2.1 电子控制汽油喷射系统概述
2.1.1 汽油机对空燃比的要求
1．可燃混合气浓度的表征方法
为了使汽油发动机正常运转，必须为其提供连续可燃的空气汽油混合气。在欧美等国家，可燃混合气的成分通常用进入气缸的空气（Air）和燃料（Fuel）的质量比——空燃比（A/F）来表示。
理论上，要使1kg汽油完全燃烧，需要提供14.7kg的空气与之充分混合，因此对于汽油机而言，空燃比为14.7的可燃混合气称为理论混合气。若可燃混合气的空燃比小于14.7，则说明可燃混合气中汽油含量有余而空气含量不足，称之为浓混合气；若可燃混合气的空燃比大于14.7，则说明可燃混合气中汽油含量不足而空气含量有余，称之为稀混合气。即
λ=A/F＜14.7浓混合气
λ=A/F=14.7理论混合气
λ=A/F＞14.7稀混合气
应当指出，对于不同的燃料，其理论空燃比的数值是不同的。
在我国及前苏联等国家，习惯使用过量空气系数（Φ）来表征可燃混合气的浓度
Φ=L/L0
式中，L为燃烧1kg燃料所实际供给的空气质量；L0为完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量。
由过量空气系数的定义可知：无论使用任何燃料，都有
Φ=L/L0＜1浓混合气
Φ=L/L0=1理论混合气
Φ=L/L0＞1稀混合气
2．可燃混合气浓度对发动机性能的影响
空燃比是发动机燃料供给系统的一个非常重要的参数，空燃比的大小对发动机的动力性、经济性和排放性能均有重要影响。
如图2.1所示，当可燃混合气空燃比发生变化时，发动机的火焰温度、油耗率和输出功率也会随之发生变化。
图2.1 可燃混合气空燃比对发动机火焰温度、油耗率和输出功率的影响
当A/F约为12.5时，由于其燃烧速度最快，发动机所产生的转矩最大，故发动机的动力性最好，所以又称其为功率空燃比。当A/F为16时，由于混合气较稀，有利于汽油完全燃烧，故可降低发动机的油耗，因为此时发动机的经济性最好，故又称其为经济空燃比。
如图2.2所示，可燃混合气空燃比对发动机有害排放物的浓度也有直接影响。
图2.2 可燃混合气空燃比对发动机有害排放物浓度的影响
由此可见，发动机的性能与空燃比有着密切的关系，但影响的程度和变化规律各不相同，所以如何精确控制可燃混合气的空燃比是比较复杂且又非常重要的问题。
3．不同工况下发动机对空燃比的要求
发动机在实际运行过程中，其工况在工作范围内不断变化，且在工况变化时，发动机对可燃混合气A/F的要求也不同。
（1）稳定工况对混合气的要求。发动机的稳定工况是指发动机已经完全预热，进入正常运转，且在一定时间内转速和负荷没有突变。稳定工况可分为怠速、小负荷、中等负荷、大负荷和全负荷等。
①怠速和小负荷工况。怠速工况是指发动机对外无功率输出，且以最低稳定转速运转的情况。此时，混合气燃烧后所做的功，只用于克服发动机内部的阻力并使发动机保持最低转速稳定运转。
汽油机怠速转速一般为（800±100）r/min。在怠速工况下，节气门处于关闭状态。此时，吸入气缸内的可燃混合气不仅数量极少，而且汽油雾化蒸发也不良，进气管中的真空度很高，当进气门开启时，缸内压力仍高于进气管压力，结果使得气缸内的混合气废气率较大。此时，为保证混合气能正常燃烧，就必须提高其浓度，见图2.3中的A点。随着负荷的增加和节气门稍微开大而转入小负荷工况时，吸入混合气的品质逐渐改善，所以在小负荷工况时，发动机对混合气成分的要求见图2.3中的AB段，即发动机在小负荷运行时，供给混合气也应加浓，但加浓的程度随负荷的增加而减小。
图2.3 汽油机负荷变化时所需要的A/F
②中等负荷工况。汽车发动机的大部分工作时间都处于中等负荷状态。此时节气门已有足够大的开度，上述影响因素已不复存在，因此可供给发动机较稀的混合气，以获得最佳的燃油经济性。该工况相当于图2.3中的BC段，A/F为16～17。
③大负荷和全负荷工况。在大负荷时，节气门开度已超过75%，此时应随着节气门开度的开大而逐渐地加浓混合气以满足发动机功率的要求，见图2.3中的CD段。
但实际上，在节气门尚未全开之前，如果需要获得更大的转矩，只要把节气门进一步开大就能实现，没有必要使用功率空燃比来提高功率，而应当继续使用经济混合气来达到省油的目的。
因此，在节气门全开之前所有的部分负荷工况都应按经济混合气配制。只是在全负荷工况时，节气门已经全开，此时为了获得该工况下的最大功率必须供给功率混合气，见图2.3中的D点，在从大负荷过渡到全负荷工况的过程中，混合气的加浓应逐渐变化。
（2）过渡工况对混合气的要求。汽车在运行中的主要过渡工况可分为冷起动、暖机、加速和减速3种形式。
①冷起动。冷机起动时，发动机要求供给很浓的混合气，以保证混合气中有足够的汽油蒸汽，使发动机能够顺利起动。但在冷起动时燃料和空气的温度很低，汽油蒸发率很小，为了保证冷起动顺利，要求提供极浓的混合气。
②暖机。发动机冷机起动后，各气缸开始依次点火而做功，发动机温度逐渐上升，即暖机。发动机在暖机过程中，由于温度较低燃油雾化较差，因此也需要A/F较小的浓混合气，而且随着发动机温度升高而A/F逐渐增大，直至达到正常工作温度时为止，发动机进入怠速工况。
③加速和减速。发动机的加速是指发动机的转速突然迅速增加的过程，此时驾驶员猛踩加速踏板，节气门开度突然加大，进气管压力随之增加，由于汽油的流动惯性和进气管压力增大后汽油蒸发量的减少，大量的汽油颗粒被沉积在进气管壁面上，形成较厚油膜，而进入气缸内的实际混合气则瞬时被稀释，严重时会出现过稀，使发动转速下降。为了避免这一现象发生，在发动机加速时，应向进气管喷入一些附加汽油以弥补加速时的暂时稀释，从而获得良好的加速性能。
当汽车减速时，驾驶员迅速松开加速踏板，节气门突然关闭，此时由于惯性作用发动机仍保持很高的转速，因此进气管真空度急剧增高，促使附着在进气管壁面上的汽油蒸发汽化，并在空气量不足的情况下进入气缸内，造成混合气过浓，严重时甚至熄灭。因此发动机减速时应供给较稀的混合气，以避免上述现象的发生。
在传统的发动机燃料供给系统中，是通过安装在进气总管上的化油器（亦称汽化器）进行燃料和空气混合的。尽管化油器的结构日趋复杂和精密，但由于其存在着各个气缸之间燃油分配不均匀、在过渡工况和冷态运行时混合气成分控制精度低、难以实现反馈控制等固有的缺陷，我国政府发布的环发 [2001]97号文件《关于限期停止生产销售化油器类轿车及5座客车的通知》规定，从2001年开始，在全国范围内禁止生产、销售化油器类轿车及5座客车，从此，化油器式燃料供给系统正式被淘汰，由燃油喷射式燃料供给系统取而代之。
2.1.2 燃油喷射的概念
图2.4 燃油喷射
燃油喷射（Fuel Injection）就是用喷油器将一定压力和数量的汽油喷入进气道或气缸内（图2.4）。其目的是提高燃油雾化质量，改进燃烧，改善发动机性能。
电控燃油喷射则是采用电动喷油器，由电子控制单元根据发动机运行工况和使用条件，将适量的燃油喷入进气道或气缸内，实现对发动机供油量的精确控制。
2.1.3 燃油喷射系统的分类
1．按喷油器的布置分类
按喷油器的布置不同，燃油喷射系统可以分为单点燃油喷射和多点燃油喷射两类。
（1）单点燃油喷射系统（Single-Point Injection, SPI）。如图2.5所示，在节气门体上安装一个或两个喷油器集中向进气管中喷油，与进气气流混合形成燃油混合气，在各缸进气行程时，燃油混合气被吸入气缸内，这种方式也称为节气门体喷射（Throttle Body Injection, TBI）或中央燃油喷射（Central Fuel Injection, CFI）。
图2.5 单点燃油喷射
单点喷射结构简单、工作可靠，对发动机本身结构改动量小，特别适合于化油器式发动机的技术改造。但由于与化油器式发动机一样存在各缸混合气分配均匀性差的问题，因此近年来已经逐步被多点燃油喷射系统取代。
（2）多点燃油喷射系统（Multi-Point Injection, MPI）。在多点燃油喷射系统中，每一个气缸有一个喷油器，其特点是可以保证各缸混合气的均匀性和空燃比的一致性，如图2.6所示。
图2.6 多点燃油喷射
根据喷油器的位置不同，多点喷射又分为进气管喷射（图2.7）和缸内喷射（图2.8）两种。
图2.7 进气管喷射
图2.8 缸内喷射
①进气管喷射。喷油器安装在进气歧管内各缸进气门附近，按照一定的规律适时地将燃油喷入进气歧管。这种喷油方式中喷油器的工作条件较好，喷油器的制造难度和成本较低，因此目前在汽车上得到了广泛的应用。
国产桑塔纳GLi、2000GLi、2000GSi，捷达AT、GTX，奥迪100、200，红旗CA7180E、CA7200E、CA7220E，夏利TJ7130E、夏利2000型轿车以及切诺基吉普车等均采用了进气管喷射系统。
②缸内喷射又称缸内直接喷射（Gasoline Direct Injection, GDI）。缸内喷射同柴油喷射类似，通过喷油器将燃油以较高的压力（3～4MPa）直接喷射到气缸内。因喷射压力高，燃油一喷入气缸内就会汽化，因此可燃混合气可以更稀（空燃比可达35∶1）。这样可将燃油经济性提高30%，并且可显著减少在进气门出现燃油积垢和积炭的现象。
这种方式需要将喷油器装在缸体上。由于汽油黏度低而喷射压力较高，且缸内工作条件恶劣（高温、高压），因此对喷油器的技术条件和加工精度要求较高，故目前应用不多。但缸内直接喷射是发动机燃油喷射技术的发展方向，将逐步取代进气管喷射系统。
2．按喷射装置的控制方式分类
燃油喷射系统按喷射装置的控制方式可以分为机械式、机电结合式和电控式燃油喷射系统3类。
（1）机械式燃油喷射系统（K系统）。机械式燃油喷射系统是一种机械控制的喷射系统，早在20世纪50～60年代开始运用于汽车上，其典型代表是德国博世公司研制的K Jetronic系统（K系统），它应用在早期的奔驰（Benz）和奥迪（Audi）轿车上，如图2.9所示。
图2.9 机械式燃油喷射系统（K系统）
燃油被电动汽油泵从油箱吸出并加压，稳压后经过燃油滤清器去除杂质后进入燃油量分配器。燃油分配器和空气计量器组成一个总成，即混合气控制器，以控制喷油器喷入的燃油量和混合气浓度。当发动机某缸进气门开启后，混合气便被吸入气缸。
除上述基本装置外，为了适应汽车发动机在各种工况下对混合气数量和浓度的不同要求，系统中还设置了各种相应的辅助调节装置，如冷起动装置、暖机调节器和辅助空气阀等。
（2）机电结合式汽油喷射系统（KE系统）。机电结合式汽油喷射系统在K系统的基础上，增加了电子控制单元，以德国博世公司生产的KE-Jetronic系统最具代表性，如图2.10所示。
KE系统有一个可以根据发动机不同工况控制差压阀下腔油压的电控单元和与其相对应的电液式系统压力调节器。电控单元通过对发动机运行工况的多种参数进行采集和处理，把计算结果以电流的形式输送给电液式系统压力调节器，将其转换成差压阀下腔的油压来满足不同工况对混合气的要求。
图2.10 机电结合式汽油喷射系统（KE系统）
机械式和机电结合式汽油喷射系统在20世纪60～70年代的汽车上曾得到广泛应用。随着排放法规的日益严格和电子控制技术的日趋成熟，20世纪80年代以后，电控式汽油喷射系统逐渐取代了机械式和机电结合式汽油喷射系统，并开始广泛应用于汽车上。
（3）电控式燃油喷射系统。电控式燃油喷射系统（Electronic Fuel Injection, EFI）一般由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统3部分组成，如图2.11所示。
图2.11 电控式汽油喷射系统
其电子控制系统主要由电控单元（Electronic Control Unit, ECU）、各种传感器和执行器3部分构成。ECU通过对各种传感器的信号进行运算获得发动机的运行状况，发出指令控制喷油器的喷油时刻和喷油量，从而精确控制各工况的空燃比。
电控式燃油喷射系统按其控制过程又可分为开环控制方式和闭环控制方式。
①开环控制方式。把发动机各运行工况的最佳控制参数（如喷油量）事先存入ECU的存储器内。运行时，ECU根据各种开关和传感器的参数确定发动机的实际运行工况，从事先存入的数据表（常称作MAP表）中查出该工况的最佳控制参数，并发出控制命令，控制执行机构（如喷油器）动作，如图2.12所示。
图2.12 开环控制方式
开环控制的特点是控制过程简单，ECU运算工作量小。但当使用条件发生变化时（如喷油器的精度、使用时间增长或其他原因），其控制精度就会有较大的误差，因此对控制系统本身及各组成部分的精度要求较高。
②闭环控制方式。在开环控制的基础上，增加反馈环节，根据输出结果对控制指令进行调整（修正），即在发动机排气管上加装氧传感器，根据排气中氧含量的变化，调整控制指令，改变喷油量的大小，如图2.13所示。
图2.13 闭环控制方式
在使用过程中不断地进行反馈和调整（修正），使实际空燃比保持在理想值附近，以达到最佳控制效果。
3．按喷油方式分类
燃油喷射系统按喷油方式可以分成连续喷射系统和间歇喷射系统。
（1）连续喷射系统（Continuous Fuel Injection, CFI）。在发动机运转期间，燃油连续不断的喷射，主要用于机械式和机电结合式汽油喷射系统。
（2）间歇喷射系统。在发动机运转期间，燃油按照一定的规律间歇喷射。电控式燃油喷射系统都采用间歇喷射。
间歇喷射按喷射时序又分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射，如图2.14所示。
图2.14 间歇喷射时序分类
①同时喷射：在发动机运转期间，各缸喷油器同时开启，且同时关闭，如图2.14（a）所示，电子控制单元（ECU）的同一个喷油指令同时控制所有喷油器的工作。
②分组喷射：喷油器分成两组或多组，按照既定顺序交替喷射，如图2.14（b）所示，ECU发出两路喷油指令，分别控制两组喷油器的工作。
③顺序喷射：各缸喷油器分别按各自的做功顺序在各缸进气行程前进行喷射，如图2.14（c）所示，ECU需要发出4路喷油指令，分别控制各缸喷油器的工作。
4．按进气量的检测方式分类
按进气量的检测方式燃油喷射系统可以分为直接测量式和间接测量式。
（1）直接测量式。直接测量式燃油喷射系统利用空气流量计直接测量单位时间内吸入进气管的空气流量。直接检测方式也可称为质量-流量（Mass Flow）方式，亦称L型燃油喷射系统（L为德文空气流量Luftmengen的字头）。按照空气流量计的种类不同，直接测量式又分为以下几种。
①叶片式空气流量计（测量体积流量）。
②卡门涡旋式空气流量计（测量体积流量）。
③热线式空气流量计（测量质量流量）。
④热膜式空气流量计（测量质量流量）。
（2）间接测量式。间接测量式燃油喷射系统通过对其他参数（进气歧管绝对压力、节气门开度和发动机转速）的测量，并经过计算处理得到进气量的值。
间接检测方式又可分为速度-密度（Speed-Density）方式和节气门-速度（Throttlespeed）方式。速度-密度方式根据进气管绝对压力和发动机转速计量发动机每循环的进气量，而节气门-速度方式则根据节气门开度和发动机转速计量发动机每循环的进气量，从而计算所需的喷油量。
间接测量常用进气歧管绝对压力式，即采用进气歧管绝对压力传感器测量进气管的绝对压力以确定进气量。该系统亦称为D型燃油喷射系统（D为德文压力Druck的字头）。
目前在汽油发动机上通常采用质量-流量方式和速度-密度方式来测量进气量。
由于质量-流量控制方式（L型）是通过空气流量传感器（Air Flow Meter）直接测量发动机的进气量，再根据进气量和转速来确定发动机每工作循环的供油量，因此比用速度-密度控制方式（D型）测量发动机进气量的方法精度高、稳定性好。
综上所述，汽车发动机燃油喷射系统的分类情况如图2.15所示。
图2.15 汽车发动机燃油喷射系统的分类