汽车知识 第四章

第四章汽车发动机及电子控制4.1发动机概述汽车发动机的分类：将热能转变成机械能的发动机叫热力发动机，热力发动机根据燃料在机外还是机内燃烧，又分为外燃机和内燃机两种，蒸汽机是典型的外燃机。内燃机根据其将热能转变成机械能的主要构件的形式，可分为活塞式内燃机和燃气轮两大类。活塞式内燃机按活塞运动的方式，又可分为往复式和旋转活塞式两种，现代汽车发动机就是往复式内燃机。汽车发动机根据所用燃料的不同分为汽油发动机（汽油机）、柴油发动机（柴油机）、和其他燃料发动机三种。发动机在工作过程中产生大量的热需要冷却，根据冷却方式的不同，发动机可分为水冷式和风冷式两种。发动机有单缸和多缸之分。用于汽车的发动机缸数一般为偶数，偶数缸各缸之间的惯性力容易平衡，运转平稳性好，振动小。根据汽缸的不同结构，又可以分为立式内燃机、卧式内燃机、直列式内燃机、V形内燃机、对置汽缸式内燃机和斜置式内燃机等。4.1.1汽车发动机的组成发动机是由许多零部件件和总成组成的复杂机器。按功能将七零部件分成若干机构和系统，各种发动机大至有相同的总体结构，都是在一个机体上安装一个机构和六大系统：一个机构是曲柄连杆机构；六大系统包括换气系统、燃油系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和启动系统。曲柄连杆机构承载着组织燃烧、把热能转变成机械能的重要任务，将活塞的往复式运动转变成旋转运动，又是其它总成和零部件的安装基础，是发动机最主要的部分。曲柄连杆机构包括曲轴、连杆、活塞、缸体、缸盖、飞轮等总成。换气系统的作用是与曲柄连杆密切配合，准时打开或关闭进、排气门，将可燃混合气及时充入汽缸，并将废气及时排出机体。配气机构包括正时齿轮、凸轮曲、挺杆、推杆、插臂、摇臂轴、进气门和排气门。燃油系统包括汽油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进去管、排气管、消声器等。带有电喷系统的发动机用电控汽油喷射系统替代化油器。点火系统的功用是准确及时地让火花塞产生足够能量的点火花，以点燃汽缸中的压缩可燃混合气。传统的点火系统有蓄电池、发电机、断电器、分电器、点火提前调整装置、点火线圈、高压导线、火花塞等总成组成。电子点火系统用电控单元替代了机械式的断电器、分电器和点火提前调整装置。冷却系统的功用是把燃烧室和汽缸周围的热量带走并散到大气中去，以保持发动机在正常的温度下工作。主要总成有水泵、散热器、风扇、节温器以及散布在气缸体、气缸盖内的储水空腔——水套。风冷式发动机的冷却系只有风扇、导流罩及铸在缸体和缸盖上的散热片。润滑系统的功用是将润滑油用压力输送到具有相对运动的零件表面之间，以减少它们之间的摩擦，减少机件的磨损。润滑系主要由润滑油、油底壳、机油泵、集滤器、机油滤清器、润滑油道等组成。启动系统包括启动机和控制电路，其作用是使静止的发动机启动并转入正常运转。单缸四冲程汽油机：火花塞、气缸盖、凸轮轴、机体、进气道、汽缸、活塞、曲轴、曲轴皮带、传动链轮、连杆、气门、凸轮轴齿轮等组成。汽油机是一种使汽油和空气的混合物在其汽缸内部燃烧产生热能，并讲热能转换为机械能的动力装置。车用汽油机通常为四冲程汽油机。4.1.2曲柄连杆机构曲柄连杆机构按其结构特点可分为机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。发动机组件是发动机的骨架，大部分零部件和附件都安装其上，它由机体、汽缸、汽缸盖、汽缸垫、油底壳等组成。发动机曲柄连杆机构的作用是将活塞顶的燃气压力转变为曲柄的转矩，输出机械能，它由曲轮组和活塞连杆组成。空燃比与发动机性能的关系空燃比是指可燃混合气中空气与燃料的质量之比。1、理论空燃比理论上1kg汽油完全燃烧所需要的空气为14.7kg，所以把空燃比为14.7：1的混合气体称为标准混合气，14.7：1被称为理论空燃比。2、经济空燃比经济空燃比的范围是16~18：1，混合气体的空燃比在此范围内时，汽油机的燃油消耗率最低，具有最佳的经济性。4.2汽油机的燃油供给功率空燃比功率空燃比是指在一定转速下，能使发动机发出最大功率的空气与燃料的质量比。功率空燃比范围12~13：1。具有功率空燃比的混合气是较浓的混合气，点火时燃烧速度快。传统的化油器式燃油供给系统传统化油器供油方式的基本工作原理：由于活塞的下行，在化油器的喉口处形成一定的真空度，在真空度的作用下，汽油从化油器的浮子室内被吸出，并在喉口处的高速气流所雾化。在进气管内与空气进一步混合，然后一同进入汽缸。化油器供油方式由它的五大供油装置实现不同工况的空燃比：启动装置：当汽油机启动时，供给特别浓的混合气，确保顺利启动；怠速装置：当汽油机怠速或小符合运转时，供给较浓的混合气，使汽油机稳定运转；主供油装置：当汽油机在中等负荷工作时，供给最经济的混合气，使中等负荷下汽油机具有最佳的经济性；加浓装置：当汽油机在大负荷工作时，供给满足最大功率的混合气，使大负荷下汽油机具有最佳的动力；加速装置：当汽油机加速时，供给额外的汽油，短时将混合气加浓，满足加速工况对汽油机动力性的要求。加浓装置：当汽油机加速时，供给额外的汽油，短时讲混合气加浓，满足加速工况对汽油机动力性的要求。汽油喷射式燃油供给系统汽油喷射是采用喷油器将汽油喷入进气管或汽缸内的供油方式。汽油喷射有机械控制式和电子控制式，目前广泛应用的是电子控制的汽油喷射系统。电子控制汽油喷射系统由进气系统、燃油系统及包括传感器、电子控制单元、执行元件在内的控制系统组成。与化油器供油方式比较优越性：实现空燃比的精确控制及燃油的精确计量；更为优越的燃油雾化性能，使油气混合更均匀；对气温和海拔高度变化的适应性好；电子控制汽油喷射系统中的多点喷射方式由于每个汽缸都配备单独的喷油器，与化油器供油方式相比，各缸混合气分配均匀；取消了喉口的多点燃油喷射系统，可按照最大充气效率的目标改进进去系统的设计，从而使动力性能进一步改善；电子控制汽油喷射系统各组成部件的安装适应性好，从而给汽油机的总体设计带来了更大的灵活性。4.3汽油机的点火系统点火能量，点火能量大小直接影响发动机的着火情况，只有点火能量较高时，才可以点燃稀薄混合气，这对于提高发动机的经济性和改善排放具有重要的作用。点火时刻，在最佳的点火提前角点火，为最佳的点火时刻。传统的汽油机点火系统一般右蓄电池、分电器、点火线圈、火花塞以及其他辅助元件组成。传统点火系统缺点：初级回路的通段是通过机械触点控制的，会产生火花放电现象；根据发动机转速和负荷进行调节的离心及真空调节不能满足发动机多种工况对点火时刻的要求；一个点火周期内初级回路接通和断开的时间比例是固定不变的，容易产生发热发烧问题分离器高速旋转时，触点存在着严重的抖动，使次级电压和点火能量急剧下降，限制汽油机最高转速的增加。在“白金”触点和分火头与分电器盖的侧电极间存在放电现象，损失了用于点火的能量；机械装置存在着磨损现象，需要定期进行维护和保养。电子点火系统晶体管辅助触点点火系统（TAC)利用三极管来断开和接通初级回路，而白金触点只是作为三极管的触发控制器。无触点电子点火系统高能点火系统微处理器点火系统：电子控制单元（ECU）是点火系统的核心，根据传感器不断采集到的汽油机工况信号进行处理，选择存储在ROM中的最佳点火时刻，并输出点火信号。4.4点火系统的电子控制电子控制点火系统的信号输入：在有微处理器控制的点火系统中，控制系统输入多个传感器信号；基准位置、曲轴转角、转速、水温、进气压力（或进气流量）、节气门位置等等。其中基准位置、曲轴转角、转速这三个信号相互配合，决定了高压点火时刻，都是脉冲式信号。常见的脉冲信号发生器磁脉冲发生器：是最早使用的触发点火装置，包括一个触发轮和一个传感线圈。金属探测传感器：结构类似磁脉冲发生器，但其线圈用的是电磁铁。霍尔效应传感器：传感器中装有半导体基片和永久磁铁，应用霍尔效应产生电压脉冲。光点传感器：包括一个发光二极管、一个光敏电阻和一个称为光束阻断器的带槽圆盘组成。4.4.1电子控制点火系统的控制策略在微处理器控制的点火系统中，电子控制单元（ECU）不仅可以产生一个点火信号，而且还可以对点火信号的位置（决定点火时刻）和形状（决定初级回路闭合角的大小）进行控制，因而控制系统的控制策略在很大程度上决定着点火系统的优劣和发动机性能指标的好坏。点火提前角的控制方法：ECU根据汽油机的各种工况信号对点火时刻进行控制。首先根据发动机的转速和进气压力信号从存储器存的数据中找到相应的基本点火提前角，然后根据有关传感器信号值加以修正，得出实际的点火提前角。实际的点火提前角可以由三部分组成：初始点火提前角、基本点火提前角、修正点火提前角（或推迟角)点火控制的方法包括两个基本类型，一个是启动期间的点火时刻控制，即发动机启动时在固定的曲轴转角位置点火，与工况无关；二是汽油机在正常运行期间的点火时刻控制。这时ECU根据进气歧管压力和转速确定基本点火提前角，然后再根据各种信号进行修正。4.4.2爆震控制爆震控制的基本原理汽油发动机是利用火花塞提供的电火花将混合气体点燃，进而使火焰在混合气内不断传播完成燃烧过程的。期间如果某种原因导致压力异常升高时，一些部位的混合气（称为末端混合气）不等到火焰传到时自行着火燃烧，造成瞬时爆发燃烧，这种现象称为爆震。爆震控制的目的：点火过早时，由于上止点附近的压力升高率迅速增大，使末端混合气的压缩压力显著上升，因而爆震容易发生；相反，推迟点火则可以减轻甚至避免爆燃。因而爆震控制的目的就是根据爆震传感器的信号调整点火时刻使汽油发动机工作在临界点爆震状态。发动机发出最大扭矩的点火时刻接近开始产生爆震的点火时刻。因此在设置点火时刻时，需要留有离开爆震界限的余量。点火系统无爆震控制功能时，所留余量应大些，这时的点火时刻比发出最大扭矩的点火时刻滞后，所以扭矩有所降低；反之则可以用爆震传感器检测到爆震界限，从而把点火时刻调整到爆震界限的位置，以便能更有效地得到发动机的输出功率。爆震的信号检测：爆震信号的检测是爆震控制的关键。可以通过检测汽缸压力、燃烧噪声或发动机机体振动来判别爆震是否发生。爆震传感器分类：磁致伸缩式爆震传感器；压电式爆震传感器。爆震的判断：爆震的强度通常采用两种方法表：用一个燃烧循环内爆震传感器输出信号的最大幅值标准。幅值越大，说明爆震越强；用爆震循环的百分率来表示，这是一种统计分析法。4.5怠速控制与EGR控制怠速是指发动机空转时一种工作工况，在发动机空转时，如果完全放松油门踏板，这时发动机就处于怠速状态。怠速工况是车用汽油机最常用的工况之一，发动机怠速工况运转性能的优劣是评价发动机性能的重要指标。怠速性能主要体现在：怠速稳定性、怠速排放、怠速油耗。怠速控制原理：当发动机怠速运行时，节气门处于全关位置，即进入发动机的空气量不再有节气门进行调节。怠速控制的实质就是通过怠速执行器调节进气量，同时配合喷油量及点火提前角的控制，改变怠速工况燃料消耗所发出的功率，以稳定或改变怠速转速。怠速控制策略：启动控制，发动机启动时，怠速控制系统控制怠速执行器使旁通进气量达到最大，以利于启动，发动机启动之后，在根据冷却水温度的高低，确定旁通进气量的大小，从而使发动机具有一个稳定的转速。暖机控制，发动机启动之后，进入暖机阶段，当冷却水温度未达到预先设定的阀值时，怠速转速的设定一般较高，以便于暖机，当达到设定的阀值后，暖机控制结束，发动机进入正常怠速。怠速反馈控制，当暖机过程结束后，或者ECU检测到节气门全关信号，且车速低于2km/h，则怠速系统开始进行怠速反馈控制，次过程中，如果遇到空调器开关接通/断开，或空挡信号接通/断开等发动机负荷突然变化的情况，怠速控制系统会及时调节进气量。电器负载增多时的怠速控制，同时使用的电器增多，发动机的负荷增大，为保证整车电器系统的供电平衡，怠速控制系统会相应的增加进气量，提高怠速转速。EGR控制EGR即废弃再循环，其原理是使一部分废气流回进气侧，用以抑制发动机内NOX的生成。作为降低NOX排放量切实有效的方法，EGR多年来得到了广泛的应用。废气