化油器汽车改装电喷系统实践_二_EFI系统主要关键部件的制作及选用

画透骊翻. 瓷辫噢 化油器汽车改装电喷系统实践(二) —E FI 系统主要关键部件的制作及选用. 梁威 (lw s@ 16 3 . n e t ) E H (电控喷油 )系统是汽车 、摩 托车电子控制 中最 为重要的系统 。 它决定了整车的最主要的性能 。 混合气成分的闭环控制 和三 元催化反应器装置的联合使用 , 是 当今汽油机最有效的排气净 化方 法 , 目前还没有发现其他的净化方 法可以达到如此低的排放值 , 它可 以满足美国 及欧洲现行汽车 发动 机排放法规的要求 。 E H 系 统 中 最 核 心 的部分是 MCU , 即微机部分 , 俗称电脑盒 。 除 此之外还有各种传感器及喷油器等 部件 。笔者多年来从事E R 系统的研 究 、 开发 , 包括部分关键部件的创 作 ,获得了一定的成果及经验 。结论 并非如某些人宣扬的那样 “ 中国 目 前无能力 自主开发E H 系统 ” 。 为让 有兴趣者了解 ,笔者进行简单介绍 。 简单来说 , E FI 系统 , 就是利用 各种不 同的传感器把发动机的各 个不同 的工作状况 , 以及排放废气 的情况 , 以 电信号的形式 , 实时采 集并传送到电脑中 , 电脑根据原定 的程序 , 得到最佳数据 , 控制发动 机的最佳供油量 。 MC U 周围 的 部 件 , 都是为 了采集MC U 所需的数 据 , 或执行M C U发出的指令的 。 以下先介绍有关部件 : 一 、 空气流t 计 : 主要有翼片 式空气流量计及热线式空气流量计 两种 。前者低速时精度较高 , 高速时 精度差 , 并且成本高 , 现已极少使 用 ,后者低速时精度较差 。目前所见 一般都少使用空气流量计而采用进 气岐管绝对压力来作为主要参数 。 二 、 进气岐管压力计 :俗称真空 度计 , 这是一种较新型的传感器 ,它 能在 15k l妞~ IQ兔件范围内以极其线性 的关系把压力信号转换为电信号 , 每 k件电压变让夕序召面八 。 此传感器可很 方便地与单片机中的A / D变换器配 合 。 目前此传感器我国没有生产 ,但 在国外的公司可很方便地购到 ,价钱 也不算贵 (不超过l《〕美元 )。 根据笔者 了解 , 国外专业电控系统 ,此传感器 也是向专业半导体厂家购进的 。 三 、 水温传感器 :此传感器要 求不高 , 根据我们 的使用经验 , 完 全可使用一般发动机供仪用 的 水温传感器 , 只是不应与仪表共 用 , 应单独加装供E FI 系统专用 。 此 传感器一般是负温度系数的 。 即温 度越高 电阻越小 。 四 、 进气温度传感器 : 与水温 传感器要求差不多 , 只是不必有 防 水外壳 。 一般温度范围在一4 0 ℃一十 12 5℃的热敏电 阻均可使用 。 以 上三 、 四两项的温度传感 器 , 都不须要温度与电阻成线性关 系 , 因 为单片机在采用这两项数据 时是以 “查表 ”的形式进行 。 但要求 它们的一致性要好 , 水温传感器有 5%即可 ,气温传感器则要求有 2% 。 五 、 转速及曲轴位置传感器 : 实际上就是点火用 的断电器 , 俗称 合金 , 现在一般都用无触点 断电 器 , 国内早 已大量生产使用 。 六 、 氧传感器 : 此传感器安装 于排气管中 。 用于检测空气与燃油 的准确 比例 。 因为三元催化器要求 空气燃油比例严格控制在 14 .7 : 1左 右 , 即空气过量系数入=1 左右 , 才能 有效地把排气中 的有害成份 , H C 、 CO 、 N O x还原为H 2 0 、CO Z及N Z 。 根 据排气之中不同的氧分量 ,在供给 浓混合气时 (入<1 )其通过氧传感器 的输出电压约 0. 8 一IV ; 在供给稀混 合气伍>l )时 , 输出电压只在0 . IV 左 右 。 当供给浓混合气向稀混合气过 度时 , 输出的电压约为45 0 一5 0 压刀 V 。 氧化错传感器的特性是其输出电压 随混合气成分的变化关系 , 它以过 量空气系数入=l 为界限 , 传感器的 输出电压入= 1前后发生急剧变化 。 除在排气中含有氧分量之外 , 氧化错本身的温度也有很大的影 响 。温度影响氧离子的传导能力 , 因 此氧传感器的特性随温度变化的影 响也很大 , 上述所给出的数值 ,适用 于工作温度在6 (X〕℃附近的情况 。 传感器 的工作温度还影 响混 合气成分变化后输出 电压改变的响 应时间 。 在 陶瓷体温度低于 3 00 ℃ 时 , 电压变化需要的反应时间约以 秒计 。 在最佳的运行温度 60 0℃时 , 传 感 器 所 需 的反 应 时 间 可 小 于 5 0 m s 。因此 ,发动机冷起动后至发动 机到最低运行温度 3 00 ℃的一段时 间内 , 传感器的调节作用应被 自动 切断 。应该注意 ,发动机排气温度过 高时 , 会缩短氧传感器 的使用寿命 。 因此 , 要选择氧传感器的安装位置 , 以确保在发动机以长时间全负荷运 行时 , 温度不超过 85 0℃ ;若短时 间 全负荷运行时允许温度到 9 30 ℃ 。 为能使氧传感器工作 于最佳 运行温度 , 根据需要可以选用一种 称为加热型的氧传感器 。 它在发动 机负荷较低的工况下运行时 , 由于 排气温度低 , 在传感器上通过电加 热对氧化错陶瓷体加热 ,使运行温 度适当 加高在负荷高 的工况下运 行时 , 陶瓷体的温度 由发动机排气 的温度确定 。 这种加热型氧传感器 可 以安装在离发动机较远 的排气 管气流 中 ,甚至在长时间地承受全 负荷运行也不会出现问题 。 通过外部的 电加热 , 可以使氧 传感器在 发动机起动后2O 一30 5 内 电子制作 2 0 0 2 年第 2 期 一 2 8 - Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮 就得到迅速加热 , 达到正常运行温 度 , 从而使氧传感器投人工作 , 起 到混合气成分的调节作用 。 加热氧 传感器可 以稳定在最佳的运行温 度上 , 从而使发动机得到稳定的 、 较低的排放 。 若在较好的使用条件 下 , 这种批量生产的加热型氧传感 器 的使用寿命 , 可以达 1O 万k m 左 右 。 值得注意的是起催化作用 的外 侧电极会受铅化物的损伤 , 因此发 动机必须使用无铅汽油 。 七 、 燃油泵 : 是一个电动的汽 油泵 ,泵油压力需在0. 3MPa 以上 , 油 量需大于或等于发动机最大油量两 倍以上 , 以使喷油时压力不会骤降 。 欧美车型多用齿轮泵 、 内转子泵等 容积泵 , 日本则多用离心泵 。此件国 内已有部分生产 , 但多为引进产品 或仿制产品 。价格仍偏高 。我们 已与 有关厂合作试制成功 , 估计产品出 来后价格控制在 1(X) 元人民 币左右 。 另外此泵功耗约 30 “扣W , 对于摩托 车用的来说 , 发电机要改造加大功 率。 我们设计试制了一种供摩托车 用的泵 , 功耗在 SW 以下 , 这样就不 必加大发电机的功率了 , 成本相对 也低些 ,还在进一步优化 。 八 、 喷油器 : 喷油器是 EFI 系 统 中除MC U外最为重要的部件 , 它 的特性数据与 M CU 中的数据高度 配合 。基本可以这样说 : 在整个E n 系统 中 ,其他零部件包括M C U 中的 硬件可以 向外购进 , 甚至可以向 国 外进 口 ,但如果对喷油器不具备 自 主知识产权 , 不掌握制造 中 的材 料 、结构 、工艺等技术秘密 , 那么这 套系统是残缺的 , 是受人制约的 。 在此问题上 , 笔者有着极其深刻的 经历及体会 。 事实上国外各专业公 司都是这样的 , 喷油器均为自行制 造 , 而且一般不 出售 , 或者虽然出 售但 当它感到威胁到它的市场的 时候 , 就会以种种理由停止供应 。其 实我们一开始研究E H 系统 ,就无形 中在抢现有 E H 系统的专业公司的 市场。人家 “卡”我们也是情理之 中 , 换了我们也许也会这样操作 。 为了喷油器的制作 , 笔者耗费 了一年多的时间 ,作 了数百个不同 的方案 , 现在己经 可以说 , 对喷油 器在材料 、结构 、零件加工工艺 、装 配工艺 、各项公差对特性影响程度 以及各项公差的控制方法 , 均 已了 如指掌 。 在本文中笔者不可能谈得 太具体 , 但对其中 的一些关键问题 绝不含糊其词 。 1 、基本结构 : 喷油器实际上是 一个高速 、精密计量的电磁阀 ,基本 结构无非为针阀 、片阀及球阀三种 。 目前各类书中介绍的基本上都是针 阀结构 , 笔者在试验中发现 ,此种结 构存在着几项先天的缺陷 : ¹ 针阀 的阀心质量较大 , 因此驱动力要大 ; º针阀的开关处是面接触 , 开启后 油的通过阻力大 , 因此要较大的阀 针动作行程 , 而又进一步需要加大 驱动力 。 »针阀的开启与实际喷油 的时延 太长 , 如 阀 的开启 时间为 lms , 那么开始喷油的时间在 1 .6ms 左右 , 时延达 0. 6皿 , 无形 中加大 了 无效时间 , 减少了有效时间就影响 了喷油量的精度 。 ¼ 针阀需要极其 精密的阀芯导向结构 , 大大加深制 造难度及加重制造成本 。 大概是由 于以上的原因 , 国外20 世纪9O 年代 以后的产品 中 , 极少再有采用针阀 结构的 。 但各种版本的书中仍然介 绍这种结构 ,其原因不得而知 。 片阀的质量可 以作得很小 , 但 其开关处与针 阀 同样为面接触密 封 , 时延较大 。实际上可作一种折中 的片一球阀结构 , 驱动力及无效时间 都很少 , 我们 曾作过起喷时间为 0. 3m8 以下 。 但这种结构我们没有找 到能够精确控制阀片行程的装配方 法 , 这方面今后还有待研究开发 。 球阀结 构是我们做得最 为成 功的一种结构 。 也是 目前应用得最 为广泛的一种结构 。 我要说的是 , 作为为球阀用的钢珠 , 要求它的不 圆度要小于3林m 以下 , 否则制造 出 来 的喷油器的一致性将大打折扣 。 这种高精度的 钢珠 比一般轴承上 用的钢珠要贵10倍以上 。 2 、材料的选用 : 材料分为阀体 的材料和磁性材料 , 阀体我们用的 是Gr 15 作为阀体材料 , 效果十分满 意 , 曾作 1O 亿次喷油的试验 , 喷油 器性能没有明显变化 , 分解后作精 密测量 , 结论是 : “未发现有可计量 的磨损 (计量单位为 : u m ) ” 。 曾考 虑此 阀体用非磁性材料是否会好 些 , 因此用了价格极贵的非磁性的 而又满足硬度的金属材料来试验 , 发现对性能没有可察觉的影响 。 磁性材料当然是软磁材料 , 要 求其磁饱 和强度大 , 矫顽磁力要 小 ,磁滞小 , 矩形系数好等 , 当然还 要价格合适 , 因为有些很好 的软磁 材料价格惊人 (每 k g数万元人 民 币 ) 。 在国 内的专业软磁材料的研 究生产单位的配合下 , 我们对数十 种软磁材料进行过试验 ,发现有多 种软磁材料均有优 良的性能 , 其 中 坡莫合金 I J2 2是通用 ,可满足 喷油器的基本要求 。 3、制造工 艺 问题 : 喷油器在零 件加工到总成装配 , 都必须作到一 些基本的数据及公差 , 就我们所作 的球阀结构而言 , 必须作到以下的 数据及保证相应的公差以 内 , 否则 不能保证一致性 。 所幸的是这些都 已被我们随心所欲地控制在内 了 。 这当然借助了如激光焊接等先进的 工艺 ,和我们在结构 、零件加工、精密 装配的设备及技巧等结合的结果 。 相关数据 : 1 、喷油阀体孔 : 甲0. 2--O .7 ~ (视所需油量定 )公差 1一3林m (约 5% ) 2 、 阀 芯行程 : 0. 0 5 一0 . 1~ (视孔径而定 ,公差2 协m 3 、阀芯质量公差 : 1% 相关的物理参数 : 阀芯 的行程设为 0 . 11刀m , 开启 时间 为 lm , ,质量为 1 . 5 9 , 那么 : 阀芯的加速度为 : s = 1/ Z a tZ ; a = 2 5 / tZ = 2 * 0 . 0 0 0 1/ 0 . 0 0 12 二 20 0 米 ·秒2 阀芯的驱动力 : 仁m a二0 . 0 0 15 * 20 0 = 0 . 3牛 阅 29 一 电子制作 20 0 2 年 第 2 期 Administrator 高亮 Administrator 高亮 Administrator 高亮