第2章发动机电子控制系统(汽车电子控制技术)

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第2章发动机电子控制系统•学习目标•·了解电子控制燃油喷射系统的分类。•·掌握电子控制燃油喷射系统的基本组成与工作原理。•·了解微机控制电子点火系统的组成。•·掌握微机控制电子点火系统的工作原理。•·掌握进气控制系统的结构与工作原理。•·掌握怠速控制系统的结构与工作原理。•·掌握排放控制系统的结构与工作原理。•·掌握汽油机缸内喷射系统的结构与工作原理。•·掌握柴油机电控燃油喷射系统的结构与工作原理。2.1汽油机电控燃油喷射系统第2章发动机电子控制系统2.1.1电子控制燃油喷射系统的分类与基本组成1．电子控制燃油喷射系统的分类（1）按燃油喷射部位分类按喷油器喷射燃油的部位不同，电子控制燃油喷射系统可分为缸内喷射和进气道喷射两种类型。缸内喷射进气道喷射图2-1喷油器喷油位置示意图缸内喷射缸内喷射进气道喷射缸内喷射进气道喷射（2）按进气量的测量方式分类按进气量的测量方式不同，电子控制燃油喷射系统可分为D型（速度-密度控制型）和L型（质量流量控制型）两种类型。图2-2D型电控燃油喷射系统的组成图2-3L型电控燃油喷射系统的组成2．电子控制燃油喷射系统的基本组成电子控制燃油喷射系统主要由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统组成。（1）空气供给系统空气供给系统功用是为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气，并测量出进入气缸的空气量。空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量传感器（L型）或进气歧管压力传感器（D型）、节气门、节气门位置传感器、进气总管、进气歧管等组成。另外，进气温度传感器、怠速控制系统的怠速控制阀也安装在空气供给系统中。（2）燃油供给系统燃油供给系统的功用是向发动机各个气缸供给混合气燃烧所需的燃油，由燃油箱、电动燃油泵、燃油分配管、燃油滤清器、油压调节器、喷油器和回油管等组成。燃油由燃油泵从油箱中泵出，具有一定压力的燃油经过燃油滤清器流至燃油分配管，由分配管送至各缸喷油器，喷油器根据ECU的喷油指令开启喷油阀，将适量的燃油喷出，与空气混合形成可燃混合气。（3）电子控制系统将在发动机各个系统中起作用的电子元器件看作一个系统，就是电子控制系统。电子控制系统的硬件结构一般由传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三部分组成，如图2-4所示。图2-4电子控制系统的组成提示：电子控制燃油喷射系统中最主要的执行器是电动燃油泵和电磁喷油器，其它的还有一些电磁阀和继电器等。随着控制功能的增加，执行器也将相应增加。2.1.2空气供给系统1．空气流量传感器空气流量传感器功用检测发动机进气量大小，并将进气量信息转换成电信号输入电控单元（ECU），以供ECU计算确定喷油时间（即喷油量）和点火时间。进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据。空气流量传感器类型多样，有叶（翼）片式、卡门涡流式和热丝式或者热膜式。其中，叶（翼）片式、卡门涡流式是体积流量型，热丝式和热膜式流量传感器能够由电子元件直接测量空气气流的质量流量，避免了海拔高度变化引起的测量误差，是质量流量型。提示：质量流量型传感器内部没有运动部件，气流流动阻力很小，工作性能稳定，响应速度快，测量精度较高，所以，目前被广泛应用于发动机电子控制系统中。（1）热丝式空气流量传感器置于空气通道中的电热体，由于与空气之间的热传递，其温度会有所下降。空气流量大，带走的热量多，维持电热体温度所需的电流大，反之，空气流量小，所需的电流则小。热丝（膜）式空气流量传感器就是利用这一原理来检测空气流量的。1—防护网2—取样管3—铂金属丝（热丝）4—温度补偿电阻（冷丝）5—控制电路板6—电连接器7—壳体图2-5热丝式空气流量传感器的结构热丝式空气流量传感器内部套装有一个由两个塑料护套和一个热丝支承环构成的取样管，取样管中设有一根直径很小（约70微米）的铂金属丝RH作为发热元件，并制作成“∏”形张紧在取样管内。1—温度补偿电阻2—带铂金属丝（热丝）的支承环3—精密电阻QM—流入的空气质量图2-6热丝式空气流量传感器元件热丝RH和冷丝RK分别连接在惠斯登电桥的两个臂上。当热丝的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡，并由具有电流放大作用的控制电路控制加热电流IH来保持热丝温度TH与冷丝温度TK之差保持恒定。当空气气流流经热丝使其受到冷却时，热丝温度降低，阻值减小，电桥电压失去平衡，控制电路立即增大供给热丝的加热电流IH予以修正，使其温度高于冷丝的温度。电流增量的大小，取决于热丝受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量，随空气质量流量增大而增大，随其减小而减小（一般在50~120mA之间变化）。因此，通过热丝RH的电流是空气质量流量的单一函数，加热电流IH就是空气质量流量的衡量尺度，并以精密电阻RA的端电压UM作为输出信号输入ECU，ECU便可根据信号电压UM的高低计算出空气质量流量QM的大小。图2-7热丝式空气流量传感器工作电路一种与单臂电桥分开而单独设置具有自洁功能加热电阻的热丝式空气流量传感器电路。图2-8单独设置自洁加热电阻的热丝式空气流量传感器电路美国通用公司的热丝式空气流量传感器的工作原理与上述内容基本一致，但通用公司的热丝式空气流量传感器将输出信号转换为频率方波信号（电路如图2-9所示），并且频率变化趋势也是随着进气量的增加而变大（怠速时的平均频率为32Hz，节气门全开时的频率为150Hz）图2-9输出信号为频率方波的热丝式空气流量传感器（2）热膜式空气流量传感器热膜式空气流量传感器是热丝式的改进产品，其结构、工作原理与热丝式基本相同，只是其发热元件采用的是由铂金属薄膜制成的膜片电阻，故称为热膜电阻。在传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套（相当于取样管），热膜电阻设在护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物1—接线插座2—护套3—铂金属膜4—防护网图2-10热膜式空气2．进气歧管压力传感器在D型燃油喷射系统中，进气歧管压力传感器将发动机进气歧管内绝对压力（真空度）转换成电压信号，与发动机转速信号一起输送到电控单元（ECU），ECU根据进气歧管内绝对压力和发动机转速信号计算出空气流量，作为确定喷油器基本喷油量和点火时间的依据。由此可见，与空气流量传感器直接检测发动机进气量不同，进气歧管压力传感器是一种间接测量发动机进气量的传感器。提示：压力传感器大多数都是测定压差，检测原理都是将压力的变化转换为电阻值的变化。压阻效应式进气歧管压力传感器的结构如图2-11、图2-12所示，主要由硅膜片、真空室、混合集成电路、真空管接头、线束插头和壳体组成。进气歧管压力传感器的安装位置比较灵活，只要将节气门至进气歧管之间的进气压力引入传感器的真空室内，传感器就可安放在任何位置。1—真空室2—硅膜片3—混合集成电路4—壳体5—线束插头图2-11压阻效应式歧管压力传感器结构硅膜片的长和宽约为3mm、厚度约为16µm，在硅膜片的中央部位采用腐蚀方法制作有一个直径为2mm、厚度约为5µm的薄膜片。在薄硅膜片表面上，采用集成电路加工技术与台面扩散技术（扩散硼）制作4只梳状阻值相等的应变电阻，又称为固态压阻器件或固态电阻，并利用低阻扩散层（P型扩散层）将四只电阻连接成惠斯顿电桥电路，然后再与传感器内部的信号放大电路和温度补偿电路等混合集成电路连接。1—引线端子2—壳体3—硅杯4—真空室5—硅膜片6—锡焊封口7—应变电阻8—金线电极9—电极引线10—底座11—真空管压阻效应式进气歧管压力传感器的工作原理:硅膜片一面通真空室，另一面导入进气歧管压力。发动机工作时，从进气歧管进入的进气压力作用在硅膜片上，硅膜片就会产生应力变形。在应力作用下，应变电阻的电阻率就会发生变化而引起阻值变化，惠斯顿电桥上电阻值的平衡就被打破。当电桥输入端输入一定的电压或电流时，在电桥的输出端就可得到变化的信号电压或信号电流。根据信号电压或信号电流的大小，就可计算出歧管压力的高低。当传感器结构和输入的电源电压Ucc一定时，输出电压U0与作用在圆形硅膜片上的压力成正此，即压力越高，则输出电压越高。图2-13进气歧管压力传感器原理电路3．节气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门体节气门轴的一端，传统方式是由驾驶员操纵油门踏板上的拉索在控制节气门开度时对其进行控制。节气门位置传感器可以将节气门的开度转换成电信号输送给ECU，ECU以此判定发动机的运转工况,并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间。1—可变电阻滑动触点2—电源电压输入端（5V）3—绝缘部件4—节气门轴5—怠速触点图2-15组合式节气门位置传感器的结构原理组合式节气门位置传感器的输出特性如图所示，当节气门关闭或开度小于1.2º时，怠速触点闭合，其输出端IDL输出低电平（0V），当节气门开度大于1.2º时，怠速触点断开，输出端IDL输出高电平（5V）。当节气门开度变化时，可变电阻的滑臂便随节气门轴转动，滑臂上的触点便在镀膜电阻上滑动，传感器的输出端子VTA与E2之间的信号电压随之发生变化，节气门开度越大，输出电压越高。传感器输出的线性信号经过A/D转换器转换成数字信号后再输入ECU。大众车系发动机电控系统多采用组合式节气门体，它把触点与线性可变电阻组合式节气门位置传感器与节气门控制器融为一体，取消了怠速旁通道，简化了结构。1—节气门拉索轮2—节气门控制器电位计3—紧急运行弹簧4—节气门控制器（怠速电动机）5—节气门电位计6—整体式怠速稳定装置7—怠速开关图2-17节气门控制组件节气门电位计G69直接与节气门轴相连接，当驾驶员踩动加速踏板时，节气门轴转动，节气门电位计轴也同时转动，使其电阻发生变化，这个信号传至ECU以告知节气门打开的位置。同时，节气门控制器电位计G88将怠速范围内节气门控制器的位置情况告知ECU。怠速开关F60用以向发动机ECU提供怠速位置信号。节气门控制器V60起着控制怠速的作用，当怠速开关F60闭合时，由节气门控制器V60来决定怠速时节气门的开度，所以AJR发动机没有怠速控制阀。图2-18节气门控制组件电路图线性式节气门位置传感器利用其电位计的变化可检测出节气门所在的准确位置。目前，有些线性式节气门位置传感器已无IDL怠速触点（或虽有怠速触点但并不与发动机ECU相连接），而用VTA信号检测怠速运行工况，见图2-19。图2-19无怠速触点的线性式节气门位置传感器电路原理及信号变化趋势a）原理电路b）信号变化趋势4．温度传感器温度是反映汽车发动机热负荷状态的重要参数，为了保证控制系统能够对发动机进行精确控制，必须随时监测发动机冷却液温度、进气温度和排气温度等。温度传感器按结构与物理性能分类，可分为物性型（热敏电阻式、热敏铁氧体式）和结构型（双金属片式、石蜡式）这两种。现代汽车广泛采用物性型温度传感器，特别是热敏电阻式温度传感器，具有灵敏度高、响应特性好、结构简单、成本低廉等优点，故下面主要介绍热敏电阻式温度传感器。常用的热敏电阻有正温度系数型热敏电阻（PTC）、负温度系数型热敏电阻（NTC）两种。热敏电阻式温度传感器的结构形式如图2-20所示，主要由热敏电阻、金属引线、接线插座和壳体等组成。图2-20热敏电隅式温度传感器的结构a）两端子式b）单端子式负温度系数NTC型热敏电阻具有温度升高阻值减小、温度降低阻值增大的特性，而且呈明显的非线性关系。对于结构一定的负温度系数型热敏电阻式温度传感器，其阻值与温度的关系曲线如图2-21所示图2-21NTC型温度传感器特性温度传感器的工作电路如图2-22所示，传感器的两个电极用导线与ECU插座连接。ECU内部串联一只分压电阻，ECU向热敏电阻和分压电阻组成的分压电路提供一个稳定的电压（一般为5V），传感器输入ECU的信号电压等于热敏电阻上的分压值，电压会随热敏电阻阻值的变化而变化。当被测对象的温度升高时，传感器阻值减小，热敏电阻上的分压值降低；反之，当被测对象的温度降低时，传感器阻值增大，热敏电阻上的分压值升高。图2-22温度传感器工作电路2.1.3燃油供给系统燃油供给系统主要由燃油