第1章发动机电控系统概述课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1章 发动机电控系统概述,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,第1章 发动机电控系统概述1.1 发动机电控系统发展历史、现,1,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,1952年，德国戴姆勒奔驰300 L型赛车装用了博世公司(Bosch)生产的第一台机械式汽油喷射装置，它采用气动式混合气调节器控制空燃比，向气缸内直接喷射。1958年，德国Mercedes-Bens 220S型轿车装备了博世公司和Kugerfische:公司共同研制和生产的带油量分配器的进气管汽油喷射装置。20世纪60年代以前，车用汽油喷射装置大多数采用机械式柱塞喷射泵，其结构和工作原理与柴油机喷油泵十分相似，控制功能也是借助于机械装置实现的，结构复杂，价格昂贵，发展缓慢，技术上无重大突破，应用范围一也仅仅局限于赛车和为数不多的追求高速和大功率的豪华型轿车。,下一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势1952年，德,2,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,在车用汽油发动机领域内化油器仍占有绝对优势。1967年，博世公司研制成功K-Jetronic机械式汽油喷射系统，由电动汽油泵提供0.36 MPa低压汽油，经汽油分配器输往各缸进气管上的机械式喷油器，向进气日连续喷射，用挡流板式空气流量计操纵油量分配器中的计量槽来控制空燃比。后来，该喷射系统经改进，发展成为机电结合式的KE-Jetronic汽油喷射系统(在K-Jetronic系统的油量分配器上增设一只电液式压差调节器)。1967年，博世公司开始批量生产用进气管绝对压力控制空燃比的D-Jetronic模拟式电子控制汽油喷射系统。1973年经改进发展成为L-Jetronic电控汽油喷射系统，用叶片式空气流量计直接测进气空气体积流量来控制空燃比，比用进气管绝对压力间接控制的方式精度高，稳定性好。,上一页,下一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势在车用汽油发动,3,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,1981年，L-Jetronic系统又进一步改进发展成为LH-Jetronic系统，用新颖的热线式空气流量计代替机械式空气流量计，可直接测出进气空气的质量流量，无须附加专门装置来补偿大气压力和温度变化的影响，并且进气阻力小，加速响应快。,1979年，博世公司开始生产集电子点火和电控汽油喷射于一体的Motronic数字式发动机集中控制系统。与此同时，美国和日本各大汽车公司一也竞相研制成功与各自车型配套的数字式发动机集中控制系统，例如，美国通用汽车公司(General Motors Corporation,GM)DEIi,I系统、福特汽车公司(li,ord)EEC-III系统，以及日本日产汽车公司ECCS系统、丰田汽车公司TCCS系统等。这些系统能够对空燃比、点火时刻、怠速转速和废气再循环等多方面进行综合控制，控制精度愈来愈高，控制功能一也日趋完善。,上一页,下一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势1981年，L,4,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火花点火发动机上被)一泛使用，它的最大优点是可以使用三效催化器来降低C0,HC和NOx等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性，为了提高发动机的热效率和降低废气排放，燃烧技术在不断地发展。汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化，汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。,日前最有代表性的三大汽油机技术是:,上一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势由于汽油机的燃,5,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,1.汽油直喷技术,开发车用具有汽油机优点，同时具有柴油机部分负荷高燃油经济性优点的发动机是主要的研究日标。汽油缸内直喷是提高汽油机燃油经济性的重要手段，近些年来，以缸内直喷汽油机(Gasoline Direct Injection,GDI)为代表的新型混合气形成模式的研究和应用，极大地提高了汽油机的燃油经济性。以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题，同时以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。,2.发动机可变气门正时技术,发动机可变气门正时技术(Variable Valve Tithing,VVT)是针对在常规车用发动机中，因气门定时固定不变而导致发动机某些重要性能在整个运行范围内不能很好的满足需要而提出的。VVT技术在发动机运行工况范围内提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了排放性能。,上一页,下一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势1.汽油直喷技,6,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,随着环境保护和人类可持续发展的要求提高，低能耗和低污染已成为汽车发动机的发展日标。VVT技术由于自身的优点，日益受到人们重视，尤其是当今电子技术的飞速发展，促进了VVT技术从研究阶段向实用阶段的发展。电动气门具有与电控喷射同等重要的意义，它将给发动机空气系统控制和循环过程管理带来一系列技术变革，如取消节气门、可变压缩比、部分停缸等。,3.燃烧方式的混合,传统的火花点火发动机的燃烧过程在火焰传播中，火焰前锋的温度比未燃混合气高很多。所以这种燃烧过程虽然混合气是均匀的，但是温度分布仍不均匀，局部的高温会导致在火焰经过的区域形成N0 x柴油机的燃烧过程是扩散型的，燃烧过程中燃烧速率由混合速率决定，点火在许多点发生，这种类型的燃烧过程混合和燃烧都是不均匀的，NOx、在燃烧较稀的高温区产生，固体微粒在燃料较浓的高温区产生。,上一页,下一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势随着环境保护和,7,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势,在均质充量压缩(HomogeneousChargeCompressionIgnition,HCCI)过程中，理论上是均匀的混合气和残余气体，在整个混合气体中由压缩点燃，燃烧是自发的、均匀的，并且没有火焰传播，这样可以阻止NOx和微粒的形成。这种汽油机均质与柴油机压燃混合的燃烧方式，以燃料技术和控制技术为基础，综合汽油机和柴油机两种燃烧方式优点的均质压燃HCCI内燃机技术正在兴起。,上一页,返回,1.1 发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势在均质充量压缩,8,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统,1.2.1 电控燃油喷射系统(EFI),电控燃油喷射系统根据进气量确定基本喷油量，再根据其他传感器(如冷却液温度传感器、节气门位置传感器等)信号等对喷油量进行修正，使发动机在各种运行工况下均能获得最佳浓度的混合气，从而提高发动机的动力性、经济性和排放性。,1.2.2 电控点火系统(ESA),电控点火系统可进行点火提前角的控制。根据各相关传感器信号，判断发动机的运行工况和运行条件，选择最理想的点火提前角点燃混合气，从而改善发动机的燃烧过程，以实现提高发动机动力性、经济性和降低排放污染的日的。,下一页,返回,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统1.2.1 电控燃油,9,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统,1.2.3 怠速控制系统(ISC),怠速控制系统的功用是在发动机怠速工况下，根据发动机冷却液温度、空调压缩机是否工作、变速器是否挂人挡位等，通过怠速控制阀对发动机的进气量进行控制，使发动机随时以最佳怠速转速运转。,1.2.4 排放控制系统,排放控制系统主要是对发动机排放控制装置的工作实行电子控制。排放控制的项日主要包括:废气再循环(EGR)控制，活性炭罐电磁阀控制，氧传感器和空燃比闭环控制，二次空气喷射控制等。,1.2.5 进气控制系统,进气控制系统主要是根据发动机转速和负荷的变化，对发动机的进气进行控制，以提高发动机的充气效率，从而改善发动机动力性。,上一页,下一页,返回,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统1.2.3 怠速控制,10,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统,1.2.6 增压控制系统,增压控制系统是对发动机进气增压装置的工作进行控制。在装有废气涡轮增压装置的汽车上，电子控制单元(ECU)根据检测到的进气管压力，对增压装置进行控制，从而控制增压装置对进气增压的强度。,1.2.7 巡航控制系统,巡航控制系统设定巡航控制模式后，ECU根据汽车运行工况和运行环境信息，自动控制发动机工作，使汽车自动维持一定车速行驶。,1.2.8 警告提示,由ECU控制各种指示和报警装置，一旦控制系统出现故障，该系统能及时发出信号以警告提示。,上一页,下一页,返回,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统1.2.6 增压控制,11,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统,1.2.9 自诊断与报警系统,自诊断与报警系统用来提示驾驶员发动机有故障;同时，系统将故障信息以设定的数码(故障码)形式储存在存储器中，以便帮助维修人员确定故障类型和范围。,1.2.10 失效保护系统,失效保护系统主要是当传感器或传感器线路发生故障时，控制系统自动按电脑中预先设定的参考信号值工作，以便发动机能继续运转。,1.2.11 应急备用系统,应急备用系统是当控制系统电脑发生故障时，自动启用备用系统(备用集成电路)，按设定的信号控制发动机进人强制运转状态，以防车辆停驶在路途中。,上一页,返回,1.2 应用在汽车发动机上的电子控制系统1.2.9 自诊断与,12,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成,任何一种电子控制系统，其主要组成都可分为信号输人装置、电子控制单元(ECU)和执行元件三部分。,1.3.1 信号输入装置,各种传感器，用于采集控制系统所需的信息，并将其转换成电信号通过线路输送给ECU。,常用传感器类型及功用如下:,空气流量计MAFS:测量发动机的进气量，将信号输人ECU。,进气管绝对压力传感器MAPS:测量进气管内气体的绝对压力，将信号输人ECU。,节气门位置传感器TPS:检测节气门的开度及开度变化，将信号输人ECU。,下一页,返回,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成任何一种电子控制系统，其,13,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成,凸轮轴位置传感器CMPS:提供曲轴转角基准位置信号。,曲轴位置传感器CKPS:检测曲轴转角位移，给ECU提供发动机转速信号和曲轴转角信号。,进气温度传感器IATS:检测进气温度信号。,冷却液温度传感器ECTS:给ECU提供冷却液温度信号。,车速传感器VSS:检测汽车的行驶速度，给ECU提供车速信号(SPD信号)。,氧传感器OZS:检测排气中的氧含量。,爆燃传感器KS:检测汽油机是否爆燃及爆燃强度。,空调开关A/C:当空调开关打开，空调压缩机工作，发动机负荷加大时，由空调开关向ECU输人信号。,上一页,下一页,返回,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成凸轮轴位置传感器CMPS,14,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成,挡位开关:自动变速器由空挡挂人其他挡时，向ECU输人信号。,起动开关STA:发动机起动时，给ECU提供一个起动信号。,制动灯开关:制动时，向ECU提供制动信号。,动力转向开关:当方向盘由中间位置向左右转动时，由于动力转向油泵工作而使发动机负荷加大，此时向ECU输人信号。,巡航控制开关:当进人巡航控制状态时，向ECU输人巡航控制状态信号。,1.3.2 电子控制单元(ECU),给传感器提供参考电压，接受传感器或其他装置输人的电信号，并对所接受的信号进行存储、计算和分析处理，根据计算和分析的结果向执行元件发出指令。,上一页,下一页,返回,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成挡位开关:自动变速器由空,15,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成,1.3.3 执行元件,受ECU控制，具体执行某项控制功能的装置。,常用的执行元件有:喷油器、点火器、怠速控制阀、EGR阀、炭罐电磁阀、油泵继电器、节气门控制电机、二次空气喷射阀、仪表显示器等。,上一页,返回,1.3 汽车发动机电控系统的基本组成1.3.3 执行元件上一,16,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,CAN总线又称作汽车总线，其全称为“控制器局域网(CAN-Controller Area Network)o CAN总线是一种现场总线(区别于办公室总线)，是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块(ECU)之间的数据交换问题而开发的一种串行通信协议。CAN总线的设计充分考虑了汽车上恶劣的工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大反冲电压，汽车发动机室100左右的高温。正是由于CAN总线的出色表现，使其在诸多现场总线中独占鳌头，成为汽车总线的代名词。,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介CAN总线又称,17,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、车4向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS的发展，以3G(CPS,GIS和GSM)为代表的新型电子通信产品的出现，对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。,从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2 000米，电气节点达1 500个，而且，根据统计，该数字大约每十年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。,上一页,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介随着车用电气设,18,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。从信息共享角度分析，现代典型的控制单元有电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统(AB匀、防滑控制系统(ASR)、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于优先竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。,早在20世纪80年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如博世的CAN,SAE的J1850、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN,IS()的VAN等。,上一页,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介无论从材料成本,19,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,日前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系统的车辆中，完全引进技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特BS,BORA,POLO,FIAT PALIO和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术。此外，部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。,CAN总线技术优点如下:,(1)数据共享减少了数据的重复处理。比如，对于具有CAN总线接u的电喷发动机，可省去额外的水温、油压、油温传感器。空气悬架、门控制及巡航定速控制都用到车速数据，这些电器都有一套车速处理电路。而采用CAN技术后，人们从总线上即可获得车速数据。,上一页,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介日前，国外的汽,20,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,(2)减少车身布线。由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外，其他所有横贯车身的线都不需要了。另外，数据共享一也节省了线路，还拿车速信号来说，在没有总线的情况下，车速信号要接到空气悬架、门控制及电喷发动机上。有了总线后只要接到一处，其他电器可通过总线共享。,(3)具有错误诊断能力和自动恢复能力，节省了生产维护成本。比如通过配合CAM 1.0(CAN分析模块)对总线系统进行错误诊断，如传感器的故障诊断、车灯的故障诊断、各个模块的错误诊断以及线路连接间的错误诊断等。对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复。而非总线车辆，一旦出现故障，第一，要依赖人工;第二，往往需要对复杂线束依次测量;第三，需要对相关电器依次测定，整个过程非常费工时。,上一页,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介(2)减少车身,21,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,(4)扩充性强，产品升级快，节省了新产品开发设计成本。CAN节点几乎可以在不改动原有线束的情况下增加新的组件。,(5)数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。由于VITI-CAN系统采用的是模块化管理，各模块按其功能分散的摆放在车内，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了藕合电流的产生，减小了线间干扰。同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力。,(6)CAN总线专为汽车量身定做，可靠性有保障。,(7)酉己置参数十分灵活，可以通过CAN总线分析软件进行设置。如开关量可以根据厂家需求设置其门限及控制极性(正负控)，模拟量可根据厂家提供的传感器阻值曲线，通过软件灵活配置。,上一页,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介(4)扩充性强,22,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,CAN总线的通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维。通信距离与波特率有关，最大通信距离可达10 ktn,最大通信波特率可达1 tnh/so CAN总线仲裁采用11位标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及)一播通信的特点。,CAN总线上任意节点可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通信。,上一页,下一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介CAN总线的通,23,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介,日前CAN-BUS总线在车上的应用越来越普及，不仅仅局限于高挡车，像波罗、宝来、帕萨特等中低档车一也越来越多的配备了CAN-BUS总线。汽车上的CAN-BUS总线一般有三种，高速的动力驱动系统(速率可达到500 hit/*以上)主要连接对象包括发动机ECU,ABSECU,SRSECU、组合仪表等，低速的CAN总线则用于车身舒适系统(速率100 hit/s)，连接对象有集控锁、电动门窗、后视镜、厢内照明灯等，另外可能还会有用于卫星导航的智能通信系统。,上一页,返回,1.4 汽车车载网络系统(CAN-BUS)简介日前CAN-B,24,