第2章 发动机电子控制系统

汽车电子控制技术 汽车类专业应用型本科示范教材 机械工业出版社出版主编于京诺 第2章发动机电子控制系统 学习目标 了解电子控制燃油喷射系统的分类 掌握电子控制燃油喷射系统的基本组成与工作原理 了解微机控制电子点火系统的组成 掌握微机控制电子点火系统的工作原理 掌握进气控制系统的结构与工作原理 掌握怠速控制系统的结构与工作原理 掌握排放控制系统的结构与工作原理 掌握汽油机缸内喷射系统的结构与工作原理 掌握柴油机电控燃油喷射系统的结构与工作原理 2 1汽油机电控燃油喷射系统 第2章发动机电子控制系统 2 1 1电子控制燃油喷射系统的分类与基本组成 1 电子控制燃油喷射系统的分类 1 按燃油喷射部位分类按喷油器喷射燃油的部位不同 电子控制燃油喷射系统可分为缸内喷射和进气道喷射两种类型 缸内喷射 进气道喷射 图2 1喷油器喷油位置示意图 缸内喷射 缸内喷射 进气道喷射 缸内喷射 进气道喷射 2 按进气量的测量方式分类按进气量的测量方式不同 电子控制燃油喷射系统可分为D型 速度 密度控制型 和L型 质量流量控制型 两种类型 图2 2D型电控燃油喷射系统的组成 图2 3L型电控燃油喷射系统的组成 2 电子控制燃油喷射系统的基本组成 电子控制燃油喷射系统主要由空气供给系统 燃油供给系统和电子控制系统组成 1 空气供给系统空气供给系统功用是为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气 并测量出进入气缸的空气量 空气供给系统主要由空气滤清器 空气流量传感器 L型 或进气歧管压力传感器 D型 节气门 节气门位置传感器 进气总管 进气歧管等组成 另外 进气温度传感器 怠速控制系统的怠速控制阀也安装在空气供给系统中 2 燃油供给系统燃油供给系统的功用是向发动机各个气缸供给混合气燃烧所需的燃油 由燃油箱 电动燃油泵 燃油分配管 燃油滤清器 油压调节器 喷油器和回油管等组成 燃油由燃油泵从油箱中泵出 具有一定压力的燃油经过燃油滤清器流至燃油分配管 由分配管送至各缸喷油器 喷油器根据ECU的喷油指令开启喷油阀 将适量的燃油喷出 与空气混合形成可燃混合气 3 电子控制系统将在发动机各个系统中起作用的电子元器件看作一个系统 就是电子控制系统 电子控制系统的硬件结构一般由传感器 电子控制单元 ECU 和执行器三部分组成 如图2 4所示 图2 4电子控制系统的组成 提示 电子控制燃油喷射系统中最主要的执行器是电动燃油泵和电磁喷油器 其它的还有一些电磁阀和继电器等 随着控制功能的增加 执行器也将相应增加 2 1 2空气供给系统 1 空气流量传感器空气流量传感器功用检测发动机进气量大小 并将进气量信息转换成电信号输入电控单元 ECU 以供ECU计算确定喷油时间 即喷油量 和点火时间 进气量信号是控制单元计算喷油时间和点火时间的主要依据 空气流量传感器类型多样 有叶 翼 片式 卡门涡流式和热丝式或者热膜式 其中 叶 翼 片式 卡门涡流式是体积流量型 热丝式和热膜式流量传感器能够由电子元件直接测量空气气流的质量流量 避免了海拔高度变化引起的测量误差 是质量流量型 提示 质量流量型传感器内部没有运动部件 气流流动阻力很小 工作性能稳定 响应速度快 测量精度较高 所以 目前被广泛应用于发动机电子控制系统中 1 热丝式空气流量传感器置于空气通道中的电热体 由于与空气之间的热传递 其温度会有所下降 空气流量大 带走的热量多 维持电热体温度所需的电流大 反之 空气流量小 所需的电流则小 热丝 膜 式空气流量传感器就是利用这一原理来检测空气流量的 1 防护网2 取样管3 铂金属丝 热丝 4 温度补偿电阻 冷丝 5 控制电路板6 电连接器7 壳体 图2 5热丝式空气流量传感器的结构 热丝式空气流量传感器内部套装有一个由两个塑料护套和一个热丝支承环构成的取样管 取样管中设有一根直径很小 约70微米 的铂金属丝RH作为发热元件 并制作成 形张紧在取样管内 1 温度补偿电阻2 带铂金属丝 热丝 的支承环3 精密电阻QM 流入的空气质量 图2 6热丝式空气流量传感器元件 热丝RH和冷丝RK分别连接在惠斯登电桥的两个臂上 当热丝的温度高于进气温度时 电桥电压才能达到平衡 并由具有电流放大作用的控制电路控制加热电流IH来保持热丝温度TH与冷丝温度TK之差保持恒定 当空气气流流经热丝使其受到冷却时 热丝温度降低 阻值减小 电桥电压失去平衡 控制电路立即增大供给热丝的加热电流IH予以修正 使其温度高于冷丝的温度 电流增量的大小 取决于热丝受到冷却的程度 即取决于流过传感器的空气量 随空气质量流量增大而增大 随其减小而减小 一般在50 120mA之间变化 因此 通过热丝RH的电流是空气质量流量的单一函数 加热电流IH就是空气质量流量的衡量尺度 并以精密电阻RA的端电压UM作为输出信号输入ECU ECU便可根据信号电压UM的高低计算出空气质量流量QM的大小 图2 7热丝式空气流量传感器工作电路 一种与单臂电桥分开而单独设置具有自洁功能加热电阻的热丝式空气流量传感器电路 图2 8单独设置自洁加热电阻的热丝式空气流量传感器电路 美国通用公司的热丝式空气流量传感器的工作原理与上述内容基本一致 但通用公司的热丝式空气流量传感器将输出信号转换为频率方波信号 电路如图2 9所示 并且频率变化趋势也是随着进气量的增加而变大 怠速时的平均频率为32Hz 节气门全开时的频率为150Hz 图2 9输出信号为频率方波的热丝式空气流量传感器 2 热膜式空气流量传感器热膜式空气流量传感器是热丝式的改进产品 其结构 工作原理与热丝式基本相同 只是其发热元件采用的是由铂金属薄膜制成的膜片电阻 故称为热膜电阻 在传 感器内部的进气通道上设有一个矩形护套 相当于取样管 热膜电阻设在护套中 为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度 在护套的空气入口一侧设有空气过滤层 用以过滤空气中的污物 1 接线插座2 护套3 铂金属膜4 防护网 图2 10热膜式空气 2 进气歧管压力传感器 在D型燃油喷射系统中 进气歧管压力传感器将发动机进气歧管内绝对压力 真空度 转换成电压信号 与发动机转速信号一起输送到电控单元 ECU ECU根据进气歧管内绝对压力和发动机转速信号计算出空气流量 作为确定喷油器基本喷油量和点火时间的依据 由此可见 与空气流量传感器直接检测发动机进气量不同 进气歧管压力传感器是一种间接测量发动机进气量的传感器 提示 压力传感器大多数都是测定压差 检测原理都是将压力的变化转换为电阻值的变化 压阻效应式进气歧管压力传感器的结构如图2 11 图2 12所示 主要由硅膜片 真空室 混合集成电路 真空管接头 线束插头和壳体组成 进气歧管压力传感器的安装位置比较灵活 只要将节气门至进气歧管之间的进气压力引入传感器的真空室内 传感器就可安放在任何位置 图2 11压阻效应式歧管压力传感器结构 硅膜片的长和宽约为3mm 厚度约为16 m 在硅膜片的中央部位采用腐蚀方法制作有一个直径为2mm 厚度约为5 m的薄膜片 在薄硅膜片表面上 采用集成电路加工技术与台面扩散技术 扩散硼 制作4只梳状阻值相等的应变电阻 又称为固态压阻器件或固态电阻 并利用低阻扩散层 P型扩散层 将四只电阻连接成惠斯顿电桥电路 然后再与传感器内部的信号放大电路和温度补偿电路等混合集成电路连接 1 引线端子2 壳体3 硅杯4 真空室5 硅膜片6 锡焊封口7 应变电阻8 金线电极9 电极引线10 底座11 真空管 压阻效应式进气歧管压力传感器的工作原理 硅膜片一面通真空室 另一面导入进气歧管压力 发动机工作时 从进气歧管进入的进气压力作用在硅膜片上 硅膜片就会产生应力变形 在应力作用下 应变电阻的电阻率就会发生变化而引起阻值变化 惠斯顿电桥上电阻值的平衡就被打破 当电桥输入端输入一定的电压或电流时 在电桥的输出端就可得到变化的信号电压或信号电流 根据信号电压或信号电流的大小 就可计算出歧管压力的高低 当传感器结构和输入的电源电压Ucc一定时 输出电压U0与作用在圆形硅膜片上的压力成正此 即压力越高 则输出电压越高 图2 13进气歧管压力传感器原理电路 3 节气门位置传感器 节气门位置传感器安装在节气门体节气门轴的一端 传统方式是由驾驶员操纵油门踏板上的拉索在控制节气门开度时对其进行控制 节气门位置传感器可以将节气门的开度转换成电信号输送给ECU ECU以此判定发动机的运转工况 并根据发动机不同工况对混合气浓度的需求来控制喷油时间 1 可变电阻滑动触点2 电源电压输入端 5V 3 绝缘部件4 节气门轴5 怠速触点 图2 15组合式节气门位置传感器的结构原理 组合式节气门位置传感器的输出特性如图所示 当节气门关闭或开度小于1 2 时 怠速触点闭合 其输出端IDL输出低电平 0V 当节气门开度大于1 2 时 怠速触点断开 输出端IDL输出高电平 5V 当节气门开度变化时 可变电阻的滑臂便随节气门轴转动 滑臂上的触点便在镀膜电阻上滑动 传感器的输出端子VTA与E2之间的信号电压随之发生变化 节气门开度越大 输出电压越高 传感器输出的线性信号经过A D转换器转换成数字信号后再输入ECU 大众车系发动机电控系统多采用组合式节气门体 它把触点与线性可变电阻组合式节气门位置传感器与节气门控制器融为一体 取消了怠速旁通道 简化了结构 图2 17节气门控制组件 节气门电位计G69直接与节气门轴相连接 当驾驶员踩动加速踏板时 节气门轴转动 节气门电位计轴也同时转动 使其电阻发生变化 这个信号传至ECU以告知节气门打开的位置 同时 节气门控制器电位计G88将怠速范围内 节气门控制器的位置情况告知ECU 怠速开关F60用以向发动机ECU提供怠速位置信号 节气门控制器V60起着控制怠速的作用 当怠速开关F60闭合时 由节气门控制器V60来决定怠速时节气门的开度 所以AJR发动机没有怠速控制阀 图2 18节气门控制组件电路图 线性式节气门位置传感器利用其电位计的变化可检测出节气门所在的准确位置 目前 有些线性式节气门位置传感器已无IDL怠速触点 或虽有怠速触点但并不与发动机ECU相连接 而用VTA信号检测怠速运行工况 见图2 19 图2 19无怠速触点的线性式节气门位置传感器电路原理及信号变化趋势a 原理电路b 信号变化趋势 4 温度传感器 温度是反映汽车发动机热负荷状态的重要参数 为了保证控制系统能够对发动机进行精确控制 必须随时监测发动机冷却液温度 进气温度和排气温度等 温度传感器按结构与物理性能分类 可分为物性型 热敏电阻式 热敏铁氧体式 和结构型 双金属片式 石蜡式 这两种 现代汽车广泛采用物性型温度传感器 特别是热敏电阻式温度传感器 具有灵敏度高 响应特性好 结构简单 成本低廉等优点 故下面主要介绍热敏电阻式温度传感器 常用的热敏电阻有正温度系数型热敏电阻 PTC 负温度系数型热敏电阻 NTC 两种 热敏电阻式温度传感器的结构形式如图2 20所示 主要由热敏电阻 金属引线 接线插座和壳体等组成 负温度系数NTC型热敏电阻具有温度升高阻值减小 温度降低阻值增大的特性 而且呈明显的非线性关系 对于结构一定的负温度系数型热敏电阻式温度传感器 其阻值与温度的关系曲线如图2 21所示 图2 21NTC型温度传感器特性 温度传感器的工作电路如图2 22所示 传感器的两个电极用导线与ECU插座连接 ECU内部串联一只分压电阻 ECU向热敏电阻和分压电阻组成的分压电路提供一个稳定的电压 一般为5V 传感器输入ECU的信号电压等于热敏电 阻上的分压值 电压会随热敏电阻阻值的变化而变化 当被测对象的温度升高时 传感器阻值减小 热敏电阻上的分压值降低 反之 当被测对象的温度降低时 传感器阻值增大 热敏电阻上的分压值升高 图2 22温度传感器工作电路 2 1 3燃油供给系统 燃油供给系统主要由燃油箱 燃油滤清器 电动燃油泵 供油管 回油管 燃油分配管 燃油压力调节器 喷油器等组成 图2 23燃油供给系统在整车上的布置 一般采用不易产生气阻的无回油管式燃油供给系统 无回油管的燃油供给系统设计目的是防止流动的燃油将发动机机舱内的热量带回油箱而导致燃油升温 造成燃油蒸发过多 这种系统有两种结构形式 一是将燃油压力调节器安装在油箱内 如图2 24所示 图2 24无回油管式燃油供给系统 二是将燃油压力调节器取消 在油泵总成上加装有控制油压的压力控制阀 可保证燃油分配管内压力为一定值 图2 25为大众汽车无回油管燃油系统油泵和压力控制器 图2 25无回油管燃油系统油泵和压力控制器 1 电动燃油泵 电动燃油泵的功用是从油箱中吸出燃油 加压后输送到管路中 和燃油压力调节器配合建立合适的系统压力 高于进气歧管压力250 300kPa 最终将燃油输送到喷油器 为防止发动机供油不足及由高温而产生的气阻 油泵的最高输出油压需要470kPa左右 其供油量比发动机最大耗油量大得多 多余的燃油从回油管返回油箱 图2 26内置式油泵的安装位置 结构组成 电动燃油泵的内部结构如图2 27所示 主要由永磁式直流电动机 油泵 限压阀 单向阀和泵壳等组成 电动机由永久磁铁 电枢 换向器和电刷等组成 油泵由泵转子和泵体组成 泵转子固定在电动机轴上 随电动机转动而转动 图2 27电动燃油泵的结构 叶轮 泵壳体 出油口 进油口 叶片 滤清器 叶轮 前轴承 电动机定子 电动机转子 单向出油阀 卸压阀 出油口 叶片泵 电动燃油泵的工作原理 油泵的控制如图2 28所示 是一种利用发动机ECU直接控制油泵的转速的控制电路 发动机工作时 发动机ECU原则上根据燃油消耗量 需要的回油量和供油装置的温度等 通过内部的控制回路IC 控制功率三极管VT进行高频率 约20KHz 的导通和截止 控制A点的平均降压值 分压值 使油泵保持在所需的工作电压 油泵工作电压与发动机负荷成正比变化 发动机ECU在进行实际控制时 油泵的工作电压主要随发动机转速和喷油脉宽变化而变化 图2 29 图2 28ECU直接控制式油泵控制电路图2 29油泵工作电压特性 2 燃油分配管 桑塔纳2000GSiAJR直列四缸发动机的燃油分配管 其功用是固定喷油器和油压调节器 并将汽油分配给每只喷油器 燃油分配管在燃油分配管与喷油器连接处制有小孔 以便将燃油分配到每只喷油器 有的车型配备的发动机其燃油分配管上制作有连接油压表的接口 燃油压力塞 以便测量燃油压力 图2 30桑塔纳2000GSiAJR燃油分配管 3 燃油压力调节器 燃油压力调节器的主要功用是使系统油压 即供油总管内油压 与进气歧管压力之差保持常数 一般为250 300kPa 这样 从喷油器喷出的燃油量便唯一地取定于喷油器的开启时间 图2 32燃油压力调节器 图2 31油压调节器工作特性 4 喷油器 1 结构原理喷油器实质是一个电磁阀 图2 33所示为轴针式喷油器的结构组成 它主要由喷油器外壳 喷油嘴 针阀 套在针阀上的衔铁以及根据喷油脉冲信号产生电磁吸力的电磁线圈组成 电磁线圈无电流时 喷油器内的针阀被螺旋弹簧压在喷油器出口处的密封锥形阀座上 喷油器不喷油 当ECU发出喷油脉冲信号将电磁线圈接通而通电时 电磁线圈产生的磁场吸动衔铁上移 衔铁带动针阀从其座面上升约0 1mm 燃油从精密环形间隙中流出 当ECU将电路切断时 吸力消失 回位弹簧使针阀复位关闭喷油器 停止喷射 图2 33喷油器 轴针式 8 密封圈 2 控制和驱动方式发动机电子控制单元ECU可通过控制喷油器的电源或搭铁来实现对喷油器的控制 控制电路如图2 34所示 在发动机工作时 ECU根据各种传感器输入的信号 确定合适的喷油时刻和喷油脉冲宽度 并向喷油器提供搭铁信号使喷油器开始喷油 切断搭铁信号使喷油器停止喷油 图2 34喷油器的控制电路 喷油器的驱动方式分为电流驱动与电压驱动两种方式 电流驱动只适用于低电阻喷油器 2 5 电压驱动既可用于低电阻喷油器 又可用于高电阻喷油器 12 17 电流驱动是指发动机电子控制单元ECU开始用一个较大的电流 8A 使电磁线圈产生较大的吸力 保证喷油器具有良好的响应性 然后再用较小的电流 2A 使针阀保持在开启状态 以防止喷油器线圈发热 减少功率消耗 在电流驱动回路中无附加电阻 低电阻喷油器直接与蓄电池连接 由于无附加电阻 回路阻抗小 ECU向喷油器发出指令时 流过喷油器线圈的电流增加迅速 大电流使针阀迅速打开 喷油迟滞时间缩短 响应性更好 电压驱动是指通过控制喷油器的工作电压来控制喷油器工作 在电压驱动回路中 使用高电阻喷油器时可将蓄电池电压直接加在喷油器上 而使用低电阻喷油器时 必须在回路中加入附加电阻 将蓄电池电压分压后加在喷油器上 防止电磁线圈电流过大 发热而烧坏 2 1 4电子控制系统 电子控制系统可以简化为传感器 电子控制单元 ECU 和执行器三大组成部分 1 曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器曲轴位置传感器用来检测发动机转速 曲轴位置 转角 信号以及第一缸和各缸压缩冲程上止点信号 是控制喷油和点火时刻的主要信号 曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器所采用的结构随车型不同而不同 可分为磁感应式 霍尔式和光电式三大类 1 磁感应式曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器 工作原理 磁感应式传感器的基本结构与工作原理如图2 35所示 传感器主要由信号转子 传感线圈 永久磁铁和磁轭等组成 磁力线穿过的路径为 永久磁铁N极 定子与转子间的气隙 转子凸齿 转子凸齿与定子磁头间的气隙 磁头 导磁板 永久磁铁S极 当信号转子旋转时 磁路中的气隙就会周期性地发生变化 磁路的磁阻和穿过传感线圈 信号线圈 磁头的磁通量随之发生周期性的变化 根据电磁感应原理 传感线圈中就会感应产生交变电动势 a 凸齿接近磁头b 凸齿正对磁头c 凸齿离开磁头1 信号转子2 传感线圈3 永久磁铁4 磁轭 当信号转子旋转时 转子凸齿与磁头间的气隙减小 磁通量增多 磁通变化率增大 感应电动势E为正 E 0 如图2 36中曲线abc所示 当转子凸齿接近磁头边缘时 磁通量急剧增多 磁通变化率最大 感应电动势E最高 如图2 36中曲线b点所示 转子转过b点位置后 虽然磁通量仍在增多 但磁通变化率减小 因此感应电动势E降低 高速时输出波形 低速时输出波形 当转子旋转到凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时 如图2 35b 所示 虽然转子凸齿与磁头间的气隙最小 磁路的磁阻最小 磁通量最大 但是 由于磁通量不可能继续增加 磁通变化率为零 因此感应电动势E为零 如图2 36中曲线c点所示 当转子沿顺时针方向继续旋转 凸齿离开磁头时 如图2 35c 所示 凸齿与磁头间的气隙增大 磁路磁阻增大 磁通量减少 所以感应电动势E为负值 如图2 36中曲线cda所示 当凸齿即将离开磁头边缘时 磁通量急剧减少 磁通变化率达到负向最大值 感应电动势E也达到负向最大值 如图2 36中曲线上d点所示 桑塔纳2000GSiAJR发动机磁感应式曲轴位置传感器 信号转子为齿盘式 在其圆周上间隔均匀地制作有58个凸齿 57个小齿缺和1个大齿缺 大齿缺输出基准信号 对应于发动机一缸或四缸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 因为信号转子随曲轴一同旋转 曲轴旋转一圈 360 信号转子也旋转一圈 360 所以信号转子圆周上的凸齿和齿缺所占的曲轴转角为360 每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为3 大齿缺所占的曲轴转角为15 1 缸体2 传感器磁头3 信号转子4 大齿缺 基准标记 由于信号转子上有58个凸齿 因此信号转子每转一圈 发动机曲轴转一圈 传感线圈就会产生58个交变电压信号输入电子控制单元 因此 ECU每接收到曲轴位置传感器58个信号 就可知道发动机曲轴旋转了一转 如果在一分钟内ECU接收到曲轴位置传感器116000个信号 ECU便可计算出曲轴转速为2000r min 如果ECU每分钟接收到曲轴位置传感器290000个信号 ECU便可计算出曲轴转速为5000r min 依此类推 ECU根据每分钟接收曲轴位置传感器脉冲信号的数量 便能计算出发动机曲轴旋转的转速 图2 38桑塔纳2000GSiAJR发动机曲轴位置传感器输出信号 2 霍尔式曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器 霍尔效应通有电流I的白金导体垂直于磁力线放入磁感应强度为B的磁场中时 在白金导体横向侧面上就会产生一个垂直于电流方向和磁场方向的电压UH UH与通过半导体的 电流I和磁感应强度B成正比 当取消磁场时电压立即消失 这种现象是美国约翰 霍普金斯大学物理学家爱德华 霍尔博士于1879年首先发现的 被称为霍尔效应 UH被称为霍尔电压 图2 39霍尔效应 基本结构霍尔式传感器的基本结构如图2 40所示 主要由触发叶轮 霍尔集成电路 导磁钢片 磁轭 与永久磁铁等组成 触发叶轮安装在转子轴上 叶轮上制有叶片 当触发叶轮随转子轴一同转动时 叶片便在霍尔集成电路与永久磁铁之间转动 工作原理当传感器轴转动时 触发叶轮的叶片便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过 当叶片离开气隙时 永久磁铁的磁通便经霍尔集成电路和导磁钢片构成回路 如图2 40a 所示 此时霍尔元件产生电压 UH 1 9 2 0V 霍尔集成电路输出级的三极管导通 传感器输出的信号电压U0为0 1 0 3V的低电平 如图2 41所示 图2 41霍尔集成电路组成框图 桑塔纳2000GSiAJR发动机霍尔式凸轮轴位置传感器 在桑塔纳2000GSiAJR发动机的电控系统中 既在气缸体的左侧靠近飞轮处装配有磁感应式曲轴位置传感器 又在气缸盖前端凸轮轴的链轮之后装配有霍尔式凸轮轴位置传感器 如图2 42所示 1 凸轮轴同步带轮2 信号转子3 霍尔信号发生器 图2 42霍尔凸轮轴位置传感器安装位置 霍尔式凸轮轴位置传感器信号转子又称为触发叶轮 安装在进气凸轮轴上 用定位螺栓和座圈定位固定 信号转子的隔板又称为叶片 在隔板上制有一个180 的缺口 当信号转子随进气凸轮轴一同转动时 隔板和缺口便从霍尔集成电路与永久磁铁之间的气隙中转过 如图2 43所示 图2 43霍尔式凸轮轴位置传感器结构 当隔板 叶片 进入气隙 即在气隙内 时 霍尔元件不产生电压 传感器输出高电平 5V 信号 当隔板 叶片 离开气隙 即缺口进入气隙 时 霍尔元件产生电压 传感器输出低电平信号 0 1V 发动机曲轴每转两圈 720 霍尔传感器信号转子就转一圈 360 对应产生一个低电平信号和一个高电平信号 其中低电平信号下降沿对应于一缸压缩上止点前一定角度 凸轮轴位置传感器输出的信号与曲轴位置传感器输出的信号之间的关系如图2 44所示 图2 44凸轮轴位置传感器输出的信号与曲轴位置传感器输出的信号之间的关系 2 氧传感器 氧传感器安装在发动机排气管上 如图2 45所示 其作用是通过监测排气中的氧含量来获得混合气的空燃比信号 并将该信号转变为电信号输入ECU ECU根据氧传感器信号 对喷油时间进行修正 实现空燃比反馈控制 闭环控制 从而将空燃比控制在理论值14 7 1附近 使发动机得到最佳浓度的混合气 从而降低有害气体的排放和节约燃油 氧传感器可分为氧化锆 ZrO2 式和氧化钛 TiO2 式两种类型 图2 45氧传感器的安装位置 1 氧化锆式氧传感器 结构特点 氧化锆式氧传感器的结构如图2 46所示 主要由钢质护管 钢质壳体 锆管 加热元件 电极引线 防水护套和线束插头等组成 工作原理锆管的陶瓷体是多孔的 在高温下可使氧分子发生电离变成氧离子 带负电的氧离子在二氧化锆固体电解质中能均匀扩散与渗透 当锆管内侧表面与外侧表面之间氧气的浓度不同 即存在浓度差 时 高浓度侧的氧离子就会向浓度低的一侧扩散 以求达到平衡状态 当固体电解质表面设置多孔电极之后 在其两个电极之间就可得到电动势E 因为锆管内侧与氧浓度高的大气相通 外 侧与氧浓度低的排气相通 且锆管外侧的氧含量随可燃混合气浓度变化而变化 所以当氧离子在锆管中扩散时 锆管内外表面之间的电位差将随可燃混合气浓度变化而变化 即锆管相当于一个氧浓度差电池 传感器的信号源相当于一个可变电源 其工作原理如图2 47所示 氧化锆式氧传感器的输出特性 当供给发动机的可燃混合气较浓时 空燃比小于14 7 排气中氧含量较少 CO浓度较大 在催化剂铂的催化作用下 氧几乎全部都与CO发生氧化反应生成CO2气体 使外表面上氧浓度为0 由于锆管内表面与大气相通 氧浓度很大 因此锆管内 外表面之间的氧浓度差较大 两个铂电极之间的电位差较高 约0 9V a 气体浓度与电压的关系b 传感元件温度与电压的关系1 氧传感器电动势2 CO浓度3 无铂电极时的电动势4 氧浓度 当供给发动机的可燃混合气较稀时 空燃比大于14 7 排气中氧含量较多 CO浓度较小 即使CO全部都与氧产生化学反应 锆管外表面上还有多余的氧存在 因此 锆管内 外表面之间氧的浓度差较小 两个铂电极之间的电位差较低 约0 1V 当空燃比接近于理论空燃比14 7时 排气中的氧和CO含量都很少 在催化剂铂的作用下 氧与CO的化学反应从缺氧状态 CO过剩 氧浓度为0 急剧变化为富氧状态 CO为0 氧过剩 由于氧浓度差急剧变化 因此铂电极之间的电位差急剧变化 使传感器输出电压从0 9V急剧变化到0 1V 2 氧化钛式氧传感器二氧化钛 TiO2 在常温下是一种高电阻的半导体 但表面一旦缺氧 其晶格便出现缺陷 电阻便随之减小 同时 其电阻也与环境温度有关 氧化钛式氧传感器就是利用二氧化钛材料的电阻值随排气中氧含量的变化而变化的特性制成的 故又称电阻型氧传感器 结构组成 二氧化钛半导体材料的电阻具有随氧离子浓度的变化而变化的特性 因此 氧化钛式氧传感器的信号源相当于一个可变电阻 其电阻值与空燃比的关系如图2 50所示 当发动机的可燃混合气浓时 空燃比小于14 7 排出的废气中氧离子含量较少 氧化钛管外表面只有少量氧离子 二氧化钛呈现低阻状态 与此同时 在催化剂铂的催化作用下 使剩余氧离子与排气中的CO产生化学反应 生成CO2 将排气中的氧离子进一步消耗掉 从而大大提高了传感器的灵敏度 当发动机的可燃混合气稀时 空燃比大于14 7 排出的废气中的氧离子含量较多 氧化钛管外表面的氧离子浓度较大 二氧化钛呈现高阻状态 图2 50二氧化钛氧传感器电阻与空燃比间的关系 3 宽量程氧传感器 极限电流型氧传感器是以ZrO2氧浓差电池型氧传感器为基础加以改进而产生的 在ZrO2氧浓差电池型氧传感器的ZrO2组件两端加上一定电压时 会造成氧离子的移动而产生电流 其电流与排放气体氧浓度成正比 极限电流型氧传感器就是利用这一特性 连续检测出稀薄燃烧区的空燃比 图2 51极限电流型氧传感器基本结构原理 当有电压加在固体电解质ZrO2上时 O2会在内电极 阴极 上得到电子形成氧离子O2 O2 通过ZrO2的传递作用 在外电极 阳极 上放电 O2 又变成O2 这样氧就通过固体电解质被从电极的阴极泵到阳极 这种现象被称为泵氧电池 外加电压为泵电压 回路中产生电流为泵电流 在泵氧过程中 外加泵电压的增加所导致的泵电流的增加会逐渐减小 最后出现泵电流在一定的电压范围内不变或变化很小的现象 电流达到饱和 这个电流被称为极限电流 该极限电流的大小与继续 图2 52极限电流型氧传感器的工作特性 增加的电压无关 而取决于氧的扩散速率 并与被测环境中的氧分压呈正比 因为传感器的输出电流与外界氧分压成线性关系 因而它能连续检测出稀薄燃烧区的空燃比 为了得到与环境气氛中氧浓度有关且比较稳定的极限电流 一般在ZrO2氧传感器的阴极表面加一个扩散障碍层 以限制氧向阳极的传输 这样 氧通过障碍层的扩散将成为泵氧电流的控制环节 由此产生的极限电流与环境中的氧分压有稳定的线性关系 目前有两种物理扩散障碍型极限电流型氧传感器被广泛使用 一种是小孔扩散极限电流型氧传感器 另一种是多孔扩散层极限电流型氧传感器 小孔扩散极限电流型氧传感器是使用最早的极限电流型氧传感器 其结构原理如图2 53所示 在已稳定化ZrO2固体电解质两侧被覆铂电极 阴极侧有一个用氧化铝及其它陶瓷材料制成的气体扩散控制罩 顶部中心有一小孔 外界的氧气通过小孔向阴极空腔这一封闭空间内扩散 由于小孔直径很小 扩散速度受到限制 因此 当施加在固体电解质ZrO2上的电压增加到某一值时 电流达到最大 极限电流值 此时 电流的大小只随外界氧浓度的变化而变化 图2 53小孔扩散极限电流型氧传感器 多孔扩散层极限电流型氧传感器的结构特点是在金属电极上加多孔涂层 以妨碍O2 的扩散 这样可以在某侧电极上形成一个参考氧分压 避免使用任何参比气体 实际上 这种传感器的原理与小孔扩散型氧传感器相类似 只是将一个带小孔的腔体分散成无数个微观孔 但是 结构上的这一变化却可以提高响应速度达200ms 图2 54多孔扩散层极限电流型氧传感器 双电池极限电流型氧传感器 双电池极限电流型氧传感器 由一个普通氧浓差电压型氧传感器 参考电池 一个极限电流型氧传感器 泵氧电池 以及扩散小孔 扩散室构成 氧浓差参考电池和泵氧电池之间由带有20 50 m缝隙的多孔层隔开 它需要一个专门设计的传感器控制器来控制其正常工作 在图中传感器控制器用A和B表示 图2 55双电池极限电流型氧传感器 尾气通过扩散小孔进入扩散室 尾气可能是缺氧的浓混合气 也可能是富氧的稀混合气 ZrO2参考电池感知尾气的浓度后 产生电压VS 根据尾气浓度的不同 缺氧的浓混合气将产生高于参考电压Vref的VS 传感器控制器将产生一个方向的泵电流IP 该泵电流IP通过泵氧电池时将氧泵入扩散室内进行化学分解反应 使扩散室恢复到VS电压为0 45V的尾气含氧浓度的平衡状态 相反 富氧的稀混合气将产生低于参考电压Vref的VS 传感器控制器将产生一个反方向的泵电流IP 该泵电流IP通过泵氧电池时将氧泵出扩散室 当混合气空燃比为14 7 1时 没有氧气需要泵出或者泵入 IP为0 这样 就产生了或正或负的泵电流IP 其符号取决于尾气中氧的含量 在稀薄燃烧区域为正 在浓燃烧区域为负 且其大小与氧浓度具有一定的比例关系 在控制环路中有一块数字信号处理器电路 该电路有二路输出 一路将变化的泵电流IP信号通过放大数模转换成线性电压Vout 此电压从0 5V连续变化 去控制发动机ECU的空燃比调整 另一路输出脉宽调制信号去控制加热器加热氧传感器 使其保持稳定的工作温度 具有快速激活特性 双电池极限电流型氧传感器工作特性如图2 56所示 从图中可以看到这种广域氧传感器的特点 工作曲线平滑 泵电流IP正比于尾气中的氧浓度 能够连续检测10 59这一极宽的空燃比范围 相当于过量空气系数为0 7 4 0 可以更好地保证发动机在整个空燃比内的平稳运行 3 电子控制单元 ECU 电子控制单元的功能有以下几个方面 给传感器提供参考 基准 电压 2V 5V 9V 12V 接收传感器或其他装置输入的信息 将输入的信息转变为微机所能接受的信号 存储分析计算所用的程序 车型的特点参数 运算中的数据及故障信息 运算分析 即根据信息参数求出执行命令并输出给执行器 将输出的信息与标准值对比 查出故障并输出故障信息 自我修正 自适应功能 1 电子控制单元的硬件ECU主要由输入回路 微机和输出回路四部分组成 图2 57电子控制单元 ECU 2 电子控制单元的软件软件包括控制程序和数据两部分 控制软件大多数采用模块化结构 将整个控制系统的程序分成若干个功能相对独立的程序模块 每个模块分别进行设计 编程和调试 最后将调试好的程序模块连接起来 这种结构方式可使程序设计和调试容易 修改变动方便和可按需要进行取舍 软件中最主要的是主控程序 主控程序可根据使用和控制要求设定内容 主控程序的主要任务是整个系统初始化 实现系统的工作时序 控制模式的设定 常用工况及其他各工况模式下喷油信号和点火信号输出程序 软件中还有转速和负荷的处理程序 中断处理程序 查表及插值程序等 为了能对发动机进行最优控制 应在发动机台架 排放转鼓试验台和道路上进行匹配试验 得到基本喷油量和基本点火提前角的三维图 以及其他为匹配各种运行工况而确定的修正系数 修正函数和常数等 都以离散数据的形式存在存储器中 作为控制的依据 3 工作过程发动机起动时 ECU进入工作状态 某些程序从ROM中取出进入CPU 这些程序可以用来控制燃油喷射 点火时刻 怠速等 通过CPU的控制 一个个指令逐个地进行循环执行 根据发动机工况的需要 ECU有开环控制和闭环控制两种控制方式 开环控制发动机工作时 ECU根据传感器的信号对执行器进行控制 而控制的结果 如燃烧是否完全 怠速是否稳定 有否有爆燃发生等 是否达到预期目标无法做出分析 控制的结果对控制过程没有影响 这种控制方式称为开环控制 开环控制的特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用 闭环控制由上述可知 开环控制系统调整空燃比和点火提前角的准确程度受到发动机技术状况和控制程序及数据的限制 另外 开环控制系统无法将影响空燃比和点火提前角的其他控制参数一一兼顾 因此很难达到精确的控制 闭环控制实质上就是反馈控制 在开环控制的基础上 控制系统根据实际检测到的开环控制结果的反馈信号来决定增减输出控制量的大小 闭环控制的特点是在控制器与被控对象之间 不仅存在着正向作用 而且存在着反馈作用 即系统的输出量对控制量有直接影响 图2 58开环控制与闭环控制示意图 2 1 5燃油喷射控制过程 1 喷油正时的控制喷油正时就是喷油器何时开始喷油 具体地说 是指喷油器开始喷油时活塞所处的冲程和距上止点的曲轴转角 喷油的最佳时刻是在排气冲程末期或者进气冲程初期 根据燃油喷射时序不同 可分为同时喷射 分组喷射和顺序喷射三种类型 它们对喷油正时的要求各不相同 同时喷射是指各缸喷油器同时喷油 曲轴每旋转一圈 360 或两圈 720 各缸喷油器同时喷油一次 同时喷射的优点是控制电路和控制程序简单 且通用性较好 其缺点是只能保证一个气缸喷油时刻最佳 其他各缸喷油时刻都不可能最佳 造成混合气形成不均匀 分组喷射是指将喷油器喷油分组进行控制 各组喷油器轮流交替进行燃油喷射 一般将四缸发动机分成两组 六缸发动机分成三组 八缸发动机分成四组 分组喷射能够保证有一半数量的气缸喷油时刻最佳 其他各缸喷油时刻都不可能最佳 顺序喷射是指各缸喷油器按照发动机的点火顺序 依次在最合适的曲轴转角位置进行燃油喷射 由于各缸喷油器独立喷油 因此也叫独立喷射 控制电路如图2 59a 所示 各缸喷油器分别由ECU的一个功率放大电路控制 功率放大器回路的数量与喷油器的数目相等 当发动机转动时 ECU便按喷油器1 3 4 2 四缸机 或1 5 3 6 2 4 六缸机 的顺序控制功率管导通与截止 当功率管导通时 喷油器电磁线圈电路接通 喷油器阀门开启喷油 在顺序喷射系统中 发动机工作一个循环 曲轴转两圈720 各缸喷油器轮流喷油一次 喷油正时关系如图2 59d 所示 a 控制电路 b 气缸判别信号c 曲轴转速与转角信号d 正时关系 b c d 2 喷油量的控制 1 起动时的喷油量控制在起动时 ECU根据当时的发动机冷却液温度 由存储器中的冷却液温度 喷油时间图找出相应的喷油脉宽图 图2 60a 再用进气温度和蓄电池电压等参数进行修正 得到起动时的喷油脉宽 图2 60发动机起动时喷油量的控制a 冷却液温度 喷油时间图b 发动机起动喷油时间确定 2 起动后的喷油量控制在发动机起动后的运转过程中 为了提高控制精度 简化计算程序 通常将喷油器的喷油量分成基本喷油量 喷油修正量和喷油增量三部分 先分别计算结果 然后再将之叠加在一起 得到最佳喷油量并转化为控制喷油器开启时间的控制信号以控制喷油器工作 图2 61发动机起动后喷油量控制 基本喷油量基本喷油量是在标准大气状态 温度为20 压力为101kPa 下 根据发动机每个工作循环的进气量 发动机转速和试验设定的空燃比 即目标空燃比 一般是理论空燃比14 7 确定的 即 每循环基本喷油量 比例常数 空气流量 发动机转速 喷油修正量当发动机实际运行条件改变时 应对基本喷油量进行适当的修正 以保证发动机正常运行 一般主要考虑进气温度 大气压力以及蓄电池电压三个方面的影响 喷油增量当发动机运行工况发生变化时 需要在基本喷油量的基础上额外增加一部分喷油量 以加浓混合气 一般在发动机起动后 暖机过程 加速过程 大负荷等工况下 需要加浓混合气 图2 62修正通电时间与电源电压的关系 3 断油控制 断油控制是电子控制单元ECU在某些特殊工况下 暂时中断燃油喷射 以满足发动机运行时的特殊需要 断油控制包括发动机超速断油控制 减速断油控制和清除溢流控制 减转矩断油控制等 超速断油控制是指当发动机转速超过允许的极限转速时 ECU立即控制喷油器中断燃油喷射 以防止发动机超速运转而损坏机件 减速断油控制是当发动机在高转速运转过程中突然减速时 ECU自动控制喷油器中断燃油喷射 直到发动机转速下降到设定的转速时 再恢复喷油 减速断油控制时 ECU根据节气门位置 发动机转速和冷却液温度等传感器信号 判断是否满足以下三个减速断油条件 节气门位置传感器信号表示节气门关闭 发动机冷却液温度达到正常工作温度 发动机转速高于燃油停供转速 由ECU根据发动机温度 负荷等参数确定 当发动机转速降低到燃油复供转速或节气门开启时 ECU立即发出指令 控制喷油器恢复喷油 燃油停供转速和复供转速与冷却液温度和发动机负荷有关 图2 63减速断油控制曲线 2 2汽油机电控点火系统 2 2 1微机控制电子点火系统的组成微机控制电子点火系统由监测发动机运行状况的传感器 处理信号和发出点火指令的电控单元ECU 对点火指令做出响应的执行器等组成 1 传感器主要有曲轴位置传感器 凸轮轴位置传感器 空气流量传感器 节气门位置传感器 冷却液温度传感器 爆燃传感器等 这些传感器大多与燃油喷射系统 怠速控制系统等电子控制系统共用 而且都由一个ECU集中控制 2 电子控制单元现代汽车发动机大多数都采用集中控制系统 电子控制单元ECU既是汽油喷射控制系统的控制核心 也是点火控制系统的控制核心 其作用是根据各种传感器和开关输入的信号 按预先编制的程序进行计算与分析 以判断当前发动机所处的工况与状态 输出最佳点火提前角和点火线圈初级电路导通时间的控制信号 通过执行机构实现发动机的最佳点火时间控制 在ECU的只读存贮器 ROM 中 除存储有监控和自检等程序之外 还存储有由台架试验测定的该型发动机在各种工况下的最佳点火提前角 随机存储器 RAM 用来存储微机工作时暂时需要存储的数据 如输入 输出数据 单片机运算得出的结果 故障代码 点火提前角修正数据等等 这些数据根据需要可随时调用或被新的数据改写 3 执行器执行器主要包括点火控制器 点火线圈 分电器 有分电器微机控制电子点火系统 及火花塞等 1 点火控制器连接于ECU与点火线圈之间 是微机控制电子点火系统的功率输出级 它接受ECU输出的点火控制信号控制点火线圈初级绕组接地端的通断并进行功率放大 以便驱动高压点火线圈工作 同时 还具有恒电流控制功能 停车断电保护功能 点火时间低速延迟功能 超压保护功能 图2 64点火控制器 2 点火线圈带分电器的微机控制电子点火系统其点火线圈的结构与普通电子点火系统的点火线圈并无什么差别 而无分电器的微机控制电子点火系统的点火线圈则有多种结构形式 因高压配电方式的不同可分为二极管分配方式的点火线圈 点火线圈分配方式的点火线圈和独立点火方式的点火线圈三种 由于无分电器的微机控制电子点火系统有两个或多个点火线圈初级绕组 发动机的一个工作循环 每个点火线圈初级绕组只通断一次 独立点火 或两次 同时点火 所以点火线圈初级绕组能够有较长的通电时间 点火线圈可以采用完全的闭磁路结构 以提高能量利用率 其结构及磁路如图2 65所示 图2 65闭磁路点火线圈的结构及磁路a 闭磁路点火线圈b 口字形铁芯磁路c 日字形铁芯磁路1 初级绕组2 次级绕组3 铁芯4 低压接线柱 5 低压接线柱 6 高压接线柱7 磁路8 空气隙 2 2 2微机控制电子点火系统的点火电路 微机控制电子点火系统 按是否配有分电器分为有分电器微机控制电子点火系统和无分电器微机控制电子点火系统两种 图2 66微机控制有分电器电子点火系统1 ECU2 蓄电池3 火花塞4 点火开关5 分电器6 点火线圈7 点火模块8 N转子及信号线圈9 G转子及信号线圈 无分电器点火控制系统其主要特点是完全取消了传统的分电器总成 包括分火头和分电器盖等 由ECU中附加的点火控制电路和分电电路控制点火模块实现对点火的控制 点火线圈次级绕组与火花塞直接相连 即点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火 由于没有机械传动 减少了分火头与旁电极这一中间跳火间隙的能量损耗和干扰 随着电控无分电器点火系统的出现 有分电器点火系统己趋于淘汰 这里主要介绍无分电器点火控制系统的点火电路 图2 67微机控制无分电器点火控制系统1 火花塞2 点火线圈3 点火模块4 传感器5 ECU 无分电器点火控制系统又可分为两个活塞位置同步缸共用一个点火线圈的同时点火方式和每缸一个点火线圈的独立点火方式 如图2 68所示 1 同时点火方式 图2 68无分电器点火控制系统两种点火方式 1 二极管分配式 图2 69二极管分配同时点火电路原理 2 点火线圈分配式 图2 70点火线圈分配同时点火电路原理 2 独立点火方式 图2 71独立点火方式电路原理 2 2 3点火提前角与闭合角控制 1 点火提前角控制的基本内容 初始点火提前角是由曲轴位置传感器信号与曲轴转角的对应关系而确定的点火提前角 由曲轴位置传感器的安装位置决定 初始点火提前角对最佳点火提前角计算没有实质性影响 它的作用仅是确定点火提前角计算的初始基准位置 不同的发动机其初始点火提前角会有所不同 在有些微机控制电子点火系统中 把G信号后的第一个Ne信号过零点作为点火基准点 该信号过零点时基准点位于 图2 7310 初始点火提前角 活塞压缩冲程上止点前10 那么该发动机点火系统初始点火提前角就是10 如图2 73所示 也有一些发动机微机控制电子点火系统把压缩上止点作为点火提前角计算基准点 2 起动时点火提前角控制 起动时点火提前角控制有起动初始点火提前角控制和起动非初始点火提前角控制两种方式 即点火提前角固定控制和点火提前角可调控制 1 起动初始点火提前角控制由于发动机的起动转速很低 此时的发动机负荷信号不稳定 为确保有适当而又稳定的点火提前角 将点火提前角固定在初始点火提前角 ECU根据点火开关信号 发动机转速与曲轴位置传感器信号 进行起动初始点火提前角控制 并直接由集成电路IC产生点火定时信号IGt 2 起动非初始点火提前角控制为提高起动性能 有些发动机起动时的点火时间并非是初始点火提前角 而是由ECU根据发动机的温度和起动转速对点火提前角进行适当的控制 低速起动点火提前角 正常起动转速点火提前角 起动转速 100 图2 75低温起动点火提前角调整特性 3 起动后点火提前角控制 当发动机起动后 点火开关提供的起动信号消失 ECU根据这变化随即转入起动后点火提前角控制 控制电路原理如图2 76所示 1 基本点火提前角控制基本点火提前角控制的目的是使发动机在各种负荷和转速下都有最佳的点火提前角 发动机怠速和正常工况下的基本点火提前角控制有所不同 发动机处于怠速工况运行时 ECU根据节气门位置传感器输入的怠速触点闭合信号 确认发动机处于怠速工况 然后根据转速传感器输入的转速信号 空调开关信号 从在只读存储