第2章发动机电子控制系统.ppt
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1、1,汽车电子控制技术,2,第2章 发动机电子控制系统,教学提示:汽车电子控制技术最早应用于发动机的控制。发动机电子控制技术的广泛应用,极大地提高了汽车发动机的技术性能。,教学要求:本章主要介绍电子控制技术在汽车发动机上的应用。重点内容是电子控制汽油喷射技术、电子控制点火技术以及发动机辅助控制技术。要求学生了解控制原理,熟悉系统组成和工作特性。,3,2.1 电子控制汽油喷射系统概述,2.1.1汽油机对空燃比的要求,1.可燃混合气浓度的表征方法,=AF14.7 浓混合气 =AF=14.7 理论混合气 =AF14.7 稀混合气,=LL01 浓混合气 =LL0=1 理论混合气 =LL01 稀混合气,4
2、,2.可燃混合气浓度对发动机性能的影响,图2-1 可燃混合气空燃比对发动机火焰温度、油耗率和输出功率的影响,5,图2-2 可燃混合气空燃比对发动机有害排放物浓度的影响,6,3.不同工况下发动机对空燃比的要求,(1)稳定工况对混合气的要求。,怠速和小负荷工况。,中等负荷工况。,大负荷和全负荷工况。,(2)过渡工况对混合气的要求。,冷起动。,暖机。,加速和减速。,7,2.1.2燃油喷射的概念,燃油喷射(Fuel Injection)就是用喷油器将一定压力和数量的汽油喷入进气道或气缸内。其目的是提高燃油雾化质量,改进燃烧,改善发动机性能。,电控燃油喷射则是采用电动喷油器,由电子控制单元根据发动机运行
3、工况和使用条件,将适量的燃油喷入进气道或气缸内,实现对发动机供油量的精确控制。,8,2.1.3燃油喷射系统的分类,1.按喷油器的布置分类,(1)单点燃油喷射系统(Single-Point Injection,SPI)。,也称为: 节气门体喷射(Throttle Body Injection ,TBI) 中央燃油喷射(Central Fuel Injection ,CFI)。,9,(2)多点燃油喷射系统(Multi-Point Injection,MPI)。,进气管喷射。,缸内喷射又称缸内直接喷射(Gasoline Direct Injection,GDI)。,10,2.按喷射装置的控制方式分类
4、,(1)机械式燃油喷射系统(K系统),图2-9 机械式燃油喷射系统(K系统),博世公司研制的K-Jetronic系统在20世纪五六十年代开始运用于汽车上,如早期的奔驰(Benz)和奥迪(Audi)等。,11,(2)机电结合式汽油喷射系统(KE系统)。,KE系统在K系统的基础上,增加了电子控制单元,以德国博世公司生产的KE-Jetronic系统最具代表性。,图2-10 机电结合式汽油喷射系统(KE系统),12,(3)电控式燃油喷射系统。,电控式燃油喷射系统(Electronic Fuel Injection,EFI)由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统三部分组成。,图2-11 电控式汽油喷
5、射系统,13,其电子控制系统主要由电控单元(Electronic Control Unit,ECU)、各种传感器和执行器三部分构成。ECU通过对各种传感器的信号进行运算获得发动机的运行状况,发出指令控制喷油器的喷油时刻和喷油量,从而精确控制各工况的空燃比。,开环控制方式。,图2-12 开环控制方式,14,闭环控制方式。,图2-13 闭环控制方式,3.按喷油方式分类,(1)连续喷射系统(Continuous Fuel Injection,CFI)。在发动机运转期间,燃油连续不断的喷射,主要用于机械式和机电结合式汽油喷射系统。,15,(2)间歇喷射系统。在发动机运转期间,燃油按照一定的规律间歇喷射
6、,电控式燃油喷射系统都采用间歇喷射。,图2-14 间歇喷射时序分类 (a)同时喷射;(b)分组喷射;(c)顺序喷射,16,4.按进气量的检测方式分类,(1)直接测量式。,直接测量式燃油喷射系统利用空气流量计直接测量单位时间内吸入进气管的空气流量。直接检测方式也可称为质量-流量(Mass Flow)方式,亦称L型燃油喷射系统(L为德文空气流量Luftmengen的字头)。,叶片式空气流量计(测量体积流量)。,按照空气流量计的种类不同,直接测量式又分为以下几种。,卡门涡旋式空气流量计(测量体积流量)。,热线式空气流量计(测量质量流量)。,热膜式空气流量计(测量质量流量)。,17,(2)间接测量式。
7、,间接测量式燃油喷射系统通过对其他参数(进气歧管绝对压力、节气门开度和发动机转速)的测量,并经过计算处理得到进气量的值。,间接检测方式又可分为速度-密度(Speed Density)方式和节气门-速度(Throttle speed)方式。速度-密度方式根据进气管绝对压力和发动机转速计量发动机每循环的进气量,而节气门-速度方式则根据节气门开度和发动机转速计量发动机每循环的进气量,从而计算所需的喷油量。,间接测量常用进气歧管绝对压力式,即采用进气歧管绝对压力传感器测量进气管的绝对压力以确定进气量。该系统亦称为D型燃油喷射系统(D为德文压力Druck的字头)。,质量-流量控制方式(L型)是通过空气流
8、量传感器(Air Flow Meter)直接测量发动机的进气量,再根据进气量和转速来确定发动机每工作循环的供油量,精度高、稳定性好。,18,19,2.2 电控燃油喷射系统的基本组成,图2-16 发动机电控燃油喷射系统(D型),20,图217 发动机电控燃油喷射系统(L型),21,2.2.1空气供给系统,空气供给系统用于向发动机提供新鲜空气,并测量进入气缸的空气量。按怠速进气量的控制方式不同,空气供给系统分为旁通空气式和直接供气式两种,如图2-18所示。,(a)旁通空气式 (b)直接供气式 图2-18 空气供给系统 1空气滤清器;2空气流量传感器;3怠速控制阀; 4进气歧管;5动力腔;6节气门体
9、,22,2.2.2燃油供给系统,1.燃油供给系统的组成,燃油供给系统向发动机提供混合气燃烧所需的燃油,主要由油箱、电动汽油泵、输油管、燃油滤清器、燃油压力调节器、燃油分配管(燃油导轨)、喷油器和回油管等组成。,图2-19 燃油供给系统 1油箱;2电动汽油泵;3输油管;4回油管;5喷油器; 6燃油压力调节器;7燃油分配管;8燃油滤清器,23,2.燃油压力调节器,24,压力调节器的功用 : 调节燃油压力,使喷油压差保持恒定。,喷油压差就是指燃油分配管内燃油压力与进气管内气体压力的差值,一般为300 kPa左右。,燃油压力调节器结构图,25,3.燃油压力脉动阻尼器,在一些电控燃油喷射系统的电动燃油泵
10、或燃油导轨上,安装有燃油压力脉动阻尼器,其作用是降低喷油器喷油时引起的燃油压力波动,并降低噪声。,图2-22 燃油压力脉动阻尼器结构图 1阀片;2膜片;3回位弹簧,燃油压力脉动阻尼器一般不会发生故障。需进行拆卸时,注意应首先释放燃油系统压力。,26,2.2.3电子控制系统,27,1.信号输入装置,信号输入装置包括各种传感器和开关。发动机传感器安装在发动机的不同部位,用于检测发动机运行状态的各种参数,并将其转换成计算机能够识别的电信号输入ECU。,(1)空气流量传感器(Air Flow Sensor,AFS)或歧管压力传感器(Manifold Absolute Pressure Sensor,M
11、AP):用于检测吸入发动机气缸的进气量。AFS能直接检测发动机的进气量,MAP只能间接测量发动机的进气量。,(2)曲轴位置传感器(crankshaft position sensor,CPS):用于检测发动机曲轴的转速和转角,控制喷油提前角和点火提前角。,发动机传感器及开关信号的主要功用如下所述。,28,(3)凸轮轴位置传感器(camshaft position sensor,CPS):用于检测活塞上止点位置,控制开始喷油时刻和开始点火时刻,故又称为气缸识别传感器(Cylinder Identification Sensor,CIS)。,部分汽车发动机电控系统中,曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感
12、器制成一体,统称为曲轴位置传感器,并用CPS表示。,(4)节气门位置传感器(Throttle Position Sensor ,TPS):用于检测节气门开度大小,如节气门关闭、部分开启和全开等。,此外,ECU通过计算节气门位置传感器信号的变化率,便可得到汽车加速或减速信号。,(5)冷却液温度传感器(coolant temperature sensor,CTS):又称为水温传感器,用于检测发动机冷却液温度。,29,(6)进气温度传感器(Intake Air Temperature Sensor,IATS):用于检测吸入发动机气缸的空气的温度。,(7)氧传感器或O2传感器(Exhaust gas
13、oxygen Sensor,EGOS):用于检测排气管排出废气中氧的含量,来反映可燃混合气的AF。,(8)车速传感器(Vehicle Speed Sensor,VSS):用于检测汽车行驶速度。,(9)点火开关信号(Ignition Switch ,IGN):当点火开关接通“点火(IG)”挡位时,向ECU输入一个高电平信号。,(10)起动开关信号(Starting Switch,STA):当点火开关接通“起动(ST)”挡时,向ECU输入一个高电平信号。,(11)空调开关信号(Air Conditioning Switch,A/C):当空调开关接通时,向ECU提供接通空调的信号。,30,(12)电
14、源电压信号(U-Battery,UBAT):向ECU提供蓄电池端电压信号。,(13)空挡起动开关信号(Neutral Start Switch,NSW):在选装自动变速器的汽车上,用于检测自动变速器的挡位选择开关是否处于空挡位置。,2. ECU,ECU又称为电子控制单元或电子控制组件,俗称电脑。,31,ECU用于接收各种传感器和控制开关输入的发动机工况信号,根据ECU内部预先编制的控制程序和存储的试验数据,通过数学计算和逻辑判断确定适应发动机工况的喷油时间和点火提前角等参数,并将这些参数转换为电信号控制各种执行元件动作,从而使发动机保持最佳运行状态。,32,ECU还具有故障自诊断测试功能和应急
15、处理功能(后备功能)。在ECU对发动机运行状态进行控制的同时,还对传感器传输的信号进行监测与鉴别,当发现某传感器传输的信号参数超出规定值范围或没有传输信号时,ECU将判定该传感器或相关线路发生故障,并将故障信息编成代码储存在存储器中,以便维修时调用,与此同时,立即启用后备功能,使发动机进入故障应急状态运行。,3.执行器,执行器又称为执行元件,是电控系统的执行机构。执行器用于接受ECU的控制指令,完成具体的控制动作。发动机电控燃油喷射系统常用的执行器主要功用如下所述。,(1)电动汽油泵:给发动机电控系统提供规定压力的燃油。,(2)油泵继电器:控制电动汽油泵电路的接通与切断。,33,(3)喷油器:
16、接收ECU发出的喷油脉冲信号,并计量燃油喷射量。,(4)氧传感器加热器:加热氧传感器的检测部件,使传感器尽快投入工作。,在汽车电控系统中,还设有一个故障诊断插座(故障测试仪接口)。当控制系统发生故障或需要了解控制系统的工况参数时,利用测试仪通过故障诊断插座可以调取所需信息和参数。,34,2.3 电控燃油喷射系统传感器的结构原理,2.3.1歧管压力传感器,1. 歧管压力传感器的作用与分类,歧管压力传感器用于测量发动机的进气量,又称为进气歧管绝对压力传感器或进气绝对压力传感器。歧管压力传感器采用间接测量方式测量进气量,即依据发动机的负荷变化测出进气歧管内绝对压力值,进而测算发动机的进气量。,35,
17、2.电容式歧管压力传感器,电容式歧管压力传感器利用传感器的电容效应测量进气歧管绝对压力,主要由氧化铝膜片及厚膜电极等构成。,电容式歧管压力传感器,ECU根据传感器输出信号的频率便可确定进气歧管的绝对压力。其信号频率和进气歧管绝对压力值成正比,该频率大约在80120Hz范围内变化。,36,3.半导体压敏电阻式歧管压力传感器,半导体压敏电阻式歧管压力传感器利用半导体的压阻效应测量进气歧管的绝对压力,主要由压力转换元件和将转换元件输出信号进行放大的混合集成电路等构成。,半导体压敏电阻式歧管压力传感器,37,(a)硅钢片 (b)控制电路 图2-28 半导体压敏电阻式歧管压力传感器工作原理 1硅片;2硅
18、;3真空管;4硼硅酸玻璃片;5二氧化硅膜; 6应变电阻;7金属片;8稳压电源;9差动放大器,该类传感器尺寸小、精度高、成本低、响应性好、通用性强和测量范围广,是目前进气压力传感器中最先进的一种,应用广泛。,38,4.膜盒传动的可变电感式(LVDT)歧管压力传感器,膜盒传动的可变电感式歧管压力传感器主要由膜盒、铁心、感应线圈和电子电路等组成。,LVDT式歧管压力传感器,39,感应线圈由两个绕组构成,一个与振荡电路相连,产生交流电压,在线圈周围产生磁场;另一个为感应绕组,用于产生信号电压。,LVDT式歧管压力传感器工作原理,当进气歧管压力变化时,膜盒带动铁心在磁场中移动,使感应线圈产生的信号电压随
19、之变化,再将该电压信号送到电子电路,后经检波、整形和放大后,作为传感器的输出信号送至ECU。,40,5.表面弹性波式(SAW)歧管压力传感器,表面弹性波式(SAW)歧管压力传感器在一块压电基片上用超声波加工出一薄膜敏感区,上面刻制换能器(压敏SAW延时线),换能器与电路组合成振荡器。,(a)传感器结构 (b)换能器结构 图2-31 SAW式歧管压力传感器,41,2.3.2空气流量传感器,1.空气流量传感器的作用与分类,空气流量传感器(AFS)又称为空气流量计(AFM),用于检测发动机的进气量,并将进气量信息转换成电信号输入ECU,以供ECU计算确定喷油时间(即喷油量)和点火时间,是发动机ECU
20、计算喷油时间和点火时间的主要依据。,目前车用空气流量传感器主要有翼片式空气流量传感器、卡门涡旋式空气流量传感器和热式空气流量传感器等。,42,2.翼片式空气流量传感器,翼片式空气流量传感器由测量板(叶片)、缓冲板、阻尼室、旁通气道、怠速调整螺钉、回位弹簧等组成。此外,其内部还设有电动汽油泵开关及进气温度传感器等。,43,翼片式空气流量传感器结构,44,图2-35 电位计,45,(a)电位计内部电路 (b)工作原理 图2-36 翼片式空气流量传感器工作原理 1电位计;2来自空气滤清器的空气;3到发动机的空气; 4测量板;5电位计滑动触头;6旁通空气通道,46,2.卡门涡旋式空气流量传感器,卡门涡
21、旋式空气流量传感器(Karman scroll type air flow meter)在进气管道中央设置一个锥体状的涡流发生器,当空气流过时,在涡流发生器的后部将会不断产生称之为卡门涡旋的涡流串,若测出卡门涡流的频率便可感知进气量的大小。,按照涡旋数的检测方式不同,卡门涡旋式空气流量传感器有超声波检测方式和反光镜检测方式两种。,图2-37 卡门涡旋式空气流量传感器(超声波检测方式) 1整流栅;2涡旋发生体;3涡旋稳定板;4信号发生器(超声波发射头);5超声波发生器;6通往发动机;7卡门涡旋;8超声波接收器;9与涡旋数对应的疏密声波;10整形放大电路;11旁通通路;12通往ECU;13整形成矩
22、形波(脉冲),47,(a)结构 (b)原理,(c)输出信号波形 图2-38 卡门涡旋式空气流量传感器(反光镜检测方式) 1反光镜;2发光二极管;3弹性钢片;4空气流;5卡门涡旋; 6涡旋发生体;7压力导向孔;8光电品体管;9进气管路;10支承板,48,3.热式空气流量传感器,热式空气流量传感器有热线式和热膜式两种形式,直接检测发动机吸入空气的质量流量,检测原理完全相同。,热线式空气流量传感器的检测元件是铂金属丝,热膜式空气流量传感器的检测元件是铂金属膜。,此外还具有进气阻力小、无磨损部件等优点,目前大多数中高档轿车都采用这种传感器。,热线式与热膜式空气流量传感器主要由发热元件(热线或热膜)、温
23、度补偿电阻(冷丝或冷膜)、信号取样电阻和控制电路等组成。,铂金属检测元件的响应速度很快,能在几毫秒内反映出空气流量的变化,因此测量精度不受进气气流脉动的影响(气流脉动在发动机大负荷、低转速运转时最为明显)。,49,热线式空气流量传感器。,图2-39 热线式空气流量传感器 1传感器密封盖;2印刷控制电路板;3卡环;4防护网;5温度补偿电阻丝(冷丝);6铂金属丝(热线);7取样管;8CO调整螺钉;9防护塞;10接线插座,50,热膜式空气流量传感器。,热膜式空气流量传感器对热线式空气流量传感器进行了改进,其发热元件采用平面形铂金属薄膜(厚约200m)电阻器,故称为热膜电阻。,图2-40 热膜式空气流
24、量传感器 1接线插座;2护套;3铂金属膜;4防护网,51,为了防止进气温度变化使测量精度受到影响,在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻。,温度补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接,控制电路与线束连接器插座连接,线束插座设在传感器壳体中部。,图2-41 热膜式空气流量传感器内部元件 1控制回路;2通往发动机;3热膜;4进气温度传感器;5金属网,52,2.3.3节气门位置传感器,1.节气门位置传感器的作用与分类,发动机工况(如起动、怠速、加速、减速、小负荷和大负荷等)不同,对混合气浓度的要求也不相同。节气门位置传感器将节气门开度(即发动机负荷)大小转变为电信号输入发动机ECU,
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