2_第四章　汽油机辅助控制

10JW2,主编,第三章微机控制点火系统的结构原理第四章汽油机辅助控制第五章典型汽油机电控系统实例,第四章汽油机辅助控制,第一节怠速控制第二节排放控制第三节可变配气相位控制第四节进气与增压控制第五节稀薄燃烧控制技术,第一节怠速控制,一、旁通空气式二、节气门直动式,第一节怠速控制,图4-1怠速控制系统a)系统组成b)控制过程,第一节怠速控制,图4-2怠速控制方式a)节气门直动式b)旁通空气式1节气门2发动机3节气门操纵臂4执行元件5节气门拉索,一、旁通空气式,1.真空控制阀式怠速装置2.步进电动机式怠速控制装置3.旋转滑阀式怠速控制装置4.开关式怠速控制装置,1.真空控制阀式怠速装置,图4-3真空控制阀式怠速控制装置,1.真空控制阀式怠速装置,图4-4真空控制阀,2.步进电动机式怠速控制装置,(1)步进电动机式怠速控制阀主要由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和能把旋转运动变成直线运动的进给丝杠机构及阀门等组成，见图4-7。(2)怠速控制原理当发动机怠速运转时，ECU根据节气门的怠速信号、车速信号确认发动机的怠速状态，再根据发动机冷却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变速器等工作情况，依据ECU存储的数据，确定相应的目标转速。,2.步进电动机式怠速控制装置,图4-5脉冲的占空比,2.步进电动机式怠速控制装置,图4-6步进电动机式怠速控制装置,2.步进电动机式怠速控制装置,图4-7步进电动机式怠速控制阀1阀座2阀轴3定子线圈4轴承5进给丝杠机构6转子7阀芯,(1)步进电动机式怠速控制阀主要由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和能把旋转运动变成直线运动的进给丝杠机构及阀门等组成，见图4-7。,图4-8定子a)结构b)爪极布置,(1)步进电动机式怠速控制阀主要由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和能把旋转运动变成直线运动的进给丝杠机构及阀门等组成，见图4-7。,图4-9相线绕组控制电路,(1)步进电动机式怠速控制阀主要由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和能把旋转运动变成直线运动的进给丝杠机构及阀门等组成，见图4-7。,图4-10步进电动机控制原理a)相线控制脉冲b)控制原理,(1)步进电动机式怠速控制阀主要由永久磁铁构成的转子、励磁线圈构成的定子和能把旋转运动变成直线运动的进给丝杠机构及阀门等组成，见图4-7。,图4-11步进电动机控制电路,(2)怠速控制原理当发动机怠速运转时，ECU根据节气门的怠速信号、车速信号确认发动机的怠速状态，再根据发动机冷却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变速器等工作情况，依据ECU存储的数据，确定相应的目标转速。,起动初始位置的确定。为了改善发动机的再起动性能，在发动机点火开关关闭后，继续给ECU和步进电动机供电一段时间(一般为2s)，使怠速控制阀门处于全开(125步)状态，为下次起动作好准备。,(2)怠速控制原理当发动机怠速运转时，ECU根据节气门的怠速信号、车速信号确认发动机的怠速状态，再根据发动机冷却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变速器等工作情况，依据ECU存储的数据，确定相应的目标转速。,起动控制见图4-12。发动机起动时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，在起动期间经过怠速控制阀的旁通空气量最大，发动机容易起动。在发动机起动期间或起动后，发动机转速达到规定值(此值由冷却液温度确定)时，ECU开始控制步进电动机，将阀门关小到由冷却液温度确定的阀门位置，避免怠速升得过高。如起动时冷却液温度为20，当发动机转速达到500rmin时，ECU将控制怠速控制阀从全开位置(125步)的A点到达B点位置。暖机控制见图4-13。控制系统根据冷却液温度确定步进电动机的运动步数，随着温度上升，怠速控制阀开始逐渐关闭。当冷却液温度达到70时，暖机控制过程结束。,(2)怠速控制原理当发动机怠速运转时，ECU根据节气门的怠速信号、车速信号确认发动机的怠速状态，再根据发动机冷却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变速器等工作情况，依据ECU存储的数据，确定相应的目标转速。,电器负载增多时的怠速控制。发动机怠速运转时，若使用的电器负载增大到一定程度，蓄电池电压降低。为了保证ECUB+端和点火开关IG端具有正常的供电电压，需要控制步进电动机相应地增加旁通道空气量，以提高发动机怠速，提高发动机的输出功率。发动机负荷变化的预控制。发动机怠速运转时，若空档起动开关、空调开关接通或断开，发动机负荷立刻发生变化。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控制怠速控制阀预先开大或关小一个固定值。,(2)怠速控制原理当发动机怠速运转时，ECU根据节气门的怠速信号、车速信号确认发动机的怠速状态，再根据发动机冷却液温度传感器、空调、动力转向机构及自动变速器等工作情况，依据ECU存储的数据，确定相应的目标转速。,反馈控制。怠速运转时，若发动机的实际转速与目标转速相差超过一定值(如)，ECU将通过步进电动机控制怠速控制阀，增减旁通空气量，使二者相同。学习控制。ECU通过步进电动机的正、反转步数确定怠速控制阀的位置,调整发动机怠速，但发动机在使用期间性能会发生改变，虽然步进电动机控制阀门的位置未变，但怠速会与初设值略有不同，此时ECU利用反馈控制使发动机转速回归到目标值。ECU还可将步进电动机转过的步数存储在存储器中，以便在怠速控制过程中出现相同情况时直接调用，以此提高控制精度。,起动初始位置的确定。为了改善发动机的再起动性能，在发动机点火开关关闭后，继续给ECU和步进电动机供电一段时间(一般为2s)，使怠速控制阀门处于全开(125步)状态，为下次起动作好准备。,起动控制见图4-12。发动机起动时，由于怠速控制阀预先设定在全开位置，在起动期间经过怠速控制阀的旁通空气量最大，发动机容易起动。在发动机起动期间或起动后，发动机转速达到规定值(此值由冷却液温度确定)时，ECU开始控制步进电动机，将阀门关小到由冷却液温度确定的阀门位置，避免怠速升得过高。如起动时冷却液温度为20，当发动机转速达到500rmin时，ECU将控制怠速控制阀从全开位置(125步)的A点到达B点位置。,暖机控制见图4-13。控制系统根据冷却液温度确定步进电动机的运动步数，随着温度上升，怠速控制阀开始逐渐关闭。当冷却液温度达到70时，暖机控制过程结束。,图4-12起动控制特性,暖机控制见图4-13。控制系统根据冷却液温度确定步进电动机的运动步数，随着温度上升，怠速控制阀开始逐渐关闭。当冷却液温度达到70时，暖机控制过程结束。,图4-13暖机控制特性,电器负载增多时的怠速控制。发动机怠速运转时，若使用的电器负载增大到一定程度，蓄电池电压降低。为了保证ECUB+端和点火开关IG端具有正常的供电电压，需要控制步进电动机相应地增加旁通道空气量，以提高发动机怠速，提高发动机的输出功率。,发动机负荷变化的预控制。发动机怠速运转时，若空档起动开关、空调开关接通或断开，发动机负荷立刻发生变化。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控制怠速控制阀预先开大或关小一个固定值。,反馈控制。怠速运转时，若发动机的实际转速与目标转速相差超过一定值(如)，ECU将通过步进电动机控制怠速控制阀，增减旁通空气量，使二者相同。,学习控制。ECU通过步进电动机的正、反转步数确定怠速控制阀的位置,调整发动机怠速，但发动机在使用期间性能会发生改变，虽然步进电动机控制阀门的位置未变，但怠速会与初设值略有不同，此时ECU利用反馈控制使发动机转速回归到目标值。ECU还可将步进电动机转过的步数存储在存储器中，以便在怠速控制过程中出现相同情况时直接调用，以此提高控制精度。,3.旋转滑阀式怠速控制装置,1)旋转滑阀式怠速调整装置主要由永久磁铁、电枢、旋转滑阀、螺旋回转弹簧及电刷等组成，见图4-14。2)控制原理。,1)旋转滑阀式怠速调整装置主要由永久磁铁、电枢、旋转滑阀、螺旋回转弹簧及电刷等组成，见图4-14。,2)控制原理。,图4-16开关型怠速控制阀,2)控制原理。,图4-14旋转滑阀式怠速调整装置1连接器2外壳3永久磁铁4电枢5旁通空气道6旋转滑阀,2)控制原理。,图4-15旋转滑阀式怠速调整装置控制原理,4.开关式怠速控制装置,二、节气门直动式,图4-17节气门直动式怠速控制执行机构1节气门操纵臂2节气门体3怠速执行机构4喷油器5压力调节器6节气门7防转动六角孔8弹簧9直流电动机10、11、13减速齿轮12传动轴14丝杠,二、节气门直动式,图4-18普通废气再循环电子控制系统1EGR电磁阀2节气门位置传感器3EGR控制阀4冷却液温度传感器5曲轴位置传感器6ECU7起动信号,第二节排放控制,一、废气再循环二、汽油蒸发排放控制系统三、催化转化器四、二次空气喷射系统,一、废气再循环,1.普通废气再循环电子控制系统2.可变EGR率的废气再循环控制系统3.闭环控制式废气再循环,1.普通废气再循环电子控制系统,表4-1EGR控制过程,2.可变EGR率的废气再循环控制系统,图4-19可变EGR率的废气再循环控制系统1EGR控制阀2VCM真空控制阀3ECU4传感器输入信号5节气门位置传感器6EGR管路7定压室,3.闭环控制式废气再循环,1)用EGR阀开度作反馈信号，见图。2)用EGR率作反馈信号。,1)用EGR阀开度作反馈信号，见图。,图4-20用EGR阀开度作反馈信号的闭环控制式EGR,1)用EGR阀开度作反馈信号，见图。,图4-21用EGR率作反馈信号的闭环控制式EGR,1)用EGR阀开度作反馈信号，见图。,图4-22汽油蒸发排放控制系统,2)用EGR率作反馈信号。,二、汽油蒸发排放控制系统,三、催化转化器,1.功用2.类型3.三元催化转化器4.催化转化器的结构,1.功用,2.类型,(1)氧化型转化器其贵金属是铂和钯，能将CO和HC氧化成CO2和H2O。(2)三元催化转化器其贵金属是铂、铑和钯。(3)双床式转化器在双床式转化器中第一床含有还原型催化剂，可将NOx还原成N2，HC和N2合成氨(NH3)。,(1)氧化型转化器其贵金属是铂和钯，能将CO和HC氧化成CO2和H2O。,(2)三元催化转化器其贵金属是铂、铑和钯。,图4-23三元催化转化器的净化率与空燃比的关系,(3)双床式转化器在双床式转化器中第一床含有还原型催化剂，可将NOx还原成N2，HC和N2合成氨(NH3)。,3.三元催化转化器,4.催化转化器的结构,图4-24三元催化转化器1载体(含催化剂)2垫层3氧传感器4壳体,四、二次空气喷射系统,图4-25二次空气喷射系统,四、二次空气喷射系统,图4-26脉冲空气系统,第三节可变配气相位控制,一、可变气门正时二、可变气门升程,一、可变气门正时,连续可变气门正时和不连续可变气门正时。进气可变气门正时和进、排气双可变气门正时。1.智能可变气门正时系统的组成及功用2.智能可变气门正时系统的工作原理,连续可变气门正时和不连续可变气门正时。,进气可变气门正时和进、排气双可变气门正时。,1.智能可变气门正时系统的组成及功用,(1)叶片式VVT-i控制器由定时链条驱动的外壳、固定在凸轮轴上的叶片组成，见图4-27。(2)螺旋齿轮式VVT-i控制器由活塞、螺旋齿轮、直齿轮(内齿为螺旋齿轮)、回位弹簧、齿毂(外壳)组成，螺旋齿轮与凸轮轴固定连接，见图4-28。(3)链式VVT-i控制器在进、排气凸轮轴之间安装的一个链传动机构，见图4-29。,1.智能可变气门正时系统的组成及功用,图4-27叶片式VVT-i控制器,(1)叶片式VVT-i控制器由定时链条驱动的外壳、固定在凸轮轴上的叶片组成，见图4-27。,图4-28螺旋齿轮式VVT-i控制器,(2)螺旋齿轮式VVT-i控制器由活塞、螺旋齿轮、直齿轮(内齿为螺旋齿轮)、回位弹簧、齿毂(外壳)组成，螺旋齿轮与凸轮轴固定连接，见图4-28。,(3)链式VVT-i控制器在进、排气凸轮轴之间安装的一个链传动机构，见图4-29。,图4-29链式VVT-i控制器,(3)链式VVT-i控制器在进、排气凸轮轴之间安装的一个链传动机构，见图4-29。,图4-30凸轮轴正时机油控制阀,(3)链式VVT-i控制器在进、排气凸轮轴之间安装的一个链传动机构，见图4-29。,图4-31进气门智能可变气门正时系统工作原理,2.智能可变气门正时系统的工作原理,表4-2智能可变气门正时系统的工作过程,二、可变气门升程,1.概述2.VVTL-i的组成及工作原理,1.概述,图4-32智能可变气门升程系统(VVTL-i)a)控制关系b)凸轮结构,2.VVTL-i的组成及工作原理,图4-33机油压力控制阀,2.VVTL-i的组成及工作原理,图4-34VVTL-i控制原理,2.VVTL-i的组成及工作原理,表4-3VVTL-i工作过程,2.VVTL-i的组成及工作原理,表4-3VVTL-i工作过程,第四节进气与增压控制,一、谐波进气增压控制系统二、共振增压可变进气系统三、废气涡轮增压系统,一、谐波进气增压控制系统,图4-35ACIS控制原理,一、谐波进气增压控制系统,图4-36共振增压可变进气系统,二、共振增压可变进气系统,图4-37共振增压可变进气系统1、2集气管3可变进气控制信号,二、共振增压可变进气系统,图4-38增压压力闭环控制系统1爆燃传感器2放气阀控制电磁阀3ECU4进气管压力传感器5空气流量传感器6可变喷嘴环控制电磁阀7可变喷嘴环真空膜盒8放气阀真空膜盒,三、废气涡轮增压系统,第五节稀薄燃烧控制技术,一、概述二、稀薄燃烧方式及特点三、稀薄燃烧的控制方法,一、概述,图4-39油耗、N和随AF的变化特性,二、稀薄燃烧方式及特点,(1)PFI稀薄燃烧技术如图4-42所示，4气门发动机通过气流与喷射时刻的匹配，在缸内形成混合气浓度的梯度分布。(2)GDI稀薄燃烧技术GDI技术包括缸内气流特性(滚流和涡流)控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力(25MPa)控制和稀薄燃烧等。,二、稀薄燃烧方式及特点,图4-40GDI与PFI燃烧过程比较,(1)PFI稀薄燃烧技术如图4-42所示，4气门发动机通过气流与喷射时刻的匹配，在缸内形成混合气浓度的梯度分布。,图4-41GDI发动机不同工况下混合气特征,(1)PFI稀薄燃烧技术如图4-42所示，4气门发动机通过气流与喷射时刻的匹配，在缸内形成混合气浓度的梯度分布。,图4-42四气门稀燃系统1喷油器2进气控制阀3连接通道4直气道5火花塞6螺旋气道7进气系统8凸起壁面9进气门10排气门,(1)PFI稀薄燃烧技术如图4-42所示，4气门发动机通过气流与喷射时刻的匹配，在缸内形成混合气浓度的梯度分布。,图4-43轴向分层原理a)进气过程早期b)进气过程后期c)压缩过程1活塞2气缸3火花塞4导气屏进气门,(1)PFI稀薄燃烧技术如图4-42所示，4气门发动机通过气流与喷射时刻的匹配，在缸内形成混合气浓度的梯度分布。,图4-44横向浓度分层形成原理1喷油器2进气口隔板3滚流控制活塞4中心火花塞,(2)GDI稀薄燃烧技术GDI技术包括缸内气流特性(滚流和涡流)控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力(25MPa)控制和稀薄燃烧等。,GDI分层稀薄燃烧见图。缸内直喷汽油机的启喷压力为2MPa，采用螺旋气道在缸内产生一定强度的进气涡流，沿气流方向火花塞布置在喷油器下游的油束下方。喷油器顺气流喷射时在缸内气流的作用下喷雾偏向火花塞方向扩散，形成火花塞附近为浓混合气的分层分布。对应喷射时间控制点火时刻实现可靠着火，并向稀薄混合气扩散燃烧；已燃气体被气流带离火花塞区，新鲜气体被带入喷油区，依次循环工作。发动机压缩比可提高到12，从而提高热效率，改善燃油经济性。GDI滚流分层稀薄燃烧。缸内组织滚流的方式大体上有两种：,(2)GDI稀薄燃烧技术GDI技术包括缸内气流特性(滚流和涡流)控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力(25MPa)控制和稀薄燃烧等。,分层燃烧对燃油蒸气在气缸内的分布要求高，需喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状匹配，否则燃烧不稳定。低负荷时HC排放较多，高负荷时NOx排放较多，若燃烧组织不好，有可能形成炭烟。由于喷油器安装在燃烧室内，与高温燃气直接接触，所以易堵塞且无自洁作用，直接影响喷雾质量。因混合气浓度超出理论空燃比，三元催化转换器不能应用，而稀薄混合气的还原装置成本高，技术难度较大。气缸和燃料供给系统的磨损加剧。,(2)GDI稀薄燃烧技术GDI技术包括缸内气流特性(滚流和涡流)控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力(25MPa)控制和稀薄燃烧等。,图4-45GDI与PFI比较a)GDIb)PFI1进气阀2喷油器,(2)GDI稀薄燃烧技术GDI技术包括缸内气流特性(滚流和涡流)控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力(25MPa)控制和稀薄燃烧等。,图4-46发动机燃烧室内气流的组织方式,(2)GDI稀薄燃烧技术GDI技术包括缸内气流特性(滚流和涡流)控制、采用高压旋流式喷油器的喷雾及喷射时间控制、喷射压力(25MPa)控制和稀薄燃烧等。,图4-47燃烧室1、4、6喷油器2、5火花塞3空气流动方向7挡板阀,GDI分层稀薄燃烧见图。缸内直喷汽油机的启喷压力为2MPa，采用螺旋气道在缸内产生一定强度的进气涡流，沿气流方向火花塞布置在喷油器下游的油束下方。喷油器顺气流喷射时在缸内气流的作用下喷雾偏向火花塞方向扩散，形成火花塞附近为浓混合气的分层分布。对应喷射时间控制点火时刻实现可靠着火，并向稀薄混合气扩散燃烧；已燃气体被气流带离火花塞区，新鲜气体被带入喷油区，依次循环工作。发动机压缩比可提高到12，从而提高热效率，改善燃油经济性。,GDI滚流分层稀薄燃烧。缸内组织滚流的方式大体上有两种：,图4-48GDI分层燃烧系统a)晚喷射b)早喷射,GDI滚流分层稀薄燃烧。缸内组织滚流的方式大体上有两种：,图4-49GDI燃烧系统,分层燃烧对燃油蒸气在气缸内的分布要求高，需喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特性和燃烧室形状匹配，否则燃烧不稳定。,低负荷时HC排放较多，高负荷时NOx排放较多，若燃烧组织不好，有可能形成炭烟。,由于喷油器安装在燃烧室内，与高温燃气直接接触，所以易堵塞且无自洁作用，直接影响喷雾质量。,因混合气浓度超出理论空燃比，三元催化转换器不能应用，而稀薄混合气的还原装置成本高，技术难度较