4.2 电控汽油喷射系统主要部件的结构和工作原理

4.2.1 汽油机燃料供给系统主要部件的结构与工作原理

1.电动燃油泵的结构及其工作原理

电动燃油泵是电控燃油喷射发动机的基本部件之一。它一般由小型直流电动机驱动，其作用是把燃油从油箱中吸出、加压后输送到管路中，和燃油压力调节器配合建立合适的系统压力。

电动燃油泵按安装形式可分为油箱外置型和油箱内置型两种；按照其结构不同可分为滚柱泵式、齿轮泵式、涡轮泵式三种。

（1）滚柱泵式电动燃油泵

滚柱泵由转子、滚柱和泵套组成，见图4-12。转子偏心地置于泵套内，燃油泵的电动机带动转子运转时，由于离心力的作用使滚柱向外侧移动而与泵套内壁接触，这样，由转子、滚柱和泵套围成的腔室将随转子的转动而产生容积大小变化，在容积由小变大的一侧，燃油被吸入，在容积由大变小的一侧，燃油被压出。

1-阻尼稳压器；2-单向阀；3-滚柱泵；4-进油口；5-限压阀；6-电动机；7-出油口；8-转子；9-滚柱；10-定子（泵）

（2）齿轮泵式电动燃油泵

齿轮泵的工作原理与滚柱泵相似。它由带外齿的主动齿轮、带内齿的从动齿轮和泵套组成，见图4-13，后者与主动齿轮偏心。主动齿轮被燃油泵电动机带动旋转，由于齿轮啮合，主动齿轮带动从动齿轮一起旋转。在从动齿轮和主动齿轮的内外齿啮合的过程中，由内外齿所围合的腔室将发生容积大小的变化，这样，若合理地设置进、出油口的位置，即可利用这种容积的变化将燃油以一定的压力泵出。

1-壳体；2-泵套；3-从动齿轮；4-主动齿轮

（3）涡轮泵式电动燃油泵

涡轮泵的工作方式完全不同于其他两种泵，泵的燃油输送和压力升高完全是由液体分子之间动量转换实现的，其结构见图4-14。涡轮泵的特点是燃油输出脉动小，结构简单。当叶轮与电动机一起转动时，由于转子的外圆有很多齿槽，在其前后利用摩擦而产生压力差，重复运转则泵内产生涡流而使压力上升，由泵室输出。这种泵由于使用薄型叶轮，所需转矩较小，可靠性高，因此这种燃油泵被广泛用于多种车型上。

l-单向阀；2-限压阀；3-轴承；4-电刷；5-电枢；6-永久磁铁；7-轴承；8-涡轮；9-滤清器；10-橡胶缓冲垫；11-壳体

2.燃油压力调节器

燃油压力调节器的主要功用是使系统油压（即供油总管内油压）与进气歧管内压力之差保持为恒定值，一般为0.25～0.3MPa。这样，从喷油器喷出的燃油量便唯一地取决于喷油器的开启时间。因为发动机所要求的燃油喷射量，是根据ECU加给喷油器的通电时间长短来控制的，随着节气门开度和发动机转速的变化，进气歧管内压力即喷射环境压力肯定发生变化，如果不控制燃油压力，即使加给喷油器的通电时间相同，当进气歧管内压力高时，燃油喷射量也会减少；进气歧管内压力低时，燃油喷射量会增加。为了使系统油压与进气歧管压力差保持稳定，燃油压力调节器所控制的系统油压应能随进气歧管压力的变化而变化。

其结构见图4-15。发动机工作时，燃油压力调节器膜片下方承受的压力为弹簧压力和进气管内气体的压力之和，膜片上方承受的压力为燃油压力，当压力相等时，膜片处于平衡位置不动。当进气管内气体压力下降时，膜片向下移动，回油阀开度增大，回油量增多，使输油管内燃油压力也下降；反之，进气管内气体压力升高时，燃油的压力也升高。

1-弹簧；2-膜片；3-阀门；4-回油口；5-进油口

3.喷油器

电磁喷油器是电控汽油喷射系统的一个重要的执行器，它根据ECU发来的喷油脉冲信号，精确地计量汽油喷射量。影响喷油量的因素主要有喷油孔尺寸、喷油压力、喷油持续时间和喷油器动态响应特性等。对于一定形式的喷油器，其喷油孔尺寸和喷油器动态响应特性是确定的，喷油压力由燃油压力调节器调节为恒定值，因此，喷油量取决于喷油持续时间。

喷油器分类方法很多，按喷油器结构形式可分为轴针式、球阀式和片阀式三种。轴针式喷油器的结构见图4-16。喷油器安装在进气歧管或进气道附近的缸盖上，根据ECU发出的喷油脉冲信号将电磁线圈接通，在电磁线圈磁场的作用下，针阀克服弹簧力而升起，向进气歧管或总管喷射汽油。当ECU将电路切断时，吸力消失，回位弹簧使针阀复位关闭喷油器，停止喷油。

4.燃油脉动阻尼器

燃油脉动阻尼器的作用是减小汽油管路中的压力波动，并抑制喷油器或汽油压力调节器在开启与关闭过程中产生的压力脉冲噪声，使系统压力保持稳定。其主要由膜片、回位弹簧、阀片和外壳组成，见图4-17。

发动机工作时，燃油经过脉动阻尼器膜片上方进入输油管，当燃油压力产生脉动时，膜片弹簧被压缩或伸张，膜片上方的容积稍有增大或减小，从而起到稳定燃油系统压力的作用。

1-滤网；2-电接头；3-电磁线圈；4-复位弹簧；5-衔铁；6-针阀

l-燃油接头；2-固定螺纹；3-膜片；4-弹簧；5-壳体；6-调节螺钉

4.2.2 空气供给系统主要部件的结构与工作原理

1.进气检测装置

电子控制汽油喷射系统的进气检测装置有多种形式，按照检测方式不同可以分为质量流量型和速度密度型两大类型。

质量流量型空气传感器是利用空气流量传感器直接测量吸入发动机的空气量。目前常见的质量流量型空气传感器按其结构形式可分为叶片（翼板）式、量芯式、热线式、热膜式、卡尔曼涡旋式等几种。其中叶片（翼板）式、量芯式与卡尔曼涡旋式空气流量传感器测得的是空气的体积，故还需要根据进气的温度等信息，由电控单元测算吸入汽缸的空气质量。热线式、热膜式空气流量传感器直接测量的是吸入汽缸空气的质量，因此精度更高。

速度密度型流量传感器是利用进气歧管压力传感器测出进气歧管压力，然后电控单元根据该压力和发动机转速，推算出发动机每一循环吸入的空气量，并根据此空气量来计算汽油的喷射量。

（1）叶片式空气流量传感器

叶片式空气流量传感器结构见图4-18，由空气流量计和电位计两部分组成。在进气通道内有一个可绕轴摆动的旋转叶片（测量片），作用在轴上的卷簧可使测量片关闭进气通路。发动机工作时，进气气流经过空气流量计推动测量片偏转，使其开启。测量片开启角度的大小取决于进气气流对测量片的推力与测量片轴上卷簧弹力的平衡状况。进气量的大小由驾驶员操纵节气门来改变。进气量越大，气流对测量片的推力越大，测量片的开启角度也就越大。

l-电位计；2-接线插头；3-缓冲室；4-缓冲叶片；5-怠速调整螺钉；6-怠速旁通通道；7-测量叶片；8-进气温度传感器；9-回位弹簧

电位计的滑动臂与测量片同轴同步转动，把测量片开启角度的变化（即进气量的变化）转换为电阻值的变化。电位计通过导线、连接器与ECU连接。ECU根据电位计电阻的变化量或作用在其上的电压的变化量，测得发动机的进气量。

（2）热线式空气流量传感器

热线式空气流量传感器的基本结构由感知空气流量的白金热线（铂金属线）、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流并产生输出信号的控制电路板以及空气流量传感器的壳体等元件组成，其结构见图4-19。

它两端有金属防护网，取样管置于主空气通道中央，取样管由两个塑料护套和一个热线支撑环构成。热线线径为70μm的白金丝（RH），布置在支撑环内，其阻值随温度变化，是惠斯登电桥电路的一个臂，见图4-20。热线支撑环前端的塑料护套内安装一个白金薄膜电阻器，其阻值随进气温度变化，称为温度补偿电阻（RK），是惠斯登电桥电路的另一个臂。热线支撑环后端的塑料护套上黏结着一只精密电阻（RA）。此电阻能用激光修整，也是惠斯登电桥的一个臂。该电阻上的电压降即为热线式空气流量传感器的输出信号电压。惠斯登电桥还有一个臂的电阻RB安装在控制电路板上。

1-防护网；2-取样管；3-白金热线；4-温度补偿电阻；5-连接器；6-控制电路

A-混合集成电路；RB-热线电阻；RK-温度补偿电阻；RA-精密电阻；RB-电桥电阻

热线温度由混合集成电路A保持其温度与吸入空气温度（由温度补偿电阻RK进行测量）相差一定值（即RK和RH相差一定值），当空气质量流量增大时，混合集成电路A使热线通过的电流加大，反之，则减小。这样，就使得通过热线电阻RH的电流是空气质量流量的单一函数，即热线电流IH随空气质量流量增大而增大，或随其减小而减小，一般在50～120mA之间变化。ECU接收到这个电信号后即可计算出通过流量传感器的空气量。

（3）进气压力传感器

进气压力传感器检测的是节气门后方的进气歧管的绝对压力，它根据发动机转速和负荷的大小检测出歧管内绝对压力的变化，然后转换成信号电压送至电子控制器（ECU），ECU依据此信号电压的大小，控制基本喷油量的大小。

进气压力传感器种类较多，本书主要以用得较多的半导体压敏电阻式进气压力传感器为例来介绍其结构和工作原理。其结构见图4-21。

1-滤清器；2-塑料外壳；3-MFI过滤器；4-混合集成电路；5-压力转换元件

硅片装在保持真空的真空室内，进气管的压力可从一面作用到硅片上。当进气歧管上的压力作用到硅片上时，此压力与真空室压力之差引起硅片的电阻发生变化，经真空室内的混合集成电路变换成电压信号，并加以放大，作为进气管的压力信号输入到ECU中。

2.节气门体与节气门位置传感器

（1）节气门体

节气门体由驾驶员通过加速踏板操纵，用来控制发动机正常运行工况下的进气量。它安装在空气流量传感器之后的进气管上，主要由节气门、节气门位置传感器、怠速旁通气道和调整螺钉等组成，见图4-22。有些车型的节气门体上还装有节气门回位缓冲器；有些节气门体的外围设有发动机冷却液通道，用以对节气门体加温。怠速控制阀和附加空气阀等也安装在节气门体上。

1-怠速调速螺钉；2-旁通气道；3-节气门；4-节气门轴；5-稳压箱（缓冲室）；6-加速踏板；7-加速踏板金属丝；8-操纵臂；9-回位弹簧；10-节气门位置传感器；11-辅助空气阀；12-通向冷却水的管路；13-缓冲器

（2）节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在节气门轴上，与节气门联动。其功用是将节气门的位置或开度转换成电信号传输给电控单元，作为电控单元判定发动机运行工况的依据。节气门位置传感器有线性、开关型及综合型（既有开关又有线性可变电阻）三种。

综合型节气门位置传感器（图4-23）内有两个触点，分别为怠速触点和节气门开度输出动触点。当发动机在怠速时，节气门接近关闭，怠速触点闭合，这时电控单元将指令喷油器增加喷油量以加浓混合气。动触点与电阻臂组成了一个线性电位计，由节气门轴带动电位计的动触点在电阻臂上滑动。当节气门开度不同时，电位计输出的电压也不同，从而将节气门由全闭到全开的各种开度转换为大小不等的电压信号传输给电控单元，使其精确地判定发动机的运行工况。

l-电阻膜；2-节气门开度输出动触点；3-怠速触点

3.怠速空气阀

怠速空气阀的作用是在发动机低温运转时，增加进气量，使发动机快怠速运转，加快暖机过程，热机后减少空气量，使发动机由快怠速转入稳定的怠速运转。

常用的怠速空气阀有蜡式、双金属片式两种。蜡式怠速空气阀的结构见图4-24。冷却液经过软管进入怠速空气阀内与空气隔绝的水道中，流经蜡盒周围。发动机冷车时，水温低，蜡盒内的蜡质凝固收缩，阀芯在弹簧力的作用下开启，打开旁通气道。发动机热车后，水温升高，蜡盒内的蜡质受热融化膨胀，使推杆伸出，推动阀芯关闭旁通气道。

1-节气门；2-怠速调整螺钉；3-阀芯；4-冷却液出口；5-冷却液进口；6-蜡盒；7-进气气流

4.怠速控制阀

在节气门体汽油喷射系统的节气门体上装有怠速控制阀。其功用是自动调节发动机的怠速转速，使发动机在设定的怠速转速下稳定运转。

怠速控制阀主要有旋转滑阀式、步进电动机式及电磁式三种。

（1）旋转滑阀式怠速控制阀

旋转滑阀式怠速控制阀结构见图4-25，主要由旁通空气阀和电动机组成。旁通空气阀固定在电动机的转子轴上，在电动机的驱动下可以在限定的90°转角范围内转动。

旋转滑阀式怠速控制阀控制过程如下：

发动机ECU将检测到的怠速转速实际值与其所存储的设定目标值进行比较，随时校正送至怠速控制的驱动信号的占空比，调节怠速旁通气道的空气流通截面积，以实现稳定的怠速运行。

（2）步进电动机式怠速控制阀

步进电动机式怠速控制阀螺旋机构中的螺母与步进电动机的转子制成一体，螺杆与控制旁通空气道的锥阀制成一体并与步进电动机壳体之间用花键连接。步进电动机转动时，螺母驱动丝杆作轴向移动，步进电动机转子每转动一圈，螺杆移动一个螺距。螺杆向前或向后移动带动锥阀关小或开大旁通空气道的流通截面。ECU通过控制步进电动机的转动方向和转动角度（步级）来控制螺杆的移动方向和移动距离，从而达到控制怠速进气量的目的，见图4-26。

1-接线插头；2-外壳；3-永久磁铁；4-电枢；5-空气通道；6-转速调节滑阀

1-阀座；2-阀轴；3-定子线圈；4-轴承；5-进给丝杆；6-转子；7-旁通气道；8-阀芯

（3）电磁式怠速控制阀

电磁式怠速控制阀结构见图4-27，主要由控制阀、阀杆、线圈和弹簧等组成。

控制阀的开度取决于线圈产生的电磁力大小，与旋转阀式怠速控制阀相同，ECU是通过控制输入线圈脉冲信号的占空比来控制电磁场强度，以调节控制阀的开度，从而实现怠速空气量的控制。

1、5-弹簧；2-线圈；3-阀杆；4-控制阀

4.2.3 电子控制系统主要部件的结构与工作原理

电控汽油喷射系统中的控制系统由电控单元、各种传感器、执行器，以及连接它们的控制电路所组成。不同类型的电控汽油喷射系统的控制功能、控制方式和控制电路的布置不完全一样，但基本原理相似。

1.传感器

（1）冷却液温度传感器

冷却液温度传感器安装在发动机机体或汽缸盖上，与冷却液接触，用来检测发动机循环冷却液的温度，并将检测结果传输给电控单元以便修正喷油量和点火正时。其结构及与电控单元的连接见图4-28。

（2）进气温度传感器

进气温度传感器通常安装在空气流量计上，用来测量进气温度，并将温度变化的信息传输给电控单元作为修正喷油量的依据之一。进气温度传感器内部也是一个热敏电阻，其电阻温度特性、构造、工作原理以及与电控单元的连接方式均与发动机冷却液温度传感器相同，见图4-29。

（3）曲轴位置传感器

曲轴位置传感器通常安装在分电器内，用来检测发动机转角、转速、曲轴转角以及第一缸和各缸压缩行程上止点信号。

① 光电式曲轴位置传感器

它由发光二极管、光敏三极管、转盘等组成，并安装在分电器底板上。两对发光二极管和光敏三极管组成信号发生器。在转盘的边缘均匀地开有360个小细缝和6个大细缝。当转盘随分电器轴转动时，发光二极管通过细缝射向光敏三极管的光线使光敏三极管导通，光线被转盘遮挡时，光敏三极管截止，由此产生脉冲信号（图4-30）。

1-分火头；2-防尘罩；3-转盘；4-分电器底板；5-光敏三极管；6-发光二极管

② 磁脉冲式曲轴位置传感器

它由安装在分电器轴上的两个信号转子和安装在分电器底板上的三个传感线圈组成。信号转子随同分电器轴一起转动。当信号转子的凸齿接近传感线圈时，由于传感线圈内磁通量增加而感生正电压；当凸齿离开传感线圈时，由于磁通量减少而感生负电压，即一个凸齿每转过传感线圈一次，便在其中产生一个交流电压信号或称电脉冲信号（图4-31）。

（4）氧传感器

氧传感器是电子控制汽油喷射系统进行反馈控制的传感器，安装在排气管上。在闭环控制方式中，利用氧传感器检测排气中氧分子的浓度，并将其转换成电压信号输入电控单元。排气中氧分子的浓度与进入发动机的混合气成分有关。当混合气太稀时，排气中氧分子的浓度较高，氧传感器便产生一个低电压信号；当混合气太浓时，排气中氧分子的浓度低，氧传感器将产生一个高电压信号。电控单元根据氧传感器的反馈信号，不断地修正喷油量，使混合气成分始终保持在最佳范围内。通常氧传感器和三元催化转换器同时使用，由于后者只有在混合气的空燃比接近理论空燃比的狭小范围内净化效果才最好，因此，在这种情况下，电控单元必须根据氧传感器的反馈信号，控制混合气的空燃比更接近于理论空燃比。目前应用最多的是二氧化锆氧传感器，见图4-32。

1-气孔；2-锆管；3-排气管；4-铂电极；5-弹簧；6-铂电极座；7-导线

2.发动机电子控制单元（ECU）

ECU是电子控制的中心，具有空燃比控制、点火正时控制、加减速控制、下坡断油控制、超速控制、怠速控制、空调控制等功能。

控制系统中最主要的软件是主控程序，它对整个系统进行初始化，实现系统的工作时序、判定控制模式、控制点火正时和喷油脉冲信号的输出等。

软件中还有转速与负荷的处理程序、中断处理程序及查表程序。针对发动机使用要求预先确定点火角脉谱图及喷油脉谱图，以及其他为匹配各工况而选定的修正系数、修正函数和常数等，都以离散数据的形式储存在微处理器的存储器中。

当整车供电后，ECU开始不断地定时检查各传感器及开关信号，并以此为依据，计算出发动机各工况下的最佳供油量、最佳点火正时、最理想的怠速等，经输出电路完成对喷油器、怠速控制器及空调系统等的控制。