03电控系统教案

汽车科杨庆彪A组织教学学生考勤填写日志B课前提问C导入新课第三节电控系统发动机电控汽油喷射系统的电控系统一般由各种传感器、ECU和执行器三部分组成。电控系统的功用是接收来自表示发动机工作状态的各个传感器输送来的信号，根据ECU内预存的程序加以比较和修正，决定喷油量和点火提前角。各种传感器分别检测进气管中进气绝对压力、发动机转速、排气中的氧浓度、冷却液温度、进气温度和大气压力等，并将信息转换成电信号，输送给ECU，根据这些信号，ECU算出现工况最佳的点火正时，并启动各喷油器。ECU不仅控制燃油喷射正时、点火正时、怠速转速、EGR（废气再循环）、燃油压力和电动汽油泵，而且还具有故障自诊断功能。图1-53所示是与电控汽油喷射控制（EFI）有关的主要控制系统部件的构成。控制系统部件，按其机能不同可大致分为表1-5中所示的三类。（一）水温传感器水温传感器安装在发动机节温器出水口附近，它的功用是检测发动机冷却水温度。因为在发动机暖机过程中需要一定的附加加浓，其加浓量主要取决于发动机的温度、负荷和转速，为此采用水温传感器向ECU输送水温信号。水温传感器的结构如图1-54a所示，它由封闭在金属盒内的对温度变化非常敏感的负温度系数热敏电阻（NTC电阻）构成，利用电阻值的变化来检测冷却水的温度。热敏电阻的特性如图1-54b所示，冷却水温度越低电阻值越大，冷却水温度越高电阻值越小。将该传感器的信号输入到ECU，就可以根据冷却水温度进行喷油量的控制。冷却水温度传感器与ECU的连接电路如图1-54c所示。汽车科杨庆彪（二）进气温度传感器进气温度传感器是确定燃油基本喷油量的三个主要传感器之一，进行温度传感器是检测发动机吸入（进入空气流量计）的空气温度用的传感器，并将空气温度信号转变成ECU能识别的电信号传送给ECU，它根据进气温度的高低，做不同程度的额外喷油。（三）曲轴位置传感器和发动机转速传感器在EFI中，相对于发动机每一个工作循环吸入的空气量，都可以得到由ECU控制的符合最佳空燃比的燃油喷射量。空气流量计能够检测每个单位时间内的吸入空气量，但是不能检测每个工作循环内的吸入空气量。为了求出每个工作循环内的吸入空气量，就需要检测发动机转速。当采用独立喷射和分组喷射时，为了有效地利用各自的喷射特点，需要选择特定的喷射时刻，因此还需要检测每缸的曲轴转角位置。检测发动机转速及曲轴转角位置，需要采用发动机转速传感器和曲轴位置传感器。具有这种功能的传感器型式很多，目前均已实用化，其中使用最多的是电磁式传感器、光电式传感器和霍尔效应式传感器。1、电磁式传感器这种传感器可用于测定曲轴、凸轮轴和分电器驱动轴的转动位置，用来控制点火和燃油喷射时间或测量发动机转速。这种类型的传感器具有耐用、便于利用发动机飞轮齿圈、不需激励电压或放大器、能适应较大范围的温度变化、使用寿命长等特点，因此这种传感器应用比较广泛。具体来讲，用来检测曲轴转角位置和发动机转速的电磁式传感器，是由如图1-58所示的复合转子和耦合线圈构成的。下面以四缸四行程发动机为例，就检测特定气缸曲轴转角基准位置（如压缩上止点）进行说明。D总结E作业汽车科杨庆彪A组织教学学生考勤填写日志B课前提问C导入新课2、光电式传感器图1-60a所示是光电式传感器的工作原理图，位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管，在它们之间有一个能断续遮光的转盘。当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时，光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。它输出的信号是方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。这里的发光二极管的发光频率一般在红外线和紫外线范围内，是肉眼看不见的。图1-60b、c所示为六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内（或凸轮轴前部）。它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。在转盘上每隔60°设置了宽度不同的4种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号、并传给ECU。3、霍尔效应传感器如图4-61所示，磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起汽车科杨庆彪传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。图1-61所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。4、其他传感器上面所述的电磁式传感器，除能够检测发动机转速外，还能够检测曲轴转角位置。如果只是检测发动机转速时，可以采用把点火线圈的点火初级信号直接输入ECU的简易方式。点火线圈初级电流切断时产生的反电动势，可达300V~400V（图1-62a）。把这一电压信号输入ECU，通过同基准电压相比较，形成点火信号脉冲，然后测量脉冲间隔，就可以测出发动机转速（图1-62b）。由于这种方法只能检测点火信号，难以选择特定的曲轴转角位置，所以在独立喷射和分组喷射中不适用。这种方法多用于所有气缸进行同时喷射的情况。（五）节气门开度传感器1、线性式节气门开度传感器图1-67a所示为线性式节气门开度传感器的结构图，传感器有两个同节气门联动的可动电刷触点，一个触点可在位于基板上的电阻体上滑动，利用电阻值的变化，测行与节气门开度相对应的线性输出电压，根据输出的电压值，应可知道节气门的开度。但是，与节气门开度相对应的电阻体的电阻值，多少都存在偏差，因此影响了节气门开度检测的准确性。开关式节气门开度传感器与上述线性节气门开度传感器相比，节气门开度的检测性差，但结构简单，价格便宜。汽车科杨庆彪D总结E作业A组织教学学生考勤填写日志B课前提问C导入新课（六）爆震传感器爆震是指燃烧室中，本应逐渐燃烧的部分混合气突然自燃的现象。爆震使发动机部件受高温、高压，会使燃烧室和冷却系过热，严重的可使活塞顶部熔化，爆震还会使发动机功率下降，燃油消耗率上升。点火时间过早是产生爆震的一个主要原因，发动机发出最大扭矩的点火时刻MBT是在开始产生爆震点火时刻（爆震极限）的附近。因此，在设定点火时刻时，需要留有离开爆震界限的余量。无爆震控制时，所留余量应大些，这时的点火时刻比发出最大扭矩时的点火时刻滞后，所以扭矩有所降低。如果用爆震传感器能检测到爆震界限，那么就可以把点火时刻调到接近爆震极限的位置，以便能更有效地得到发动机的输出功率。爆震传感器检测发则发动机爆震时，一般安装在发动机的缸体上。1、磁致伸缩式爆震传感器图1-73所示为磁致伸缩式爆震传感器的结构，该传感器由壳体、永久磁铁、可被永久磁铁励磁的强磁体铁心、缠绕在铁心周围的线圈等构成。发动机爆震时产生的压力波，其频率范围约为1kHz~10kHz。压力波传给气缸，当发动机缸体振动时，在7kHz左右将发生共振，在强磁体铁心上发生的压缩变形，将使其磁通量发生变化。这样，永久磁铁通过铁心的磁场变化，使铁心周围的感应电动势发生变化。2、压电式爆震传感器利用压电晶体的压电效应制成的爆震传感器，把爆震传到缸体上的机汽车科杨庆彪械振动转变成电信号，这种爆震传感器有共振型和非共振型两种。共振型爆震传感器，是由与爆震几乎具有相同共振频率的振子和能够检测振动压力并将其转换成电信号的压电元件构成，非共振型爆震传感器是用压电元件直接检测爆震信息。除此之外，还有在火花塞的热圈部位装上压电元件，根据燃烧压力检测爆震信息。当发动机缸体的振动传到爆震传感器壳体时，壳体与平衡块之间产生相对运动，从而使夹在中间的压电元件所承受的推压力变化。于是，随着压电元件承受推压作用力而产生电压。在控制组件上只检出频率达到7kHz左右时爆震所产生的电压，通过该电压值的大小可判定爆震强度。爆震传感器由于结构不同、输出信号的频率有宽窄两种，如图1-76a所示。共振型爆震传感器的输出波形，如果发生爆震，燃烧期间的输出振幅将增大，把这期间的输出波形进行滤波处理，根据其阻值大小判定爆震的有无。图1-77所示为把爆震传感器的输出信号进行滤波处理并判定爆震有无的程序框图实例。图1-78所示是爆震控制处理时间图，因为爆震仅在燃烧期间发生，所以为了避免干扰引起的误检测，只在爆震判定期间进行判定处理。由微机程序完成的爆震控制，在检测到爆震时，立即把点火时刻变成滞后角，在无爆震时，则采用提前角反馈控制形式，这是点火时刻控制中的追加机能。图1-79所示是爆震传感器与ECU的连接图。（七）氧传感器1973年开始制定了汽车排放法规，到了1978年排放法规更为严格。为了与新的排放法规相适应，在汽车上采用了三元催化剂排气净化装置。为充分发挥三元催化剂的净化特性，需要把空燃比控制在理论空燃比（λ=1）附近的狭窄范围内，如图1-80所示。汽车科杨庆彪发动机废气中的氧含量直接反映发动机空燃比，因此检测发动机废气中的氧含量是控制混合气空燃比的有效手段。废气中的氧气超过一定限度说明混合气偏稀，而废气中完全没有氧气侧说明混合气偏浓，偏浓混合气将会造成排气污染。氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全，测定废气中的氧含量，然后将检测的结果及时反馈给发动机的控制系统，以便使发动机控制系统不论发动机机械状态如何，都能有效地对燃料系统进行调控，把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内，使装有三元催化转换器的发动机达到最佳的排气净化效果。氧传感器装在排气歧管或前排气管内，如图1-81所示。现在已经实用化了的氧传感器，有氧化锆（ZrO2）氧传感器和二氧化钛（TiO2）氧传感器两种。氧化锆氧传感器，是利用氧化锆高温时其内外两侧氧浓度差，使其产生电动势的特性来测量废气中氧的浓度。二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛周围氧气分压的不同而进行氧化或还原反应，从而使电阻发生变化的原理来测量废气中氧的浓度。根据氧传感器是否需要加热，可将氧传感器分为加热式和不加热式，二氧化钛氧传感器为加热式，氧化锆氧传感器有加热型的也有不加热型的。加热式氧传感器上一般有3根引线（三线式），其中一根为信号线，另外两根为加热线；而不加热式氧传感器为单线式，即只有一根信号线。1、氧化锆（ZrO2）氧传感器图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构，该传感器由可产生电动势的多孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧，设置了白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高的大气，外侧输入氧浓度低的汽车排出气体。汽车科杨庆彪D总结E作业A组织教学学生考勤填写日志B课前提问C导入新课（八）大气压力传感器当使用叶片式和卡门涡旋式空气流量计时，随着大气压力的变化，吸入空气的密度发生变化，从而影响混合气的空燃比。为此需要检测大气压力，以便对燃油喷射进行修正。检测大气压力需采用大气压力传感器，同第二节中所述的测定进气管压力的半导体式进气歧管压力传感器一样，测定大气压力大多采用根据压电效应制成的半导体式压力传感器。（九）开关信号1、起动信号（STA）起动信号用来判断发动机是否处在起动状态。在起动时，进气管内混合气流速慢，温度低，因此燃油的雾化较差。为了改善起动性能，在起动发动机时必须使混合气加浓。当STA信号被ECU检测到后，确认发动机处于起动状态时，ECU便自动增加喷油量。从图1-92的起动电路中可以看出：起动信号和起动机的电源连在一起，都由空档起动开关来进行控制。在装有自动变速器的汽车上，ECU根据空档起动开关信号判别变速是