汽车电子与电气设备--辅助电子控制ppt课件

第五章汽油机辅助系统的电子控制 第一节排气净化与排放控制 汽车污染来源 1 曲轴箱窜气 HC CO 2 汽油蒸汽 HC 3 发动机燃烧废气 CO HC NOx 减少污染措施 三元催化转换 废气再循环 EGR 活性碳罐蒸发控制系统等 一 三元催化转换器1 原理 三元催化转化器装在排气管中 通过三元催化剂与HC CO和NO 发生反应 把废气中的有害气体转化为无害气体 从而实现排气净化 2 结构 三元催化转化器的结构如图所示 其中三元催化剂是铂和铑的混合物 铂能促使排气中的有害成分CO HC氧化成C02和H20 铑能加速有害气体NO还原成N2和02 从而起到净化排气的作用 3 转换效率 三元催化转化器的转换效率与空燃比有关系 其关系曲线如图所示 从图可见 只有发动机在理论空燃比14 7附近运行时 三元催化器的转换效率才最佳 为此 必须精确控制发动饥的空燃比 使之保持在理论空燃比14 7附近的范围内 4 实现办法 闭环控制方式 在发动机电子控制系统中普遍采用由氧传感器组成的空燃比反馈控制方式 如图所示 氧传感器在三元催化转化器前面的排气总管内 其功能是检测排气中的氧气含量 以确定实际空燃比较理论空燃比大还足小 并向ECU反馈相应的电压信号 从而控制喷油量减少或增加 当实际的空燃比比理论空燃比小 混合气浓 时 氧传感器向ECU输入的是高电压信号 此时ECU将减小喷油量 使空燃比增大 当空燃比增大到理论空燃比14 7时 氧传感器输出电压信号将突变下降至0 1v左右 此信号输入ECU后 ECU立即控制增加喷油量 空燃比又开始减小 只要空燃比刚减到理论空燃比以下时 氧传感器输出电压信号又突变 上升到0 75V以上 反馈给ECU后 ECU又将控制减小喷油量 如此反复 将空燃比精确控制在理论空燃比14 7附近一个极小的范围内 而此时三元催化器也保证工作在最佳状态 开关控制型电磁阀 由ECU根据发动机的工作状况进行接通和断开的控制 在满足以下 五种条件之一时 接通电磁阀开关 其它工况下 电磁阀均关断 发动机起动工作时或刚刚起动后 怠速触点IDL闭合 且发动机转速下降到规定转速以下时 怠速触点IDL闭合 并且变速器档位从空档 N 换到其它行驶档位后的几秒钟内 灯开关接通 后窗去雾器开关接通 当发动机运行条件满足下列条件之一时 ECU控制电磁阀由接通变为关断 发动机起动后 怠速运转超过预定时间 触点IDL闭合 空调离合器分离 发动机转速超过预定值 触点IDL 闭合 空调离合器分离 变速器从空档 N 换到其它行驶档一定时间后 或发动机转速超过预定值 灯开关关断 后窗去雾开关关闭 二 废气再循环 EGR 控制1 作用 在发动机工作过程中 将一部分废气引入进气管 与新的混合气混合后进入气缸燃烧 废气在燃烧过程中吸收热量 降低了最高燃烧温度 由于氮氧化物 NOx 主要是在高温富氧条件下生成的 因而废气再循环广泛用于减少NOx的生成 但是废气再循环过度将会影响正常运行 特别是在怠速 低转速小负荷及发动机处于冷态运行时 再循环的废气将会明显降低发动机的性能 控制指标 EGR率实现方式 EGR阀 装在一个将排气歧管与进气歧管连通的特殊通道上 通过控制EGR阀的开度来控制废气再循环量 EGR阀的开启和关闭由上方真空气室的真空度控制 真空气室的真空度由ECU控制的EGR电磁阀控制 2 控制方式 机械式 EGR率较小约为5 15 即使采用能进行比较复杂控制的机械控制装置 控制的自由度也受到限制 电控式 结构简单 可进行较大的EGR率控制 一般为15 20 因此在现代汽车上 尤其是电控发动机通常都采用电控EGR系统 1 普通电控EGR系统 2 装有背压修正阀的电控EGR系统 在普通电控式EGR控制系统的基础上 在EGR电磁阀与EGR阀之间的真空管路中加装一个背压修正阀 其功能是根据排气管的背压 附加控制EGR阀 当发动机负荷小且排气背压低时 背压修正阀膜片在弹簧的作用下向下移动 将真空通道切断 使EGR阀处于关闭状态 不进行废气再循环 有在发动机负荷增大且排气管背压增大时 使修正阀膜片克服弹簧力向上运动将阀打开 这才允许根据各种传感器送来的信号 控制EGR电磁阀的开度 即控制进入EGR真空度 从而改变EGR量 3 闭环控制式EGR系统 用EGR阀开度作为反馈控制信号 在EGR阀上部还有一个EGR位置传感器 其功能是检测EGR阀的开度并利用电位计将其转变为相应的电压信号反馈给ECU 用EGR率作为反馈信号 日本三菱公司新近开发了一种直接用EGR率作为反馈信号的ECU闭环控制系统 其控制框图如图4 20所示 新鲜空气经节气门进入稳压箱 进气总管 参与再循环的废气经控制阀也进入稳压箱 其中设置有EGR率传感器 它对稳压箱中气体分析计算后向ECU输出控制信号 不断调整EGR率使其始终在最佳状态 从而有效地减少NOx的排放量 三 燃油蒸发控制系统作用 燃油蒸发控制系统是为了防止燃油箱内的汽油蒸气向大气排放产生污染而设置的 工作过程 油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性炭罐上部 空气从炭罐下部进入清洗活性炭 在炭罐的上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制阀 排放控制阀上部的真空度由炭罐控制电磁阀控制 而炭罐控制电磁阀受ECU控制 当发动机工作时ECU根据发动机的转速 温度和空气流量等信号 控制炭罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上方的真空度 从而控制排放控制阀的开度 而当排放阀打开时 燃油蒸汽通过排放控制阀吸入进气歧管 有的车型上 活性炭罐电磁阀控制系统为了有利于发动机抑制爆燃 当ECU判定发动机产生爆燃时 立即使炭罐电磁阀关闭 切断真空 关闭排放控制阀 直到爆燃消失150ms后 ECU又使炭罐控制电磁阀恢复工作 四 二次空气喷射系统作用 在冷起动时由ECU根据发动机温度 将新鲜空气 又叫二次空气 喷射到排气门的背后 使高温废气中的HC CO在这里与空气接触而进一步燃烧 以控制废气中HC和CO的成分 同时加快三元催化转换装置的升温过程 工作过程 发动机通过皮带驱动空气压缩机1 空气经压缩以后过管道由空气喷嘴4向排气门的方向喷出 整个装置除空气压缩机外 还必须有防止发动机减速时产生后燃现象的防后燃阀7 防止废气倒流到空气压缩机去的单向阀3等 这种装置具有排气净化性能稳定的特点 本图中空气泵由ECu控制 在发动机温度超过20 时 起动后ECU控制空气泵继电器闭合 空气泵工作 空气泵工作时间最长不超过4min 以下情况ECU不允许空气泵工作 燃油系统进入闭环状态 冷却液温度在20 60 之间且空气泵已工作4min 冷却液温度超过60 且空气泵工作已达30s 发动机转速超过1900r min ECU发现故障 第二节怠速控制 ISC 目的 所有怠速使用条件下 都能以适当怠速稳定运转控制内容 起动后控制 暖机过程控制 负荷变化的控制 减速时控制 控制原理 ECU 转速 怠速控制装置 怠速马达 怠速开关车速 启动信号 执行参数 反馈参数 修正参数 ECT A C P N PS HL BU 1 暖车修正 ECT 2 空调修正 A C 3 档位修正 P N 4 大灯修正 HL 5 动力转向修正 PS 6 蓄电池电压修正 BU 执行装置 节气门直动控制式旁通空气控制式 一 节气门直动控制式怠速控制装置控制原理 控制节气门的开启程度 从而控制怠速时的进气量 实现怠速转速的控制 控制方法 ECU控制直流电动机 直流电动机旋转通过减速齿轮减速增扭 后通过丝杠把旋转运动转变为传动轴的直线运动 调节节气门全闭限制位置 从而调节节气门处空气通道面积 特点 较强的工作能力和稳定性 但由于有减速机构 使执行速度下降 因而动态响应性差 二 旁通空气控制式怠速控制装置 怠速控制阀ISCV 控制原理 ECU控制空气旁通阀实现对怠速进气量的控制 以达到控制怠速的目的1 步进电机型怠速控制阀 1 结构 步进电机和怠速控制阀做成一体 装在进气总管内 电机可顺时针或逆时针旋转 使阀沿轴向移动 改变阀与阀座之间的间隙 以调节流过节气门旁通通道的空气量 典型的步进电机型怠速控制阀结构由永久磁铁构成的转子 激磁线圈构成的定子和把旋转运动变成直线运动的进给杆及阀门等组成 利用步进转换控制 使转子可以正转 也可以反转 从而使阀心上下运动达到调节旁通空气道截面大小的目的 步进电机的转子是用永久磁铁制成的8对磁极 定子由A B两个定子组成 每个定子由两个带有16个 8对 爪极的铁心按图4 4所示上下交错的1 3相绕组和2 4相绕组构成 相线脉冲由电脑控制 转子的转动是通过改变4组线圈的通电顺序来实现 当相线控制脉冲1 2 3 4相顺序依次迟后90 相位角 定子上N极向右方向移动 如图4 5所示 转子随之正转 反之 相线控制脉冲按1 2 3 4相顺序依次超前90 相位角 定子上N极向左方向移动 转子反转 图4 6表示线圈通电 定子被激磁 定子和转子磁极间同极性相斥 异极性相吸 在磁场力作用下 转子转动一步级的工作过程 转子转动一圈分32个步级进行 每个步级转动一个爪 即11 25 2 步进电机式怠速控制原理步进电机式怠速控制电路如图所示 与冷却液温度 空调工作状态相对应的目标转速都存储在ECU的存储器中 ECU根据节气门开启角度和车速信号判断发动机是否处于怠速工况 并按一定顺序使T1 T4这4个三极管依次导通 分别向怠速步进电机4个线圈供电 驱动步进电机旋转 调节旁通空气通道的开度 从而调节旁通空气量 使发动机转速达到所要求的目标值 怠速控制项目的工作过程如下 起动初始位置设定 由于步进电机不具有复位功能 因此当点火开关关闭 OFF 后 ECU控制M REL端使主继电器继续供电3s 见图4 7 然后ECU控制步进电机将怠速控制阀全部打开 以便为下次起动做好准备 起动后控制 发动机起动时 由于怠速控制阀预先在全开位置 在起动期间经过怠速控制阀的旁通阀空气量最大 发动机容易起动 发动机起动后 若怠速控制阀仍保持在全开状态 怠速转速会过高 为了避免出现这种情况 在起动过程中 当发动机转速达到由冷却液温度确定的对应转速时 ECU控制步进电机转动 使怠速控制阀逐渐关小到与冷却液温度对应的开度 暖机控制 暖机过程中 ECU控制步进电机转动 使怠速控制阀从起动后的开度逐渐关小 当冷却液温度达到70 时 暖机控制结束 怠速控制阀达到正常怠速开度 反馈控制 发动机起动后 当满足反馈控制条件 怠速触点闭合 车速低于2km h 空调开关断开 时 ECU将根据发动机实际转速与存储器中预先设定的目标转速进行比较 如果发动机的实际转速低于目标转速且超过一定值 如200r min 时 ECU控制怠速控制阀将阀门开大 反之 如果发动机的实际转速高于目标转速时 将阀门关小 预测转速控制 发动机在怠速运转时 如空挡起动开关 空调开关接通或断开 都将使发动机的负荷立刻发生变化 为了避免发动机怠速时转速波动或熄火 在发动机转速出现变化前 ECU控制怠速控制阀开大或关小一个固定位置 电器负荷增大控制 在怠速运转时 如使用的电器负荷增大到一定程度时 蓄电池电压就会降低 为了保证ECU的 B端和点火开关IG端具有正常的供电电压 需要控制步进电机相应地增加旁通道空气量 提高发动机怠速转速 提高发动机的输出功率 Z 学习控制 ECU通过步进电机的正 反转步数 确定怠速控制阀的位置 达到调整发动机怠速转速的目的 由于发动机在整个使用期间 其性能会发生变化 虽然这时怠速控制阀的位置未变 但实际的怠速转速也会偏离初始数值 此时ECU利用反馈控制的方法 使发动机转速达到目标值 与此同时 ECU将步进电机转过的步数存储在存储器中 在以后的怠速控制中使用 2 旋转电磁阀型怠速控制阀旋转电磁阀型怠速控制阀结构如图4 8所示 通过永久磁铁及周围的磁化线圈控制机构来控制阀门的旋转角度 从而改变怠速空气通道的截面积 双金属带一端连接带有凹槽的挡块 一端固定 冷却液流过阀体 当水温发生变化时 双金属带产生变形带动挡块一端转动 挡块的凹槽限制阀门轴上方头的旋转 控制阀门的最大和最小开度 起保护作用 占空比 是指ECU控制信号在一个周期内通电时间与通电周期之比ECU的控制脉冲信号的占空比大小 即控制线圈L1 L2中平均电流的大小 使电磁阀旋转一定的角度 当占空比为50 时 线圈L1 L2平均通电时间相等 产生的磁场作用力相互抵消 阀轴停止转动 占空比超过50 时 线圈L2磁场强度大于线圈L1的磁场强度 阀门转过一定角度 打开旁通口 阀门左右摆动 3 占空比控制型怠速控制阀 直动电磁阀式 占空比控制型怠速控制阀如图4 11所示 这种怠速控制阀工作时 ECU向电磁线圈通以占空比可调的脉冲信号 因此线圈中的平均电流取决于控制信号的占空比 而平均电流的大小又决定了电磁阀的开度和发动机怠速的高低 占空比越大 线圈中平均电流就越大 线圈吸力强 阀门升程高 开度大 旁通空气量大 怠速高 反之怠速低 4 开关控制型怠速控制阀开关控制型怠速控制阀的结构如图所示 这种阀的怠速信号只有开 关两种状态 怠速时 ECU发出指令打开阀门 升高到某预定值时 切断电源 阀门关闭 6 开环控制的工况 当对混合气空燃比采用反馈控制时 混合气的浓度基本上在理论空燃比附近 但并不是所有工况都能闭环控制 任何需要以非理论空燃比运行的发动机工况都只能采用开环控制 采用开环控制的工况有 发动饥怠速运转时 节气门全开 大负荷时 减速断油时 发动机起动时 发动机冷却液温度过低或氧传感器未达到工作温度 400 C 时 氧传感器失效或其配线发生故障时 发动机进入开环或闭环控制 由ECU根据有关输入信号确定 第三节进气控制1 谐波增压进气系统 ACIS 作用 谐波增压进气系统是利用进气流惯性产生的压力波提高进气效率 原理 当气体高速流向进气门时 如果进气门突然关闭 则进气门附近的气体停止流动 但是由于气体流动的惯性 进气管仍在进气 压缩进气门附近的空气 气体的压力上升 当气体的惯性消失后 被压缩的气体开始膨张 向进气气流反方向流动 压力下降 膨胀的气体传到进气管口时 又被反射回来 如此形成压力波 如果能使上述的进气压力脉动波与进气门开闭配合好 使反射的压力波集中在要打开的进气门旁 在进气门打开时就会形成增压进气的效果 利用 一般而言 进气管的长度长时 压力波波长大 可使发动机中低速区功率增大 进气管长度短时 压力波波长短 可使发动机高速区功率增大 如果进气管的长度可变 则能兼顾增大功率和增大转矩 但一般进气管长度是不能改变的 因此惯性增压通常都按最大转矩所对应的转速区域来加以利用 低速 控制阀关闭 进气管内的脉动压力波传递长度为从空气滤清器到近气门的距离 较长 高速 控制阀打开 由于大容量空气室参与 在控制阀处形成气帘 进气管内的脉动压力波传递长度为从空气室出口到近气门的距离 较短 低速 电磁真空阀断电 真空通道阀关闭 真空罐的真空度不能进入真空气室 真空马达不能打开增压控制阀 高速 电磁真空阀通电 真空通道阀打开 真空罐的真空度进入真空气室 吸动真空马达膜片 打开增压控制阀 2 废气涡轮增压系统作用 利用废气能量同涡轮增压器提高进气效率 作用时间 是根据发动机负荷的情况来控制 当发动机负荷小时 进气管中空气的压力低 充气量小 此时系统工作 增加进气量 实现办法