发动机集中电子控制系统

第13章发动机集中电子控制系统13.1概述13.1.1发动机集中电子控制系统概况模拟技术20世纪60年代及70年代初，在汽车上出现了由集成电路组成的电子控制系统，这种模拟式集成电路模块只能完成某种控制功能，如果要增加控制项目，需要增加相应的控制功能电路，使得组合控制模块的电路很复杂且体积大，其控制精度、工作可靠性等都较低。因此，这一时期出现的多为单一控制功能的汽车电子控制系统，发动机的电子控制项目发展受到了限制。13.1.1发动机集中电子控制系统概况微电子技术微机所具有的高运算速度、大存储量和多路数据传输通道等特点使得将几个电子控制装置集中控制成为可能，增加新的电子控制项目也很容易。发动机集中控制系统在增加新的控制项目时，只需增加相应的执行机构和该项目特有的传感器，而电子控制器中的微机则只要增加该控制项目所需的标准参数和控制程序、增设相应的输入输出接口即可。因此，20世纪70年代后期以来，以微机为控制核心的电子控制系统不仅将原先互相独立的电子点火控制系统和汽油喷射电子控制系统组合成一个综合的控制系统，还增加了怠速控制、废气再循环控制、活性炭罐通气控制及故障自诊断等功能。13.1.1发动机集中电子控制系统概况发动机集中电子控制系统各控制项目共用传感器所提供的信息，可以设置协调各控制单项的综合控制程序，因而其控制的协调性和精度比各单项独立控制高。随着对汽车性能要求的不断提高和微机技术的进一步发展，发动机集中控制系统的项目将会更多，并向着与汽车其它电子控制系统实现集中控制的整车集中电子控制的方向发展。13.1.2发动机集中电子控制系统实例日产公司的ECCS(发动机集中电子控制系统)丰田公司的TCCS(丰田计算机控制系统)本田公司的PGM(程序式燃油喷射系统)通用公司的DEI(数字式燃油喷射系统)福特公司的EEC(发动机电子控制系统大众公司的MPEI(多点燃油喷射系统)这些不同名称的电子控制系统均具有多项控制功能，但具体的结构形式或控制功能则有所不同。同一汽车公司应用于不同型号发动机的电子控制装置，其结构和控制内容也可能不完全相同。13.1.2发动机集中电子控制系统实例1．日产公司的发动机集中电子控制系统(ECCS)图13-1所示日产汽车VG30E发动机上的ECCS组成图。日产汽车VG30E发动机ECCS组成图13.1.2发动机集中电子控制系统实例日产汽车VG30E发动机ECCS主要控制功能如图13-2所示。13.1.2发动机集中电子控制系统实例ECCS系统中的控制装置燃油压力控制装置辅助空气阀怠速控制阀进气管真空控制阀混合比加浓式减速废气净化装置二次空气吸收阀13.1.2发动机集中电子控制系统实例(1)燃油压力控制装置由燃油压力控制器25与燃油压力控制电磁阀26组成，其作用是在起动热发动机时，截断进气歧管真空度对燃油压力调节器的作用力，以提高燃油压力，改善发动机的热起动性能。在发动机冷却液温度超过l00℃时起动及起动后的3s内，燃油压力控制器使燃油压力控制电磁阀通电，截断燃油压力调节器真空室与进气歧管的真空通道。13.1.2发动机集中电子控制系统实例(2)辅助空气阀辅助空气阀用于冷机起动后的高怠速暖机控制，其结构如图13-3所示。旋转式阀门由双金属片控制其开闭，双金属片上绕有电热丝。冷机起动时，双金属片未弯曲，阀门开启，空气可经辅助空气阀进入气缸。由于辅助空气阀增加了冷机起动后怠速工况下的混合气量，可使发动机在较高的怠速下运转平稳，并加速暖机过程。电热丝的作用是控制高怠速暖机的时间。在起动时和起动后，电热丝由点火开关接通通电，逐渐加热双金属片，双金属片受热弯曲，并使阀门开度逐渐减小。当双金属片的温度达到设定值时，辅助空气阀关闭，发动机在正常怠速下运转。13.1.2发动机集中电子控制系统实例13.1.2发动机集中电子控制系统实例(3)怠速控制阀由快怠速控制电磁阀和稳定怠速电磁阀组合而成，由两个电磁阀分别进行高怠速控制和怠速稳定控制。怠速控制阀的外形如图13-4所示。13.1.2发动机集中电子控制系统实例(4)进气管真空控制阀汽车减速(节气门突然关闭)时，由于发动机转速还未下降，进气歧管形成高真空，进入气缸的新鲜混合气量锐减，混合气中残存废气的比例突然猛增而导致缸内燃烧条件恶化，使得混合气不能完全燃烧，造成排气中的HC迅速增加。真空控制阀的作用是在节气门突然关闭，进气管内的真空度超过了限定值时，给气缸提供额外的混合气，以使气缸内混合气能完全燃烧，降低汽车减速时的HC排放量。真空控制阀的结构如图13-5所示，当进气管的真空度超过设定值时，阀被打开，空气被吸入进气管，使进入气缸的混合气量适当增加。13.1.2发动机集中电子控制系统实例13.1.2发动机集中电子控制系统实例(5)混合比加浓式减速废气净化装置混合比加浓式减速废气净化装置的作用与真空控制阀相同，其结构如图13-6所示。当进气管内的真空度超过了设定值时，真空室I的真空吸力吸动膜片I上拱，带动真空控制阀上移，使真空室I与真空室Ⅱ相通。真空室Ⅱ的吸力吸动膜片Ⅱ下拱，使旁通空气控制阀打开，使辅助空气管中的空气进入进气管，增加了进入气缸的混合气量。为使混合比加浓式减速废气净化装置在汽车停车状态下不起作用，增设了混合比加浓控制电磁阀并由空档开关控制。在自动变速器处于N档或P档时，空档开关接通，电磁阀通电而开启，使真空室Ⅱ通大气，这时无论进气管的真空度有多高，旁通空气阀都不能打开。13.1.2发动机集中电子控制系统实例13.1.2发动机集中电子控制系统实例(6)二次空气吸收阀二次空气吸收阀(图13-7)的作用是将新鲜空气引入排气管中，促使灼热废气中的CO、HC进一步氧化(燃烧)，以生成无害的水蒸气(H2O)和二氧化碳(CO2)。13.1.2发动机集中电子控制系统实例2．丰田公司计算机控制系统(TCCS)在丰田皇冠3.0轿车上使用的丰田2JZ-GE型发动机电子控制系统如图13-8所示。13.1.2发动机集中电子控制系统实例13.1.2发动机集中电子控制系统实例2JZ-GE型发动机电子控制系统的ECU包含了自动变速器控制功能，其发动机部分主要控制功能如图13-9所示。13.1.2发动机集中电子控制系统实例2JZ-GE型发动机电子控制系统与一般的发动机集中电子控制系统有所不同的控制装置如下。(1)节气门关闭缓冲器用于减缓司机突然松开加速踏板时节气门的关闭速度，以避免因节气门突然全闭而使发动机的转速突然下降，并导致车辆冲击和发动机熄火。同时也起到了与ECCS中的进气管真空控制阀和混合比加浓式减速废气净化装置相似的作用，即可降低汽车减速时的HC排放。(2)燃油泵控制ECU2JZ-GE型发动机电子控制系统设一专用的燃油泵控制ECU，除了实现只在起动和发动机运转时燃油泵才工作的控制外，还可根据发动机的工况对燃油泵的转速进行控制，其控制电路原理如图13-10所示。13.1.2发动机集中电子控制系统实例13.1.2发动机集中电子控制系统实例当发动机ECU根据有关传感器和开关信号判断出发动机在起动、高转速或大负荷工况时，向燃油泵控制ECU的FPC端子输出一个高电位信号。燃油泵控制ECU得到此控制信号后，从FR端子输出一个较高的电压(约为蓄电池电压)，使燃油泵高速运转。在发动机处于怠速工况时，发动机ECU向燃油泵控制ECU的FPC端子输出一个低电位信号。这时，燃油泵控制ECU的FR端子输出一个较低的电压(约9V)，燃油泵在较低的转速下工作。13.1.2发动机集中电子控制系统实例(3)谐波进气增压控制系统(ACIS)谐波进气增压控制系统的作用是充分利用进气压力波动来提高充气效率，其组成如图13-11所示。13.1.2发动机集中电子控制系统实例发动机ECU根据发动机的转速控制进气增压控制阀的开闭。当发动机的转速较低时，发动机ECU使开关式电磁阀不通电，真空马达不与真空罐相通，进气增压控制阀关闭，进气压力波波长较长，使得低速下的发动机有进气压力波增压效果。当发动机转速高时，发动机ECU使开关式电磁阀通电。真空马达在真空罐真空度的作用下动作，将进气增压控制阀打开，进气管就与一个容量较大的空气室相通，缩短了进气压力波的波长，使得发动机仍有进气压力波的增压效果。13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展气门升程与配气相位可变控制断缸控制进气压力波增压控制废气涡轮增压控制13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展1．气门升程与配气相位可变控制普通发动机的气门开闭由凸轮驱动，进排气门的早开角、晚关角固定不变，这实际上只能使发动机在某一转速下处于最佳的配气相位，而在发动机转速很低或很高时，其配气相位就会处于不理想的状态。气门升程与配气相位可变控制就是：发动机电子控制系统ECU根据发动机转速传感器的信号，并参考发动机负荷、发动机温度及车速等传感器的信号，作出对配气相位及气门行程是否需要调整的判断，当需要调整时，ECU输出控制信号，控制执行机构动作，使配气相位及气门行程得到相应的改变。目前在一些汽车发动机上已使用的气门升程与配气相位可变控制系统有多种结构形式，根据配气相位及气门行程调整机构的不同，可分为机械式、液压式、机液混合式和电动式等。13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展2．断缸控制一些气缸数较多，发动机的输出功率很大的汽车，往往有较高的功率储备。在城市市区或在城外公路上行驶时，发动机在许多情况下是在部分负荷下运转，其工作效率很低。断缸控制就是：发动机电子控制系统根据发动机的空气流量传感器(或进气管压力传感器)的信号判断发动机的负荷情况，当发动机在低负荷时，输出停止喷油和断火控制信号而使一个缸或几个缸停止燃烧做功，使工作气缸的效率得以提高，从而提高了整个发动机的工作效率，降低了发动机的燃油消耗。13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展3．进气压力波增压控制利用进气流的压力波来提高进气压力，是现代电控发动机用以提高发动机动力性的技术措施之一，如丰田皇冠3.0轿车2JZ-GE发动机上使用的“谐波进气增压控制系统”，日产千里马轿车VG30E发动机上使用的“动力阀控制系统”等。①进气压力波的产生。在进气门突然关闭时，高速进气流由于惯性仍在流动，使得进气门附近的气体被压缩而压力上升。气流惯性过后，被压缩的气体开始膨胀，向着进气相反的方向流动，进气门处的气压下降。当膨胀的气体波传到进气管口处时，又会被反射回来。于是，在进气管内形成了脉动的压力波。13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展②进气压力波的利用。如果在进气门刚要打开时，进气压力波恰好到达进气门附近，进气门打开时，进气压力波可促使进气量的增加。进气压力波的波长与进气管的长度有关，进气管长，压力波长较长，可使中低速时有进气增压的效果；进气管较短时，压力波长较矩，可使高速时有进气增压效果。发动机进气管长度是不可变的，在设计进气管长度时，一般是按最大转矩所对应的转速区域能有进气增压效果来考虑的。③进气压力波增压控制。为使发动机在中低速和高速时都有进气增压效果，进气压力波增压控制装置在进气管的中部设置了一个容量较大的空气室，并由进气增压控制阀的开闭控制其与进气管的通断。进气增压控制阀关闭时，进气流压力波传递长度为空气滤清器至进气门，压力波波长长；进气增压控制阀打开时，进气流压力波只在空气室口至进气门之间传播，压力波波长缩短。13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展4．废气涡轮增压控制一些汽油发动机采用了废气涡轮增压，废气涡轮增压控制的作用就是使发动机在工作中能达到最佳的增压值。典型的废气涡轮增压控制系统如图13-12所示。13.1.3发动机集中电子控制系统的功能扩展发动机ECU根据发动机加速、进气量、温度等信号确定增压压力目标值，并与进气管压力传感器所监测的实际增压压力值进行比较。当目标值与实际值有差别时，ECU输出控制信号(占空比脉冲信号)，分别控制可变喷嘴环控制电磁阀和放气阀控制电磁阀的开关占空比，用以改变可变喷嘴环控制膜盒和放气阀控制膜盒的真空度而使其动作，改变可变喷嘴环的角度和废气放气阀的开度，从而控制废气涡轮的转速，将增压压