摩托车电喷系统的工作原理和控制策略

电喷摩托车是一种新型摩托车，是通过微电脑根据发动机的负荷，控制喷油嘴给需要工作的汽缸喷油，不工作的汽缸不给油。与传统的化油器摩托车相比，电喷摩托车节油，与同型化油器车比，能节油20%以上；由于实现数字点火和喷油功能，油耗降低，排放改善，所以比化油器车环保，直接达到欧洲11号排放标准，同时还具有易启动的特点，一触即发，怠速稳定。

工作原理：化油器用机械方式实现给发动机供油，其供油量与转速或油门开度的关系只能是线性关系，无法保证发动机全工况全天候下的空燃比都能达到理想。同时，当发动机本身状态发生变化时，化油器不能随机应变，造成大量的能源浪费，并且很不利于燃烧，而使油耗升高，排放恶化。电喷摩托车采用电喷技术，用电喷系统装置（EFI）取消了化油器装置，采用含有电喷专用软件的微型计算机（ECU）对发动机燃油的供给和点火进行实时智能控制，供油极其精确，使发动机在任何工况任何环境下的空燃比、点火角度随时都能达到最佳，从而使摩托车的油耗降低，排放改善，综合性能大大提高。

分类比较：电喷摩托车大致分为开环式电喷摩托车和闭环式电喷摩托车。

开环式电喷摩托车，起功用不不一定比化油器的好；闭环式的电喷 摩托车，就做得相当到位，其功能和作用跟汽车的基本上一样。闭环式电喷摩托车可以根据消音器里面氧气的含量来调节电喷嘴喷油量，同时也可以根据外界大气压的变化而改变进气压力的压力。现在市面上见得国产的基本都是开环式电喷摩托车。

电喷发动机：摩托车发动机的电喷装置一般是由喷油油路、传感器组和电子控制单元（ECU）三大部分组成的。如果喷射器安装在原来化油器位置上，即整个发动机只有一个汽油喷射点，这就是单点电喷；如果喷射器安装在每个气缸的进气管上，即汽油的喷射是由多个地方（至少每个气缸都有一个喷射点）喷入气缸的，这就是多点电喷。

摩托车开环与闭环优劣：开环就不能算真正意义上的电喷，它介于化油器和电喷之间，相较化油器比较好启动，只有闭环，通过ECU精确供油才叫电喷，能够在不同环境气候做出相应的自动调整，不会出现如高原气候车辆怠速抖动等，早晚摩托会进入全电喷时代

结构部件：ECU：电控单元的英文缩写，其实是一块集成电路板，负责将从各传感器送来的电信号转化为数字信号并用存储在电路板的可读写存储器内的程序处理，再发出控制信号来控制喷油器喷油和高压线圈点火。

喷油器：负责将燃油喷出并雾化的精密部件，一般是装在节气门体的进气管端。

节气门体：相当于化油器的喉管腔，但没有化油器上的其他部件， 但有一个怠速旁通空气通路，当发动机在怠速及低速工况下温度升高后，空气由于受热密度下降而会出现进气量不足的情况，这时靠控制旁通空气通路来补充适量的空气。

节气门位置传感器（TPS）：同节气门阀板连接在一起，当节气门阀板角度变化，开度增大时，传感器内的部件随阀板一起转动。节气门位置传感器实际是一个可变电位器，当它随节气门同步旋转时，就将节气门的转角和转角的速率转换为电压信号送往ECU，此信号主要是代表发动机的负荷情况。

进气温度传感器：用于测量进气温度，本身是一个热敏电阻，温度越高，电阻值越小，从而引起电压变化并送往ECU。

进气流量传感器：用特殊材料制成的进气格栅，并在工作时通电，使其温度一定，当进气量变化时，进气格栅被冷却降温，此时就需要更大的电流来使其温度升到原标准温度，而需要的电流大小同进气量的大小成正比，由此可以测出进气量的大小。

曲轴转角传感器：由脉冲齿圈和磁电线圈组成，脉冲齿圈安装在飞轮上随曲轴一起转动，在转动时磁电线圈感应到脉冲齿圈的信号后变为电压信号并送往ECU。

氧传感器：它主要是将废气中的氧含量信息送给ECU，ECU再根据信号来调整空燃比，使三元催化器效率最高，污染排放最少。氧传感器一般安装在排气歧管中，其电压输出值随废气中氧的浓度变化而变化，ECU根据氧传感器来的电压变化判断空燃比高低，并相应调整喷油量。因此即使发动机由于机件的磨损而引起空燃比变化，氧传感器也可及时反馈给ECU，从而实现发动机最佳空燃比的闭环控制。

工作系统

电喷技术的分类

电喷系统的作用：电喷系统实际上是集成了化油器和点火器的一个系统，在不同工况下给发动机提供适量的燃油

及控制点火时间，保证发动机正常工作。

电喷系统的优点：同化油器供油相比，电喷系统的控制更精确，能在不同工况下实现精确的供油量控制，点火角度可以根据需要任意变化。另外有氧传感器的闭环电喷系统，就算是摩托车经过一段时间的使用，电喷系统也能根据发动机的实际情况进行喷油量的修正，从而能较好的控制排放，并能提高燃油经济性。 电喷系统的分类

有汽油泵的电喷系统：供油原理：点火开关开启后，油箱内的汽油泵通电运转，

电喷摩托车

将油送往喷油器，在油路中有一个燃油压力调节器，将燃油压力稳定后送往喷油器，喷油泵一次喷射完毕剩余的燃油通过回油管流回油箱。

控制信号输入：通过“节气门位置传感器、进气流量传感器、进气温度传感器、发动机温度传感器、曲轴位置传感器、氧传感器”等传感器即时测量的信号送往ECU。

信号处理及输出：ECU（中央控制单元）接收到各传感器的信号后，根据内置的计算程序计算出所需要的喷油量，根据喷油量的多少给喷油器发送一个波长不等的脉冲信号，通过控制喷油油嘴开启时间的长短来达到在不同工况下供应不同量燃油的目的。同时适时给点火线圈提供初级电压，达到点火的目的。无汽油泵的电喷系统： 供油原理：同普通摩托车一样，油箱内的汽油通过重力作用送往喷油器，

电喷摩托车

喷油器喷射完毕后剩余的燃油通过回油管流回油箱。

控制信号输入：通过“节气门位置传感器、进气流量传感器、进气温度传感器、发动机温度传感器、曲轴位置传感器、氧传感器”等传感器即时测量的信号送往ECU。 信号处理及输出：

ECU（中央控制单元）接收到各传感器的信号后，根据内置的计算程序计算出所需要的喷油量，根据喷油量的多少给喷油器发送一个波长不等的脉冲信号，通过控制喷油器内柱塞的作动将燃油加压，当压力超过压力控制阀时，阀门开启，燃油喷出，燃油量也是通过脉冲信号的长短来控制的。信号波长越长，柱塞周围的电磁线圈加电时间也越长，柱塞的运动时间和距离也越长，从而喷油量也越大。 两种电喷系统的比较：

供油方面：FI系统有燃油泵，需要改造油箱，另外额外增加了电力消耗，同时因为是高压供油，对油管等部件要求较高，如要求油管不能有太大的d性，以便保证燃油压力，由于是压力供油，油箱与喷油器的位置不存在高低要求。

DCP系统采用重力供油，油箱不需变更，也不增加电力消耗，油管等部件也无特别要求，但由于是重力供油，油箱出油口的位置一定要高于喷油器，可能在某些车型上布置起来不是很方便。 控制信号输入：在控制信号输入上此两种系统没什么区别。

信号处理及输出：在信号处理及输出上此两种系统也无大的区别，主要是喷油器的结构有所不同，由于DCP系统的喷油器等于集成了FI系统的喷油器和燃油泵，所以结构比较复杂，体积一般也稍大一点。

主要优点

1、燃油供给精确，空燃比易于控制，燃油经济性好；

2、点火采用数字点火模式，在任何工况都在最佳点火时刻点火，燃烧充分、完全； 3、空燃比可控制在λ=1附近脉动，使三效催化器对CO、HC和NOX三种有害气体均有较高的转化效率，排 放性能好；

4、起动性能好，加速、减速等变工况过渡圆滑，驾驶性能好；

5、电喷与化油器摩托车相比，虽然点火更时间准确了，而空燃比变稀了，最终发动机的动力性能与燃油相 当。

电喷系统是通过不同的传感器感知各种工况和环境的变化以及骑乘者的意图，以数字化的精确方式向发动机提供最佳的燃油量和点火提前角。应用于中小排量发动机的不少尝试，长期以来一直存在技术和成本方面的难题。成本方面因为旋转式油泵、调压器、喷油器、以及供电要求等很难解决，技术方面因为进气管压力波动等而喷油精度不高。由FAI喷射单元、ECU、节气门体、点火器、点火线圈、火花塞和各种传感器组成的FAI电喷系统（见图1），成功克服了上述困难。

2、FAI电子控制单元

电子控制单元也叫ECU，是电喷系统的控制大脑，FAI电子控制单元主要由输入回路、A/D转换器、单片计算机CPU和输出回路4部分组成，见图2。从传感器来的信号，首先进入输入回路。在输入回路里，对输入信号进行预处理，一般是去除杂波、整形，再转换成输入电平，对模拟输入信号经过相应的A/D转换器，转换成数字信号后才能输入单片机，而数字信号可直接输入单片机。CPU进行分析计算后将执行指令通过输出回路传递到执行器，执行器包括点火器、FAI喷射单元和FAI指示灯等。CPU如何分析计算是ECU控制软件的核心任务，软件的控制策略集成了FAI电喷系统的所有研发成果。

3、传感器

传感器的功用是采集控制系统所需的信号，并将其转换成电信号通过线路输送给ECU。开环FAI电喷系统采用的传感器有进气温度传感器、缸头温度传感器、转速传感器、节气门位置传感器，而闭环FAI电喷系统再加一个氧传感器。其中：节气门位置传感器用于检测节气门开度大小；转速传感器采用原发动机的点火脉冲发生器，检测发动机的瞬时转速和曲轴相位；缸头温度传感器用于检测发动机缸头温度状态，判断发动机的热状态；进气温度传感器用于采集进气温度信号，修正大气密度的变化；氧传感器实时检测发动机排气中氧气的含量，以动态反馈修正喷油量，使混合气浓度始终处于理论当量比，保证发动机燃烧性能；自学习功能可以保证发动机即使在不能闭环控制（例如起动后的几分钟内，氧传感器温度不够）时，混合气浓度也处于最佳稳定状态，同时不受发动机运行时间、磨损等慢变过程的影响。

4、FAI燃油喷射单元

燃油喷射单元采用浙江飞亚公司拥有自主知识产权的FAI（Fuel Atomized Injection/Free Armature Injection)电磁燃料喷射装置，其喷射能量源于电磁驱动的直线脉冲泵，脉冲电信号（PWM电压波）加给线圈产生的电磁能量，通过电枢和柱塞等脉冲式压缩燃油，产生（1～5）Mpa的瞬态压力，经过喷油雾化喷嘴将燃料雾化喷出。因为FAI喷射单元将汽车电喷系统的“油泵—调压器—喷油嘴”功能高度集成，而驱动PWM波类似，通过调节驱动脉宽，可以调节输入系统的能量，从而准确控制喷油量。正是这个特点，使FAI电喷系统非常简单可靠，尤其适合于摩托车等单缸发动机，可以做到与化油器互换安装。远高于汽车电喷系统（多点喷射）的喷射压力使燃油雾化非常好，也将进气管压力波动对喷油量的影响降为最低。图3为FAI燃油喷射单元原理。

FAI喷射单元只在需要喷油时才消耗电力，与发动机的输出功率成正比，因此与磁电机的发电特性相适应，即在怠速工况耗电功率非常小，而全速全负荷耗电功率最大。以125mL排量的发动机为例，怠速工况耗电功率小于4W，而全速全负荷时耗电量小于35W。这个特点使FAI电喷系统对摩托车的供电系统电量平衡几乎没有影响，设计时基本不用特别考虑。喷油嘴部分采用外开式喷嘴，抗胶结和堵塞能力远高于传统孔式喷嘴，对油品和水都不敏感；故障少，寿命长。燃油通道中产生的燃油蒸气会严重干扰正常供油，因此FAI喷射单元设计了主动抑制燃油蒸气产生并能够产生排除蒸气动力的结构克服这个不利因素。足够流量的回油系统可以带走线圈工作和从动装置运动产生的热量，冷却燃料喷射装置可以减少蒸气和气泡的产生。回油带走的热量和燃油蒸气，在外设的油气分离器中分离，蒸气通过上部的排气泡管排出到燃油箱并放热凝结为液态燃油。这个排气泡系统保证了FAI喷射单元在高温大负荷工况的工作稳定，也保证了摩托车的热车再起动性能。

5、空燃比控制策略

燃油喷射单元安装在进气管上，采用进气道喷射方式，燃油直接喷射到进气阀杆上，ECU中储存有全工况的基本供油MAP（图4为实例），理论上，热车稳态工况下发动机要求供油系统的每个供油点都要落在这个曲面上。基本喷油脉宽采用速度—开度法确定，即由发动机转速和节气门开度来确定，起动期间、暖机过程、大气温度、缸盖温度、节气门变动速度、氧传感器信号等对基本喷油脉宽进行修正。为提高小油门开度的精度，节气门位置传感器在小开度时分辨率较高。ECU确定一个喷油量，然后计算出PWM波的宽度，再驱动燃油单元喷射燃油。供油控制的目标是让每1个工作循环的空燃比都达到所要求的值，例如稳态常用工况的目标空燃比较理论空燃比稍大一点，以得到最低的燃油消耗率和CO排放，而节气门全开工况则要求空燃比达到最大转矩空燃比（比理论空燃比浓10％～15％），以保证发动机的动力性能（超越加速能力）。另外在油门突然加大时，采用数字加速油泵技术，保证发动机对油门的快速响应，因为采用了基于物理模型的数字控制技术，数字加速油泵的加速增油量在保证加速响应敏捷的同时，也不会过多供油，可以同时实现低油耗和强动力。

发动机减速行驶过程中，ECU可判断当前工况，控制喷油单元断油，从而更进一步实现节油。另外ECU程序中还包含了磨合程序以及发动机运行时间修正，保证了发动机的长期稳定性。对于反馈控制的闭环系统，稳态工况都将空燃比控制在接近于理论空燃比，配合催化转换器的使用可以使排放进一步降低，很容易达到欧Ⅲ排放法规的要求。闭环系统不仅为催化剂转换器的高效长寿命工作提供了保障，而且可以更为准确、实时让ECU自学习发动机及电喷系统的变化，保证发动机长期稳定工作，另外也使车辆的一致性得到可靠保障。

6、点火控制策略

FAI点火系统由蓄电池、ECU、磁电机、无进角直流点火器、点火线圈、火花塞等组成。

FAI电喷系统采用的是ECU-CDI点火系统，采用无进角直流点火器，点火器无点火提前角调节功能，点火提前角由ECU根据发动机转速和节气门开度确定。ECU中储存有点火MAP，图5为一个实例，可见ECU-CDI是彻底的数字CDI，它控制的点火提前角不仅随发动机转速而变，而且随油门大小而变。因此可以同时实现节油和低排放，即在排放测量的主要工况点以NOx排放为目标设计点火提前角，而其他工况以最低油耗为目标设计点火提前角。

另外，在起动期间，为保护发动机，短时间内通过控制点火提前角控制发动机转速，防止机油还没有正常循环时发动机转速过高而加快磨损。再有，怠速时为减小冷热车的怠速转速差异过大，可以提高点火提前角反馈控制怠速转速