汽车电子控制技术

1、1 1 汽车电子控制技术的发展历史 在世界上第一辆汽车中，所谓的“电气系统”仅仅是由卡尔，本茨设计的由点火线圈和蓄电池所组成的点火装置。在随后生产的汽车中又增设了前灯和发动机起动电机这类的电器设备。汽车电子技术的第一次出现是本世纪 30 年代早期安装在轿车内的真空电子管收音机。由于电子管收音机有不抗震、体积大、耗电多等弊病，成为在汽车上推广应用的主要障碍，但是在汽车中安装收音机的设想始终没有消失。 1948 年晶体管的发明及 1958 年第一块集成电路（ IC ）的出现才真正开创了汽车电子技术的新纪元。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，并作为标准部件安装在德国大众

2、汽车上。从 60 年代起，轿车中开始使用半导体元器件。在汽车中首先使用的半导体元件是硅二极管，作为功率晶体管来替代原有的像电压调节器之类的电磁接触器等元器件。功率晶体管元件的应用极大地改善了汽车的性能和可*性。 60 年代是汽车电子化的活跃时代。标志着汽车电子控制技术真正发展的是在 1967 年首次将集成电路元件应用到汽车中，其结果是电子技术与汽车发动机电气系统相结合，开发出如车用发电机集成电路调压器、集成电路点火器等汽车电子产品。在同一年代，美国的克莱斯勒公司在其生产的汽车中配置电子控制的点火装置，而德国的波许（ Bosch ）公司则开发出电子控制的燃油喷射装置（见图 1 1 ）。 1975

3、 年日本汽车也装上了这种装置，可以说是当今汽车电子燃油喷射控制的雏型。1 喷油器； 2 冷启动喷油器； 3 一进气温度传感器； 4 调节器； 5 一蓄电池； 6 分电器； 7 油箱； 8 汽油泵； 9 一节气门控制器； 10 一怠速控制执行器； 11 进气压力传感器； 12 燃油滤清器； 13 冷启动时间开关； 14 水温传感器 图 1 1 Bosch 公司开发的 L 型电子燃油喷射控制系统结构大约在同一时期，电子技术有了长足的进展，导致一系列利用模拟电路的汽车电子产品的研制与开发。如发动机喷油系统控制，车辆行驶控制，防锁死刹车系统（ ABS ）和变速控制系统均已成功地应用于实际。由于当时集成

4、电路元器件的价格昂贵，对汽车用户而言，采用电子控制技术所能得到的收益并不很大，从而使得所开发的这些控制系统不能广泛地在汽车中得到应用。到了 70 年代，在美国通过了三个重要的法律条文促使电子产品在汽车中得到广泛的应用。这些法律条文中的第一个文件就是轿车司乘人员的人身安全保护条文。根据这一法律条文，相应设计出一种汽车控制系统，即在发动机起动前必须系紧安全带，否则发动机就不能起动。这一控制系统在发动机的点火开关处于切断状态时，也要求控制电路始终处于通电检测状态。为了节省使用汽车蓄电池中的电能，如何减少控制电路中的耗电量是研制该控制系统的关键所在。解决这一关键问题的理想手段就是采用具有低功耗的 C-

5、MOS （互补型金属氧化物半导体）逻辑集成电路。1971 年，微型计算机（即微电脑）首先用于发动机点火系统的正时控制中（美国通用汽车公司的 MISAR 车）。微电脑在汽车电子控制技术中的出现使得对汽车的高精度控制得以实现，而对汽车的高精度控制反过来又促进汽车发动机工作性能的提高。促使微电脑在汽车控制系统中广为应用的另一个主要因素是一系列汽车尾气排放法规的制定及能源危机后油料价格的上涨。汽车尾气排放法规是 70 年代末和 80 年代初各工业发达国家相继制定的。汽车尾气排放的净化涉及到燃油经济性和发动机工作性能。所需要解决的问题是如何既要满足新的对汽车尾气排放的要求，又要满足用户对汽车油耗和发动机

6、工作性能的要求。要在这两方面同时取得成功，不仅要对汽车发动机本身的结构设计进行改进，而且还需对进入发动机气缸内的油气混合比进行精确的控制。此外还需对发动机点火时间进行最优控制，发动机处于怠速运转时进行怠速运转控制，以及其它相应的精密控制。在发动机控制系统中引入微电脑系统后，已证明对解决看起来似乎矛盾的汽车尾气净化与降低发动机油耗的要求特别有效。目前在汽车电子控制系统中，采用微电脑进行控制的系统的应用已与日俱增。80 年代是高科技迅速发展的年代，随之而来的是消费者对汽车多种多样的需求，这就要求汽车生产厂家生产出一种能提高汽车总体价值并能满足用户各种要求的高档汽车。目前世界上各大汽车制造厂商竞相研

7、制新一代由微电脑控制的各种车用电子产品，并迅速地将己开发出的电子产品运用于汽车中，使汽车的档次得以提高，以满足各用户对汽车的要求。由于 80 年代以后，汽车电子产品的研制与开发的竞争十分激烈。采用电子技术有利于汽车性能的提高和各种功能的完备，并避免汽车重量的增加。所以新的汽车电子产品不断推出，其中有代表性的体现在以下几个方面。（ 1 ）辅助驾驶装置包括车速自动控制，变速器自动控制，动力转向控制等。（ 2 ）信号装置包括数字显示仪表，故障诊断系统，各种报警装置及各种监视器等。（ 3 ）安全装置包括防滑装置，汽车高速感应门锁，防撞空气袋，防锁死制动系统（ ABS ）等。（ 4 ）舒适、方便装置，包

8、括自动空调系统，自动车窗和座椅调节系统，立体声音响，导航系统，汽车电话等。1 2 汽车电子控制技术的现状 随着像微电脑这类电于产品的不断更新，极大地促进了汽车电子控制技术的发展。这些电子产品的可*性不断提高，制造成本不断降低，用于汽车的电子产品尺寸不断减小。到了 90 年代初，人们终于感受到现代电子技术广泛地应用于汽车发动机控制及其它部分的控制所带来显著的经济效益和社会效益。当前的汽车电子控制技术可分为四大类（见图 1 2 ），即动力牵引系统控制，车辆行驶姿态控制，车身（车辆内部）控制和信息传送。图 1 2 汽车电子控制技术分类1 2 1 动力牵引系统控制所谓动力牵引系统是用来产生驱动汽车的原

9、动力，并把这一动力转换成可直接驱动车轮的扭矩。动力牵引系统控制包括发动机控制和传输系统控制。发动机控制系统一般分为燃油喷射控制、点火时间控制、怠速运转控制、发动机爆燃控制和其它相应的控制。对于汽油机的电子控制系统具有诸如燃油喷射控制、点火时间控制、怠速运转控制和故障诊断等功能。通过这些功能的执行可使汽油机处于最佳的工作状态。汽油机控制的典型系统如图 1 3 所示，图中所示的汽油机控制系统是采用多点喷射（ MPI ）的燃油喷射控制方法。即在汽油机的各气缸进气支管中安装燃油喷射器，通过对各燃油喷射器的控制来控制喷入各气缸的油量。当前在工业发达国家几乎所有新出厂的轿车都无一例外地采用了电子燃油喷射（

10、 EFI ）技术。对于柴油机而言，为了减少其排烟，降低噪声和振动，柴油机的电子控制主要集中在燃油喷射量、燃油喷射时间、进气节流和电热塞的电流控制方面。图 1 4 显示了柴油机的控制系统，图中的喷油泵控制系统已由原来的机械控制变为电子控制，但柴油机喷油泵的基本控制机构仍是机械式的，这与采用电子燃油喷射的汽油机有明显的差别。在 90 年代初，许多国家，特别是美国，制定了控制柴油机过量微粒的排放法规。由于在不远的将来会对车用柴油机提出更为严格的全排放控制要求，这就完全有可能促进柴油机全电子控制的研究及相应的产品开发。包括电子变速控制在内的电子动力传输控制，基本上是直接控制汽车车轮的传动。它通过对油门

11、位置和车速的检测，由微电脑控制变速器使其达到最佳的汽车行驶扭矩，并锁闭该运行点和液力离合器的液压。在齿轮变速和离合器锁闭期间，将所要求的信号送至发动机电子控制单元（ ECU ），有些系统通过控制发动机的转速来减轻对变速器换档时的冲击。图 1 5 显示了汽车传动系统的控制，与机械传动系统比较，由于采用电子控制系统可使动力传送的精度提高，变速器的设计更加随意，控制机构更加简单，并能改善汽车的燃油经济性和驾驶性。所以电子传动控制系统的性能非常令人满意。目前一种将发动机电子控制单元和传动系统电子控制单元合二为一的控制系统即动力牵引控制系统已在日本、美国和欧洲生产的汽车中使用。1 锁止离合电磁阀； 2

12、锁止离合器； 3 变扭器； 4 超速档机构； 5 变速器输入转速传感器； 6 变速齿轮及片式离合器组件； 7 输出轴； 8 车速传感器； 9 换档电磁阀； 10 液压回路； 11 蓄压器泄压阀图 1 5 汽车传动系统控制1 2 2 车辆行驶姿态控制车辆行驶姿态控制系统可以看作这样一种电子控制系统，即采用电子技术来控制车辆运行中的三种基本的运行特征：行驶、转弯和停车。采用电子技术给车辆行驶姿态控制系统带来了相当大的改进，尤其是在汽车驾驶灵敏性、行驶稳定性及司乘人员的舒适性等方面更为突出。车辆行驶姿态控制系统可分为：悬挂系统控制、驾驶系统控制、防锁死刹车系统控制（ ABS ）、行驶控制、轮胎地面附

13、着力（防滑）控制和四轮转向系统控制。悬挂系统控制是用来改变车身的高低和缓冲弹簧的弹力，并根据车辆的载荷及路面条件改变吸收冲击力的缓冲弹簧阻尼力的大小。控制车身高度的目的是在于车辆的载荷无论怎样变化，通过该控制系统均能使车身和地面之间始终保持设定的距离，或者汽车在高速行驶过程中，通过降低车身高度来减少空气的气动阻力并增强汽车在高速行驶时的稳定性。像雪铁龙一类的轿车采用人工控制车身高度已有一段历史了。在悬挂系统的电子控制系统中，电子控制单元（ ECU ）接收来自车身高度传感器、车速传感器等各种传感器发送来的信号。经处理后， ECU 发出反馈信号给改变车身高度的执行器，使车身高度达到一最佳值。悬挂系

14、统的弹簧力控制和吸收冲击阻尼力的控制是用来提高车辆行驶时的操纵性能，使得车辆在急转弯、突然加速和紧急刹车时，尽可能少地改变车辆的行驶姿态。对于汽车的悬挂系统而言，一方面要求有较为柔性的悬挂系统以达到较为舒适的乘坐环境。而另一方面却与之截然相反，为了提高汽车的可操纵性能，就要求有较为刚性的悬挂系统。图 1 6 显示了悬挂系统中的吸收冲击阻尼力控制系统。1 转向传感器； 2 停车灯开关； 3 车速指示； 4 悬挂系统执行器（后）； 5 悬挂系统电子控制单元； 6 模式选择开关； 7 空档启动开关； 8 节气门位置传感器； 9 悬挂系统执行器（前）图 1 6 减震器阻尼力控制系统驾驶系统控制包括用于

15、操纵动力转向系统转向力的电子控制。所谓转向力的控制是指当车辆停止或低速行驶时减小转动方向盘的力，而当车辆高速行驶时增加转动方向盘的力，以使车辆驾驶保持平稳。该系统还允许司机去选择对他们最适宜的方向盘操纵特性。在 80 年代，日本的许多汽车制造厂家已开始在所生产的轿车中引进了电子转向控制系统。防锁死刹车控制系统（ ABS ）是用来防止汽车在刹车时车轮不被锁死。采用此控制系统可提高汽车驾驶的稳定性。判断汽车在刹车时车轮是否被锁死，是通过对车速和轮速的比较来作出的。但实际上在对实际车速的检测中，由于车轮与地面之间的滑动及其它因素所产生的问题，一般对车速的测定仍是通过对车轮转速的检测来大约估算的。在汽

16、车电子控制技术发展进程中，防锁死刹车控制系统的应用较其它电子控制技术在汽车中的应用相对较早些。自从美国福特汽车制造公司于 1968 年在汽车中首先采用该控制系统起到目前，已在日本、美国及欧洲等国汽车制造业中得到普及。最初设计的 ABS 系统作用于汽车的后轮，以保证汽车在刹车过程中能平稳行驶。目前采用微电脑的四轮防锁死刹车控制系统应用得更多些，这样不仅能防止汽车在刹车过程中后轮被锁死，而且还能防止用于转向的前轮也不被锁死，从而使汽车行驶方向的稳定性得以增强，并且还能提高汽车的可操纵性。恒定车速控制（又称为自动巡航控制）是通过控制节气门位置来保持预先设定的车速，而司机不需脚踩加速踏板。该控制系统是

17、根据车速传感器、定速控制开关及定速取消开关的信号，通过进气管的负压压力或一台小电机来调节节气门挡板的。防滑控制是用来防止汽车在起步和加速时驱动轮打滑。判断车轮是否打滑是通过对车速和轮速的比较来完成。通过对驱动轮的制动及降低发动机的输出功率，使轮胎和路面的滑移率处于一个最佳的值。这样可使汽车在起步或加速时的驾驶性和稳定性处于最佳的状态。四轮转向（ 4WS ）控制是由安装在后悬挂器处，用于操纵后轮的后轮转向机构及前轮转向机构所组成，这样前后四个车轮均能进行转向操纵。采用该控制系统的目的是为了提高汽车在低速时的转向性能及在高速行驶时的转向能力。1 2 3 车身（车辆内部系统）控制设计车身控制（又称车

18、辆内部系统控制）的目的是为司乘人员提供更为舒适、更为便利及更为安全的环境，并能够提高整车的市场竞争力。车身控制系统包括如下的电子控制：车用空调控制，数字化仪表显示，挡风玻璃的雨刷控制，车灯控制，车后障碍检测，安全保护系统，多路通讯系统，门锁控制，电动车窗控制，电动坐椅控制，安全带控制及空气袋控制等。汽车空调控制系统用来控制车厢内的温度，使车内温度保持在一设定的舒适温度范围内。该系统控制车内空气温度、空气出口流量、风扇速度、吸人空气或排出空气及空调压缩机的运行等。多路通讯系统是采用一条通讯线路来传送多路信号，这样可大大减少线路、线路包覆物及整个通讯系统的重量。并能做到采用同类的传感器在各系统之间

19、进行数据传送，以便对汽车进行精确的控制。常用的通讯线为光导纤维及扭花双线电缆。常用的汽车门锁锁定系统是当车速超过预先设定的车速时，该机构动作，锁上车门。一种新颖的遥控门锁系统是用一台微型遥控器在车外锁上或打开汽车门锁。目前这种新颖的遥控门锁装置在市面上有售。设计空气袋的目的是用来当发生撞车时，在司乘人员的前面快速吹出一个空气袋来保护司乘人员。空气袋一般装在方向盘中或其它适当的地方，一旦发生撞车事故，用氮气或其它气体在极短的时间内将气袋吹开。由于以上这些控制系统给汽车制造业带来十分明显的效益，因此目前在高、中档轿车中已广泛采用。2 1 发动机电子控制原理 2 1 1 发动机采用电子控制的目的对于

20、汽车发动机而言，设计者所要追求的目标是，尽可能降低汽车尾气中有害物质的排放量，尽可能改善发动机运行的经济性，尽可能提高发动机的动力性。但采用机械控制的发动机，要同时满足以上三项目标是不可能的，只有采用电子控制技术才能同时达到这三项目标。汽车尾气中有害物质的排放量与进入发动机的空气燃料比（空燃比）的大小有直接关系（见图 2 1 ）。从图中可见，当混合气图 2 1 发动机有害物质排放与空燃比的关系曲线浓度较低时，有害物质的排放量大为减少。而采用低浓度混合气就必须采用特殊的混合方式和燃烧方式。否则燃烧将会不稳定，发动机动力性下降，排放及油耗反而上升，特别是采用稀薄混合气燃烧实现起来比较困难。而随着排

21、放法规的严格化，即便采用稀薄燃烧方式，也不能满足发动机所有工况下的排放要求。于是采用一种三元催化转换器来净化排气已成为净化汽车尾气的重要手段。但催化剂的转换效率与混合气的空燃比有很大的关系，图 2 2 是空燃比与催化转换效率的关系曲线，图 2 3 是空燃比与发动机比油耗之间的关系。从这两图中可见，空燃比只有在理论空燃比附近时，三元催化转换器才有较高的转换效率，而这时发动机运行的经济性并不是最好，二者相互矛盾。但采用电子控制技术后，发动机电子控制单元根据各传感器传送来的信息，分析发动机运行中的各种参数，并予以综合处理，以达到较为满意的效果。 发动机运行中另一个重要参数是点火提前角，它直接影响发动

22、机的动力性能和经济性。通常气缸内达到最大爆发压力点处于上止点后 10 ° 15 °时，发动机的动力性和经济性均处于最佳值范围。所以控制发动机的最佳点火时间，就可以降低发动机的比油耗，然而燃油喷射量和点火时间与发动机的运行参数有很大的关系，而且这种关系不是简单的函数关系。*离心与真空调节的机械式点火系统只能在发动机运行时的个别点能达到最佳状态，而在大部分工况下，均不能达到最佳值。进入发动机气缸内的空燃比在发动机运行的各个阶段，各种工况下要求均不相同。如果通过采用微电脑的电子控制系统，就能很容易地满足发动机在各种不同工况下均能达到最佳值的要求。2 1 2 发动机电子控制的实现1

23、 输人信号的采集电子控制单元要对发动机进行有效地控制就必须对其输入诸如：发动机进气流量，进气温度，转速，负荷率，冷却水温度等信息。而这些信息需要通过各种传感器来采集。如空气流量必须通过空气流量计或进气管绝对压力来测定。发动机电子控制单元根据来自发动机转速传感器和空气流量传感器的信息，确定每一工作循环喷入各气缸的基本油量，并确定一个基本的点火提前角。为了精确地控制点火提前角，电子控制单元还需采集有关曲柄位置及上止点信号，这样就需设置曲柄位置和上止点传感器。同样为了精确地控制喷油量，改善发动机的启动性能和动力性能，电子控制单元还需采集有关节气门位置、进气温度、冷却水温度等信息。电子控制单元根据节气

24、门位置传感器送来的信号，判断发动机的过渡工况，如汽车的加速和减速。根据进气温度和冷却水温度传感器送来的信号对基本喷油量进行补偿，以保证发动机运行的稳定性、动力响应性和经济性要求。同时为了避免发动机爆燃的产生及净化排气，还需设置爆燃传感器和氧传感器。发动机电子控制单元根据这两个传感器所采集的信号对发动机的点火和喷油量进行反馈控制，以达到最佳的运行工况。2 控制信号的输出电子燃油喷射控制与常规的机械化油器控制相比，具有供油精确、响应快、动力性好及各缸油量分配均匀等优点。对进入发动机气缸内油气比和点火时间的精密控制以及与催化排气净化装置的配合使用，使得排气中的有害物质含量下降到最低的程度，同时使发动

25、机处于最佳经济性的运行状态。电子燃油喷射控制的趋势是采用微电脑控制的多点喷射（ MPI ）方式，分别控制各缸的喷油量。电子点火具有点火能量高、控制精确等优点，因而得到普遍应用。其它诸如怠速控制、废气再循环控制、二次空气控制等只是在供油、点火基础上的辅助控制，用以进一步提高发动机的性能，特别是废气再循环和二次空气辅助燃烧仅在某些车型的发动机中采用。发动机电子控制系统的框图如图 2.4 所示。各传感器送来的信号通过输入电路转换成微电脑可以接受的数字信号，微电脑通过对各种输入信号的计算、判断后发出各种控制信号，但这种信号是比较微弱的数字信号，不足以直接驱动各种控制动作的执行器，必须通过输出电路把信号

26、放大后去控制燃油喷射过程和点火过程等。2 1 3 发动机控制方式1 开环控制发动机各种工况的控制参数，如基本喷油量及基本点火提前角等，均存于发动机电子控制单元中的只读存储器（ ROM ）中。在发动机运行过程中，微电脑检查发动机各传感器传送来的信号，通过这些信号判断发动机当前所处的运行工况，并从 ROM 中查取相应的控制参数，输出控制信号，而不去检测控制结果，对控制结果的好坏不能做出分析，这种控制称为开环控制。所以在 ROM 中固化的参数必须是经过大量实验分析和优化计算的结果，是发动机在各工况下运行的理论最佳值。2 闭环护空制所谓闭环控制实际上就是反馈控制。控制系统根据实际检测到的反馈信号来决定

27、增减控制量的大小，而这时不再根据其它输入信号进行控制。例如，在发动机运行过程中，由开环控制所确定的某一空燃比的油气混合物进入气缸燃烧后，通过氧传感器检测排气中的氧浓度来判断进入气缸的油气混合物的浓度。如果太浓时就需减少喷油量，反之太稀时增加喷油量。点火控制也是如此，采用爆燃传感器检查发动机是否发生爆燃来决定点火时间提前还是滞后。由于开环控制和闭环控制各有其一定的特点，发动机电子控制系统不能全部采用一种控制方式。实际上当代的发动机电子控制系统均同时采用开环和闭环这两种控制方式，开环控制作为基本控制手段，而闭环控制则作为精密控制手段，互助互补，以达到发动机高精度控制的目的。2 2 汽油机控制当前对

28、汽油机的控制是由一个集成控制系统来完成的。该集成控制系统不仅将燃油喷射控制，而且还将点火时间控制、爆燃控制、怠速控制和系统故障诊断通过一台微电脑有机地集成在一起。采用这种集成控制系统可使汽车发动机始终处于最佳的工作性能状态，因而有助于改善发动机的动力性能，净化排气，降低油耗等。汽油机集成控制系统如图 2.5 所示，控制系统的指挥中枢是电子控制单元（ ECU ）。图 2.6 则表示了该 ECU 的工作原理框图。1 油箱；2 燃油泵；3 燃油滤清器；4 调压器；5 电子控制单元；6 点火线圈；7 分电器；8 火花塞；9 喷油器；10 节气门；11 节气门伺服电机；12 空气流量计；13 空气温度传

29、感器；14 氧传感器；15 冷却水温度传感器；16 怠速控制阀（ ISCV ）；17 发动机转速传感器；18 蓄电池；19 点火启动开关；20 空气调节开关； 图 2.5 汽油机集成控制系统2 2 1 电子燃油喷射控制电子燃油喷射控制主要是用来改善汽油机动力性能，净化尾气排放，降低燃油消耗以及提高汽车的驱动性能等工作性能指标。如图 2.6 中所示的各传感器输出的是关于汽油机运行状态的信息，电子燃油喷射控制系统通过对所接收到的来自各传感器的输出信号进行计算，确定发动机所需的燃油量，并控制燃油的喷入，以保证发动机始终具有一个最佳的空燃比。喷入发动机中的燃油量是由喷油器喷油持续时间来确定。1 电子燃

30、油喷射控制系统的功能大部分电子燃油喷射控制是采用同步控制方式，即每一气缸中的喷油器随发动机转速进行同步控制。同步喷射可改善汽车的加速性能。发动机启动后的油气加浓补偿 该补偿是在一固定的期间内，通过增加喷入气缸的燃油量来稳定发动机的转速。所要求的补偿系数是由发动机启动后的冷却水温度所决定。发动机升温期间的油气加浓补偿 在发动机启动后，为了改善发动机的动力性能，当发动机冷却水温度较低时，通过增加喷人发动机气缸内的燃油量来使发动机的冷却水温度升高，其油气加浓补偿一直到发动机升温终止才结束。这一期间所需的补偿系数是由发动机冷却水温度决定。发动机升温期间汽车加速过程时油气加浓补偿 为在发动机升温期间改善

31、汽车的加速性能，需要向发动机气缸内喷入比正常加速时多的燃油，因此需对喷射持续时间进行补偿，其补偿系数仍由发动机的冷却水温度所决定。防止发动机过热的油气减浓补偿 当汽车处于满负荷行驶时，发动机自身及尾气催化转换器会处于过热状态，为了防止过热，必须给发动机提供比正常运转时较为稀薄的油气混合物。对油气混合物的补偿是根据发动机进气量、转速和节气门位置等因素所决定的发动机负荷条件来确定。海拔高度变化补偿 在海拔较高的地区，当发动机负荷增加时，进气管内的真空度增加，单位体积空气中的含氧量下降。为了使发动机内燃油能正常燃烧，必须对不同海拔高度下的油气混合浓度加以补偿。随着海拔高度的增加，应对油气混合物进行加

32、浓补偿。空燃比反馈补偿 采用催化转换器可使汽车废气中的 CO ， HC 和 NO x ，物质含量明显降低，具有较高的尾气净化率。但要使经过催化转换器后的汽车尾气的净化率保持在一个最高的水平，就必须对进入气缸的空燃比进行精确的控制，使其保持在最接近以化学计量比计算所得的一个狭窄的范围内。为了达到这一目的，需要控制汽车排气中的含氧量。通过对排气含氧量的检测实现喷射时间的反馈补偿控制，从而使排气中的氧浓度不至于升得太高或降得太低。这就要求进入发动机气缸的油气浓度维持在理论空燃比附近。完成这一控制需要氧量传感器（即氧传感器），氧传感器具有这样的一种特性，当进入气缸的油气浓度达到化学计量比附近时，传感器

33、的输出电压急速变化，由氧传感器的特性所构成的反馈回路用于油气混合比的反馈控制（见图 2 8 ）。电子控制单元接收来自氧传感器的电压信号，并判断油气混合物是否处于适当的空燃比状态。当氧传感器检测到油气混合物的浓度太高时， ECU 作出减少燃油喷射量的指示。当情况相反时，控制系统执行反馈补偿控制，增加喷射量。当氧传感器的输出电压降至参考电压以下时，补偿系数大幅度阶跃变化，以提高反馈补偿的响应能力。由于氧传感器在冷态时其输出信号不准确，因此应该注意到当氧传感器的温度尚未达到其工作温度时不能实现反馈控制。所以有些氧传感器与加热器做成一体。这样当发动机启动时，氧传感器就能立即投入使用。2 2 汽油机控制

34、 2 2 1 电子燃油喷射控制 1 电子燃油喷射控制系统的功能 常用的燃油喷射控制除了具有基本的同步喷射功能外还具有下述功能。 （ 4 ）供油切断i 发动机减速期间供油切断 当发动机尚处于高速运转而节气门已完全关闭时，即汽车处于滑行或刹车的状态下，这一控制功能可起到减少不必要的燃油喷入气缸的作用。在切断燃油喷射控制的同时，发动机尚能吸入少量的空气。当发动机转速跌至设定的转速以下时，则恢复燃油喷射。供油切断的特性曲线见图 2 9 。ii 发动机高转速时的供油切断 为了防止发动机超速而引起危险，当发动机转速超过定值后，燃油喷射暂时被切断。（ 5 ）发动机启动时的喷射特性由于发动机刚启动而不带任何负

35、荷时，进入发动机的空气量较小而不能被空气流量传感器所精确测定。因此这时的燃油喷射持续时间是用来自发动机冷却水温度传感器的信号来计算（见图 2 10 ）。当发动机的转速超过设定值后，燃油喷射量由通常的同步燃油喷射方法来确定。图 2 9 供油切断的特性曲线 图 2 10 发动机启动时的喷射特性（ 6 ）异步喷射异步喷射主要发生在发动机启动及加速时，喷射与曲轴的旋转和角度无关，是一种随机喷射。在发动机启动和加速过程中采用与正常（同步）喷射不同的异步喷射方式。当启动钥匙打到启动发动机的位置时，就立即开始喷油，以提高发动机的启动性能而喷油时间与发动机的转速不同步。为此，在异步喷射控制系统中需要安装一个特

36、殊的电磁阀（冷启动喷油器）。当汽车加速时，汽车的加速度是通过各有关的传感器送来的信号所决定，而这时的喷射控制是根据该加速度作出。这样可以提高汽车的加速性能。燃油喷射控制一般只用于多点喷射系统（ MPI ），所谓多点喷射系统是指在汽油机每一气缸的进气管处安装喷油器，而此系统中的进气风门相当于普通汽车的节气门，无单独的化油器。燃油喷射时间取决于下述不同的喷射方式，安装在气缸进气管处的喷射器与发动机转速同步的单缸独立喷射方式、每转同时喷射及每转分组喷射方式。图 2 11 显示了一台四缸发动机独立、同时（一转一次）和分组（ 2 组）喷射方式的典型的喷射时序。2 电子燃油喷射控制系统所用的传感器（ 1

37、）空气流量传感器（ MAS ）空气流量传感器是由安装在发动机进气管中的电加热元件（如采用铂热线的电热丝）所构成。进入发动机进气管内的气流将电热元件冷却，使电热丝的阻值发生变化，通过对流过电热丝中的电流测定就可测得进入发动机中的空气流量。空气流量传感器的加热元件与桥式电路构成一个测量系统，当电热丝的温度差别处于一固定范围内，传感器输出的模拟电压信号与流过传感器的电流密度成一定的比例关系。采用热线气体流量测量系统的空气流量仪结构如图 2 12 所示，图 2 13 显示其输出特性曲线。热线空气流量仪与后面将要介绍的其它类型的空气流量测试系统相比较，其显著的优点是热线空气流量仪测定的是进入发动机的空气

38、质量（或重量）流量，不需要对因进气温度及进气压力的变化对进气质量流量的影响进行补偿。（ 2 ）曲柄转角传感器（ CRNS ）电子燃油喷射控制系统中的曲柄转角传感器用来感知曲柄角的位置，进而确定活塞在气缸中往复运动的位置。此传感器一般设在曲轴输出皮带轮上或分电器转轴上。有些发动机除装有曲柄转角传感器还装有一个凸轮轴位置传感器。现以分电器转角传感器为例进行说明。在分电器内除了设有曲柄转角传感器外，还设有发动机转速传感器。由这两个传感器发出两种脉冲信号（见图 2 14 ）。其中： G 信号是提供给发动机燃油喷射电子控制单元的一个曲柄转角参照信号。用来确定相对于每缸上止点的喷油定时和点火定时。 N e

39、 信号是提供给发动机燃油喷射电子控制单元的一个实际曲柄转角信号，从中可以计算出发动机的实际转速。该信号用来确定基本喷射时间和基本点火提前角。分电器内的传感器由定时转子（ N e ），信号转子（ G ）和两组电磁式检测线圈所组成，其结构如图 2 15 所示。图 2 16 显示了该传感器中的 G 信号和 N e 信号的工作原理，而图 2 17 则给出了分电器内两传感器的信号关系。在图 2 15 和图 2 16 所示的曲柄转角传感器系统中， G 信号转子只有两个齿（齿间角 180 °），而 N e 信号转子却有 24 个齿（齿间角 15 °），这两转子均随发动机分电器的轴而转动。

40、它们的探头线圈输出交变波形。分电器每转一周（相当于四冲程发动机的曲轴转两周）， G 信号转子发出两个脉冲波，对于 6 缸发动机而言，分别可以检测出 1 缸和 6 缸的上止点位置（曲柄转角的基准位置），而 N e 信号转子发出 24 个脉冲波。通过对 N e 转子发出的脉冲信号的时间间隔的测定和计算，电子控制单元可得出发动机在单位时间内的转数。（ 3 ）冷却水温度传感器（ CTS ）发动机冷却水温度传感器用来检测发动机冷却水温度，通常该传感器安装在冷却水节温器附近。传感器内装有嵌入式热敏电阻，其电阻值随发动机冷却水的温度变化而较大幅度地变化。图 2 18 显示了该传感器的结构及其工作特性曲线。（

41、 4 ）节气门位置传感器（ TPS ）节气门位置传感器安装在节气门阀体内，并设有一个与节气门挡板一起动作的电位计。传感器输出的电压与挡板开度成正比，传感器的结构和内部电路如图 2 19 所示。（ 5 ）氧传感器（ O 2 S ）安装在发动机排气管内的氧传感器用来检测发动机排气中所含氧的浓度，并将测定的氧浓度信号送到电子控制单元中，以确定发动机进气中的空燃比是否高于或低于理论空燃比。图 2 20 是氧传感器的剖面结构图。氧传感器的测头元件是以氧化锆为主要材料，制成像试管的形状，在其内外壁面均覆盖有多孔的铂电极。传感器测头元件的外表面暴露在发动机排气管中，直接与烟气接触。传感器的原动力是氧化锆与电

42、极之间的电位势差，电位势差的高低由排气管内尾气中氧百分浓度的大小所决定。氧传感器的工作原理及特性曲线如图 2 21 所示。传感器的原动力是氧化锆与电极之间的电位势差，电位势差的高低由排气管内尾气中氧百分浓度的大小所决定。氧传感器的工作原理及特性曲线如图 2 21 所示。目前在市场上销售的另一种氧传感器是由钛陶瓷制成的，而不是用氧化锆。由钛陶瓷所制成的 N 型的半导体，其电阻值的大小取决于汽车尾气中氧的分压力。钛陶瓷的这种特性非常适用于制做氧传感器。图 2 22 显示了钛陶瓷传感器的结构和油气比与其电阻值之间的特性曲线。当空燃比一旦超过理论空燃比值时，从图 2 ， 22 中可见，钛陶瓷氧传感器的

43、输出特性曲线的变化相当大，呈阶跃变化。由钛陶瓷制成的一种富氧浓度传感器已投入实际使用，这种传感器在富氧浓度的范围内工作，其输出的特性曲线与油气混合比几乎成线性关系。由于在富氧浓度范围内燃料在汽油机内的燃烧是处于比理论空燃比更为稀薄的范围内进行，所以这种燃烧方式也称之为稀薄燃烧方式。3 电子燃油喷射控制系统的执行器喷油器电子燃油喷射控制系统中，使用的喷油器是电磁式的，喷油器通过绝缘垫圈安装在各缸的进气管上，并用输油管与其相连，喷油器的结构如图 2 23 所示。当来自电子控制单元的输出信号到达嵌在喷射器金属壳体内的电磁线圈时，挺杆被磁力吸起，固定在挺杆上的针阀开启，喷油开始。喷油器的形式根据它的结

44、构大致可分为两种，即针阀型和孔型。针阀型喷油器的喷口不易堵塞，而孔型喷油器喷孔所喷出的燃油雾化较好。在发动机运转时，燃油泵向喷油器提供大约为大气压力 2 倍的一个恒定的供油压力。当喷油器喷嘴内的针阀开启时，燃油随即喷出。由于设计的喷油器针阀抬起量是固定的，也就是说燃油的喷射与针阀开启的时间成正比，这样只要通过电子控制单元控制给电磁线圈通电的时间，就能完全控制燃油的喷射量。4 其它的空气流量测量传感器电子燃油喷射控制很大程度上取决于发动机进气量的测定，以进气量作为参照值来控制喷油量，来满足进入气缸时的最佳油气比。因此非常精确地测定进气量对电子燃油喷射控制系统是很必要的。除用已介绍的热线空气流量计

45、测量外，进气管压力测量法、卡门涡街测量法和风门型空气流量计也适用于发动机进气流量的测量。（ 1 ）进气管压力测量法进气管压力测量法是用一个压力传感器检测节气门后进气管内的负压压力，通过测得的负压和发动机的转速间接地计算出进入的空气流量。因此这种测量法又称为“速度密度测量法”。此法中所用的半导体压力传感器由硅片、集成电路和真空室组成，其结构及其输出特性曲线如图 2 24 所示。压力传感器的工作原理是利用半导体硅片的压电效应进行压力变送。封装在真空室内的硅片，由于一侧受进气压力的作用，另一侧是真空，所以在进气压力变化时硅片产生变形，使硅片的电阻值发生变化，导致桥式电路的输出电压发生变化。但传感器实

46、际输出值是经过空气温度补偿及放大后的值。由于压差的关系引起压电元件所组成的桥式电路中电阻阻值的变化而使电流偏流，通过对桥式平衡电路中电压变化的测定即可计算出发动机的进气量。（ 2 ）卡门涡街测量法卡门涡街传感器结构及其输出特性曲线如图 2 25 所示。安装在发动机进气道内的漩涡发生器产生一个不对称的漩涡，这种漩涡称之为卡门涡街流。漩涡产生的频率与进气流速成正比，根据这一机理只要通过对漩涡产生的频率进行检测就可测定进气流量，由卡门漩涡所产生的微小的气流压力波动，通过一连接孔传递到一个细小的金属镜面上，在交错漩涡压力的作用下，使金属薄片镜面产生振动。由于镜面的振动使传感器中发光二极管照射到该镜面，

47、并折射到光电管的光线发生变化。这样漩涡的频率在涡流压力作用下转换成镜面的振动频率，镜面振动频率通过光电耦合器转换成脉冲信号。进气量愈大，脉冲信号的频率愈高；进气量愈小，脉冲信号的频率愈低。这样采用光学的方法检测金属镜面的振动频率就可测出进气流量。（ 3 ）风门型空气流量计风门型空气流量计的结构如图 2 26 所示，其内部电路及其输出特性曲线如图 2 27 所示。经过空气滤清器的清洁空气在进入发动机气缸前通过此流量计。流量计内的测量平板因气流的压力而开启，测量板的开启角度是由气流压力和作用在该板上的恢复弹簧力的大小所决定。为了检测测量板的开启角度以计算进气流量，在测量板转轴上接有电位差计，可将进

48、气流量所决定的测量板开启角度信号转换成可由电子控制单元进行计算的电压信号。图 2 27 风门型空气流量计内部电路及其输出特性曲线 1 燃油泵开关； 2 电位计 2 2 2 发动机电子点火过程 点火提前角是发动机运行中的一个重要参数，它对发动机的性能影响很大。发动机气缸内混合气燃烧时，最高压力点在上止点后 10 ° 15 °时所发出的功率最大。最高压力点的位置主要是由着火延迟期所决定，而着火延迟是由点火提前角决定。发动机最佳点火提前角与其转速及进气管负压压力有关（见图 2.28 ）。随着发动机转速的提高，要求增大点火提前角。进气管中的负压程度越高，要求的点火提前角也就越大。发

49、动机进气管中的负压程度主要取决于节气门的开度和发动机的转速。虽然，经过调整后的点火提前角与最佳点火提前角有相同的趋势。但是，点火提前角的最佳值还和许多因素有关，如：燃烧室的几何形状，冷却水温度，进气温度和压力及燃料的性质等。为了减少排气中有害物质的含量也要求对发动机的点火时间进行精确的控制。在电子技术尚未应用于汽车工业时，汽油机点火时间是由一离心执行机构并通过发动机所产生的负压下运行的真空控制器来进行控制。这种机械式的点火方式无法运用于复杂的、精确的控制。在现代汽车发动机点火控制系统中，这种机构的控制方式受到了极大的限制。而电子技术的引入，使汽油机的点火时间得到最佳的控制，从而使发动机的动力性

50、能不断提高。由于在电子点火控制中取消了原来的机械控制系统，使发动机运行可*性也得以提高。电子点火控制动作是由事先储存在电子控制单元存储器内的，在各种发动机运行条件下应具有的最佳点火时间来作出。即电子控制单元根据从各相关传感器传送过来的信号进行判断，并确定当前发动机的运行条件，然后送出发动机最佳点火时间的信号对点火器发出点火火花的时刻进行控制。1 电子点火控制系统功能电子点火控制单元接收来自相关传感器的信号及发动机转速的信息，通过判断处理，确定当前发动机所处的状态。然后电子点火控制单元计算出当前发动机所处状态下的最佳点火时间，并将点火控制信号发送到发动机点火器的控制电路中。点火提前角由下式给出点

51、火提前角初始点火提前角十基本点火提前角十补偿点火提前角（ 1 ）初始点火提前角初始点火提前角是点火基准角。随发动机而异，作为点火的参考角度。（ 2 ）基本点火提前角基本点火提前角是发动机最主要的点火角度，它取决于发动机的工况。在电子点火控制系统中，电子控制单元根据发动机转速、节气门开度及进气量等信息从控制系统的存储器中查取相应的点火提前角。这一角度是在设计发动机的控制系统时，通过对发动机做大量实验，根据发动机性能要求进行优化处理而得到的。（ 3 ）补偿点火提前角补偿点火提前角是电子点火控制系统根据发动机的实际工作状态对点火提前角进行修正和补偿，使发动机的性能进步提高。i 发动机升温时的点火提前补偿当发动机冷却水温度较低时，发动机启动后即进行如图 2.29 所示的点火提前补偿，以提高汽