汽车电子超级读本

第一章第一章 电控基础知识电控基础知识 学习目标学习目标 1 了解汽车电子技术的发展过程 2 掌握汽车电子控制系统的组成及简单工作原理 3 掌握传感器的信号类型 第一节第一节 汽车电子技术发展简介汽车电子技术发展简介 一 汽车电子技术的发展过程 汽车电子技术是汽车技术与电子技术结合的产物 随着汽车工业与电子工业的不断发 展 电子技术在现代汽车上的应用越来越广泛 汽车电子化程度越来越高 在 50 年代 汽车上最初采用的电子装置是收音机 1955 年晶体管收音机问世后 采 用晶体管收音机的汽车迅速增加 在汽车零部件中 最初采用的电子装置是交流发电机的 整流器 1960 年美国克莱斯勒 CHRYSLER 汽车公司和日本日产 NISSAN 汽车公司 开始采用二极管整流的交流发电机 此后开始采用晶体管电压调节器和晶体管点火装置 接着又逐步实现其集成化 1973 年 美国通用 GM 汽车公司采用了集成电路 IC 点火装置 这种电路具有 结构紧凑 可靠性高 成本低 耗电少 不需冷却 响应性好等优点 1974 年 美国通用汽车公司开始装备加大火花塞电极间隙 增强点火能量的高能点火 HEI 系统 同时在分电器内装上点火线圈和点火控制电路 力图将点火系统做成一体 1976 年 美国克莱斯勒公司首先创立了由模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的控 制系统 1977 年 美国通用汽车公司开始采用数字式点火时刻控制系统 称为迈塞 MISAR 系统 该系统体积小 由中央处理器 CPU 存储器 RAM ROM 和模 数 A D 转换 器等组成 系统可根据输入的水温 转速和负荷等信号 计算出最佳点火时刻 1967 年 由德国博世 BOSCH 公司研制成功了发动机汽油喷射系统 由于集成电 路及计算机的发展 使控制系统的结构紧凑 可靠性进一步提高 从而使汽车电子技术得 到快速发展 汽车的电子控制是从发动机控制开始的 而发动机的电子控制技术 又是从控制点火 时刻开始的 现代汽车电子控制已从单一项目的控制 发展到多项内容的集中控制 如从 单一的控制点火时刻开始 逐步扩展到控制废气再循环 空燃比 怠速转速等多项内容的 发动机综合控制 即所谓发动机集中控制系统 除汽车发动机以外的其它部件中 最先采用电子技术的是美国福特 FORD 汽车公 司的电子控制防滑装置 接着在 70 年代日本各大汽车公司也开发这种装置 日本的日产汽 车公司和丰田 TOYOTA 汽车公司还各自研制了变速器的电子控制装置 电子变速器 近年来车用电子装置越来越多 如驾驶辅助装置 报警安全装置 提高舒适性的装置 通 信装置 娱乐装置等等 目前 国产汽车的电子技术应用还处于初级阶段 只有部分汽车厂家且主要集中在一 些中外合资生产的汽车上开始采用电子控制装置 如北京切诺基 一汽奥迪 上海桑塔纳 东风富康 上海通用别克 广州本田 四川丰田 天津丰田 一汽丰田 微型 海南马自 达 三星 三峰等汽车上都程度不同地安装了电子控制装置 随着中外合资 合作项目的 增加 国产汽车电子控制装置的应用水平有了较大的提高 其前景是可喜的 二 汽车电子技术应用的优越性 由于电子技术 计算机技术和信息技术等新技术的发展和应用 汽车电子控制在控制 的精度 范围 适应性和智能化等多方面有了较大的发展 实现了汽车的全面优化运行 因此 在降低排放污染 减少燃油消耗 提高安全性和舒适性等方面 电子控制汽车有着 明显的优势 1 减少汽车修复时间减少汽车修复时间 汽车电气设备的故障约占汽车总故障的 1 3 由于汽车结构比较复杂 零部件比较多 工作环境不可控制 如道路条件 环境温度 湿度 加上人为的因素 所以汽车的可靠性 差 无故障间隔时间短 随着电气设备在汽车零部件中比例的增加 电气设备的故障率还 会提高 由于电子控制汽车均装有自诊断系统 提高了故障诊断的速度和准确性 从而缩 短了汽车的修复时间 带来了很好的社会效益和经济效益 2 节油节油 汽车发动机采用了电子综合优化控制 与传统的化油器式发动机相比 可以节约燃油 消耗 10 15 左右 汽车是一个较复杂的多参数控制的机械 而且行驶条件随机变化 对 其采用电子控制后 计算机可以对控制对象的有关参数 如温度 气体压力 转速 排气 成分 进行适当采样 然后进行数据处理 最终控制汽车的执行机构 这样便可使汽车在 最佳工况下工作 以达到节油目的 发动机各部件的优化控制主要有 电子控制点火装置 电子控制汽油喷射和混合气浓度控制装置等 此外还有发动机闭缸控制节油装置 怠速装 置 进气控制装置 废气再循环控制和爆震控制等优化控制装置 3 减少空气污染减少空气污染 用传感器控制的发动机空燃比闭环控制系统 可以保证空燃比处于理论空燃比附近工 作 若加装废气再循环和三元催化净化等装置 不但可以节约燃油 而且废气中碳氢化合 物 HC 的体积分数可降低 40 氮氧化合物 NOX 的体积分数可降低 60 左右 4 减少交通事故减少交通事故 电子技术在汽车安全方面得到应用后 使整车的安全性能提高 交通事故主要由人的 主观因素和客观因素所造成 减少人的主观因素造成事故的电子装置有 防止酒后驾车和 驾驶员瞌睡的电子装置 检查人的心理状态和反应时间的电子装置等 减少由于客观原因 造成事故的电子装置有 电子控制制动防滑装置 缩短制动距离 防止制动跑偏 防止制 动抱死 汽车主要参数报警装置和安全气囊等 5 提高乘坐舒适性提高乘坐舒适性 汽车的舒适性包括平顺性 噪声控制 空气温度和湿度调节以及居住性等 通常所说 的乘坐舒适性 主要是指乘客对振动的适应程度 振动主要是由路面 轮胎 发动机和传 动系通过不同途径传递到人体 其振动的幅度和频率对人体影响较大 采用电子技术后 可以根据汽车的运行情况和路况适时控制减振器的阻尼等参数 从而提高乘坐舒适性 车 内温度 湿度 灯光等 可根据环境条件及人的要求自动控制在合适的程度 三 现代汽车电子技术应用现状与发展趋势 随着世界汽车保有量的迅猛增长 日趋严重的环境污染和连接不断的石油危机 迫使 人们越来越多的对汽车进行严格的排放控制和提出更高的节能要求 每天都在世界各地频 频发生的肇事 给人们的生命和财产带来极大的威胁 这不但要求人们提高自身的安全意 识 更对汽车行驶的安全性能提出了高的要求 计算机技术的迅速发展为汽车技术的改善 提供了条件 在人们对提高汽车综合性能的渴望中 各种车用电控系统运应而生 并逐步 发展成为微机集中的控制系统 一 由单独控制到集中控制系统 一 由单独控制到集中控制系统 1 单独控制单独控制 60 年代后期到 70 年代 汽车电控系统多采用模拟电路的 ECU 电子控制单元 单独 对汽车某一系统 如燃油喷射系统 点火系统等进行控制 由于在采用模拟电路的 ECU 控 制系统中 如果要增加控制功能 就必须增加与现实该项功能控制逻辑相应的电路 这样 必然会使 ECU 的尺寸增加很大 对于安装空间有限的汽车来讲很不适用 所以这一时期的 汽车电控系统多采用一个 ECU 控制汽车的一个系统的单独控制方式 采用单独控制系统很难实现汽车全面的综合控制 并且结构线路复杂 成本高 多个 系统中用多个 ECU 而同一种信号几个控制系统 ECU 都需要时 则必须同时配备几个相 同的传感器 这必然造成结构 线路复杂 成本高 维修困难 控制效果差 2 集中控制系统集中控制系统 随着电子技术的飞速发展 用于汽车电控系统的 ECU 由于采用了数字电路及大规模集 成电路 其集成速度愈来愈高 微处理机速度的不断提高和存储容量的增加使其控制功能 大大增强 并具有各种备用功能 另外 与汽油喷射控制 点火控制及其他控制系统相关 的各种控制器 由于所用的传感器很多功能都可通用 如水温传感器 进气温度传感器 负荷 车速 转速 传感器等 因此利用控制功能集中化 就可以不必按功能不同设置传 感器和 ECU 而是将多种控制功能集中到一个 ECU 上 不同控制功能所共同需要的传感 器也就只设置一个 这种控制系统就叫做集中控制系统 也就是汽车微机控制系统 二 集中控制系统在现代汽车中的应用 二 集中控制系统在现代汽车中的应用 在现代汽车中 集中控制系统得到了广泛的应用 汽车微机控制系统大致可分为七部 分 如表 1 1 所示 表 1 1 表 1 1 中所示的各控制系统 在不同的车型上 其组合形式和控制项目各有异同 如 有的车型将发动机控制系统与自动变速控制系统共用一个 ECU 控制 有的车型则各自用一 个 ECU 控制 大多数车型点火控制均由发动机 ECU 控制 但有的车型则由单独点火 ECU 控制 大多数车型怠速控制是由发动机 ECU 控制 但有的车型则将定速 怠速 加速控制共 同由一个 ECU 控制 控制项目不同车型也各有取舍 发动机 ECU 往往集中了较多的控制功能 故又称作主 ECU 上述各控制系统 既独立地执行相应的控制功能 又相互间必须在极短时间内交换大 量信息资料 如转速 负荷 车速等 所以现代汽车微机控制系统是一个十分复杂的综合 控制系统 其配线也极其复杂 三 车上网络应用已成趋势 三 车上网络应用已成趋势 SAE Society of Automotive Engineers 汽车工程师协会 按照汽车上网络系统的性能 由低到高划分为 A 级 B 级 C 级网络 见表 1 2 D 级以上没有定义 有一种说法 把 传输速度在 1Mbps 以上的网络定义为 D 级网络 表 1 2 SAE 汽车网络级别 A 级网络主要应用于要求价格低 数据传输速度 实时性 可靠性要求较低的情况 如车身系统的车门窗和后备箱网络系统 A 级网络也作为一些传感器和执行器级别的底层 局部连接总线使用 B 级网络用于数据传输速度要求较高的系统 包括一些车身控制系统 仪表盘 低挡 的实时控制系统以及故障诊断系统 OBD 等 C 级网络主要用于可靠性和实时性要求较高的系统 如高档的发动机和动力传动系的 实时控制系统 线控系统等 常用的网络中 UART 是典型的 A 级网络 典型的 B 级网络是 J1850 CAN2 0 是典 型的 C 级网络 随着成本的降低和应用系统功能的提高 网络应用范围会下移 一些新出 现的车上网络系统 可以达到几兆的速度和具有更高的可靠性 局部互连网 LIN Local Interconnect Network 是在 1998 年由汽车生产商 Audi BMW daimlerchrysler Volvo Volkswagen 与元器件生产厂 Motorola 以及开发公 司 VCT Volcano Communications Technologies 联合发起的一个汽车低端网络协议 LIN 标准不仅定义了通信协议 而且定义了开发工具接口和应用软件接口 API 它的目标是 提供廉价的底层传感器和执行器级别的局部网络标准 LIN 共同体 LIN Consortium 不 仅提出了协议标准 而且包括开发工具以及 API 标准的发展的做法为汽车设计用户提供了 方便 为以后汽车网络标准化工作提供了一个模式 LIN 的协议标准以串行通信接口 SCI URT Serial Communication Interface 为基础 物理层适应汽车故障诊断标准 ISO9141 满足车辆环境下的电磁兼容 EMC Electro Magnetic Compatibility 和静电放 电 ESD Electrostatic Discharge 要求 TTP A 是由 TTTech 公司拥有的 A 级汽车网络标准 它的应用目标与 LIN 基本一致 它是基于时间触发访问发生的协议 使用不同的物理层 数据传输速度可在很大范围内选 择 SAEJ1850 最初就是由美国的汽车公司 Ford GM 和 Chrysler 提出的 他们很多车 型采用 J1850 作为 B 级网络使用 由 Bosch 公司提出的 CAN 标准最早在欧洲汽车上被广泛采用 后来包括美国 日本 的汽车公司也使用它作为 B 级或 C 级汽车网络 CAN 是目前应用最广泛的汽车网络标准 也被很多其他行业采用 第二节第二节汽车电子控制系统的组成及工作原理汽车电子控制系统的组成及工作原理 一 自动控制系统的组成与分类 所谓自动控制就是应用控制装置自动地 有目的地控制 操作机器设备或过程 使之 具有一定的状态和性能 一 自动控制系统的一般组成 一 自动控制系统的一般组成 典型的工程控制系统如图 1 1 所示 图 1 1 自动控制系统一般由检测反馈单元 指令及信号处理单元 转换放大单元 执行器和 动力源等几部分组成 1 检测反馈单元检测反馈单元 该单元的功用在于通过各种传感器检测受控参数或其它中间变量 经放大转换后用以 显示或作为反馈信号 2 指令及信号处理单元指令及信号处理单元 该单元接受人机对话随机指令或定值 程序指令 并接受反馈信号 一般具有信号比较 变换 运算 逻辑等处理功能 传统的指令及信号处理单元多采用模拟电路 随着微电子 技术和计算机技术的发展 为工程控制系统提供了采用数字计算机指令和信号处理单元的 可能性 汽车上所用的指令及信号处理单元多为微处理机 3 转换放大单元转换放大单元 该单元的作用是将指令信号按不同方式进行相互转换和线性放大 使放大后的功率足 以控制执行器并驱动受控对象 4 执行器执行器 执行器直接驱动受控对象的部件 可以是电磁元件 如电磁铁 电动机等 也可以是 液压或气动元件 如液压或气压工作缸及马达 为了使驱动特性与受控对象的负荷特性相 互匹配 还可附加变速机构 如液压马达和行星齿轮传动的组合 5 动力源动力源 动力源为各单元提供能源 通常包括电气动力源和流体动力源两类 二 自动控制系统的分类 二 自动控制系统的分类 工程自动控制系统的分类方式很多 一般有以下几种 1 按控制系统有无反馈环节分类按控制系统有无反馈环节分类 1 开环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响 即无检测反馈单元 则称为开环控制系统 开环控制系统的控制精度完全取决于各单元的精度 因此 它主 要使用在精度要求不高并且不存在内外干扰的场合 但开环控制系统结构简单 且一般不 存在稳定性的问题 2 闭环控制系统 系统的输出通过检测反馈单元返回来作用于控制部分 形成闭合回 路 这种控制系统就称为闭环控制系统 又称为反馈控制系统 其优点是能够自动纠正外 部干扰和系统内参数变化引起的偏差 这样就可以采用精度不太高而成本较低的元件 组 成一个较为精确的控制系统 但是闭环控制系统也有它的缺点 由于闭环控制系统是以偏 差消除偏差的 即系统要有工作就必须有偏差存在 因此这类系统不会有很高的精度 同 时 由于组成系统的元件有惯性 传动链的间隙等因素存在 如配合不当 将会引起反馈 控制系统的振荡 从而系统不能稳定工作 精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环控制系统 存在的主要矛盾 2 按输入量变化的规律来分类按输入量变化的规律来分类 1 恒值控制系统 恒值控制系统的特点是 系统的输入量是恒值 并要求系统的输出 量相应地保持恒定值 它是一种最常见的自动控制系统 如自动调速系统 恒温控制系统 恒张力控制系统等 都属于恒值控制系统 2 随动控制系统 随动控制系统的特点是 输入量是变化的 有时是随机的 并且 要求系统的输出量能跟输入量的变化而作出相应的变化 故随动系统又称伺服系统或跟踪 系统 它广泛地应用于飞机 舰船 武器 火炮 导弹 和雷达等的运动控制 3 过程控制系统 该系统的输出量是按给定的时间函数实现控制的 这类系统广泛地 应用于化工 冶金 造纸 食品等工业的工艺过程参数控制 如温度 压力 流量 液位 PH 值等 过程控制系统也可称为程序控制系统 往往内含伺服控制系统 以上三种控制系统都是闭环控制系统 3 按系统传输信号对时间的关系分类按系统传输信号对时间的关系分类 1 连续控制系统 连续控制系统的特点是 控制作用的信号是连续量或模拟量 如随 动系统就是连续控制系统 因为作用于系统的信号是模拟量 2 离散控制系统 又称采样控制系统 它的特点是 作用于系统的控制信号是连续量 数字量或采样数据量 通常采样数值计算机控制的系统都是离散系统 4 按系统输出量和输入量的关系分类按系统输出量和输入量的关系分类 1 线性系统 线性系统的特点是 系统的输出量和输入量的关系是线性的 它的各个 环节或系统都可以用线性微分方程来描述 可以应用叠加原理和拉氏变换解决线性系统中 的问题 2 非线性系统 非线性系统的特点是 其中的一些环节具有非线性性质 例如出现 饱和死区 滞环等 它们往往要采用非线性的微分方程来描述 此外 叠加原理对非线性 系统是不适用的 另外 按系统主要组成元件的物理性质 可将控制系统分为电气控制系统 液压控制 系统和电 液控制系统 二 汽车电子控制系统的组成与分类 汽车电子控制系统是自动控制系统中的一种 综合起来主要由信号输入装置 传感器 sensor 电子控制单元 ECU ECM ECA 执行器 Actuator 等组成 随着世界汽车保有量的迅速增长 日趋严重的环境污染迫使人们对汽车的排放进行更 严格的控制 每天世界各地频频发生的交通事故 给人们的生命和财产带来极大的威胁 因此对汽车行驶的安全性能提出了更高的要求 汽车电子化的发展为汽车技术的改善提供 了条件 这里就目前较多见且较成熟的汽车电子控制装置简介如下 一 一 发动机控制部分发动机控制部分 1 电控点火装置 电控点火装置 ESA 该系统可使发动机在不同的转速 进气量等因素下 在最佳点火提前角工况下工作 使发动机输出最大的功率和扭矩 而将油耗和排放降低到最低限度 该系统分为开环和闭 环两种控制 电控点火装置闭环控制系统通过爆震传感器进行反馈控制 其点火时刻的控 制精度比开环高 但排气净化差 2 电控汽油喷射 电喷电控汽油喷射 电喷 EFI 该系统根据各种传感器输送来的信号 能有效控制混合气浓度 使发动机在各种工况 下 空燃比达到最佳值 从而实现提高功率 降低油耗 减少排气污染等功效 该系统可 分为开环和闭环两种控制 闭环控制是在开环控制的基础上 在一定条件下 由计算机根 据氧传感器输出的含氧浓度信号修正燃油供给量 使混合气浓度保持在理想状态 目前电子控制的混合气形成系统有电子反馈式化油器系统和电控汽油喷射系统两种 其中电控汽油喷射系统的性能显得更为优越 电控化油器式已趋于淘汰 3 废气再循环系统 废气再循环系统 EGR 该系统是将一部分排气中的废气引入进气侧 随新鲜混合气进入汽缸再次燃烧 以抑 制发动机有害气体氮氧化合物的生成 该系统能根据发动机的工况适时地调节参与废气再 循环的废气循环率 以减少排气中的有害气体氮氧化合物 它是一种排气净化的有效手段 4 怠速控制 怠速控制 ISC 该系统能根据发动机冷却水温度及其它有关参数 如空调开关信号 动力转向开关信 号等 使发动机的怠速处于最佳状态 除以上控制装置外 发动机部分的控制内容还有 发动机输出 冷却风扇 进气噪音 发动机排量 气门正时与升程 二次空气喷射 发动机增压 电子节气门 油气蒸发控制 及系统自诊断等功能 他们在不同类型的汽车上或多或少地被采用 另外 随着计算机技术的进一步发展 计算机将会在现代汽车上承担更重要的任务 如控制燃烧室的容积和形状 控制压缩比 检测汽车零件逐渐增加的机械磨损等 二 底盘控制部分 二 底盘控制部分 1 电控自动变速器 电控自动变速器 ECT 该装置有多种形式 它能根据发动机节气门开度和车速等行驶条件 按照换挡特性精 确地控制变速比 使汽车处于最佳档位 该装置具有适当提高传动效率 适当降低油耗 改善换档质量 提高汽车行驶平稳性以及延长变速器使用寿命等优点 2 制动防抱死系统 制动防抱死系统 ABS 该系统能在各种路面上 防止汽车制动时车轮抱死 该系统可以提高制动效能 防止 汽车在制动和转弯时产生侧滑 减少轮胎磨损 是保证行车安全和防止事故发生的有效措 施 3 电子控制动力转向 电子控制动力转向 EPS 电子控制动力转向的型式较多 目前汽车动力转向的发展趋势为四轮转向系统 它们 分别显示出不同的优越性 如有的可获得最优化的转向作用力的特性 最优化的转向回正 特性 改善行驶的稳定性以及发挥节能和降低成本的作用 有的主要是为了提高转向能力 和转向响应性 有的主要用来改善高速行驶时的稳定性 目前电控前轮动力转向较普及 它通过控制转向力 保证汽车原地或低速行驶转向轻便 而高速行驶时又确保安全 轿车 动力转向的发展特点是汽车在转向系统上作进一步的改进 即在改变行驶方向而又高速行 驶时 后轮与方向盘转动方向一致 这样行车摆动小 稳定性好 在车轮出入车库 转弯 行驶 大转弯或做 U 形调头时 后轮与方向盘转动方向相反 可使汽车轻易转弯 具有较 小的转弯半径 电子控制系统可根据行驶工况调整后轮转向角的大小 达到提高转向特性 和转向响应性以及改善高速行驶的稳定性等目的 4 电控悬挂 电控悬挂 TEMS 该系统能根据不同的路面状况 控制车辆高度 调整悬挂的阻尼特性及弹性刚度 改 善车辆行驶的稳定性 操纵性和乘坐舒适性 5 巡航控制系统 巡航控制系统 CCS 该系统又叫恒速行驶系统 汽车在高速公路上长时间行驶时 打开该系统的自动操纵 开关后 恒速行驶装置将根据行驶阻力自动增减节气门开度 使汽车行驶速度保持一定 该系统可以减轻驾驶员长途驾驶疲劳 三 行驶安全系统 三 行驶安全系统 1 安全气囊 安全气囊 SRS 该系统是国外汽车上一种常见的被动安全装置 在车辆相撞时 由电控元件用电流引 爆安装在方向盘中央 仪表盘板杂务箱等处的气囊后部的渗氮物 使其迅速燃烧产生氮气 瞬间充满气囊 气囊的作用是在驾驶员与方向盘之间 前座乘员与仪表板之间形成一个缓 冲软垫 避免硬性撞击而受伤 此装置一定要与安全带配合使用 否则效果大为降低 2 雷达防撞系统雷达防撞系统 该系统有多种形式 有的在汽车行驶中 当两车的距离小到安全距离时 即自动报警 若继续行驶 则会在即将相撞的瞬间 自动控制汽车制动器将汽车停住 有的是在汽车倒 车时 显示车后障碍物的距离 有效地防止倒车事故发生 3 驱动防滑控制系统 驱动防滑控制系统 ASR 制动力分配系统 制动力分配系统 EBD 电子稳定控制程序 电子稳定控制程序 ESP 该系统是在制动防抱死系统的基础上开发的 两系统有许多共同组件 ASR 系统通过 驱动轮上的转速传感器 检测到驱动轮打滑时 控制元件便通过制动或控制发动机降低转 速 使之不再打滑 它实质上是一种速度调节器 可以在起步和弯道中速度发生急剧变化 时 改善车轮与地面的附着力 提高其安全性 该系统在雪地或湿滑路面上 较能发挥其 特性 EBD 和 ESP 系统是在 ABS 和 ASR 基础之上开发出来的 其功用是提高汽车制动时的 稳定性 4 安全带控制系统安全带控制系统 该系统是在汽车发生任何撞击的情况下 可瞬间束紧安全带 有的汽车上只有当计算 机确认驾驶员和乘客安全带的使用正确无误时 发动机才能被起动 5 前照灯控制系统前照灯控制系统 该系统可在前照灯照明范围内 随着方向盘的转动而转动 并能在会车时自动启闭和 防眩 除上述装置外 目前已经开发出各种各样的安全装置 如自动门窗装置 车门自动闭 锁装置 防盗装置 车钥匙忘拔报警装置和语言开门 无钥匙 装置等 四 信息系统 四 信息系统 随着电子化的发展 汽车信息系统越来越庞大 远远超出如车速 里程 水温 油压 等相关范围 逐渐向全面反映车辆工况和行驶动态等功能发展 科目繁多的信息装置正在 源源不断地进入汽车领域 1 信息显示与报警系统信息显示与报警系统 该系统可将发动机的工况和其它信息参数 通过微处理机处理后 输出对驾驶员更有 用的信息 并用数字显示 线条显示或声光报警 显示的信息除水温 油压 车速 发动机转速等常见内容外 还有瞬时耗油量 平均 耗油量 平均车速 行驶里程 车外温度等 根据驾驶员的需要 可随时调出显示这些信 息 监视和报警的信息主要有 燃油温度 水温 油压 充电 尾灯 前照灯 排气温度 制动液量 手制动 车门未关严等 当出现不正常现象或自诊断系统测出有故障时 立即 由声光报警 2 语言信息系统语言信息系统 过去一般信息显示都是靠驾驶员查看仪表盘 有视觉感知 这样容易造成遗漏 现在 出现了语言信息 包括语音报警和语言控制两类 语音报警是在汽车出现不正常情况 如水温 水位 油位不正常 制动液不足和蓄电 池充电值偏低等情况时 计算机经过逻辑判断 输出信息至扬声器 发出模拟人的声音向 驾驶员报警 如 请停车 水位不正常 请加油 等 多数还同时灯光报警 语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件 设备进行动作 目前 该 装置一般都是为伤残人士提供方便而设立的 3 车用导航系统车用导航系统 该系统是近几年研究的新课题 它可在城市或公路网的范围内 定向选择最佳行驶路 线 并能在屏幕上显示地图 表示汽车行驶中的位置 以及到达目的地的方向和距离 这 实质是汽车行驶向智能化发展的方向 再进一步就可成为无人驾驶 4 通信系统通信系统 这方面真正使用且采用最多的是汽车电话 在美国 日本 欧洲等发达国家较普及 目前的水平在不断的提高 除车与路之间 车与车之间 车与飞机之间等交通工具之间的 通话外 还可通过卫星与国际电话网相联 实现行驶过程中的国际间电话通信 五 附属装置 五 附属装置 1 全自动空调 全自动空调 EA C 该装置突破单一的空气温度调节功能 根据设计在车内的各种温度传感器 车内温度 大气温度 日照温度 蒸发器温度 发动机水温等 输入的信号 由计算机进行平衡温度 演算 对进气转换风门 混合风门 水阀 加热断电器 压缩机 鼓风机等进行控制 根 据乘客要求 保持车内的温度等小气候处于最佳值 人体感觉最舒适的状态 2 自动座椅自动座椅 该装置是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物 它能使座椅适应乘客的不同体 型 满足乘客的舒适性的要求 3 音响音响 音像音像 车内装有立体音响 激光唱机 放音系统可实行立体声补偿 立体声音响自动选台 电视机实现数码选台 三 电子控制单元的功能与组成 一 电子控制单元所具备的基本功能如下 一 电子控制单元所具备的基本功能如下 1 接受传感器或其它装置输入的信息 给传感器提供参考 基准 电压 2 5 9 12V 个别为 8V 将输入的信息转变为计算机所能接受的信号 2 存储 计数 分析处理信息 存储处理程序 存储该车型的特性参数 存储运算中 的数据 随存随取 及故障信息 3 运算分析 根据信息参数求出执行命令数值 将输出的信号与标准值对比并查出故 障 4 输出执行命令 把弱信号变为强的执行命令 输出故障信息 5 自我修正功能 自适应功能 二 电子控制单元的组成 二 电子控制单元的组成 ECU 是一种电子综合控制装置 发动机集中控制系统 ECU 的外观和构造如图 1 2 所 示 图 1 2 ECU 的外观和构造 ECU 主要由输入回路 A D 转换器 计算机和输出回路四部分组成 1 输入回路输入回路 输入 ECU 的传感器信号有两种 一种是模拟信号 图 1 3a 其信号强弱表示被测 量大小 如热线式空气流量传感器的输出信号和水温传感器的输出信号等 另一种是数字 信号 包括开关信号 图 1 3b 其频率快慢表示被测量大小 如卡门旋涡式空气流量传 感器的输出信号和转速传感器的输出信号等 一些不规则的数字信号 频率信号 有的在 传感器内转换 有的在传感器外转换 信号的类型不同 输入 ECU 后的处理方法也不一样 图 1 3 从传感器输出的信号输入 ECU 后 首先通过输入回路 其中数字信号直接输入计算机 模拟信号则由 A D 转换器转换成数字信号后再输入计算机 输入回路的作用是将传感器输入的信号 在除去杂波并把正弦波转变为矩形波后 再 转换成输入电平 如图 1 4 所示 图 1 4 2 A D 转换器转换器 由传感器输入的模拟信号 计算机不能直接处理 故须用 A D 转换器将模拟信号转换 成数字信号 再输入计算机 图 1 5 为空气流量传感器输出的模拟信号由 A D 转换器处 理的示意图 图 1 5 3 计算机计算机 计算机的功用是根据发动机工作的需要 把各种传感器送来的信号用内存的程序进行 运算处理 并把处理结果 如汽油喷射控制信号 点火控制信号 送往输出回路 计算机的内部结构如图 1 6 所示 是由中央处理器 CPU 存储器 RAM ROM 输入 输出回路等组成 图 1 6 四 执行器 执行器是受 ECU 控制并具体执行某项控制功能的装置 当执行器是磁化线圈时 一般 是由 ECU 控制磁化线圈的搭铁回路 有的也是由 ECU 控制某些电子控制电路 如电子点 火控制器等 在控制系统中 执行器主要有下列几种 电磁喷油器 点火控制装置 点火模块 怠速控制阀 废气再循环阀 进气控制阀 二次空气喷射阀 活性碳罐电磁阀 车速控制电磁阀 电动汽油泵与继电器 冷却风扇继电器 空调压缩机继电器 自动变速器档位电磁阀 增压器释压电磁阀 调压电磁阀 锁止电磁阀 电磁 离合器等 五 电子控制系统的简要工作过程 发动机电控系统的工作过程 要用几句话简要说明是比较困难的 为了使初学者能建 立一个初步印象 我们把它贯穿起来简介如下 发动机起动时 ECU 进入工作状态 某些程序或步骤从 ROM 中取出 进入 CPU 这 些程序可以用来控制点火时刻 燃油喷射 怠速等 通过 CPU 的控制 一个个指令逐个地 进行循环执行 执行程序过程中所需的发动机信息 来自各个传感器 从传感器来的信号 首先进入回路进行处理 如是数字信号 根据 CPU 的安排 经 I O 接口直接进入微机 如 是模拟信号 还要经过 A D 转换器 转换成数字信号后 才能经 I O 接口进入微机 大多 数信息暂时存储在 RAM 内 根据指令再从 RAM 送至 CPU 有时需将存储在 ROM 中的参 考数据引入 CPU 使输入的传感器的信息与之进行比较 对来自有关传感器的每一个信号 依次取样 并与参考数据进行比较 CPU 对这些数据进行比较运算 作出处理 最后经输 出回路去控制执行器动作 如果是喷油器驱动信号 则控制喷油正时和喷油脉宽 完成控 制喷油功能 发动机工作时 微机的运行速度是相当快的 如点火时 每秒种可以修正上百次 因 此其控制精度是相当高的 实验要求实验要求 实验内容实验内容 汽车电子控制系统的感性认识汽车电子控制系统的感性认识 一 实验目的 通过实验了解汽车电子技术发展的现状 并对汽车电子控制系统有一个总体的认识 二 实验项目及器材 1 实验项目 1 发动机电控系统认识 2 底盘电控系统认识 3 行驶安全控制系统认识 4 信息及附属装置的认识 2 实验器材 具有发动机 底盘等电控系统的整车一台 三 实验要求 要求学生对汽车电子控制系统有一个直观的总体认识 复习思考题复习思考题 1 汽车电控系统由哪几部分组成 2 电子控制单元的功能有那些 3 与发动机单独控制相比 集中控制有什么优点 4 汽车网络分哪几级 各级的适用范围是什么 5 传感器的信号有哪几种类型 第二章第二章 汽油机燃油喷射系统汽油机燃油喷射系统 学习目标学习目标 1 掌握电控燃油喷射系统的各种分类型式 2 掌握电控燃油喷射系统的组成及工作原理 3 掌握各组成部件的结构和检测方法 重点是电控系统各传感器 执行器的结构和 检测方法 4 掌握电控燃油喷射系统三大组成部分的故障诊断程序及方法 第一节第一节 汽油机燃油喷射系统概述汽油机燃油喷射系统概述 汽油机燃油喷射系统对发动机混合气的配制与化油器不一样 它是以直接或间接测出 的空气量信号为基础 计算出发动机燃烧必需的汽油量 通过喷油器的开启给发动机提供 适量的燃油 控制精确的空燃比 汽油机燃油喷射系统 经历了半个世纪的不断完善和发 展 已经广泛应用于现代汽车发动机上 国外从 20 世纪 70 年代开始 就在汽车上大量采 用汽油机燃油喷射系统 美国当前新生产的汽油机轿车 几乎全部采用燃油喷射系统 日 本及西欧等国的使用也到达 90 以上 汽油机燃油喷射在我国使用历史不长 但发展非常 迅速 从 2000 年 7 月 1 日开始 我国已对生产配装化油器的 187 种轿车和 5 座以下的微型 车发出禁令 汽油机燃油喷射系统的使用已呈普及之势 一 汽油机燃油喷射系统的分类 燃油喷射系统在发动机上的应用可以按以下形式分类 1 按汽油喷射方式分类按汽油喷射方式分类 1 缸内喷射 该喷射方式是将汽油直接喷射到气缸内 因喷油器直接安装在发动机缸 盖上 其本身必须能够承受燃气产生的高温 高压 且受到发动机结构制约 故这种型式 采用较少 2 进气管喷射 该喷射方式是目前普遍采用的喷射方式 根据喷油器数量和安装位置 的不同又可分为两种 一种是在进气管结合部的节气门上方装有 1 2 个喷油器的单点节气 门体喷射方式 也称为单点喷射方式 SPI 如图 2 1 所示 另一种是在各缸的进气歧管 上分别装有一喷油器的多点喷射方式 MPI 如图 2 1 所示 对于节气门体喷射 由于 采用的喷油器少 易于实现计算机控制 成本比多点喷射方式低 但存在各缸燃料分配不 匀和供油滞后等缺点 与缸内喷射比较起来 进气管喷射喷油器不受缸内高温 高压的直 接影响 喷油器的设计和发动机结构的改动都要简单些 图 2 1 2 按喷射控制装置的形式不同分类按喷射控制装置的形式不同分类 1 机械式 燃油的计量是通过机械传动与液体传动实现的 即 K 型系统 2 电子控制式 燃油的计量是由电控单元及电磁喷油器实现的 即 EFI Electronic Fuel Injection 3 机电一体混合控制式 和机械喷射系统一样 也是通过机械 液体喷射装置控制的 同时还设有一个电控单元 多个传感器和电液混合气调节器来调节混合气成分 提高了控 制的灵活性 扩展了控制功能 即 KE 型系统 3 按喷射方式不同分类按喷射方式不同分类 1 间歇喷射或脉冲喷射式 对每一个气缸的喷射都有一限制的喷射持续期 喷射多数 是在进气过程中的某段时间内进行的 喷射持续时间对应所控制的喷油量 所有的缸内直 接喷射系统和多数进气管喷射系统都采用间歇喷射的方式 2 连续喷射或稳定喷射方式 燃油喷射的时间占有全工作循环的时间 连续喷射都是 喷在进气管道内 而且大部分的燃油是在进气门关闭后喷射的 因此大部分燃油是在进气 道内蒸发的 K 型 KE 型和大部分 SPI 系统采用这种喷射方式 4 对电子控制汽油喷射系统 可按空气流量的测量方式分类对电子控制汽油喷射系统 可按空气流量的测量方式分类 按空气流量的测量方式可分为速度密度控制 质量流量控制和节流速度控制等 1 速度密度控制型 D 型 EFI 系统 它是通过检测进气歧管的压力 真空度 和发动机的转速 推算发动机吸入的空气量 并计算燃油流量的速度密度控制方式 D 是德文 压力 一词的第一个字母 D 型系统 是最早的 典型的多点压力感应式喷射系统 美国通用 福特和克莱斯勒 日本的丰田 本田 铃木和大发等各主要汽车公司 都有类似的产品 由于空气在进气管内的压力波动 该方法的测量精度稍差 并且响应性较慢 其系统组成如图 2 2 所示 图 2 2 所示 2 质量流量控制型 L 型 EFI 系统 这种方式是用空气流量传感器直接测量发动机吸入的空气量 其测量的准确程度高于 D 型 故可更精确地控制空燃比 L 是德文 空气 一词的第一个字母 系统组成如图 2 3 和图 2 4 所示 图 2 3 图 2 4 D 系统 L 系统均采用多点间歇喷射方式 配用这两种系统的发动机可获得良好的综 合性能 叶片式电控汽油机燃油喷射系统 采用叶片式空气流量传感器和卡门旋涡式空气流量 传感器的电控汽油机燃油喷射系统 其空气流量的计算方式均属体积流量型 即计量进入 气缸的空气的体积量 以控制混合气空燃比的最佳值 如图 2 3 所示 热线式电控汽油机燃油喷射系统 由于采用体积流量型的空气流量计量方式时 需 要考虑大气压力的修正问题 且叶片式空气流量传感器有体积大 不便安装和加速响应慢 等缺点 致使以质量流量型的空气流量计量方式 即热线式 如图 2 4 和热膜式空气流 量传感器很快诞生 这种方法是直接测量进入气缸内空气的质量 将该空气的质量转换成 电信号 输送给 ECU 由 ECU 根据空气的质量计算出与之相适应的喷油量 以控制最佳 空燃比 3 节流速度控制型 节流速度控制型是利用节气门开度和发动机转速 推算每一循环吸入发动机的空气量 根据推算出的空气量 计算汽油喷射量 由于是直接测量节气门开度的角位移 所以过渡 响应性能好 它在竞赛汽车中得以应用 有些 Mono 单点喷射 系统也采用该方式 但 是 由于吸入的空气量与节气门开度和发动机转速是复杂的函数关系 所以不容易准确测 定吸入的空气量 5 对于多点间歇喷射系统 可根据喷油器之间的喷油顺序分为同时喷射 分组喷射和顺对于多点间歇喷射系统 可根据喷油器之间的喷油顺序分为同时喷射 分组喷射和顺 序喷射 序喷射 1 同时喷射 早期生产的间歇燃油喷射发动机多是同时喷射 其喷油器的控制电路和控制程序都较 简单 其控制电路如图 2 5 所示 图 2 5 所有的喷油器并联连接 微机根据曲轴位置传感器送来的基准信号 发出喷油器控制 信号 控制功率三极管的导通和截止 从而控制各喷油器电磁线圈同时接通和切断 使各 缸喷油器同时喷油 同时断油 通常曲轴每转一转 各缸喷油器同时喷射一次 如图 2 6 所示为某发动机喷油器的控制波形 由于在发动机的一个工作循环中喷射两次 因此有的 称这种喷射方式为同时双次喷射 两次喷射的燃油 在进气门打开时一起进入气缸 图 2 7 所示为同时喷射正时图 图 2 6 图 2 7 由于这种喷射方式是所有各缸喷油器同时喷射 所以喷油正时与发动机进气 压缩 作功 排气的循环没有什么关系 其缺点是由于各缸对应的喷射时间不可能最佳 有可能 造成各缸的混合气形成不一样 但这种喷射方式不需要气缸判别信号 而且喷射驱动回路 通用性好 其电路结构与软件都比较简单 因此目前这种喷射方式还占有一定的地位 2 分组喷射 分组喷射一般是把所有气缸的喷油器分成 2 4 组 4 缸发动机一般把喷油器分为两组 由微机分组控制喷油器 两组喷油器轮流交替喷射 分组喷射的控制电路如图 2 8 所示 每一工作循环中 各喷油器均喷射一次或两次 一般多是发动机每转一转 只有一组喷射 图 2 9 为分组喷射的正时图 图 2 8 图 2 9 3 顺序喷射 顺序喷射也叫独立喷射 曲轴每转两转 各缸喷油器都轮流喷射一次 且像点火系统 一样 按照特定的顺序依次进行喷射 北京切诺基汽车发动机就是顺序喷射方式 顺序喷 射的控制电路如图 2 10 所示 各缸喷油器分别由微机进行控制 驱动回路数与气缸数目 相等 图 2 10 顺序喷射方式由于要知道向哪一缸喷射 因此应具备气缸判别信号 常叫判缸信号 采用顺序喷射控制时 应具有正时和缸序两个功能 微机工作时 通过曲轴位置传感器输 入的信号 可以知道活塞在上止点前的位置 再通过判缸信号相配合 可以确定向上止点 运行的是哪一缸 同时应分清该缸是压缩行程还是排气形成 因此当微机根据判缸信号 曲轴位置信号 确定该缸是排气行程且活塞行至上止点前某一喷油位置时 微机输出喷油 控制信号 接通喷油器电磁线圈电路 该缸即开始喷射 北京切诺基发动机在各缸排气行 程上止点前 64 开始喷射 其 4 缸发动机的喷油顺序是 1 3 4 2 6 缸发动机的喷油顺 序是 1 5 3 6 2 4 图 2 11 为日本本田 4 缸发动机的顺序喷射的正时图 图 2 11 顺序喷射可以设立在最佳时间喷油 对混合气的形成非常有利 因此它对提高燃油经 济性和降低有害物的排放等有一定好处 尽管顺序喷射方式的控制系统的电路结构及软件 都较复杂 但这对日益发展的先进电子技术来说 是比较容易得到解决的 顺序喷射方式既适合进气管喷射 也适用于气缸内喷射 二 电控汽油机燃油喷射系统的优点 1 能实现空燃比的高精度控制 能实现空燃比的高精度控制 其一 采用多点喷射 MPI 独立向各缸喷油 使各 缸空燃比偏差减小 其二 通过闭环控制系统中的氧传感器反馈机能 可进一步精确控制 空燃比 其三 在汽车运行地区的气压 气温 空气密度变化时或加速行驶过渡运行阶段 空燃比均可及时得到适当的修正 其四 点火控制 怠速控制等辅助系统的采用 使各种 工况都有最佳空燃比 2 充气效率高 在进气系统中 充气效率高 在进气系统中 由于没有像化油器供油那样的喉管部位 进气压力损 失小 只要合理设计进气管道 就可充分利用吸入空气的惯性增压作用 增大充气量 提 高输出功率 增加发动机的动力 3 瞬时响应快 瞬时响应快 在汽车加减速行驶的过渡运行阶段 空燃比控制系统能够迅速响应 使汽车加减速反应灵敏 当汽车在不同地区行驶时 对大气压力或外界环境温度变化引起 的空气密度变化 可以进行快速的空燃比修正 4 起动容易 暖机性能好 起动容易 暖机性能好 在发动机起动时 可以用 ECU 计算出起动供油量 并且 能使发动机顺利经过暖机运转 5 节油和排放净化效果明显 节油和排放净化效果明显 能提供各种运行工况下最适当的混合气空燃比 且燃油 雾化好 各缸分配均匀 使燃烧效率提高 有害排放降低 6 减速 限速断油功能 能降低排放 节省燃油 减速 限速断油功能 能降低排放 节省燃油 减速时 节气门关闭 发动机仍以 高速运转 进入气缸的空气量减少 进气歧管内的真空度增大 在化油器系统中 此时会 使粘附于进气歧管壁面的汽油由于歧管内真空度急骤升高而蒸发后进入气缸 使混合气变 浓 燃烧不完全 排气中 HC 的含量增加 而在电控燃油喷射发动机中 当节气门关闭而 发动机转速超过预定转速时 喷油就会停止 使排气中 HC 的含量减少 并可降低燃油消 耗 7 便于安装 便于安装 电控燃油喷射大致上是由空气系统 燃油系统和控制系统构成的 它是 不存在机械驱动等问题的分散型系统 有利于在发动机上安装 一般而言 与传统的化油器发动机相比 装有电控燃油喷射系统的发动机功率可提高 5 10 燃料消耗降低 5 15 废气排放量减少 20 由于转矩特性的明显改善 瞬 时响应快 汽车的加速性能大大提高 怠速平稳 冷起动更容易 暖机更迅速 但存在着 价格偏高 维修要求高等缺点 三 电控燃油喷射系统的控制功能 80 年代后 大部分发动机用的电子控制单元除了控制汽油喷射之外 同时还可以进行 点火控制 怠速控制 转速控制及其它控制 其所用的传感器各项功能共用 从而使整个 系统结构简化 电子燃油喷射系统有如下控制功能 一 喷油量的控制 一 喷油量的控制 电子控制单元根据空气流量传感器或绝对压力传感器 发动机转 速传感器 进气温度传感器 冷却水温度传感器等所提供的信号而计算出喷油持续时间 因喷油器针阀的行程是一定的 故喷油量的大小决定于喷油器喷油持续时间的长短 发动 机各种工况的最佳喷油持续时间是存放在电子控制单元的存储器中的 喷油量的控制亦喷油器喷射时间的控制 要使发动机在各种工况下都处于良好的工作 状态 必须精确地计算基本喷油持续时间和各种参数的修正量 其目的是使发动机燃烧混 合气的空燃比符合要求 尽管发动机型号不同 基本喷油持续时间和各种修正量的值不同 但其确定方式和对发动机的影响却是相同的 下面分别予以介绍 1 起动喷油控制 起动喷油控制 在发动机起动时 由于转速波动大 无论 D 系统中的进气压力传