第三讲汽车电子控制系统第二章发动机电子控制系统课件

第三讲汽车电子控制系统第二章 发动机电子控制系统发动机的电子控制是汽车发展的必然发动机电子控制系统的发展发动机电子控制（电控汽油喷射与电控点火）的迅猛发展并得到广泛应用，主要是因为：1）燃油经济性的要求；2）排放法规的现实需要；电子控制汽油喷射（EFI）装置电子控制汽油喷射（Electronic Fuel Injection缩写为EFI）装置与传统的化油器式供油系统相比具有以下优点：1）能提高发动机的比功率；2）耗油量低，燃油经济性好；3）能有效控制排放污染；4）在低速时仍可以输出较大扭矩；5）汽车的加速性能好；6）体积小、无机械驱动、安装方便、便于布置。第一节 电子控制汽油喷射的基本原理电子控制汽油喷射示意图一、传感器的种类及功用序号输入装置或信号功用1空气流量计(L型)计量发动机吸入的空气量，将信号输入ECU，为喷油和点火控制的主控制信号2进气歧管绝对压力传感器MAP(D型)测量进气歧管绝对压力，将信号输入ECU，为喷油和点火控制的主控制信号3转速和曲轴位置传感器检测曲轴转角（转速）信号，作为喷油和点火控制的主控制信号4凸轮轴位置传感 器检测凸轮轴转角（转速）信号，作为喷油和点火控制的主控制信号5 上止点位置传感器检测一缸上止点位置信号，点火控制的主信号，6 缸序判别传感器提供各缸的工作顺序信号，点火主控信号7 冷却水温度传感器检测发动机冷却水温度，喷油和点火正时的修正信号，其他控制系统的信号8 进气温度传感器检测进气温度，喷油和点火正时的修正信号9 节气门位置传感器检测节气门开度状态（怠速，全开及节气门的速率），喷油及其他控制系统，如EGR、开闭环控制等10 氧传感器检测排气中氧的含量，喷油量的闭环控制11 爆震传感器提供工作的爆震信号，点火控制信号12大气压力传感器检测大气压力，喷油和点火正时的修正信号13 车速传感器检测车速，控制发动机转速，实现超速断油控制14 起动信号起动信号，喷油和点火正时的修正信号15发电机负荷信号检测发电机的工作状态，喷油和点火修正控制信号16 空调作用信号提供空调工作的信号，喷油和点火修正控制信号17档位开关信号和空档位置信号档位开关信号和空档位置信号，防止不在P/N档时起动发动机18蓄电池电压信号提供蓄电池电压信号，喷油的修正控制信号，以补偿电压过低所带来的影响19离合器开关信号提供离合器工作的状态信号，喷油和点火正时的修正信号20制动开关信号检测制动装置的工作状态，喷油量和点火正时、自动变速器的控制信号21 动力转向开关信号动力转向装置工作时，喷油量和点火更正时修正控制信号22EGR阀位置传感器向ECU提供EGR阀的位置，实现废气再循环的控制23巡航（定速）控制开关信号提供巡航控制工作状态，由ECU对车速进行自动控制二、电子控制单元（ECU）电子控制单元（ECU）具备功能（1）接受传感器或其他装置输入的信息，给传感器提供参考（基准）电压，将输入的信号转变为ECU能接受的信号（2）存储、计算、分析处理信息（3）运算分析对比（4）输出执行命令（5）自诊断与自适应功能三、执行器执行器就是受ECU控制，具体执行某项控制功能的装置种类如下：(1)电磁式喷油器；(2)点火控制器(点火模块)；(3)怠速控制阀、怠速控制电机；(4)EGR阀；(5)进气控制阀；(6)二次喷射阀(7)活性炭罐排泄电磁阀；(8)车速控制电磁阀；(9)汽油泵继电器；(10)冷却风扇继电器；(11)空调压缩机继电器；(12)AT档位电磁阀；(13)增压器释压电磁阀；(14)自诊断显示报警装置；(15)故障备用程序起动；(16)仪表显示器电控燃油喷射（EFI）电控点火装置（ESA）怠速控制（ISC）排放控制进气控制增压控制警告提示自诊断备用功能与失效保护发动机电子控制发动机电子控制示意图传感器A ECU电子控制单元传感器B喷油器KS爆震传感器点火模块HO2S氧传感器点火时间反馈控制喷油量反馈控制第二节 车用电控汽油喷射系统的理论基础电控汽油喷射系统的理论基础包括：1）汽油机对燃油供给系的要求；2）汽油机对点火正时的要求；3）汽油机排放及其控制；4）汽油喷射发动机的控制理论一、汽油机对燃油供给系的要求1、混合气成分 混合气中空气与燃油的比例（质量比），称为空燃比（A/F）。1kg的汽油完全燃烧需要14.9kg的空气，因此最佳的空燃比应为14.9（也称为理论空燃比）。1kg 14.9kg混合气的形成理想供油特性曲线化油器只能近似地实现，汽油喷射系统中可以由计算机精确地控制2、混合气的混合状态理想的混合气应是燃料蒸气和空气均匀混合。实际上燃料并不一定完全以蒸气状态混合，而很可能以油雾（细小油粒）、油滴（大油粒），甚至以油膜状态存在。燃油供给系应尽可能使燃料以蒸气的形式与空气均匀混合。3、混合气的分配 混合气的分配是指气缸内的各个区域（单缸机）以及进入各个气缸的混合气的数量、混合气的浓度及混合气中所含燃料的组成成分等的分布（多缸机）。二、汽油机对点火提前角的要求点火提前角即火花塞发出电火花到上止点所对应的曲轴转角。点火提前角的影响因素1）发动机转速。转速越大，点火提前角越大。2）发动机负荷。负荷越大，点火提前角越小。3）燃料性质。辛烷值越高，点火提前角越大。4）燃烧状况。产生爆震，点火提前角应减小。5）其他次要因素：起动、怠速、进气温度、进气压力、发动机温度等三、汽油机排放及其控制1、汽油机的排放物汽油机的排放主要有：1）CO（一氧化碳）：因为不完全燃烧。2）HC（碳氢化合物）：燃料或没完全燃烧的物质被分解、氧化而成。3）NOx（氮氧化合物）：空气中的氮和氧在高温下发生反应的产物。4）SO2（二氧化硫）：汽油中的硫与氧气发生反应的产物。5）微粒、臭气等。汽油不完全燃烧、汽油的杂质燃烧的产物。汽车污染气体的来源 2、影响排气污染物的主要因素1）混合气成分CO、HC和NO排放浓度与过量空气系数的关系2）点火时间点火时间对排放的影响3）运行工况不同运行工况对排气成分的影响排气成分怠速工况加速工况定速工况减速工况HC/ppm（以正已烷计算）8003000100005403008004852505505000300012000NOX/ppm（以NO2计算）2310501543100040001270100030006550CO/%CO2/%4.910.21.812.11712.43.46.04）燃烧温度NO排放浓度与燃烧温度的关系3、汽油机排出有害物的机外处理汽油机排出有害物的机外处理方法有以下三种：1）催化反应器。废气通过催化反应器时，有催化剂的作用下，使有害的CO、HC、NOX在较低的温度下，很快进行化学反应，转化为无害的CO2、H2O和N2。常用的为三元催化转化装置TWCC（Three Way Catalytic Converter）。但TWCC只在过量空气系数为1左右时才能发挥最佳效能，还需要其他装置配合。2）废气再循环EGR(Exhaust Gas Recirculation)废气再循环就是将一部分排出的废气（5%20%）再次引入进气管到气缸进行燃烧，这对于降低氮氧化合物是有利的。引入的废气量应根据转速和负荷进行调整，在电控汽油喷射系统中只需要根据传感器的信号，由ECU控制电磁阀即可达到目的。EGR系统管路及线路图（TOYOTA）3）防止汽油蒸发汽油机中气缸中经曲轴箱排到大气中的HC占其总量的20%25%，经油箱和化油器蒸发的HC占总量的20%。防止汽油蒸发的措施有曲轴箱通风及过滤吸附。曲轴箱通风示意图汽油蒸发汽控制（GM）四、汽油喷射发动机的控制理论电控发动机的控制主要包括以下两个方面：1）喷油量的控制2）点火时间（点火正时）的控制1、喷油量的控制电脑控制喷油量 基本喷油量的确定增浓校正喷油量的确定2、点火正时的控制基本点火时间的确定电控点火原理图第三节 电控汽油喷射系统的组成、构造及功能一、电控汽油喷射系统的种类 按喷油器在进气管道中安装部位来分，有单点喷射系统和多点喷射系统单点喷射系统多点喷射系统单点喷射是将喷射器设在节气门上方，只能改善在节气门处的雾化以及加热管壁温度提高燃油的蒸发程度，但难以保证节气门后至进气门的一段管壁上不形成油膜或油滴，因此进气歧管的结构对混合气的输送和分配有重大影响，而且难以实现在所有工况下都能保持理想的混合气分配；多点喷射是将喷射器设在每个气缸进气门处，燃油在热的进气门上进一步蒸发与空气充分混合后立即通过进气门进入燃烧室，不受到进气歧管结构的影响，可以保证均匀一致的混合气分配。按对空气量的检测方式不同来分，可分为D型汽油喷射系统和L型汽油喷射系统D型汽油喷射系统框图D型汽油喷射系统即为歧管压力计式电控汽油喷射系统，即将歧管绝对压力和转速信号输送到电子控制单元ECU，由ECU计算出充气量，再产生与之相对应的喷油脉冲，控制喷油器喷射适量的燃油。L型汽油喷射系统由空气流量传感器直接测量进气歧管的空气量，并将该物理量转变为电信号输送到ECU，由ECU计算出与该空气量相适应的喷油量，以控制混合气空燃比在最佳值。L型比D型汽油喷射系统的控制精度高。L型汽油喷射系统框图二、电控汽油喷射系统的组成电控汽油喷射系统的组成包括进气系统、燃油系统和电子控制系统（喷油控制系统、点火控制系统、故障诊断与故障应急系统）空气流动 路径汽油流动 路径电控燃油喷射系统三大系统的组成1、燃油供给系统燃油供给系统示意图汽油流动路线2、进气系统进气系统示意图进气流动路线3、电子控制系统电子控制系统控制示意图燃料箱燃料箱燃料泵燃料泵燃料滤清燃料滤清器器缓冲器缓冲器冷起动喷油嘴冷起动喷油嘴燃料压力调节器燃料压力调节器喷油嘴喷油嘴分配管分配管吸入空气吸入空气三、燃油供给系统部件的结构 燃料装置燃料装置 (Fuel System)燃燃料料箱箱燃料泵燃料泵燃料滤清器燃料滤清器压力调节器压力调节器 进气岐管进气岐管进气总管喷射喷射喷射喷射喷油嘴喷油嘴 冷起动冷起动 喷油嘴喷油嘴燃油供给系统主要由燃油箱、电动燃油泵、汽油滤清器、燃油压力调节器、压力脉动衰减器、喷油器（冷起动喷油器）等。1、电动燃油泵（Fuel Pump简FP）电动燃油泵分为内装式和外装式两种，现多采用内装式（即安装在燃油箱内），其优点是节约空间并简化了燃油系统管路。汽油泵的安装位置 2、燃油压力调节器(Pressure Regulator简PR)燃油压力调节器安装在喷油器输油管的前端，其作用是保持燃油压力和进气真空度之间的压力差为恒定值，通常为250kPa。燃油压力调节器结构图3、压力脉动衰减器(Fuel Damper简FD)压力脉动衰减器安装在输油管燃油的入口处，其作用是使由于喷油而造成的输油管内的燃油压力脉动衰减，降低噪声，提高喷油量的精确度。压力脉动衰减器4、喷油器（Fuel Injector简FI）喷油器通常安装在进气门前方（见下图）。5、冷起动喷油器与热时间开关冷起动喷油器是为改善发动机低温起动性能而设置的，在发动机冷态或起动时，提供较浓的混合气。6、汽油滤清器汽油滤清器用于过滤汽油中的杂质。7、燃油箱和输油管四、进气系统主要部件结构进气系统的作用是为发动机提供适量的新鲜空气。主要由空气滤清器、进气管、节气门体及节气门位置传感器、进气歧管等组成。1、空气流量传感器（Mass Air Flow Sensor简MAFS）空气流量传感器用以测量入口处吸入的空气量测量入口处吸入的空气量。该参数作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。目前常见的空气流量传感器形式有以下几种：1）叶片式空气流量传感器2）热线式空气流量传感器3）热膜式空气流量传感器热膜式空气流量传感器4）卡门涡旋式空气流量传感器几种型式的空气流量传感器的比较项目热膜式热线式叶片式卡门涡旋式响应特性良良差良怠速稳定性良良良良废气再循环适应性良良良良发动机性能随时间的变化优优优优海拔高度修正不用不用需要需要进气温度修正不用不用需要需要安装方便性良良良良成本优良良良空气流量传感器在车上的安装位置叶片式空气流量传感器控制汽油泵工作的开关原理热线式空气流量传感器热线式空气流量传感器 (Hot-Wire Air Flow Sensor)热线式空气流量传感器比叶片式空气流量计热线式空气流量传感器比叶片式空气流量计 有以下优点有以下优点.1.可以准确测量空气量可以准确测量空气量.2.响应性快响应性快.3.无高度变化的误差无高度变化的误差.4.无进气温度变化的误差无进气温度变化的误差.5.无机械工作部位无机械工作部位.6.设计简单设计简单.热线式空气流量传感器热线式空气流量传感器 (Hot-Wire Air Flow Sensor)取样管取样管白金热线白金热线温度补偿电阻温度补偿电阻空气流空气流控制线路板控制线路板电连接器电连接器惠斯顿电桥 电压信号的产生 3）卡门涡旋式空气流量传感器超声波式卡门涡旋式空气流量传感器卡门涡旋式空气流量传感器是利用卡门涡流理论来测量空气流量的。根据卡门涡流理论，当空气流经进气道正中间的一个流线形或三角形立柱时，有立柱后方的气流中会产生一列不对称却十分有规则的空气旋涡，这个旋涡行列是紊乱地依次沿气流流动方向向后移动，其移动的速度与空气流速成正比。因此，在单位时间内通过立柱后方某点的旋涡数旋涡数旋涡数旋涡数量与空气流速成正比量与空气流速成正比量与空气流速成正比量与空气流速成正比，即通过测量单位时间内旋涡的数量就可计算出空气流速和流量。测量单位时间内旋涡数量的方法有两种：一种是在卡涡旋式空气流量传感器后半部的两侧设置一对超声波发生器和接收器；另一种是在空气流量传感器内设置一对发光二极管和光敏三极管。进气歧管绝对压力传感器MAPS(Manifold Absolute Pressure Sensor)安装在节气门后面进气歧管中，以测定进气歧管的绝对压测定进气歧管的绝对压力（真空度）力（真空度），该压力值随节气门开度而变化，反映了发动机负荷的大小。作为D型电控燃油喷射系统喷油量的信号。进气岐管绝对压力传感器进气岐管绝对压力传感器 (Manifold Absolute Pressure Sensor)进气温度传感器IATS(Intake Air Temperature Sensor)由于空气的流量（质量）与空气的温度（空气的密度）有关，因此在电控燃油喷射系统中设置空气流量传感器，检测空气温度检测空气温度，作为对空气流量的修正修正。进气温度传感器采用的是负温度系数的热敏电阻负温度系数的热敏电阻式，其结构与输出特性见下图。五、燃油喷射控制系统主要部件结构燃油喷射系统主要由各类传感器传感器（包括进气系统的传感器）、电子控制单元（电子控制单元（ECUECU）及执行元件（喷油器）组成。传感器电子控制单元ECU执行元件1、曲轴位置传感器CKPS(Crankshaft Position Sensor)2、凸轮轴位置传感器CMPS(Camshaft Position Sensor)曲轴位置传感器或凸轮轴位置传感器用来监视发动机转速、活塞位置，作为控制喷油与点火的主控信号。目前广泛使用的形式有光电式光电式、磁电式磁电式（磁脉冲式或发电式）和霍尔式霍尔式等三种。3、水温传感器ECTS（Engine Coolant Temperature Sensor）水温传感器用来监视发动机冷却水温度，现广泛采用负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻。水温传感器的安装位置水温传感器水温传感器电阻输出特性4、电子控制单元ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元ECU是发动机电控系统的核心。它所具备的基本功能如下：1）接受接受传感器或其他装置输入输入的信息，给传感器提供参考电压。2）存储、计算、分析处理存储、计算、分析处理信息；计算输出值所用的程序；存储该车型的特征参数；存储运算中的数据（随存随取）、存储故障信息。3）运算分析运算分析。4）输出输出执行命令。5）自我修正自我修正功能（自适应功能或自学习功能）。ECU不仅用来控制燃油喷射系统，同时还具有点火提前角控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、自诊断、失效保护和备用控制系统等多项控制功能。电子控制单元主要由输入回路、模/数（A/D）转换器、微机、输出回路等组成。六、点火控制系统点火控制系统的功能是就是在发动机最佳的在发动机最佳的曲轴转角位置时使火花塞发出有足够能量的曲轴转角位置时使火花塞发出有足够能量的电火花，可靠点燃可燃混合气电火花，可靠点燃可燃混合气。对点火系统的控制主要是两个方面：一是点火时刻点火时刻；另一就是火花能量火花能量。点火时刻点火时刻的主要决定因素有发动机转速和负荷，其次还有冷却水温度、进气温度、节气门位置等；火花能量火花能量取决于点火线圈初级电流的大小（电感储能式）。EFI系统中点火控制系统有不同的类型按控制方式分类按控制方式可分为开环控制开环控制OLCOLC(Open Loop Control)的闭环控制闭环控制CLCCLC(Close Loop Control)两种1）开环控制OLC(Open Loop Control)是按预定的最佳方案（使发动机经济性、动力性、排放达最佳水平，即按点火提前角脉谱图进行）对点火系统进行的控制。开环控制将点火提前角脉谱图以数据形式储存在ROM中，在发动机运转过程中，根据各传感器输送的实际运行参数的变化，随时读取相应的点火提前角，保证在不同工况下发动机的最佳性能。