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1、汽车电子控制技术课程 教案 学院职业技术学院 专业汽车维修工程教育 教师王忠良 河北师范大学 职业技术学院机械系 章节第一章汽车电子控制技术概论日期 重点汽车电子控制系统的分类 难点汽车电子控制系统的组成 第一节 电子技术在汽车上的应用 汽车是由发动机、底盘、车身和电气设备四部分组成。 汽车电气设备包括汽车电器系统与汽车电子控制系统两部分。 汽车电子控制系统由传感器、电器开关、电子控制单元和执行器等组成,包括发动机电子控制 系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统等子系统。电子控制技术最早应用在发动机上,汽油 机电子控制技术成为电子技术应在汽车上的主要标志。 第二节 汽车电子控制技术的发展 汽
2、车电子控制技术发展的根本原因有两个方面:一是电子技术水平不断提高,这是汽车电子控 制技术发展的基础;二是全球能源紧缺、环境保护和交通安全问题,促使汽车油耗法规、排放法规 的不断提高。汽车油耗法规和排放法规促进了汽车发动机电子控制技术的发展,汽车安全法规促进 了汽车底盘和车身电子控制技术的发展。 一、汽车电子控制技术发展历程 (一)发动机机电子控制技术的发展 汽油机电子控制技术的发展历程是伴随着汽油机燃油供给技术的发展而来的。为适应降低汽油 机燃油消耗和有害物排放量的要求,汽油机燃油供给技术经历了从机械控制汽油喷射到现在的发动 机集中管理系统,以及目前正在迅猛发展的缸内直喷技术。 1934 年,
3、德国怀特 (Wright )兄弟发明了向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术, 并研制成功第一架采用燃油喷射式发动机的军用战斗机。 1952 年,德国 Bosch 公司研制成功了第一台机械控制缸内喷射汽油机,并成功地安装在戴姆勒 奔驰( Daimler Benz)300 L 型赛车上。 1958 年, Bosch 公司研制成功了机械控制进气管喷射汽油机,并成功地安装在梅赛德斯奔驰 (MercedesBenz)220S 型轿车上。 从 20 世纪 50 年代开始,美国、欧洲和日本先后颁布了对汽车有害排放进行限制的各种法规, 70 年代的能源危机导致了对汽车燃油消耗进行限制的法规。这些法规
4、的颁布,推动了以环保和节能 为主要目标的电子控制汽油喷射技术的发展,同时也加快了汽车电子控制技术发展的进程。 1953 年美国本迪克斯公司(Bendix )开始研制由真空管电子控制系统控制的汽油喷射装置,并 在 1957 年研制成功。该系统根据进气压力,由设在各个节气门前的喷油器与进气行程同步喷油, 遗憾的是该专利技术并未被推广应用。 1967 年,德国博世(Bosch)公司根据美国本迪克斯公司的专利技术,开始批量生产利用进气 歧管绝对压力信号和模拟式计算机来控制发动机空燃比A/F 的 D 型燃油喷射系统(D-Jetronic ) ,装 备在德国大众(Voldswagen)汽车公司生产的VW-
5、1600 型和奔驰280SE 型轿车上,率先达到了当 时美国加利福尼亚州的排放法规要求,开创了汽油发动机电子控制燃油喷射技术的新时代。D 型燃 油喷射系统是用电子电路控制喷油器阀门的开启时刻与开启时间。 1973 年,德国Bosch 公司在 D 型燃油喷射系统(D-Jetronic )的基础上,改进发展成为L 型燃 油喷射系统(L-Jetronic ) 。 L 型喷射系统利用了翼片式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动 机的空气的体积流量,与利用进气歧管绝对压力来间接测量进气量的D 型喷射系统相比,检测精度 和控制精度大大提高。 在电控汽油喷射系统开发和不断完善的过程中,汽油机电控点火系统的
6、研究开发也取得了重大 进展。 19731974 年,美国通用(General)汽车公司生产的汽车装上了集成电路IC 点火控制器, 次年高能点火装置HIC 点火控制器投入实际应用。 1976 年,美国克莱斯勒(Chrysler)汽车公司研制成功微机控制点火系统,取名为“电子式稀 混合气燃烧系统ELBS” 。该系统由模拟计算机对点火进行控制,根据大气压力、进气温度、发动机 冷却液温度、发动机负荷与转速等信号计算出最佳点火时刻,控制200 多个参数,对实际点火提前 角进行最佳控制。 1977 年,美国通用汽车公司研制成功了数字式点火控制系统。该系统由中央处理器(CPU) 、 存储器 ( RAM ,R
7、OM )和模数 ( A D)转换器等组成,是一种真正的计算机控制系统。1978 年, 美国通用汽车公司研制成功了同时具有控制点火时刻控制、空燃比反馈控制、废气再循环控制、怠 速转速控制、故障自诊断和带故障运行控制功能的电子控制系统。 1979 年,德国Bosch 公司在 L-Jetronic 系统的基础上,将电控点火系统和电控燃油喷射系统组 合在一起,采用数字计算机进行控制,开发出了MMotronic 系统,即发动机集中管理系统。 1979 年,日本日产(Nissan)汽车公司研制成功了集点火时刻控制、空燃比控制、废气再循环 控制和怠速转速控制与一体的发动机集中控制系统ECCS,该系统具有自诊
8、断功能,装备在公子 Cedric 牌和光荣 Gloria 牌轿车上。 1980 年,日本丰田( TOYOTA )公司开发出了具有汽油喷射控制、点火控制、怠速转速和故障 自诊断功能的丰田计算机控制系统TCCS。同年,三菱MITSUBISHI汽车公司研制成功了采用卡尔 曼涡流式空气流星传感器的电子控制燃油喷射系统ECI。 1981 年, Bosch 公司在 L-Jetronic 系统基础上,开发出了LH-Jetronic 系统,该系统采用新颖的 热线式空气流量传感器,能直接测出进入发动机空气的质量流量。19871989 年, Bosch 公司又相 继开发出了用于中小型乘用车的电控单点汽油喷射系统,
9、即Mono-Jetronic 系统和Mono-Motronic 系统。 20 世纪 90 年代,为了满足更加严格的排放指标和根据“京都议定书”确定的分阶段降低汽车 CO 排放量的要求,世界各主要汽车公司除了逐步增加发动机集中管理系统的控制功能,以满足当 时排放法规的要求外,还加大了能满足未来法规要求的其他技术开发力度,尤其是缸内直喷技术。 1995 年,日本三菱(MITSUBISHl )汽车公司公布了电控缸内直喷汽油机(即GDI 系统) ,采用汽 油缸内直喷技术,可以实现汽油机的分层稀薄燃烧。然而由于当时技术并不成熟,因此也造成该系 统的低速NOx 排量相当惊人,而随即被许多注重环保的国家拒于
10、门外。2001 年, Volkswagen/Audi 集团研制出独有的FSI( Fuel Stratified Injection )缸内直喷系统。另外,还有凯迪拉克的SIDI 双模 直喷发动机、奔驰的CGI 直喷发动机、马自达的DISI 直喷系统等。在此期间,Bosch 公司也开发 成功了具有节气门控制功能的ME-Motronic系统和采用缸内直喷技术的MED-Motronic系统。 我国在轿车汽油机电子控制技术应用方面起步较晚,1994 年上海大众推出采用D-Jetronic 电控 汽油喷射系统的桑塔纳2000 型轿车。 2000 年,我国政府规定:5 人座以下的化油器式发动机汽车 自 2
11、001 年 1 月 1 日起停止生产,电控燃油喷射发动机得到快速发展。 (二)电子控制防抱死制动技术的发展 汽车防抱死制动系统(ABS)是汽车上的一种主动安全装置,其作用是在汽车制动时,防止车 轮抱死在路面上滑拖,以提高汽车制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离。 早在 20 世纪 30 年代,制动防滑装置就运用在铁路机车的制动中,防止车轮抱死后在钢轨上滑 行造成局部摩擦。 1920 年,英国人霍纳摩尔研制成功了ABS 技术,并于1932 年申请了第一个防滑专利。 1947 年,在美国飞机上开始采用ABS,并很快成为飞机上的标准装备。 1954 年,美国福特(Ford)公司率先在林
12、肯(Lincoln )轿车上采用ABS 技术。 1958 年,杜尔( Dunlop)轮胎公司研制成功四轮两通道低选控制式Maxa-ret ABS ,并安装在载 货汽车上。 1960 年,哈理福格森雷斯(Harry Ferguson Reserch)公司将 Maxa-ret ABS 改造成四通道控 制式 ABS,并于 1966 年安装在野马V-8 型汽车上,使汽车制动性能大幅度提高。 1970 年,罗伯特博世(Robert Bosch)公司开始研发ABS。到目前博世公司一直进行ABS 的研发,是世界上最大的ABS 生产公司。 1975 年,美国联邦机动车安全标准对重型载货汽车和客车配备ABS 提
13、出了要求。 1978 年,梅赛德斯 -奔驰( Mercedes-Benz)和宝马( BMW )汽车公司首次在450SEL 等轿车的 部分产品中安装由博世公司生产的ABS-系统。 ABS- 系统采用数字计算机和电磁阀,其控制频 率达到每秒10 次以上,能够明显提高汽车的制动性能。 1985 年,博世公司对ABS-系统进行了结构简化和系统优化,研制出了经济型防抱死制动系 统 ABS- E 系统; 1990 年,德尔科( Delco)公司开发出更为经济的四轮防抱死制动系统ABS- 系统。 进人 90 年代后,ABS 的装车率大幅度提高,加之法规的推动作用,ABS 已成为汽车上标准装 备或选择装备。
14、除博世公司外, 生产 ABS 的公司还有德国的瓦布克(WABCO )公司和戴维斯 (TEVES )公司、 美国的德尔科(Delco)公司和本迪克斯(Bendix )公司。 我国对 ABS 的研究始于80 年代初,上海汽车制动系统有限公司引进并合资生产的ABS 产品已 于 1997 年 2 月投产。吉林大学、重庆公路研究所等单位也一直从事ABS 的研制工作。 (三)电子控制自动变速器技术的发展 自动变速器是在机械式变速器、液力变矩器和电子控制技术的基础上发展而成的。 19 世纪初在欧洲发明了液力传动技术,并应用在船舶上。1930 年,液力变矩器应用在公共汽 车上。 1938 年,美国通用(Gen
15、eral)公司研制了将行星齿轮变速器与液力耦合器结合在一起的液力 自动变速器,这是现代轿车自动变速器的雏形。1939 年安装在通用公司生产的奥兹莫比尔 (Oldsmobile )轿车上。 1942 年,美国通用公司研制的自动变速器上采用了双导轮、可闭锁的综合式变矩器。 1969 年,雷诺( Renault)汽车装备了采用电子计算机控制的液力自动变速器,标志着电子控制 自动变速器的出现。 1978 年,美国克莱斯勒(Chrysler)公司生产了带锁止式液力变矩器的自动变速器。 自 1981 年起,美国、日本一些汽车公司相继开发出各种采用微处理机的微机控制自动变速系 统,实现了自动变速器的智能控制
16、。 1983 年,德国博世(Bosch)公司研制成功发动机和自动变速器共用的电子控制单元,实现了 对动力总成的联合控制。 自 20 世纪 80 年代后期开始,丰田(TOYOTA )等汽车公司开发了AT 智能控制系统,如丰田 汽车公司的ECT-I(intelligent electronic system ) 。 电子控制自动变速器也存在结构复杂、零件精度要求高、制造难度大,传动效率低等缺点。 近年来,机械式自动变速器(AMT ) 、无级自动变速器(CVT )也得到快速发展。和液力自动 变速器相比, 机械式自动变速器具有更高的传动效率,无级自动变速器可以实现传动比的连续改变, 从而实现传动系与发
17、动机工况的最佳匹配。 二、汽车电子控制技术发展趋势 汽车采用车载局域网LAN 技术是汽车电子控制技术发展的必然趋势。 第三节 汽车电子控制系统的分类 一、按控制对象分类 分为: ( 1)发动机电子控制系统 ( 2)底盘电子控制系统 ( 3)车身电子控制系统 二、按控制目标分类 分为(见表1-5) : ( 1)动力性控制系统 ( 2)经济性控制系统 ( 3)排放性控制系统 ( 4)安全性控制系统 ( 5)舒适性控制系统 ( 6)操纵性控制系统 ( 7)通过性控制系统 第四节 汽车电子控制系统的组成 一、汽车电子控制系统的基本组成 但就总体结构而言,发动机电子控制系统都是由传感器、电子控制单元 (
18、Electronic Control Unit , 简称 ECU)和执行器3 部分组成。 (一)传感器 传感器是将各种非电量(物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于传输和处理的另 一种物理量(一般为电量)的装置。 (二)电子控制单元 电子控制单元是以单片微型计算机(即单片机)为核心所组成的电子控制装置,具有强大的数 学运算、逻辑判断、数据处理与数据管理等功能。电子控制单元的主要任务是:向各种传感器提供 它们所需的基准电压;接收传感器或其他装置输入的信号,并将它们转换为微机能够处理的数字脉 冲信号;储存输入的信息,运用内部已有的程序对输入信息进行运算分析,输出执行命令;根据发 动机性能的
19、变化,自动修正预置的标准值;将输入信息与设定的标准值进行比较,如发现数据异常, 确定故障位置,并把故障信息储存在存储器中。 (三)执行器 执行器又称执行元件,是电子控制系统的执行机构。执行器的功能是接受电控单元发出的指令, 完成具体的执行动作。 二、汽车发动机电子控制系统的组成 图 1-5 所示为桑塔纳2000GSi、3000 型轿车采用的莫特朗尼克(Motronic )M3.8.2 型发动机电 子控制系统。图1-6 所示为该电子控制系统的组成,图1-7 所示为该电子控制系统各组成部件的安 装位置。 (一)传感器与开关信号 1. 传感器 传感器有空气流量传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器
20、、怠速节气门位置传感器和节 气门位置传感器(两只传感器与节气门控制组件J338 制作成一体) 、冷却液温度传感器、进气温度 传感器、 氧传感器、 爆震传感器和车速传感器。节气门控制组件J338 又称为节流阀体,由怠速节气 门位置传感器G88、节气门位置传感器G69、怠速控制电机V60 和怠速控制阀F60 组成。怠速节气 门位置传感器G88 安装在节流阀体内并与怠速电机V60 连接在一起;节气门位置传感器G69 安装 在节气门轴上。两只节气门位置传感器的功用都是检测节气门开度信号并输入电控单元J220。在 M3.8.2 型发动机电子控制系统中,发动机怠速时的进气量采用了直接控制节气门开度的方式进
21、行控 制,所以发动机在怠速范围内工作时,电控单元J220 将根据怠速节气门位置传感器G88 提供的信 号调节怠速时的节气门开度;当发动机在怠速以外的工况时,电控单元J220 将根据节气门位置传感 器 G69 提供的信号进行控制。 2. 开关信号 开关信号有以下几种: 点火开关信号IGN 。当点火开关处于“点火(IG) ”挡位时,向电控单元输入一个高电平信 号。 起动开关信号STA。当点火开关处于“起动(ST) ”挡位时,向电控单元输入一个高电平信 号。 空调开关信号A/C。当空调开关接通时,向电控单元提供提供接通空调系统的信号。 电源电压信号UBAT 。向电控单元提供蓄电池端电压信号。 空挡安
22、全开关信号NSW ,在装备自动变速器的汽车上,用于检测自动变速器的档位选择开 关是否处于空挡位置。 (二)执行器 执行器有电动燃油泵、电磁喷油器、怠速控制电动机(在节气门控制组件J338 内) ,活性炭罐 电磁阀、点火控制器和点火线圈。 章节第二章汽车发动机燃油喷射技术日期 重点燃油喷射电子控制系统的结构原理 难点燃油喷射电子控制系统的控制过程 第一节汽车发动机燃油喷射系统的组成 汽车发动机燃油喷射系统的组成主要由空气供给系统、燃油供给系统和燃油喷射电子控制系统 三个子系统组成。 一、空气供给系统 功能:向发动机提供混合气燃烧所需的空气,并测量出进入气缸的空气量。 分类:旁通式和直供式 供气系
23、统的结构特点:进气道长且设有动力腔(谐振腔)。利用空气动力效应。空气动力效应 包括气流惯性效应与气流压力波动效应。 可变进气系统:高转速、大负荷时配用粗而短的进气歧管,中低转速和中、小负荷时配用细而 长的进气歧管。 二、燃油供给系统 功能:向发动机提供混合气燃烧所需的燃油。 三、电子控制系统 组成:传感器与控制开关、ECU 和执行器 第二节汽车发动机燃油喷射系统的分类 一、按喷射系统的控制方式分类 按汽油喷射系统的控制方式不同,汽油机燃油喷射系统可分成机械控制式汽油喷射系统、机电 结合式汽油喷射系统和电子控制式汽油喷射系统。 1机械控制式汽油喷射系统 机械控制式汽油喷射系统是指利用机械机构实现
24、燃油连续喷射的汽油喷射系统。机械控制式汽 油喷射系统,也称K-Jetronic 系统, 1967 年由德国Bosch 公司推出。 2机电结合式汽油喷射系统 机电结合式汽油喷射系统是指由机械机构与电子控制装置结合实现燃油喷射的汽油喷射系统。 机电结合式汽油喷射系统也称KE-Jetronic 系统,它是K-Jetronic 系统的改进型,德国Bosch 公司于 1982 年推向市场。 3电子控制式汽油喷射系统 电子控制式汽油喷射系统是指由电控单元直接控制燃油喷射的系统。现代电喷汽油机已全部采 用电子控制式汽油喷射系统,但汽油机电控系统发展的初期,都是仅具有单一电控汽油喷射控制功 能,现已全部被发动
25、机集中管理系统所代替。 二、按喷油器的喷射部位分类 按喷油器喷射燃油的部位不同,汽油机燃油喷射系统可分为进气管喷射系统和缸内喷射系统两 种类型。其中进气管喷射又可分为单点喷射(SPI、TBI 或 CFI)和多点喷射(MPI )两种类型,多 点喷射又可分为压力型(即D 型)和流量型(即L 型)多点喷射系统两种类型。 1缸内喷射系统 缸内喷射系统又称为缸内直接喷射系统,其主要特点是:喷油器安装在汽缸盖上,喷油器以较 高的燃油压力(约34MPa)把汽油直接喷入发动机汽缸内,并与空气混合形成可燃混合气。 “ 缸外混合 ” 的缺点是显而易见的,进入燃烧室的混合气只能够通过气门的开、闭来被动控制, 对发动
26、机工况变化的适应性差。 采用缸内喷射方式,能够根据发动机工况随时调整空燃比,根据发动机工况采取不同的喷油方 式,通过合理组织缸内的气体流动可以实现分层稀薄燃烧,有利于进一步降低发动机有害物排放和 燃油消耗量。 例如奥迪(大众)FSI 技术便采用了两种不同的注油模式,即分层注油和均匀注油模式。发动 机低速或中速运转时采用分层注油模式。此时节气门为半开状态,空气由进气管进入汽缸,由于活 塞顶部制作成特殊的形状,进入汽缸的空气在活塞顶部火花塞附近形成涡流。当压缩过程接近尾声 时,少量的燃油由喷油器喷出,形成可燃混合气。此时在火花塞周围的混合气浓度较高,而燃烧室 的其他地方则浓度较低,实现了分层燃烧。
27、分层注油方式可以充分提高发动机的经济性。当节气门 完全开启、发动机高速运转时,采用均匀注油模式。此时,大量空气高速进入汽缸形成较强涡流并 与汽油均匀混合,从而促进燃油充分燃烧,实现了均匀燃烧, 提高了发动机的动力输出。这样,ECU 根据发动机工况改变注油模式,始终保持最适宜的供油方式,使燃油得到充分利用,提高了燃油经 济性和发动机动力性,降低了污染物排放。 但是采用缸内喷射方式,为了布置喷油器,汽缸盖要重新设计,同时也增加了汽缸盖结构的复 杂性,使制造成本增加。另外,采用缸内喷射方式,需要能耐高温、耐高压,动态响应速度快,可 靠、寿命长的喷油器。 目前,大众(VAG ) 、 宝马( BMW )
28、 、 奔驰(Mercedes-Benz) 、 通用( GM) 以及丰田( Toyota Lexus) 等公司已经开始使用缸内喷射系统。 2进气管喷射系统 进气管喷射系统(也称缸外喷射)的特点是:喷油器安装在进气总管或者进气歧管上,喷油器 把汽油喷入进气总管或者进气歧管,喷入的汽油在进气管中与空气混合形成可燃混合气,在进气行 程被吸入汽缸。采用进气管喷射方式时,喷油器不与高温高压的燃气接触,并且发动机改动很小。 对于进气管喷射系统,按喷油器的安装部位不同,又分为单点喷射系统和多点喷射系统。 ( 1)单点喷射系统 单点喷射系统(Single Point Fuel Injection System
29、,缩写为 SPFI 或 SPI)也称节气门体喷射或集 中喷射系统,是指在多缸发动机节流阀体(即节气门体)的节气门上方安装一只或并列安装两只喷 油器的燃油喷射系统。 ( 2)多点喷射系统 多点喷射系统(Multi-Point Fuel Injection System ,缩写为MPFI 或 MPI )是指在发动机每个汽 缸进气门前方的进气歧管上均设计安装一只喷油器的燃油喷射系统。 多点喷射系统在发展过程中,曾经研制出几种典型的基本型式,这几种型式可分为D 型、L 型、 LH 型和 M 型燃油喷射系统,它们代表着不同年代燃油喷射系统的设计思想和技术水平。其中 D 和 L 分别来源于德文的Druck
30、(压力)和Luftmengen(空气流量)。LH 型和 M 型是在 L 型基础上改进 而成的多点喷射系统。 二、按喷油器喷射方式分类 按喷油器喷射方式分类,汽油机燃油喷射系统可以分为连续喷射系统和间歇喷射系统两种类 型。 1连续喷射系统 连续喷射系统是指在发动机运行期间,喷油器连续不断地喷射燃油的燃油喷射系统。这种喷射 方式不需要考虑喷油定时和各缸的喷油顺序,因此其控制非常简单,但混合气的均匀性、空燃比控 制精度及过渡工况的响应特性都较差。连续喷射方式用在Bosch 公司的机械控制汽油喷射系统(K Jetronic 系统)和机电结合式汽油喷射系统(KEJetronic 系统)中。 2间歇喷射系
31、统 间歇喷射系统是指在发动机运转期间,喷油器间歇喷射燃油的燃油喷射系统。目前,绝大多数 电子控制燃油喷射系统都属于间歇喷射系统,如上海桑塔纳2000GSi、爱丽舍、 夏利等轿车发动机。 间歇喷射系统按照各缸喷油器的喷油时序不同,分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种方式。 ( 1)同时喷射 同时喷射是指各缸喷油器开始喷油和停止喷油的时刻完全相同。 ( 2)分组喷射 分组喷射是指把发动机所有汽缸分成2 组(四缸机)或3 组(六缸机) ,ECU 用两个或三个控 制电路控制各组喷油器。 ( 3)顺序喷射 顺序喷射又称次序喷射,是指在发动机运行期间,喷油器按各缸的工作顺序,依次把汽油喷入 各缸的进气歧管
32、。 第三节燃油喷射电子控制系统的结构原理 一、空气流量传感器 作用:检测进入汽缸的空气流量。空气流量传感器将空气流量变为电信号输入ECU,ECU 根 据空气流量传感信号决定基本喷油量和点火时间。 (一)空气流量传感器分类 根据检测进气量的方式不同,空气流量传感器分为D 型(即压力型)和L 型(即空气流量型) 两种类型。 “ D”型来源于德文“Druck (压力)”的第一个字母,是利用压力传感器检测进气歧管内的绝 对压力,测量方法属于间接测量法。装备“D”型传感器的系统称为“D”型燃油喷射系统,控制 系统利用该绝对压力和发动机转速来计算吸入汽缸的空气量。 “ L”型来源于德文“Luftmenge
33、n (空气流量) ”的第一个字母,是利用流量传感器直接测量吸 入进气管的空气流量。汽车采用的“L”型传感器分为体积流量型(如翼片式、涡流式)传感器和 质量流量型(如热丝式和热膜式)传感器。 (二)翼片式空气流量传感器 1翼片式空气流量传感器的结构 安装在空气滤清器与节气门之间的进气管路上 翼片式空气流量传感器主要由翼片组件和电位计组件两部分组成。翼片组件和电位计组件是同 轴结构,轴端有盘形回位弹簧。 1)翼片组件 由计量翼片和缓冲翼片构成。 计量翼片转过的角度取决于空气流速和回位弹簧的预紧力矩,当进气的作用力与弹簧的回转力 平衡时,计量翼片便稳定在某一角度。 空气流量传感器进气通道的旁边还有一
34、个旁通气道。旁通气道的流通截面积可由一个CO 调整 螺钉进行调整。 汽油泵开关设置在空气流量传感器内,由滑臂控制。 2)电位计组件 当翼片带动电位计转动时,电位计上的滑臂便在电阻片上滑动,使输出电阻变化。 3)工作电路与接线插座 图 2-19 4)进气温度传感器 图 2-19 2翼片式空气流量传感器的工作原理 电阻转变成ECU 接收的电压信号的方法有两种(即空气流量信号的选择方法有两种): 方法一:如图所示。用(VC VS)/VB 作为传感器的输出信号。 采用( VC VS)/VB 作为传感器的输出信号可以消除蓄电池电压VB 的波动对测量结果的影 响。 方法二:如图所示。直接用传感器滑臂上的输
35、出电压作为传感器的输出信号电压。该电路中的 电源电压由ECU 的稳压电路提供。 (三)涡流式空气流量传感器 1涡流式空气流量传感器的测量原理 在稳定的流体中放置一圆柱状物体后,在其下游的流体就会产生相互平行的两列涡旋,而且涡 旋交替出现,这种物理现象叫卡尔曼涡流。 流速与涡流频率之间具有如下关系: d V Sf t 2涡流式空气流量传感器的分类 根据涡流频率的检测方法不同,汽车用涡流式空气流量传感器分为光电式和超声波式两种类 型。 3光电检测涡流式空气流量传感器的结构原理 如图 2-23 所示。光电式空气流量传感器主要由整流栅、涡流发生器、 发光二极管、 光敏晶体管、 反射镜等组成。其中发光二
36、极管、光敏晶体管、反射镜构成了涡流频率的检测器。 4超声波检测涡流式空气流量传感器的结构原理 如图 2-25 所示。超声波式空气流量传感器主要由整流栅、涡流发生器、超声波发生器、超声波 接收器、 集成电路、进气温度传感器、大气压力传感器等组成。其中超声波发生器、超声波接收器、 集成电路用于检测卡尔曼涡流的频率。 设置旁通空气道的目的是为了调节传感器的气体流通截面积,以适应不同排量发动机的需要。 当由发射器发射的超声波通过进气流到达到超声波接收器时,由于涡流的影响,使接收器接收 到超声波信号的时间(即单个波的相位)和时间之差(即相邻波之间的相位差)发生变化,而且此 时间和时间之差的变化与涡流频率
37、成正比。集成电路据此可计算出涡流的频率。 当进气流中没有涡流时,接收器接收到的超声波的相位、相位差和发射器发射的超声波完全相 同。 当进气流中有涡流时,有的超声波由于受到涡流的加速作用而提前到达接收器,有的超声波由 于受到涡流的减速作用而迟后到达接收器。 每通过一个涡流,便出现一个超声波提前到达的、迟后到达的变化过程,集成电路根据这一变 化输出一个脉冲波。 特点:传感器输出的信号是与涡流频率同步的脉冲数字信号,其响应速度是空气流量传感器中 最快的,几乎能同步反映空气流速的变化,因此特别适用于数字式计算机处理。这种传感器还具有 测量精确度高、进气阻力小、无磨损等优点,但其价格高,因此只有少数高档
38、轿车使用。 另外,卡尔曼涡流式传感器测量的是体积,因此应根据进气温度和大气压力对其进行修正,所 以使用卡尔曼涡流式传感器的汽车上,均装配进气温度传感器和大气压力传感器。 (四)热线式和热膜式空气流量传感器 1热线式和热膜式空气流量传感器的结构 1)热线式空气流量传感器的结构特点 热线式空气流量传感器主要由热线铂丝电阻RH、温度补偿电阻RK(又叫冷线) 、控制电路板 (包括RA 、RB 两个固定电阻) 、防护网以及空气流量传感器外壳等组成。传感器工作时控制电路 将热线铂丝加热到高于进气温度100120,这也是将铂丝称为热线的原因。 2)热膜式空气流量传感器的结构特点 发热元件采用平面形铂金属薄膜
39、电阻器。采用蒸发工艺沉积。 2热线式和热膜式空气流量传感器的测量原理 热线式空气流量传感器是利用空气流过热线时的冷却效应制成的。 铂丝热线的电阻值与其本身的温度成正比。在环境温度一定时,给惠斯通桥形电路供电,电桥 会达到平衡。当有空气流过取样管中的铂丝热线时,进气会带走热线的热量,使其温度降低,热线 的电阻值随即也降低,桥形电路的平衡被破坏。为重新达到平衡,使热线电阻恢复到原来数值,就 必须增大电流,使热线温度提高。当空气流量大时,带走的热量就越多,热线电阻的变化就越大, 为重新达到平衡所需增加的电流值也就越大。电流的变化又使固定电阻RA 两端的电压U0 发生变 化,此变化的电压就是热线式空气
40、流量传感器的传感信号。 3温度补偿原理 温度补偿电阻RK(也叫冷线) ,也安装在取样管内,其电阻值也随进气温度的变化而变化,从 而抵消了环境温度对桥形电路平衡的影响。发动机工作时,传感器中的控制电路调节作用在铂丝热 线和温度补偿电阻上的加热电流(50120mA ) ,使铂丝热线和温度补偿电阻上的温度之差始终保持 在 100120,也只有在此温度差时惠斯通桥形电路才能达到平衡。 (五)空气流量传感器性能比较 见表 2-2 二、进气歧管绝对压力传感器 (一)功用与类型 作用:把进气管内节气门后方的进气压力转换成电信号。发动机工作时,节气门后进气歧管内 的绝对压力, 反映了发动机的负荷状况,间接反映
41、了发动机的进气量。该信号与转速信号输送到ECU 后用于确定基本喷油量。 分类:压阻效应式、电容式和电感式。 (二)压阻效应式进气歧管绝对压力传感器 1. 压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后其电阻率发生明显变化的现象称为压阻效应。 优点:灵敏度高、尺寸小、成本低、动态响应和抗振性好 2. 压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的结构 安装位置:直接安装在进气管上,固定在机舱内前围板上,固定在机舱一侧支架上 组成:硅膜片、混合IC(集成电路) 、真空室、壳体和线束插接器 内部结构:硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线电极等。 硅膜片为压力转换元件,由单晶硅制成。硅膜片为边长3mm 的正方形,其
42、中部采用光刻腐蚀 的方法制成一个直径为2mm、厚度约为50m 的薄膜片。在薄膜片上,采用集成电路加工技术和 台面扩散层(扩散硼)加工出4 个阻值相等的应变电阻片,这4 个应变电阻片利用低阻扩散层(P 型扩散层)连接成惠斯通桥形电路。 惠斯通桥形电路的输出信号,再由混合集成电路中的温度补偿电路、信号放大电路和A/D (模 拟/数字转换)电路处理后,输送给ECU。 硅杯、壳体和底座构成的腔室为真空室,壳体的顶部设有排气孔,利用排气孔将该腔室抽真空 后,再用锡焊密封排气孔,从而形成真空室。真空室为基准压力室,基准压力为0。 3. 压阻效应式进气歧管绝对压力传感器的工作原理 当接通点火开关时,惠斯通桥
43、形电路便加上电源电压UCC。发动机不工作时,惠斯通桥形电路 中 4 个应变电阻片的电阻相等,电桥平衡,电桥的输出电压U0 为零。当发动机工作时,硅膜片在 进气歧管内压力的作用下产生机械应变,进而产生应力,应变电阻片的阻值在硅膜片应力的作用下 就会发生变化,惠斯通电桥失去平衡,在电桥的输出端即得到输出电压U0。 通过特殊加工,使4 个电阻应变片处于特殊的位置,即在受到膜片拉应力的作用下,应变电阻 R2、R4增加(即产生正向增量 R) ,应变电阻R1、R3减小(即产生负向增量R) 。如图 2-19 所 示,当惠斯通桥形电路的电源电压为UCC 时,电桥的输出电压U0为: U0=( R+R)UCC/(
44、R+R)+(RR)( R R)UCC/(R+R)+( R R) = UCC( R/R) 三、曲轴与凸轮轴位置传感器 曲轴与凸轮轴位置传感器是电控汽油喷射系统中必不可少的传感器。当ECU 控制喷油器喷油 时,首先必须知道哪缸的活塞即将到达排气上止点;当ECU 控制火花塞跳火时,首先必须知道哪 缸的活塞即将到达压缩上止点,然后再根据曲轴转角信号控制喷油和点火。 (一)曲轴与凸轮轴位置传感器的功用与分类 曲轴位置传感器CPS(Crankshaft Position Sensor)又称为发动机转速与曲轴转角传感器,其功 用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号,并将信号输入控制单元,进行点火控制和喷油控制
45、。曲 轴转动角度信号用于确定点火时刻和喷油时刻,发动机转速信号用于确定喷油量和点火提前角。 凸 轮 轴 位 置 传 感 器CPS(Camshaft Position Sensor)又 称 为 汽 缸 判 别 传 感 器CIS(Cylinder Identification Sensor)和相位传感器,为了区别于曲轴位置传感器CPS,凸轮轴位置传感器一般都用 CIS 表示。 凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号,并将信号输入ECU,以便 ECU 识别 1 缸压缩上止点,从而进行顺序喷油控制、点火控制和爆震控制。 根据工作原理分类:电磁感应式、霍尔式和光电式 (二)光电式曲轴与凸轮轴位
46、置传感器 1.结构特点 图 2-37 所示, 日产轿车光电式曲轴与凸轮轴位置传感器,该传感器安装在分电器内部,主要由 发光二极管、光敏晶体管、信号盘(又称转盘)以及整形电路组成。 2.工作原理 发动机工作时,信号盘随着分电器轴同步旋转,信号盘上的缝隙便连续切断从发光二极管照向 光敏晶体管的光束。当发光二极管发出的光线穿过信号盘上的缝隙照射到光敏晶体管上时,光敏晶 体管导通;当发光二极管发出的光线被信号盘遮挡住时,光敏晶体管截止。 发动机每转过两圈,信号盘转过一周,在与细缝隙相对应的光敏晶体管上感应出360 个脉冲电 压信号,这就是曲轴位置传感器输出信号。 信号盘转过一周的同时,也在与粗缝隙相对
47、应的光敏晶体管上感应出6 个脉冲电压信号,这就 是凸轮轴位置传感器输出信号。设计安装保证每个脉冲信号产生在对应汽缸活塞的压缩行程,而且 脉冲信号的下降沿还表示该活塞的瞬时位置是上止点前70。 6 条粗缝中较宽的一条粗缝,其输出 高电平宽度比其他5 个脉冲宽,它除了向ECU 提供活塞行程和位置信息外,还表示这些信息属于 基准汽缸 (1 缸)。 (三)磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器 1基本结构与工作原理 图 2-40 所示。主要结构:转子(即触发齿轮)、永久磁铁、铁心、感应线圈 发动机运转时,带动转子转动,磁路中的气隙便不断发生变化,穿过感应线圈的磁通量也不断 变化,从而在感应线圈中感应出电信号。
48、 2桑塔纳与捷达轿车用磁感应式曲轴位置传感器 如图 2-43 所示。 曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近飞轮一侧的缸体上,主要由信号发生器和 信号转子组成。信号转子为齿盘式,在其圆周上均匀间隔地制作有58 个凸齿、 57 个小齿缺和一个 大齿缺。大齿缺输出基准信号,对应发动机汽缸1 或汽缸 4 压缩上止点前一定角度。大齿缺所占的 弧度相当于两个凸齿和三个小齿缺所占的弧度。 3丰田轿车TCCS 系统磁感应式曲轴与凸轮位置传感器 图 2-45 所示。丰田公司2JZ-GE 六缸发动机电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器。传感器装在 分电器内部。传感器分上、下两部分。上部分由固定在分电器轴上的No.1 正时
49、转子和固定在分电 器壳体内的G1、G2 耦合线圈组成,G1、G2 耦合线圈相隔180安装,产生G 信号;下部分由固 定在分电器轴上的No.2 正时转子和固定在分电器壳体内的Ne 耦合线圈组成,产生Ne 信号。 Ne 信号由等间隔24 个轮齿的转子(No.2 正时转子)和Ne 耦合线圈产生 分电器轴转过一圈(曲轴转两圈),G 转子的凸缘便交替经过耦合线圈G1 和 G2,在两个耦合 线圈各产生一个电脉冲信号。G1 耦合线圈产生正向脉冲信号(下降沿)时表示第六缸处于压缩行 程上止点前10, G2 耦合线圈产生正向脉冲信号(下降沿)时表示第一缸处于压缩行程上止点前 10。 (四)霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器 1霍尔式传感器的工作原理 霍尔效应原理:把一个通有电流的霍尔半导体基片(即霍尔元件)放置在与电流方向垂直的磁 场中时,在垂直于电流和磁场的方向上就会产生一个微量电压,我们把该电压称为霍尔电压。霍尔 电压 UH 与通过的电流I 和外加磁场的强度B 成正比。 BIU d R H H 霍尔式传感器有两个突出优点:一是输出电压信号近似于方波信号;二是输出电压高低与被测 物体的转速无关。 图 2-49 所示为工作原理。 2桑塔纳与捷达轿车霍尔
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