电子控制项目：优化方案

发动机的电子控制项目有燃料喷射控制、点火时间控制、怠速转速控制、废气再循环（EGR）控制、进气通路控制、气门正时控制等许多项目。

1.燃料喷射控制

燃料喷射控制方面有喷射时间控制、喷射量控制、燃料切断、稀薄燃烧界限控制等。

（1）燃料喷射时间控制 燃料喷射时间控制有与发动机转动同步进行的同步喷射，以及与发动机的运转无关的，在需要时喷射所需量燃料的非同步喷射。同步喷射有同时喷射、分组喷射和单独喷射，图5-38显示了喷射时间。目前，电控汽油机几乎都采用单独喷射方式。

图5-38 燃料喷射时间

①同时喷射：与进气门打开和关闭时间无关，所有喷油器在发动机每转动1转时喷射一次的类型。把一次燃烧所需的燃料量分成两次进行喷射。这种类型喷油器的驱动电路简单，价格便宜，曾在小排量发动机上采用过，但目前基本不采用此类型，仅有少数车辆在冷起动时使用。

②分组喷射：是邻近两个气缸为一组在发动机每转动两转喷射一次、与各组进气过程同步顺次进行喷射的类型。与单独喷射相比喷油器驱动电路少，因而越是多气缸发动机，其经济性越好。6气缸发动机有2组喷射和3组喷射。目前这种类型也是仅有少数车型在冷起动时使用。

③单独喷射（SEFI：顺序燃油喷射或连续单独燃油喷射）：是发动机每转动两转喷射一次，与各气缸的进气过程同步单独进行喷射的类型。可以把一个循环的燃料量能在每个循环的最佳喷射时期喷射一次，目前大部分汽油机都采用此类型。

④非同步喷射：是为了在起动时喷射一定量燃料或急加速时补偿稀薄空燃比、与曲轴角度无关进行喷射的类型。

（2）燃料喷射量控制

①基本燃料喷射量。基本燃料喷射量（或喷射时间）是根据测量的进气量由理论空燃比决定的。执行燃料喷射的执行器为喷油器。喷油器是在发动机控制模块（ECU）的指令下使电磁线圈流过电流被磁化，柱塞被吸住打开喷射孔，故喷射燃料。

喷射时间t为基本喷射时间t₀与喷射修正系数f的乘积和喷油器无效喷射时间t_v之和。

t=t_pf+t_v （5.4）

基本喷射时间t₀随进气量检测类型（速度密度类型和质量流量类型）的不同而有所不同。

速度密度类型：此类型基本喷射时间由下列因素决定。发动机在每一循环进气过程进入到气缸的空气量计算公式为

m_a=ρV_hη_v=k（p/T）η_v （5.5）

式中，ρ为空气密度；V_h为气缸的工作容积（m³）；η_v为容积效率[是发动机转速、气门正时、排气系统压力、废气再循环（EGR）量等的函数]；k为常数（=V_h/gR），g为重力加速度，R为气体常数；p、T分别为进气系统内绝对压力和空气温度。

空气质量m_a在空气温度和容积效率一定的条件下与进气系统压力成正比，因此只要检测到进气系统压力就可以计算出空气质量。空气质量主要依赖于进气系统压力的大小，还要受到与发动机转速等相关容积效率的影响。只要求出空气质量，以理论空燃比（A/F）_s可以计算出燃料喷射量（或基本喷射时间t₀）m_f=m_a（A/F）_s。由此，利用进气系统压力和气缸转速可以求出基本喷射时间t₀。电控发动机把基本喷射时间、进气系统压力和发动机转速之间的关系以3坐标映射值储存在发动机控制模块（ECU）内。

质量流量类型：利用空气流量传感器检测进入发动机内的空气流量m_a，并利用m_f=m_a（A/F）_s求出理论燃料量。求出基本喷射时间t₀时，如果是叶片式或卡曼漩涡式空气流量传感器，必须对进气温度和大气压力进行标准状态化的修正。如果是热线式空气流量传感器，因直接检测质量流量，所以不需要进行根据温度和压力的标准化修正。

②喷射量修正。为了获得随发动机状态微量变化的空气量所对应的正确燃料量（或空燃比），有必要修正基本喷射时间。修正系数随发动机类型的不同而不同，是发动机控制中非常重要的因素。修正系数f为各修正系数（f₁，f₂…）之和或乘积。

f=f₁×f₂×…×（f₃+f₄+…） （5.6）

喷射修正系数f以高温起动修正、过渡修正、加减速修正、高负荷修正、空燃比反馈修正等，根据发动机的运行状态，将这些修正系数相加或相乘进行计算。

冷起动修正：冬季在发动机冷态进行冷起动时，会增加燃料喷射量。这是因为温度低时燃料会粘附在进气系统壁或气缸壁上，不能充分汽化，会导致燃烧不良。冷却液温度越低，初始燃料需求量越大。起动后，燃料增加量逐渐减少。

高温起动时：夏季高速行驶后，重新起动发动机时，也会增加燃料喷射量。汽油温度上升到80～100℃时，喷油器内汽油沸腾蒸发，喷射时包含汽油蒸气，汽油喷射量会减少，因而必须增加燃油喷射量，以保证良好起动。发动机的高温状态通过冷却液温度或汽油温度加以判断。

过渡时：过渡时期为急加速或急减速状态。急加速时，进气系统压力会突然增大，随进气量的突然增加，燃料喷射量的增加不能立即响应，因此混合气会变得稀薄。与此相反，急减速时，进气系统压力会突然减小，燃料的蒸发速度会增加，混合气会变得浓厚。因此，急加速时进行增量修正，急减速时进行减量修正。

高负荷时：高负荷行驶时，为了获得最大转矩，把空燃比设定为输出功率空燃比（12：1～13：1）。如果持续高负荷行驶造成排气系统部件（排气系统、排气传感器、催化转化器等）的温度超出界限温度时，还可以控制混合气更加浓厚，以保护排气系统的部件。

空燃比反馈控制：根据氧传感器的信号，混合气稀薄时进行增量修正，浓厚时进行减量修正。为了保证氧传感器的温度特性，及确保车辆行驶平顺性和防止催化转化器的过热，在起动、起动后暖机增量、冷却液温度低、稀薄信号维持一定时间、输出增量修正或切断燃料的状态下，禁止反馈控制。

③燃料切断。燃料切断控制是向喷油器输出喷射停止信号，以切断燃料供给的状态。这是以防止催化转化器过热和提高燃油消耗率为目的，减速时执行的燃料切断控制，以及以防止发动机超速损坏为目的，高速时执行的燃料切断控制。减速时燃料切断是因没有必要输出转矩，如果需要加速或发动机控制模块（ECU）判定需要保持怠速转速时，会重新开始供给燃料。

④稀薄空燃比控制。稀薄燃烧发动机利用稀薄空燃比传感器和单独喷射进行精密控制，如图5-39所示，在稀薄空燃比领域21～23内进行燃烧。另外，在超稀薄领域氮氧化物（NO_x）的生成量很少，因此氮氧化物（NO_x）的处理变得简单，并用催化转化器处理碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO），使排放气体的净化变得更加容易。稀薄燃烧的燃料消耗量低于理论空燃比的燃烧，可以降低10%～15%的燃料消耗率。稀薄燃烧控制技术作为废气排放控制和提高燃油消耗率法规的对应技术，正受到广泛的关注，并正在研发组合三元催化转化器的系统。

（3）冷起动初期燃料喷射控制 发动机在冷态起动时，会增加燃料喷射量。冷起动初期因三元催化转化器的温度没有达到正常运行温度，因此会排放大量有害气体（HC、CO等）。这可能会使排放达不到法规标准。

冷起动时，当点火开关转到“起动”位置时，起动机开始转动，同时发动机也被起动机带动转动。发动机控制模块（ECU）接收冷却液温度传感器和发动机转速传感器传送的信号，以此计算活塞的位置和燃料量，并向喷油器输出燃料供给指令。一旦供给燃料并点火，初始燃烧开始，发动机转速随之增加。图5-40所示为冷起动初期发动机转速、燃料量和空气量的变化曲线。冷起动初期状态可以分成4种状态：

图5-39 稀薄燃烧控制

图5-40 冷起动初期状态

①起动区间：从初始燃烧开始，到超过催化转化器加热速度的第一时间为止，这个范围为起动区间。发动机起动时的燃料量为20℃全负荷条件下燃料量的3～4倍。

②起动后区间：此为起动区间结束后的区间，空气和燃料量随时间的推移持续减少。

③暖机区间：发动机温度仍很低，需要增加转矩的区间。因此，与起动后区间相反，供给的燃料量会增多，此燃料量仅与发动机温度相关，持续此状态直到发动机温度达到界限值。

④催化转化器加热区间：作为附加策略，催化转化器的加热区间是为了在冷起动时使催化转化器尽快达到运行温度而设置的。把暖机区间扩大到催化转化器完全加热为止。

在冷起动时，没有完全燃烧的燃料会直接排放，因此会排放相当量的碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）。对此采取的措施有燃料处理方法和使催化转化器的温度尽快达到最小运行温度300℃的方法。具体说明如下。

①预进气喷射：冷起动时，为了减少有害气体的排放量，采用预进气喷射。这是把燃料向燃烧室中央喷射，以通过排气侧气缸壁上燃料的碰撞，避免形成燃料液膜。

②催化转化器加热法：冷起动时，尽快加热催化转化器的方法有下述方法。

·通过推迟点火时间和高质量气体流动提高排气的温度。

·把催化转化器安装在接近发动机的位置。

·通过后热解处理法提高排气的温度。

③后热解处理法：未燃碳氢化合物在排气系统中以高温后热解处理的方法还原为无害气体。如果是浓空气/燃料混合气，就需要二次空气喷射。如果是稀薄混合气，则利用排气中的剩余氧气可以燃烧净化。

④二次空气喷射：是在起动后的暖机期间（λ_engine<1），通过二次空气喷射向排气系统附加提供空气的方法。其结果是使未燃碳氢化合物起热反应，以减少碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）。这些氧化反应会产生热量，加快催化转化器的加热。

2.点火时间控制

电控系统的点火时间控制实行映射模型控制。映射模型分为基本点火时间控制和点火时间修正控制。

（1）基本点火时间基本点火时间是根据进气系统压力、发动机转速、发动机暖机等状态确定的，并要考虑发动机的输出功率、燃料消耗量和废气排放的控制策略。即，发动机控制模块（ECU）检测发动机转速和进气系统压力，并以记忆的数据为基础判定基本点火时间。

（2）点火时间修正点火时间的修正有如下方面：

①起动时：因进气系统压力不稳定，不进行点火时间的修正，以基本点火时间进行控制。

②暖机时：冷却液温度低，为了提高暖机性能和运行性能，提前点火时间。

③怠速时：暖机后怠速运转时，如果发动机转速变化脱离了目标怠速转速，与转速变化相同量控制点火时间提前或延迟，以稳定怠速转速。

④空燃比反馈修正：转速随燃料喷射量的增减发生变化，尤其是在怠速状态下根据空燃比反馈修正控制点火时间提前或延迟。

⑤高温时：高温、高负荷时，为了防止爆燃的发生延迟点火时间。

⑥爆燃修正：配备有爆燃控制系统的发动机，根据爆燃传感器的信号判定发生了爆燃时，延迟点火时间直到爆燃消失。

3.怠速转速控制

发动机的怠速转速从燃料消耗量和噪声层面上考虑尽可能小为好，但如果转速过低，输出功率会很小，一旦辅助装置的负荷发生变化，转速会很容易发生变化。因此，怠速转速的控制要保证其输出转矩能克服发动机的摩擦力、辅助装置负荷等并稳定运转的程度。

电控汽油机在怠速状态下通过怠速转速控制器控制输出功率。此时节气门处于完全关闭的状态，空气通过节气门阀与壳体之间的间隙或节气门旁通怠速调节通路进入。在怠速转速控制方法上有旁通控制类型和用直流电动机直接控制节气门的类型。

图5-41显示了旁通控制类型构成。这是一种执行器，在旁通节气门的另外空气通路上设置怠速转速控制阀（ISCV），由发动机控制模块（ECU）输出控制指令改变空气通路面积，以此向气缸提供所需进气量的装置。怠速转速控制阀（ISCV）有步进电动机类型和线性电磁阀类型。前者始终记忆最近阀的位置，以此可以实行精确控制，但其响应速度会受到限制。后者结构简单且响应性良好，但操作力偏小，以及为了能克服上下游压力差的外力阻力，需要精密加工。

图5-41 怠速转速控制阀（ISCV）系统

怠速转速控制阀（ISCV）的控制原理是，根据发动机冷却液温度、空调压缩机运转状态、自动变速器操作状态和蓄电池电压状态等，比较目标怠速转速与实际发动机转速，并根据转速差异计算控制量并向执行器输出控制信号。持续执行此程序，直到达到目标转速。如果在驾驶人踩下加速踏板的状态持续执行此项控制，会与主节气门的空燃比控制发生重叠。因此，根据节气门打开/关闭信号、车速信号判定怠速状态，并仅在怠速运转状态执行怠速控制。

怠速转速会影响燃料消耗量、冷态排放废气净化性能等，因此越来越多的发动机配备怠速转速控制系统。

4.废气再循环控制

废气再循环（EGR）的控制原理是，在排气系统与进气系统的节气门后之间设置废气再循环通路，并在此通路上安装流量控制阀，以控制最佳废气再循环量。废气再循环（EGR）会降低混合气的着火性能或发动机的输出功率，因此仅选择氮氧化物（NO_x）排放量多的运行条件并控制适当的废气再循环量是很重要的。

废气再循环（EGR）控制系统有利用进气系统的真空和排气系统的正压力控制废气再循环（EGR）阀的气动类型（机械式）和以电信号控制的电控类型。机械式使用在废气再循环（EGR）量较少（5%～10%）的发动机上，电控类型使用在废气再循环（EGR）量较多（15%～20%）的发动机上。

图5-42显示了废气再循环（EGR）电控系统的构成。此系统控制真空控制阀电磁线圈的电压占空比，并通过控制废气再循环（EGR）阀膜片腔内的真空大小，进而控制废气再循环（EGR）阀的位置。发动机控制模块（ECU）内编程有发动机转速和负荷决定的废气再循环（EGR）量与电控阀占空比之间的关系映射模型，并根据此程序控制真空控制阀。

图5-42 废气再循环（EGR）电控系统的构成

5.自诊断功能

自诊断功能是为保护环境而开发应用的。利用此功能，在汽车上配备的发动机控制模块（ECU）检测并诊断故障或恶化状态。基本上，在故障或恶化导致废气的排放量超出界限值之前检测出故障状态，并通过故障警告灯（MIL）告知故障状态，以便能及时进行维修。同时，发动机控制模块（ECU）储存故障部位和故障现象。需要检测的对象为，所有影响废气排放的项目，其中重要的项目包括催化转化器异常、排气传感器异常、失火、燃料供给系统异常、废气再循环（EGR）系统异常等。如，检测三元催化转化器的异常状态时，是通过其氧反应能力，即对催化转化器前后氧传感器的输出波形轨迹长度进行比较并作出判断的。