汽车电子与电气设备--辅助电子控制

第五章汽油机辅助系统的电子控制第一节排气净化与排放控制汽车污染来源：1.曲轴箱窜气（HC,CO)2.汽油蒸汽（HC）3.发动机燃烧废气（CO,HC,NOx）减少污染措施：三元催化转换、废气再循环（EGR）、活性碳罐蒸发控制系统等。一.三元催化转换器1.原理：三元催化转化器装在排气管中，通过三元催化剂与HC、CO和NO。发生反应，把废气中的有害气体转化为无害气体，从而实现排气净化。2.结构：三元催化转化器的结构如图所示，其中三元催化剂是铂和铑的混合物。铂能促使排气中的有害成分CO、HC氧化成C02和H20，铑能加速有害气体NO还原成N2和02，从而起到净化排气的作用。3.转换效率：三元催化转化器的转换效率与空燃比有关系，其关系曲线如图所示。从图可见，只有发动机在理论空燃比14．7附近运行时，三元催化器的转换效率才最佳。为此，必须精确控制发动饥的空燃比，使之保持在理论空燃比14．7附近的范围内。4.实现办法：闭环控制方式。在发动机电子控制系统中普遍采用由氧传感器组成的空燃比反馈控制方式，如图所示。氧传感器在三元催化转化器前面的排气总管内，其功能是检测排气中的氧气含量，以确定实际空燃比较理论空燃比大还足小，并向ECU反馈相应的电压信号．从而控制喷油量减少或增加。当实际的空燃比比理论空燃比小(混合气浓)时，氧传感器向ECU输入的是高电压信号，此时ECU将减小喷油量，使空燃比增大。当空燃比增大到理论空燃比14．7时，氧传感器输出电压信号将突变下降至0．1v左右。此信号输入ECU后，ECU立即控制增加喷油量，空燃比又开始减小。只要空燃比刚减到理论空燃比以下时，氧传感器输出电压信号又突变，上升到0．75V以上．反馈给ECU后，ECU又将控制减小喷油量。如此反复，将空燃比精确控制在理论空燃比14．7附近一个极小的范围内。而此时三元催化器也保证工作在最佳状态。开关控制型电磁阀，由ECU根据发动机的工作状况进行接通和断开的控制，在满足以下：五种条件之一时，接通电磁阀开关，其它工况下．电磁阀均关断：①发动机起动工作时或刚刚起动后;②怠速触点IDL闭合，且发动机转速下降到规定转速以下时；③怠速触点IDL闭合，并且变速器档位从空档“N”换到其它行驶档位后的几秒钟内；④灯开关接通；⑤后窗去雾器开关接通。当发动机运行条件满足下列条件之一时，ECU控制电磁阀由接通变为关断:①发动机起动后，怠速运转超过预定时间；②触点IDL闭合，空调离合器分离，发动机转速超过预定值；③触点IDL。闭合，空调离合器分离，变速器从空档“N”换到其它行驶档一定时间后，或发动机转速超过预定值；④灯开关关断；⑧后窗去雾开关关闭。二.废气再循环（EGR）控制1.作用：在发动机工作过程中，将一部分废气引入进气管，与新的混合气混合后进入气缸燃烧。废气在燃烧过程中吸收热量，降低了最高燃烧温度。由于氮氧化物(NOx)主要是在高温富氧条件下生成的，因而废气再循环广泛用于减少NOx的生成。但是废气再循环过度将会影响正常运行，特别是在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷态运行时，再循环的废气将会明显降低发动机的性能。控制指标：EGR率实现方式：EGR阀（装在一个将排气歧管与进气歧管连通的特殊通道上，通过控制EGR阀的开度来控制废气再循环量。EGR阀的开启和关闭由上方真空气室的真空度控制，真空气室的真空度由ECU控制的EGR电磁阀控制。）%100体质质吸入空气量＋EGR气EGR气GR气EGR率2.控制方式：机械式：EGR率较小约为5％～15％。即使采用能进行比较复杂控制的机械控制装置，控制的自由度也受到限制。电控式：结构简单，可进行较大的EGR率控制，一般为15％--20％。因此在现代汽车上，尤其是电控发动机通常都采用电控EGR系统。(1).普通电控EGR系统(2).装有背压修正阀的电控EGR系统在普通电控式EGR控制系统的基础上，在EGR电磁阀与EGR阀之间的真空管路中加装一个背压修正阀。其功能是根据排气管的背压，附加控制EGR阀。当发动机负荷小且排气背压低时，背压修正阀膜片在弹簧的作用下向下移动，将真空通道切断，使EGR阀处于关闭状态，不进行废气再循环。有在发动机负荷增大且排气管背压增大时，使修正阀膜片克服弹簧力向上运动将阀打开。这才允许根据各种传感器送来的信号，控制EGR电磁阀的开度，即控制进入EGR真空度，从而改变EGR量。(3).闭环控制式EGR系统①用EGR阀开度作为反馈控制信号：在EGR阀上部还有一个EGR位置传感器，其功能是检测EGR阀的开度并利用电位计将其转变为相应的电压信号反馈给ECU②用EGR率作为反馈信号：日本三菱公司新近开发了一种直接用EGR率作为反馈信号的ECU闭环控制系统，其控制框图如图4—20所示。新鲜空气经节气门进入稳压箱(进气总管)，参与再循环的废气经控制阀也进入稳压箱。其中设置有EGR率传感器，它对稳压箱中气体分析计算后向ECU输出控制信号，不断调整EGR率使其始终在最佳状态，从而有效地减少NOx的排放量。三.燃油蒸发控制系统作用：燃油蒸发控制系统是为了防止燃油箱内的汽油蒸气向大气排放产生污染而设置的。工作过程：油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性炭罐上部，空气从炭罐下部进入清洗活性炭。在炭罐的上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制阀，排放控制阀上部的真空度由炭罐控制电磁阀控制，而炭罐控制电磁阀受ECU控制。当发动机工作时ECU根据发动机的转速、温度和空气流量等信号，控制炭罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上方的真空度，从而控制排放控制阀的开度。而当排放阀打开时，燃油蒸汽通过排放控制阀吸入进气歧管。有的车型上，活性炭罐电磁阀控制系统为了有利于发动机抑制爆燃，当ECU判定发动机产生爆燃时，立即使炭罐电磁阀关闭。切断真空、关闭排放控制阀，直到爆燃消失150ms后，ECU又使炭罐控制电磁阀恢复工作。四、二次空气喷射系统作用：在冷起动时由ECU根据发动机温度，将新鲜空气(又叫二次空气)喷射到排气门的背后，使高温废气中的HC、CO在这里与空气接触而进一步燃烧,以控制废气中HC和CO的成分，同时加快三元催化转换装置的升温过程。工作过程：发动机通过皮带驱动空气压缩机1，空气经压缩以后过管道由空气喷嘴4向排气门的方向喷出。整个装置除空气压缩机外。还必须有防止发动机减速时产生后燃现象的防后燃阀7．防止废气倒流到空气压缩机去的单向阀3等。这种装置具有排气净化性能稳定的特点，本图中空气泵由ECu控制。在发动机温度超过20℃时，起动后ECU控制空气泵继电器闭合，空气泵工作。空气泵工作时间最长不超过4min。以下情况ECU不允许空气泵工作：①燃油系统进入闭环状态；②冷却液温度在20—60℃之间且空气泵已工作4min；③冷却液温度超过60℃且空气泵工作已达30s；④发动机转速超过1900r／min；⑤ECU发现故障第二节怠速控制(ISC)目的：所有怠速使用条件下，都能以适当怠速稳定运转控制内容：起动后控制；暖机过程控制；负荷变化的控制；减速时控制控制原理：ECU转速怠速控制装置（怠速马达）怠速开关车速启动信号执行参数反馈参数修正参数ECTA/CP/NPSHLBU•1.暖车修正(ECT)•2.空调修正(A/C)•3.档位修正(P/N)•4.大灯修正(HL)•5.动力转向修正(PS)•6.蓄电池电压修正(BU)执行装置：节气门直动控制式旁通空气控制式一.节气门直动控制式怠速控制装置控制原理：控制节气门的开启程度，从而控制怠速时的进气量，实现怠速转速的控制控制方法：ECU控制直流电动机，直流电动机旋转通过减速齿轮减速增扭，后通过丝杠把旋转运动转变为传动轴的直线运动，调节节气门全闭限制位置，从而调节节气门处空气通道面积。特点：较强的工作能力和稳定性，但由于有减速机构，使执行速度下降，因而动态响应性差二.旁通空气控制式怠速控制装置（怠速控制阀ISCV）控制原理：ECU控制空气旁通阀实现对怠速进气量的控制，以达到控制怠速的目的1.步进电机型怠速控制阀(1).结构步进电机和怠速控制阀做成一体，装在进气总管内，电机可顺时针或逆时针旋转，使阀沿轴向移动，改变阀与阀座之间的间隙，以调节流过节气门旁通通道的空气量。典型的步进电机型怠速控制阀结构由永久磁铁构成的转子、激磁线圈构成的定子和把旋转运动变成直线运动的进给杆及阀门等组成。利用步进转换控制，使转子可以正转，也可以反转，从而使阀心上下运动达到调节旁通空气道截面大小的目的。步进电机的转子是用永久磁铁制成的8对磁极。定子由A、B两个定子组成，每个定子由两个带有16个(8对)爪极的铁心按图4—4所示上下交错的1、3相绕组和2、4相绕组构成。相线脉冲由电脑控制。转子的转动是通过改变4组线圈的通电顺序来实现。当相线控制脉冲1—2—3—4相顺序依次迟后90°相位角，定子上N极向右方向移动，如图4—5所示，转子随之正转；反之，相线控制脉冲按1—2—3—4相顺序依次超前90°相位角，定子上N极向左方向移动，转子反转。图4—6表示线圈通电，定子被激磁，定子和转子磁极间同极性相斥，异极性相吸，在磁场力作用下，转子转动一步级的工作过程。转子转动一圈分32个步级进行，每个步级转动一个爪，即11．25。(2)步进电机式怠速控制原理步进电机式怠速控制电路如图所示。与冷却液温度、空调工作状态相对应的目标转速都存储在ECU的存储器中。ECU根据节气门开启角度和车速信号判断发动机是否处于怠速工况，并按一定顺序使T1～T4这4个三极管依次导通，分别向怠速步进电机4个线圈供电，驱动步进电机旋转，调节旁通空气通道的开度，从而调节旁通空气量，使发动机转速达到所要求的目标值。怠速控制项目的工作过程如下：①起动初始位置设定。由于步进电机不具有复位功能，因此当点火开关关闭(OFF)后，ECU控制M—REL端使主继电器继续供电3s(见图4—7)，然后ECU控制步进电机将怠速控制阀全部打开，以便为下次起动做好准备。②起动后控制。发动机起动时，由于怠速控制阀预先在全开位置，在起动期间经过怠速控制阀的旁通阀空气量最大，发动机容易起动。发动机起动后，若怠速控制阀仍保持在全开状态．怠速转速会过高。为了避免出现这种情况，在起动过程中，当发动机转速达到由冷却液温度确定的对应转速时，ECU控制步进电机转动，使怠速控制阀逐渐关小到与冷却液温度对应的开度。③暖机控制。暖机过程中，ECU控制步进电机转动，使怠速控制阀从起动后的开度逐渐关小，当冷却液温度达到70℃时，暖机控制结束，怠速控制阀达到正常怠速开度。④反馈控制。发动机起动后，当满足反馈控制条件(怠速触点闭合，车速低于2km／h、空调开关断开)时，ECU将根据发动机实际转速与存储器中预先设定的目标转速进行比较。如果发动机的实际转速低于目标转速且超过一定值(如200r／min)时，ECU控制怠速控制阀将阀门开大；反之，如果发动机的实际转速高于目标转速时，将阀门关小。⑤预测转速控制。发动机在怠速运转时，如空挡起动开关、空调开关接通或断开，都将使发动机的负荷立刻发生变化。为了避免发动机怠速时转速波动或熄火，在发动机转速出现变化前，ECU控制怠速控制阀开大或关小一个固定位置。⑥电器负荷增大控制。在怠速运转时，如使用的电器负荷增大到一定程度时，蓄电池电压就会降低。为了保证ECU的+B端和点火开关IG端具有正常的供电电压，需要控制步进电机相应地增加旁通道空气量，提高发动机怠速转速，提高发动机的输出功率。(Z)学习控制。ECU通过步进电机的正、反转步数，确定怠速控制阀的位置，达到调整发动机怠速转速的目的。由于发动机在整个使用期间，其性能会发生变化，虽然这时怠速控制阀的位置未变，但实际的怠速转速也会偏离初始数值。此时ECU利用反馈控制的方法，使发动机转速达到目标值。与此同时，ECU将步进电机转过的步数存储在存储器中，在以后的怠速控制中使用。2．旋转电磁阀型怠速控制阀旋转电磁阀型怠速控制阀结构如图4—8所示，通过永久磁铁及周围的磁化线圈控制机构来控制阀门的旋转角度，从而改变怠速空气通道的截面积。双金属带一端连接带有凹槽的挡块，一端固定，冷却液流过阀体，当水温发生变化时，双金属带产生