汽车电气技术(XXXX)8

汽车电气技术（8）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（秋）第八章发动机综合控制系统发动机电子控制系统的主要控制功能是控制燃料喷射，因此又将其称为发动机电子控制燃料喷射系统。目前，按发动机所用燃料可分为电控汽油喷射系统、电控柴油喷射系统和气体燃料发动机控制系统。电控汽油喷射系统的主要功用是对燃油喷射和点火进行控制。除此之外，还控制发动机的起动、怠速转速、空燃比、爆燃、减速断油、燃油蒸发、废气再循环、发动机输出电压、电动燃油泵等，具有系统自诊断等辅助功能。电控柴油喷射系统对喷油量、喷油时间、喷油压力、喷油率进行控制，同时，也进行变速器控制、EGR控制、进气量控制等，还具有故障自诊断、故障应急处理、数据通信等功能。气体燃料发动机的控制包括双燃料发动机控制、单燃料发动机控制和两用燃料发动机控制。第八章发动机综合控制系统第一节电控汽油喷射系统的分类与传统化油器式发动机相比，装用电控汽油喷射系统的发动机具有下列优点：1)提高了发动机的充气效率，从而增加了发动机的输出功率和转矩。2)因进气温度较低而使爆燃得到有效控制，因而可采用较高的压缩比。3)由于采用高能点火装置，因此发动机可燃用稀薄混合气。4)提高了发动机的冷起动性和加速性。5)可对混合气成分和点火提前角进行精确地控制，使发动机在任何工况下都处于最佳的工作状态，尤其是对过渡工况的动态控制，更是传统化油器式发动机所无法做到的。6)采用多点汽油喷射系统可使发动机各缸混合气分配更加均匀。7)可节省燃油并减少废气中的有害成分，因为在市区行驶的一些工况中（例如汽车制动、向前滑行、下坡等），可完全切断燃油供应。电控汽油喷射系统可按喷射位置、控制方式、喷射方式、空气流量测量方式和有无反馈信号等进行分类。1．按喷油器的喷射位置分类根据汽油的喷射位置，汽油喷射系统可分为两大类：缸内喷射和进气管喷射。(1)缸内喷射缸内喷射是将喷油器安装在气缸盖上直接向缸内喷油。因此，要求喷油器阀体能承受燃气产生的高温高压，另外气缸盖在结构设计上需保留喷油器的安装位置，它是燃油喷射技术的发展趋势之一。(2)进气管喷射进气管喷射是将喷油器安装在进气总管或者进气支管上，汽油由喷油器喷入进气总管（或进气支管的进气门前）。进气管喷射按喷油器的安装部位又可分为单点喷射和多点喷射，如图8-1所示。1)单点喷射(SPI)在节气门体上只装1-2只喷油器，向进气总管内喷油，形成可燃混合气。图8-1单点喷射和多点汽油喷射系统示意图a）电控单点喷射系统b）电控多点喷射系统1-发动机2-进气支管3-燃油入口4-空气入口5-喷油器6-节气门这种喷射系统因喷油器位于节气门体上集中喷射，故又称为节气门体喷射或集中喷射，也称中央燃油喷射(CFI)。2)多点喷射(MPI)在每一缸的进气门前均安装一只喷油器，汽油直接喷射到各缸的进气门附近并与空气混合形成混合气。多点喷射由于每一缸都有一个喷油器，因此各缸混合气的均匀性得到很大的改善。多点喷射系统是目前使用较为普遍的喷射系统。2．按控制方式分类(1)机械式汽油喷射系统机械式汽油喷射系统是将空气流量计与燃油计量分配器组合在一起，空气流量计检测空气流量的大小后，靠连接杆（杠杆）传动操纵燃油计量分配器的柱塞动作，以燃油计量槽孔开度的大小控制喷油量，以达到控制混合气空燃比的目的，如Bosch公司的K-Jetronic即为这类汽油喷射系统，如图8-2所示。图8-2K-Jetronic机械式汽油喷射系统1-喷油器2-节气门位置开关3-热限时开关4-辅助空气阀5-最高转速切断阀6-速度继电器7-蓄能器8-混合气控制器9-燃油滤清器10-电动燃油泵11-油箱12-暖机调节器13-燃油分配器14-冷起动喷油器(2)机电混合式汽油喷射系统机电混合式汽油喷射系统是在机械式汽油喷射系统的基础上加以改进，它与机械式汽油喷射系统的主要区别在于：在燃油计量分配器上安装了一个由ECU控制的电液式压差调节器，电控单元根据冷却液温度、节气门开度等传感器的输入信号控制电液式压差调节器的动作。通过改变燃油计量分配器燃油计量槽孔进出口油压差，以调节燃油供给量，达到对不同工况混合气空燃比修正的目的，如Bosch公司的KE-Jetronic系统即为这类汽油喷射系统，如图8-3所示。(3)电子控制式汽油喷射系统电子控制式汽油喷射系统是根据各种传感器送至ECU的发动机运行状况的信号，由电控单元运算后，发出控制喷油量和点火时刻等多种执行指令，实现了多种功能的控制，如Bosch公司的Motronic系统（也称为L型系统）即为这类汽油喷射系统，如图8-4所示。图8-3KE-Jetronic机电混合式汽油喷射系统1-喷油器2-热限时开关3-温度传感器4-节气门位置开关5-怠速空气调节器6-电子控制器7-蓄能器8-燃油滤清器9-电动燃油泵10-油箱11-油压调节器12-混合气控制器13-电液式压差调节器14-燃油分配器15-冷起动喷油器图8-4Motronic电子控制式汽油喷射系统1-油箱2-燃油泵3-燃油滤清器4-油压调节器5-空气流量计6-微电脑7-怠速空气调节器8-节气门位置开关9-曲轴转角传感器10-冷却液温度传感器11-喷油器12-高压电分电盘13-点火线圈14-氧传感器和发动机速度传感器3．按喷射方式分类按喷射方式，汽油喷射系统可分为间歇喷射和连续喷射两种。(1)间歇喷射又称为脉冲喷射汽油的喷射以脉冲方式在某一时间段内喷入进气管。因此，ECU可以根据各种传感器所获得的发动机运行参数，精确计量和控制喷油量。由于这种方式的控制精度高，因而被现代发动机集中控制系统广泛采用。间歇喷射方式按各缸喷油器工作顺序又分为同时喷射、分组喷射、顺序喷射三种类型。(2)连续喷射又称为稳定喷射其特点是在发动机运转期间汽油连续不断地喷射到进气支管内，与发动机的工作顺序没有关系，大多应用于机械式或机电结合式汽油喷射系统中，如Bosch公司的机械式(K型)和机电式（KE型）喷射系统。4．按空气流量测量方式分类(1)质量流量方式利用空气流量计直接测出吸入的空气量(L型、LH型)。(2)速度密度方式根据进气管压力和发动机转速，推算吸入的空气量，并计算燃油流量(D型)。(3)节流速度方式根据节气门开度和发动机转速，推算吸入的空气量并计算燃油流量。这种形式比较少用，在赛车中见过使用实例。5．按控制系统有无反馈信号分类(1)开环控制把根据试验确定的发动机各种工况最佳参数，事先存入电控单元(ECU)；当发动机运行时，电控单元根据各传感器的输入信号判断发动机的运行工况，从内部存储器中查出相应的控制参数，输出信号对执行机构进行控制。汽油喷射系统开环控制是电控单元给喷油器发出事先设定的指令（喷油脉冲），对控制结果（空燃比）不予以反馈，即不能检测、分析和调节控制结果，所以控制精度和抗干扰能力比较差。(2)闭环控制闭环控制是ECU以事先设定的控制参数控制发动机工作，同时还不断地检测发动机相关工作参数，根据检测到的信号对控制参数进行修正。汽油喷射系统闭环控制是利用在排气管上安装的氧传感器，根据废气中氧含量的变化计算出燃烧过程中混合气的实际空燃比，并将其与电控单元中预设的目标值比较，以便发出指令改变喷油脉冲修正供油量，使实际空燃比保持在目标值附近，达到最佳的控制效果。因此，闭环控制可以达到较高的空燃比控制精度，可以消除因产品差异和磨损等引起的性能变化对空燃比的影响，工作的稳定性好，抗干扰能力强。图8-5D型电子控制式汽油喷射系统闭环控制可使汽油机空燃比控制在理论空燃比14.7附近很窄的范围内，使三元催化转化器对排气净化的处理效果达到最佳。下图为典型的电子控制汽油喷射D系统。1-喷油器2-冷起动喷油器3-油压调节器4-ECU5-节气门位置传感器6-怠速空气调节器7-支管压力传感器8-燃油泵9-燃油滤清器10-冷却液温度传感器11-热限时开关第三节发动机怠速控制在汽车正常运行工况下，驾驶员通过加速踏板来控制节气门开度、调节进气量，以控制发动机的输出功率；而在发动机怠速时，加速踏板完全松开，节气门关闭，空气通过节气门缝隙或者节气门旁通的怠速调节通路进入发动机，由空气流量计（或进气支管压力传感器）检测进气量，并根据转速及其它修正信号控制喷油量，保证发动机在怠速下稳定运转。当发动机的内部阻力矩发生变化时，怠速运转转速将会发生变化。怠速控制(ISC)是通过调节空气通路面积以控制空气流量的方法来实现的，如图8-36所示。汽车在交通密度大的道路上行驶时，约有30%的燃油消耗在怠速工况。因此，发动机怠速转速的高低，不但对油耗有严重的影响，对发动机的排放污染、暖机时间和使用寿命等都有一定程度的影响。另外，还应考虑如冷车运转、空调及电器负荷、自动变速器、动力转向伺服机构的接入等情况都会引起怠速转速变化，使发动机运转不稳甚至引起熄火。图8-36节气门旁通的怠速空气流量的控制1-空气流量计2-旁通调节螺钉3-怠速调节螺钉4-节流阀体5-稳压管6-空气阀一、怠速控制系统组成发动机怠速控制系统主要由发动机主控制器ECU、执行器和各种传感器等组成。表8-4怠速控制系统的组成及其功能组成部件组件功能传感器转速传感器(Ne信号)检测发动机转速节气门位置传感器检测发动机处于怠速状态冷却液温度传感器检测发动机冷却液温度起动开关信号检测发动机正在起动中空调开关(A/C)检测空调的工作状态(ON、OFF)空挡起动开关信号(P/N)检测换挡手柄位置液力变矩器负荷信号检测液力变矩器负荷变化动力转向开关信号检测动力转向工作状态发电机负荷信号检测发电机负荷的变化车速传感器检测车速(续)表8-4怠速控制系统的组成及其功能组成部件组件功能执行器怠速控制阀(ISCV)控制节气门旁通空气通道控制单元(ECU)根据从各传感器输入的信号，将实际转速和目标转速相比较。比较的差值，确定相当于目标转速的控制量，以驱动控制空气量的执行机构，使怠速转速保持在目标转速上二、怠速控制执行机构及控制方法怠速转速控制的实质是对怠速进气量进行控制，以获得适宜的空燃比，使发动机在不同怠速工况时都在最佳转速下稳定运转。怠速控制的方式随车型有所不同，对电控汽油喷射系统来说，目前可分为两种：一种是控制节气门最小开度的节气门直动式；另一种是控制节气门旁通通路中空气流量的旁通空气式。1．节气门直动式控制节气门直动式是直接通过控制节气门开度，调节空气通路的截面，达到控制进气量，从而实现怠速控制。如图8-37所示，电控单元根据输入信号确定目标怠速转速，发出指令调节节气门的偏转量，以控制空气的流通面积，保证与目标怠速转速相适应的空气量。1-节气门2-发动机3-节流阀操纵臂4-加速踏板拉线5-执行元件图8-37怠速空气量的节气门直动式控制方式2．旁通空气式怠速控制执行机构控制怠速旁通空气量的怠速控制阀的结构形式及主要的控制项目见下表。控制信号控制形式主要控制项目发动机转速节气门位置车速冷却液温度空挡起动开关起动开关空调开关电气负载动力转向开关步进电动机式真空控制式1．怠速2．快怠速3．空调高怠速4．电气负载高怠速旋转滑阀式电磁控制式1．怠速2．快怠速3．电气负载高怠速占空比控制式开关控制式1．怠速2．快怠速3．电气负载高怠速(1)真空控制式怠速转速控制常采用真空控制，主要工作部件由旁通空气阀和真空控制阀组成。其控制原理如图8-38所示。图8-38真空控制怠速系统控制原理旁通空气阀的作用是增大或减小旁通空气道的截面，以改变怠速时旁通空气道的空气流量。旁通空气阀中间有膜片分开，膜片下侧与大气相通；膜片上侧称为膜片室，通过管路与真空控制阀相通。膜片室的负压大，膜片吸向上方，阀门的开度越小，旁通空气道流过的空气量越小；反之，膜片室的负压减小，在膜片弹簧的作用下，膜片下移，阀门开度增大，旁通空气道中流过的空气量增多。因此，控制膜片室的真空度（负压）就可以改变阀门的开闭程度，也就可以控制旁通道的空气流量。(2)步进电动机式如图8-39所示，步进电动机式怠速控制阀由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和把旋转运动变成直线运动的进给丝杆及阀门等组成。它利用步进转换控制，使转子可正转，也可反转，从而使阀心移