清华大学课件汽车构造I9发动机管理系统.ppt

造I,汽车构造I,（9）,清华大学汽车工程系,赵雨东,主要内容和学时安排,柴油机燃油供给系统（4 学时） 汽油机点火系统（2学时） 发动机冷却系统（2学时） 发动机润滑系统（2学时） 发动机起动系统与电源 （1学时） 发动机管理系统（2学时）,汽车发动机基本知识 （4 学时） 发动机机体（2学时） 曲柄连杆机构（ 3学时） 气门机构（ 3学时） 进排气、增压系统及排放 控制装置（ 3学时） 汽油机燃油供给系统（4 学时）,汽油机管理系统,管理内容 系统组成 传感器 执行器 控制器,汽油机管理系统管理内容（1）,满足发动机动力,性、燃油经济性、 排放控制及操纵 舒适、安全、方 便等要求 基本功能,燃油喷射 电子点火,汽油机管理系统管理内容（2）,其它控制功能 可变气门驱动控制 限制输出转矩、转速 巡航控制 自适应巡行控制 自动变速器换高档位时转 矩控制 载荷瞬变控制（对驾驶员 需求平滑响应） 转矩协调（外部转矩干预）,其它控制功能 怠速转速控制 闭环空燃比控制 汽油蒸发污染控制（碳罐 系统） 爆震控制 废气再循环（EGR）控制 二次空气喷射控制 涡轮增压器控制 可变进气管长度控制,汽油机管理系统管理内容（3）,自诊断功能,监测发动机管理系统是否有发生故障的迹象，存储故 障信息，以便于故障诊断和修理。,监测ECU的输入信号：判断传感器及引线的工作状态、,是否断路、对电源或地短路,监测传感器的供电电压,检查传感器测量值是否在正常范围内（如冷却水温在- 40150° C之间）,如有可相互印证的两个传感器的测量值，则进行可信度检 查（如比较曲轴和凸轮轴转速）,对非常重要的传感器采用冗余设置，以判断和比较相关的 信号的可信度（如加速踏板采用两个位置传感器）,汽油机管理系统管理内容（4）,监测ECU的输出信号：判断执行器及引线的工作状,态，执行器是否发生故障，是否断路、短路,通过输出驱动电路监测输出信号，判断是否对电源短路， 断路、对地短路，是否信号中断,将管理系统中的数据与执行器控制信号进行比较，判断执,行结果的真实性。如EGR系统中，要判断进气歧管压力值,是否在规定范围内，以及进气歧管压力值对执行器控制的 反应是否正确。,监测ECU之间的数据通讯、ECU内部工作情况,汽油机管理系统管理内容（5）,对故障的处理,故障识别,故障码存储,跛行回家功能发生故障后，管理系统启动应急功能，,用预先设定的喷油、点火值使发动机进入简易控制状态， 从而能继续工作，让汽车行驶回家。,提供诊断接口，供检修用,各厂家自诊断功能大同小异，但无统一标准,汽油机管理系统管理内容（6）,车载诊断功能（On-board diagnostics）,发动机管理系统必须持续监测与排放控制有关的系统 和零部件，以使排放符合法规要求；,与排放控制有关的系统和零部件发生故障要报警；,自诊断功能集成到OBD中，OBD已是发动机管理系统,中标准化配置（与厂家无关）,OBD I（美国加州， 1988） OBD II （美国加州， 1994 ）,EPA OBD（美国环保署强制其它州1994施行，与 OBD II略,有不同 ）,EOBD（欧洲2000施行，基于 EPA OBD ）,汽油机管理系统,管理内容 系统组成 传感器 执行器 控制器,汽油机管理系统组成（1）,发动机管理系统的主要开发商,德国BOSCH，世界第二汽车零部件供应商 美国Delphi，最大,日本Denso（电装），第三 德国Siemens VDO,意大利 Magneti-Marelli,各公司开发的系统大同小异,汽油机管理系统组成（2）,Bosch M-Motronic,驾驶员通过加速踏板操纵节气门，控制进气量及输出 转矩；怠速执行器控制怠速空气量。 确定空气质量流量和每缸循环进气量：用空气质量流 量计测量，或根据进气歧管绝对压力、进气温度和发 动机转速，用速度密度法计算； 根据发动机工况确定基本喷油量和点火提前角，再根 据节气门位置、蓄电池电压、变速器档位、冷却液温 度、进气温度、爆震倾向等进行修正。,电控汽油喷射系统组成.swf,汽油箱,空气流量计,节气门位 置传感器,油箱泄 漏诊断 模块,碳罐,发动机ECU,诊断 接口 故障指示灯,变速器 接口,EGR阀,二次空气泵,二次空气阀,点火线圈 凸轮轴相 及火花塞 位传感器,VVT传感 器执行器,喷油器,油箱压力 传感器,爆震 传感器,曲轴转速 传感器,冷却液温 度传感器,BOSCH M-Mochonic,氧传感器,氧传感器,脱附控制阀 进气歧管 压力传感器,可变 进气,1：电动汽油泵 2：汽油滤清器 3：炭罐脱附电磁阀 4：炭罐 5：点火线圈 6：相位传感器 7： 喷油器 8：油压调节器 9：节气门控制组件 10：空气流量计 11：氧传感器 12：冷却水温传感器 13：爆震传感器 14：发动机转速传感器 15：进气温度传感器 16：ECU,Motronic，Santana2000,Delphi system for Dongan engine,汽油机管理系统组成（3）,BOSCH ME-Motronic,采用电动节气门，无怠速执行器。驾驶员通过加速踏 板设定发动机的工作状态。,根据加速踏板位置信号，将驾驶员的意图转换为发动 机转矩；再基于大量的发动机运行的当前数据，将转 矩转换为,进入气缸的新鲜空气充量（通过电控节气门实现） 喷油量（通过燃油喷射系统实现） 点火提前角（通过点火系统实现）,碳罐,脱附控制阀,空气流量计,诊断 接口,故障指示灯,点火线圈 凸轮轴相 及火花塞 位传感器,VVT传感 器执行器,喷油器,进气歧管 压力传感器,节气门组件,氧传感器,氧传感器,曲轴转速 传感器,冷却液温 度传感器,爆震 传感器,EGR阀 发动机ECU 加速踏 板模块,BOSCH ME-Mochonic,汽油机管理系统组成（4）,BOSCH DI-Motronic,基于ME-Motronic，多出一个汽油高压油路；比 ME- Motronic复杂,需要确定,空气充量（电控节气门实现） 喷油压力（高压泵实现）,喷射时刻中高速大负荷均质充量（进气冲程喷射）、低 速低负荷分层充量（压缩冲程末期，点火之前喷射） 喷入燃烧室的油量 点火提前角,碳罐,空气流量计 发动机ECU,诊断 接口,故障指示灯,点火线圈 凸轮轴相 及火花塞 位传感器,VVT传感 器执行器,曲轴转速 传感器,冷却液温 度传感器,喷油器 爆震 传感器,脱附控制阀 进气歧管 压力传感器 氧传感器,氧传感器,氧传感器,废气温度 传感器,高压泵带 油量控制阀,节气门组件 EGR阀 加速踏 板模块,BOSCH DI-Mochonic,Audi A3 BOSCH DI-Mochonic,汽油机管理系统组成（5）,Mono-Motronic,与M-Motronic相比，只是再节气门体处安置一个喷油,器,目前极少应用,Bosch Mono-Jetronic,汽油箱,电动汽油泵,汽油滤清器,氧传感器,分电器及曲轴,位置传感器,冷却水温,传感器,油压调节器 怠速控制阀,喷油器 进气温度 传感器,ECU,节气门及其位置传感器 继电器,蓄电池,点火,开关,汽油机管理系统组成（6）,发动机管理系统硬件构成,传感器、ECU、执行器，,传感器、执行器分布在发动机上的具有独立功能 的各子系统中,空气系统 供油系统 点火系统,排放控制系统 附件系统,曲轴转速及上止点,凸轮轴位置 变速器档位 车速,氧传感器 的加热器,VVT控制 油箱通风 可变进 气控制 二次空气 EGR,传感器 加速踏板位置 节气门位置 空气质量流量 蓄电池电压 进气温度 冷却液温度 爆震强度 氧传感器,ECU,执行器 点火线圈 及火花塞 电控节气 门驱动器 喷油器 主继电器 发动机转速表 燃油泵继电器,ME-Mochonic,发动机控制单元,自诊断接口,节气门控制组件,喷油器,点火线圈组件,炭罐脱附电磁阀,辅助信号,电动燃油泵 氧传感器,发动机转速 空调器压缩机,空气流量计,发动机转速传感器,相位传感器,节气门控制组件,进气温度传感器 冷却水温传感器,氧传感器 爆振传感器,辅助信号,车速 空调器,SANTANA 2000,相位传感器,节气门控制组件,空气流量计 炭罐 爆振传感器 爆振传感器,炭罐脱附电磁阀,发动机控制单元,氧传感器 冷却水温 传感器,传感器插头支架,进气温度传感器 发动机转速传感器 电动燃油泵,喷油器 油压调节器 SANTANA 2000,Polo 1.4L,汽油机管理系统组成（7）,测量载荷的传感器 翼片式空气流量计 热线式空气流量计 热膜式空气流量计 进气歧管压力传感器 （与进气温度传感器、 发动机转速一起用于计 算空气量） 节气门位置传感器,空气系统 节气门 怠速执行器（电动节气 门则无怠速执行器） 测量载荷的传感器 可变进气 可变气门驱动 废气再循环（EGR）,汽油机管理系统组成（8）,供油系统 电动汽油泵 汽油滤清器 油压调节器 汽油蒸发污染控制系统 油轨 喷油器 缸内直喷系统不同,点火系统 点火线圈 火花塞,汽油机管理系统组成（9）,排放控制 一个或两个三效催化转 换器（初级催化转换器 和主催化转换器） 氧传感器，初级催化转 换器前、后端各一 二次空气喷射装置 EGR发动机装废气温度 传感器,附件系统 冷却风扇 空调压缩机 发动机工作信息传感器 曲轴转速 凸轮轴相位 冷却液温度 进气温度 爆震强度,汽油机管理系统,管理内容 系统组成,传感器 执行器 控制器,汽油机管理系统传感器,空气质量流量传感器 温度传感器 压力传感器,转速和转角位置传感器 位置传感器 氧传感器,汽油机管理系统传感器 空气质量流量传感器（1）,翼片式,通过流量计的空气推动翼片（带回位弹簧卷簧） 转动，气流速度（体积流量）越大，由弹簧力和气 流推力决定的翼片转角越大。,翼片带动的电位计，将翼片角度转换为电信号。 缓冲室起阻尼作用，使翼片转动平稳，避免发生摆 振。,工作可靠，有进气阻力，易磨损。 已经基本不用,翼片,进气温度传感器,接到ECU 缓冲片 缓冲室 电位计 翼片式空气流量计,汽油机管理系统传感器 空气质量流量传感器（2）,铂热丝,温度补偿电阻 微调电阻,混合电路,热线式 热线铂金属丝；惠 斯通电桥（铂丝为其 中一电阻）；混合电 路 热线工作时通电加 热，要求热线表面与 周围环境保持固定温,差； 测量电阻,铂热丝,精密测量电阻,温度补偿电阻,汽油机管理系统传感器 空气质量流量传感器（3）,热线式,经过热线表面的空气会带走热线散发的一部分热量，铂丝温 度及电阻减小，电桥失去平衡；混合电路自动增大通过铂丝 的电流，增大其温度和电阻，电桥恢复平衡。,流经热线的空气量越大，混合电路供给热线的加热电流也越 大。加热电流是空气流量的单值函数。,加热电流通过一精密电阻产生的压降作为输出信号。,无运动件、无磨损，灵敏度高，响应快。但任何方向运动的 空气都会带走热量，故在进气管气流脉动较强的场合（如四 缸机）易导致误判；且热线污染时会发生零点飘移。,金属防护网,测试管,控制电路板,电接头,铂热丝 温度补偿电阻 壳体,热线式空气流量计,测量原理与热线式 相同； 利用热膜与空气的 热传递来测量空气 流量； 热膜：铂金属片固 定在树脂薄膜上。 与热线式相比，提 高了可靠性和耐用 性。不会被灰尘污 染。,汽油机管理系统传感器 空气质量流量传感器（4） 电接头 热膜式,测管 混合电路 热膜 壳体 空气分流通路,壳体,热膜元件 混合电路盒 电插头 主流热膜式空气流量计,金属防护网 导流隔栅 SANTANA 2000,上海联合电子（BOSCH）,汽油机管理系统传感器,温度传感器（1）,发动机温度传感器（冷却液温度传感器）,装在气缸体上，测量冷却液温度；测量范围40 130° C,空气温度传感器,装在进气总管或进气质量流量计上；测量范围40120°C,与进气压力传感器一起，用于计算进气质量,用于各种控制（EGR、增压压力）,机油温度传感器,装在缸体主油道，用于计算维修间隔；测量范围40 170°C,燃油温度传感器,装在柴油机低压油路，用于精确计算喷油量；测量范围,40 120°C,汽油机管理系统传感器 温度传感器（2）,冷 却 液,测 温 电 阻,安 装 螺 纹,密 封 垫 圈,引 线 接 头,壳 体,大多采用负温度系数（NTC） 热敏电阻式，其电阻值随温度 升高而降低。,将热敏电阻与一标准电阻串 连，并提供稳定电压（5V）。 温度变化时，标准电阻分压值 发生变化。 冷却水温传感器：导热的金属 套管隔水密封封装。 进气温度传感器：贯通的保护 套式封装，以直接接触被测气 体，提高灵敏度。,热敏 电阻,热敏 电阻,导热的绝 缘填充物,进气温度,冷却水温,Deiphi 冷却液温度传感器,Deiphi 进气温度传感器,冷却液温度传感器,进气温度传感器,上海联合电子（BOSCH）,汽油机管理系统传感器,压力传感器（1）,进气歧管压力传感器,装在进气总管上，测量进气绝对压力,用于计算进气质量，以及用于控制增压压力,大气压力传感器,装在ECU上或发动机仓内，用于海拔高度修正,机油压力传感器,装在机油滤清器内或主油道，用于监测润滑系统的工作情况,燃油压力传感器,装在燃油滤清器上，用于监测滤芯的堵塞程度,汽油机管理系统传感器 压力传感器（2）,引线 真空室 玻璃 封装 引线 端子,硅膜片 玻璃 基座 外罩 引压管,半导体压敏电阻型 主要元件单晶硅 材料制成的硅膜片， 一侧是真空，一侧是 引入的进气管压力。 用集成电路加工技术 在膜片上制成四个阻 值相等的压敏电阻 （固态电阻），构成,惠斯通电桥。 进气管压力传感器,引线,端子 真空管,电极 引线 底座,金线 电极,压敏 电阻,锡焊 封口,硅膜片,真空室,硅杯 壳体,硅膜片,压敏电阻,硅膜片,压敏电阻,压敏电阻型进气管压力传感器,汽油机管理系统传感器,压力传感器（3）,Delphi 进气管压力传感器,半导体压敏电阻型（续）,在压力作用下，膜片产生 应变，压敏电阻阻值变 化，电桥平衡被打破。若 电桥输入电压一定，则其 输出也会变化，反映出进 气管压力的大小。,输出电压与进气管压力成 线性关系。,温度 传感器,传感器 下体 进气 歧管 密封圈,引线 端子,传感器 外罩 压力测 量组件 进气管压力/温度传感器,Delphi 进气管压力/温度传感器,北京现代SONATA 2.0L,进气压力/温度传感器（无空气流量计）,汽油机管理系统传感器 压力传感器（4） 厚膜压敏电阻型 用真空沉积法将金属沉积在玻璃板或铝板上，形成厚膜； 厚膜上的四个压敏电阻构成一个桥路 原理同半导体压敏电阻型压力传感器。,压敏电阻 测量桥路,膜片,基准压力室 陶瓷载体,电气接头 混合电路 金属膜片带 变形电阻桥路 高压通道 固定螺纹,汽油机管理系统传感器 压力传感器（5） 高压传感器,缸内直喷汽油机油轨 压力传感器，装在油 轨上；用于通过压力 控制阀闭环调整油轨 压力使之随转速、负 荷而变（MAP图）；实 际油压范围50120bar。 柴油机机油轨压力传 感器，用于闭环控制 油轨压力，实际最高 1600bar。,汽油机管理系统传感器 转速及转角位置传感器（1）,由装在曲轴、凸轮轴、分电器轴上的齿型信号盘与固定 在机体上的传感器组成。,曲轴上安置的信号盘和缸体上固定的传感器可以计算曲 轴转速，以及给出上止点。但只能给出每转一次的转角 信号，不能判断是压缩上止点还是进排气上止点； 要实现顺序喷油和顺序点火，必须测出凸轮轴（或分电 器轴）相位，即给出一个工作循环内的转角信号。 主要两种,磁电感应式 霍尔效应式,铁芯 感应线圈,机体 信号盘,汽油机管理系统传感器 转速及转角位置传感器（2） 永磁铁 传感器壳体 磁电感应式 信号盘58个 齿，每齿占,6°转角， 另有一个缺 齿占12°转 角。缺齿位 置可为某一 缸上止点。,汽油机管理系统传感器 转速及转角位置传感器（3）,磁电感应式,传感器的电磁铁或永磁 铁发出的磁力线通过信 号盘形成回路。信号盘 旋转时，盘边齿型缺口 使传感器与信号盘磁隙 发生变化，通过感应线 圈的磁通发生变化，产 生感生电动势，经整型 放大形成一连串方波信 号。,可装在曲轴前端、中间 或后端（飞轮）,Polo 1.4L,上海联合电子（BOSCH）磁电式转速传感器,汽油机管理系统传感器 转速及转角位置传感器（4）,霍尔效应式 利用霍尔效应产生电压 脉冲信号。 半导体晶片（霍尔元件） 被磁力线穿过，外加电 流在垂直磁力线方向通 过晶片，则在与磁力线、 电流都垂直的方向产生 电位差，称霍尔电压。 若电流一定，则霍尔电 压与磁场强度成正比。,永磁铁,霍尔元件 外加电流,汽油机管理系统传感器 转速及转角位置传感器（5）,霍尔效应式 信号盘用不导磁材料 （铝或工程塑料）制 成，固定于曲轴或凸轮 轴。触发叶片转过霍尔 传感器的永磁铁与霍尔 元件之间的气隙时，霍 尔电压为零；转过后， 输出一定电压。 结构型式多样，但原理 基本相同,霍尔元件,触发叶片,Polo 1.4L,Deiphi Hall效应凸轮轴位置传感器,汽油机管理系统传感器,节气门位置传感器（1）,机械式节气门发动机,节气门转角位置是表征负荷的辅助信号，与空气流量计信号 对照互检,判断发动机工况：怠速、部分负荷、大（全）负荷 根据节气门转角变化率，确定加减速修正喷油量,空气流量计发生故障时，作为跛行回家或紧急情况下的负荷 信号,电动节气门发动机,用于闭环控制节气门转角,冗余设计，用两个电位计且参考电压不同,汽油机管理系统传感器 节气门位置传感器（2）,滑膜电 滑臂 节气门轴 阻1、2 及触点,大多采用滑,膜电阻式电 位计，节气 门轴带动电 位计滑动触 点。节气门 开度不同， 电位计输出 电压不同。 电路接头,Deiphi 节气门位置传感器,北京现代SONATA 2.0L,节气门位置传感器,汽油机管理系统传感器,爆震传感器,装在缸体侧面，用于确定点火提前角而避免发生爆震。,直列机至少装一个，V型机两侧至少各装一个。,压电晶体式振动传感器，将缸体振动转变为电信号 爆震时发动机缸体振动频率与传感器固有频率相同， 传感器内的惯性质量的惯性力压压电晶体，使之产生 电信号。,压 电 陶 瓷,惯 性 质 量,外 壳,紧 固 螺 钉,Siemens VDO 接 触 表 面 电 接 头 缸 体 Delphi,汽油机管理系统传感器 氧传感器（1）,初级催化转换器,主催化转换器,装在进气歧管与三效,催化转换器之间，或 催化转换器前后。 监测废气中氧的浓 度，用于闭环控制空 燃比，使三效催化转 换器工作在高效转换 区。 有多种布置方式 NOx传感器,BMW V8,汽油机管理系统传感器,氧传感器（2）,氧化锆型,ZrO2固体电解质，具氧离子电导特性；,ZrO2陶瓷管内外两侧镀多孔铂膜做电极，内侧与空气接触，外,侧与排气接触。,高温下（300），内外侧氧离子化，氧离子浓度不同，产,生流动，在两电极间产生电位差。,铂：催化作用，使浓混合气燃烧产物中残存O2与HC、CO发生,氧化反应而消除。,加热管：保证ZrO2管 700。,多孔涂层 电极,排气管 氧化锆,废气 外壳连接件,连接件,汽油机管理系统传感器 氧传感器（3）,壳体,接线端子,带槽保护管 氧化锆,连接线,连接线,陶瓷支承管 加热管,外套,盘型弹簧,BOSCH氧传感器,保护套管,TiO2厚膜元件,连接线,汽油机管理系统传感器 氧传感器（4） 氧化钛型 TiO2常温下具有很高电阻 的半导体。高温排气中，,随其中氧含量有（稀混合 气）无（浓混合气），电 阻值由高到低阶跃变化。 设加热器，保持高温。设 温度补偿电路，使其电阻 不随温度变化。 氧传感器和一同阻值电阻,串连，接稳压电源；取其 分压值为输出。,汽油机管理系统传感器 氧传感器（5）,检测单元 泵氧单元 扩散间隙 废气,基准氧气室,加热器,控制电路,泵 氧 电 流,宽域氧传感器 可测很宽范围的空燃比 （10:135:1），用于缸 内直喷稀燃发动机。,宽域氧传感器输出特性,检测单元,BOSCH 宽域氧传感器,汽油机管理系统,管理内容 系统组成 传感器 执行器 控制器,汽油机管理系统ECU,采集、各种处理各种传感器输入信号，根据发动机工作 要求进行控制决策的运算，并输出相应的控制信号。 硬件组成,微计算机：微处理器、只读存储器（ROM）、随机存储器 （RAM）、时钟脉冲发生器、输入输出接口、总线等 数字电路（包括A/D、D/A转换器）,功率输出级，把输出信号放大，驱动执行器工作 外部通讯电路 电源管理电路,通过总插头与蓄电池、各种传感器 /执行器连接在一起,Delphi ECM安装在驾驶室内,汽油机管理系统,管理内容 系统组成 传感器 执行器 控制器,汽油机管理系统执行器（1）,喷油器,点火线圈级火花塞,电控节气门位置调节器（电控节气门发动机） 怠速执行器（传统机械式节气门发动机）,废气再循环（EGR）阀,废气涡轮增压压力控制电磁阀 碳罐脱附电磁阀,二次空气喷射控制阀,可变气门驱动及可变进气管 各种继电器,汽油机管理系统执行器（2）,加速踏板,怠速执行器 直接控制节气门最 小开度很难达到要 求的怠速稳定性， 故普遍采用控制怠 速旁通通路面积的 怠速执行器，以控,制热机怠速、冷机 起动、暖机和减速 工况的发动机进气 量（并不限于怠速 工况）。,怠速执行器,ECU,输 入 信 号,电机转子,锥面控制阀 阀座,螺杆,挡板,励磁线圈,汽油机管理系统执行器（3） 步进电机式,步进电机、螺旋机 构（螺杆、螺母）、 锥面控制阀；螺杆 与锥面阀一体，步 进电机转子和螺母 一体。 在ECU控制下，步 进电机转子及螺母 旋转，则螺杆带动 锥面阀移动，改变 旁通空气道的通路,面积。,Delphi 怠速控制阀,汽油机管理系统执行器（4）,电接头 壳体 永磁铁 电枢,旋转滑阀,旋转电磁式 怠速旁通空气道通 路面积决定于滑阀 旋转位置，该位置 有电磁转矩与回位 弹簧转矩的平衡确 定。 PWM信号控制电磁 阀的电磁转矩。,北京现代SONATA 2.0L,怠速执行器,汽油机管理系统执行器（5） 弹簧,电磁 线圈 阀轴,波纹管 阀头,平动电磁式 怠速旁通空气道 通路面积决定于 阀头开启位置， 该位置有电磁力 与弹簧力的平衡 确定。 PWM信号控制,电磁阀的电磁力。 阀头 壳体 空气入口,复习思考题,1 目前车用汽油机主流电控燃油喷射系统有哪些特点？ 2 简述各种供油系统组成。,3 在汽油机总成上，各传感器、执行器都装在什么位置,上？这些传感器、执行器的主要作用和工作原理是什 么？,4 汽油机电控燃油喷射系统如何确定喷油器的喷油量？,作业,1 在汽车楼专业教室任选一款电控汽油机观察。写出各,传感器、执行器名称和安装位置，简要介绍其工作原理。,