NOX是空气在燃烧室的高温条件下，由氧和氮反应而形成的。这是由于最初燃烧反应所产生的热使空气中的氧分子裂解为氧原子，并与空气中的氮分子反应而生成NO和氮原子，而氮原子又与空气中的氧分子反应生成NO和氧原子，这部分氧原子又与空气中氮分子重新反应产生NO。即：

O2=2O N2+O=NO+N N+O2=NO+O

在这些反应中，燃烧废气温度越高，燃烧后氧浓度越大，高温持续时间越长，NO的生成越多。

2.2 空燃比与点火对排放的影响

排气中CO、HC和NOX这些有害气体的生成与空燃比、点火时刻、发动机结构有关。通常，空燃比和点火时刻的影响最大。

2.2.1 空燃比对排放的影响

电控汽油喷射系统中，主要控制参数之一是发动机吸入混合气的空燃比A/F。若没有合理的空燃比（A/F），混合气体不易完全燃烧，使发动机性能下降，排放气体不符合环保要求，因此，空燃比的精确控制就成为发动机电子控制的核心。若空燃比A/F＞14.7，表示所供给的空气量大于理论空气量，这种混合气称为稀混合气；若A/F＜14.7，表示所供给的空气量不足以使燃料完全燃烧，这种混合气称为浓混合气。

当空燃比稍小于理论空燃比时（A/F＝13.5～14），燃烧火焰温度最高；A/F＝12～13时，燃烧速度最快。燃烧速度越快、燃烧压力越大，发动机输出功率就越大。因此，在一定转速下，将A/F＝12～13时的空燃比称为功率空燃比。油耗率最低时的空燃比稍大于理论空燃比， A/F约为16左右时，燃料完全燃烧燃油消耗最低，此时称为经济性空燃比，空燃比与发动机的动力性和经济性的关系见如图2.1(a)所示。

火焰温度、比油耗、功率 火焰温度

1012

输出功率 比油耗

10 12 14 16 18 AF (a)AF与发动机动力性、经济性的关系

AF 1416

标定功率

经济AF

起动

怠速

全负荷

(b)汽油机理想空然比特性

1/4 2/4 3/4

汽油机负荷变化时所需的混合气空燃比见图2.1（b）

NOX浓度×10-6 4000 3000 2000 1000

NOHC CO

300200100

HC浓度×10-6CO浓度/(%) 8642

12 14 16 1 8 (c) 排放浓度与AF的关系

图2.1 A/F与火焰温度、输出功率、比油耗、排放的关系

摩托车尾气中有害物质的排放量与进入发动机的空燃比的大小有直接关系如图2.1(c)所示。从图中可见，当空燃比在理论空燃比14.7附近时，即当混合气浓度较低时，有害物质的排放量大为减少。

当供给浓混合气时，空气不足，燃烧不完全，NOx排放不多，但HC、CO的排放多；当供给稀混合气时，燃烧完全，HC、CO排放减少，但NOx的排放增多；当供给更稀的混合气时，NOx、CO排放减少，但HC的排放增多。

综上所述，为了使发动机的动力性、经济型、排放性、燃烧稳定性、起动性和加速性等获得最佳效果，控制系统必须随时调节发动机的空燃比。

2.2.2点火时刻对排放的影响

发动机点火系统的功能是使火花塞在活塞到达压缩冲程上止点之前的某一时刻点燃气缸内的压缩混合气体，使其迅速燃烧膨胀，推动活塞下行做功。点火时刻是燃烧过程的起点，它用发出电火花的时刻比活塞到达上止点时提前或延后的曲轴转角即点火提前角θ来表示。当点火时刻推迟时，HC排放将会减少，这是因为点火时刻推迟后，在燃烧室内的燃烧时间缩短，由于后燃，将使排气温度上升，促进了HC和CO的后氧化。另外，由于燃烧时降低了汽缸的面容比，使燃烧室内的淬冷面积减小，使排出的HC减少。见图2.2（a）所示。

点火时刻对CO排放浓度影响不大，但过分推迟点火，亦会使CO在燃烧室内没有时间完全氧化，而引起排放量的增加。见图2.2（b）所示。

点火时刻对NOX浓度的影响如图2.2（c）所示。由图可见，无论在任何转速和负荷下，加大点火提前角，均使NOX的排放浓度增加。这是因为点火时刻提前时，燃烧温度升高所造成。

空燃比和点火时刻对排放与性能均有主要影响。在大部分运行时间，电控系统将兼顾

排放和性能，对它们进行折中的优化控制。但在必要的时候，也会暂时牺牲其中的一面，或单纯追求排放效果，或单纯追求动力性能。点火提前角的优化过程就是要使发动机的扭矩最大、油耗最小、排放最低

HC排放/[g.(kW.h)] θ 12 8 4 0

50°40°30°20°

CO排放/[g.(kW.h)] -1-1

800600400200

50°θ40°30°20°

0.8 1.0 1.2 过量空气系数λ

（a）

0.8 1.0 1.2 过量空气系数λ

（b）

NOx排放/[g.(kW.h)] 油耗Gf/g.(kW.h) -1θ 201612840

0.8 1.0 1.2 过量空气系数λ

（c）

50°40°30°20°

580500

θ=20°

30°40°50°

420

340

0.8 1.0 1.2 过量空气系数λ

2.3 汽油机排放的控制

（d）

图2.2点火时刻对排放的影响

汽油机的排放污染物主要有一氧化碳CO、碳氢化合物HC和氮氧化物NOX三种。排放污染源主要有三个，即排气管废气、燃油蒸发气体和发动机逃逸气体。排气管排出的废气是主要的污染源。为了改善排气质量，可以从以下三方面入手：

1）改善发动机燃油的质量，如采用无铅汽油、精炼汽油和添加含氧成分等。 2）改善发动机燃烧过程以减少有害成分的形成。除了改进燃烧系统设计以外，还应改善燃烧的控制，如精确的空燃比与点火控制，本系统拟采用集中控制方式精确控制空燃比与点火时刻，并用氧传感器对空燃比进行闭环控制。

3）对排出发动机的废气进行再处理，使其中已生成的有害成分再转化为无害成分。

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