汽车电子控制技术第3章-发动机系统控制

1、汽车电子控制技术汽车电子控制技术第第 3 章章 发动机系统控制发动机系统控制 3.1 3.1 汽油发动机燃料供给系统汽油发动机燃料供给系统3.2 3.2 电子控制燃料喷射电子控制燃料喷射(EFI)系统系统( (简介简介) )3.3 3.3 发动机集中控制发动机集中控制( (简介简介) )3.4 3.4 EFI系统控制系统控制( (第四章讲述第四章讲述) )3.13.1汽油发动机燃料供给系统汽油发动机燃料供给系统3.1.13.1.1汽油发动机燃料供给与功率调节汽油发动机燃料供给与功率调节燃料供给系统功用燃料供给系统功用燃料供给系统包括汽油供给和空气供给两个子系燃料供给系统包括汽油供给和空气供给两

2、个子系统。统。1 1、 将空气与汽油充分混合后，形成可燃混合气将空气与汽油充分混合后，形成可燃混合气提供给发动机；提供给发动机；2 2、 并对可燃混合气的并对可燃混合气的供给量供给量及其及其浓度进行有效浓度进行有效的控制的控制，使发动机在各种工况下都能连续、稳定使发动机在各种工况下都能连续、稳定运转。运转。 理论上完全燃烧时相应的理论上完全燃烧时相应的A/F值值(约为约为14.7)称称为理论空燃比，亦称为化学当量比。为理论空燃比，亦称为化学当量比。 汽油发动机燃料配给系统是通过汽油供给和空汽油发动机燃料配给系统是通过汽油供给和空气供给两个子系统组成，向发动机提供气供给两个子系统组成，向发动机提

3、供特定浓度和特定浓度和数量的数量的可燃混合气可燃混合气。A/F =可燃混合气中的燃油质量可燃混合气中的燃油质量可燃混合气中的空气质量可燃混合气中的空气质量空燃比空燃比：进入发动机的可燃混合气中的空气与燃：进入发动机的可燃混合气中的空气与燃油的质量之比，其数值用油的质量之比，其数值用A/F值值表示。表示。2.2.空燃比空燃比（A/F值值）1.1.化油器式燃料供给系统化油器式燃料供给系统汽油供给系示意图汽油供给系示意图空气滤清器空气滤清器油管油管油箱油箱汽油滤清器汽油滤清器化油器化油器汽油泵汽油泵轿车汽油机供给系示意图轿车汽油机供给系示意图简单化油器的结构简单化油器的结构喉管：喉管：空气流通面积的

4、空气流通面积的改变，产生真空度，吸改变，产生真空度，吸出喷管中的燃油。出喷管中的燃油。节气门：节气门：控制混合控制混合气流量的开关。气流量的开关。浮子室：浮子室：汽油容器汽油容器，液面通大气压。，液面通大气压。空气滤清器：空气滤清器：滤滤去空气中的微小去空气中的微小固体物。固体物。浮子浮子：调节浮子室调节浮子室汽油液面高度。汽油液面高度。进气阀进气阀排气阀排气阀1.利用真空度吸出利用真空度吸出 燃油；燃油；2.利用高速气流吹利用高速气流吹 散吸出燃油形成散吸出燃油形成 雾化颗粒；雾化颗粒；3.利用气缸温度对利用气缸温度对 雾化颗粒加热蒸雾化颗粒加热蒸 发；发；4.利用燃烧室涡流利用燃烧室涡流

5、加快加快油气混和。油气混和。混合气形成混合气形成过程过程简单化油器的工作原理简单化油器的工作原理喷雾器的喷雾原理喷雾器的喷雾原理液体汽油液体汽油气态汽油气态汽油油气混和油气混和飞机飞行简单原理飞机飞行简单原理雾化蒸发雾化蒸发化油器式燃料供给路线图化油器式燃料供给路线图油箱油箱汽油滤清器汽油滤清器汽油泵汽油泵空气滤清器空气滤清器化油器化油器排气歧管排气歧管排气消声器排气消声器各气缸各气缸汽油通路汽油通路空气通路空气通路混合可燃气通路混合可燃气通路废气通路废气通路进气阀门进气阀门排气阀门排气阀门进气歧管进气歧管浮子室浮子室节气门节气门 发动机控制的关键因素发动机控制的关键因素 1 1、进气量的控制

6、、进气量的控制;2;2、喷油量的控制、喷油量的控制影响进气量的因素影响进气量的因素1 1、喉部形状和尺寸、喉部形状和尺寸;2;2、气缸内真空度、气缸内真空度 对于结构已定的化油器，影响喷管出油量的主要因素对于结构已定的化油器，影响喷管出油量的主要因素是喉部真空度。是喉部真空度。影响真空度因素：影响真空度因素：1 1、节气门开度、节气门开度;2;2、发动机转速、发动机转速 这些因素都一定时，出油量取决于量孔两端的压力这些因素都一定时，出油量取决于量孔两端的压力差。但汽油泵向浮子室输入的油量和浮子室输出的油量差。但汽油泵向浮子室输入的油量和浮子室输出的油量总是不平衡的，因此即使喉管真空度不变，量孔

7、两端的总是不平衡的，因此即使喉管真空度不变，量孔两端的压力差会因两端油压差的变化而变化，从而使汽油流量压力差会因两端油压差的变化而变化，从而使汽油流量发生变化，这样使得精确控制出油量成为不可能。发生变化，这样使得精确控制出油量成为不可能。发动机进气歧管发动机进气歧管 理论上完全燃烧时相应的理论上完全燃烧时相应的A/F值值(约为约为14.7)称称为理论空燃比，亦称为化学当量比。为理论空燃比，亦称为化学当量比。 汽油发动机燃料配给系统是通过汽油供给和空汽油发动机燃料配给系统是通过汽油供给和空气供给两个子系统组成，向发动机提供气供给两个子系统组成，向发动机提供特定浓度和特定浓度和数量的数量的可燃混合

8、气可燃混合气。A/F =可燃混合气中的燃油质量可燃混合气中的燃油质量可燃混合气中的空气质量可燃混合气中的空气质量空燃比空燃比：进入发动机的可燃混合气中的空气与燃：进入发动机的可燃混合气中的空气与燃油的质量之比，其数值用油的质量之比，其数值用A/F值值表示。表示。2.2.空燃比空燃比（A/F值值） a =完全燃烧完全燃烧1kg 燃料燃料所需的理论空气质量所需的理论空气质量燃烧燃烧1kg1kg燃料实际供给的空气量燃料实际供给的空气量 我国和前苏联等国用我国和前苏联等国用过量空气系数过量空气系数表示可燃表示可燃混合气的成分。过量空气系数记为混合气的成分。过量空气系数记为 a aA/F = 14.7

9、或或 a = 1 为为标准混合气标准混合气； A/F 14.7 或或 a 14.7 或或 a 1 为为稀混合气稀混合气。3.3.发动机功率调节方式发动机功率调节方式1）量调方式：）量调方式： 进入发动机的可燃混合气的浓度进入发动机的可燃混合气的浓度 (A/F值值) 和和质量均是变化的。质量均是变化的。化油器式燃料供给系统是按量化油器式燃料供给系统是按量调方式原理设计的调方式原理设计的。2）质调方式：）质调方式： 进入发动机气缸的空气数量基本不变，可燃进入发动机气缸的空气数量基本不变，可燃混合气是在气缸内完成的。进入发动机气缸的燃混合气是在气缸内完成的。进入发动机气缸的燃料取决于混合气的浓度要求

10、。料取决于混合气的浓度要求。柴油机燃料供给系柴油机燃料供给系统是按质调方式原理设计的统是按质调方式原理设计的。量调方式的缺点量调方式的缺点1、量调方式的化油器利用喉管真空度将汽油吸出、量调方式的化油器利用喉管真空度将汽油吸出、物化、蒸发，与空气混合后形成可燃混合气，并通物化、蒸发，与空气混合后形成可燃混合气，并通过若干辅助装置，对不同工况下的混合气浓度进行过若干辅助装置，对不同工况下的混合气浓度进行校正，可基本满足发动机的工作要求，但该方式无校正，可基本满足发动机的工作要求，但该方式无法使燃烧过程获得最佳法使燃烧过程获得最佳A/F值的混合气。值的混合气。2、低温、低速情况下，汽油雾化效果差，使

11、得不同、低温、低速情况下，汽油雾化效果差，使得不同气缸混合气气缸混合气A/F差别大，不能保证供油均匀，造成差别大，不能保证供油均匀，造成发动机各项性能较差。发动机各项性能较差。3、传统化油器无法根据各缸的进气量对燃油进行精、传统化油器无法根据各缸的进气量对燃油进行精确计量和控制，控制精度较差。确计量和控制，控制精度较差。混合气混合气种类种类A/F发动机发动机功功 率率耗油率耗油率发发 动动 机机 性性 能能过过 浓浓混合气混合气612.8减小减小激增激增燃烧室积炭、排气管燃烧室积炭、排气管冒黑烟。冒黑烟。功功 率率混合气混合气 12.5最大最大增大增大10-15%10-15%功率和转矩最大，动

12、功率和转矩最大，动力性最好。力性最好。标标 准准混合气混合气 14.7减小减小2%2%增大增大4%4%介于介于功率混合气和经功率混合气和经济混合气之间。济混合气之间。经经 济济混合气混合气 16减小减小8%8%最小最小发动机的油耗最小。发动机的油耗最小。过过 稀稀混合气混合气16.619.6显著显著减小减小显著显著增大增大回火、发动机过热、回火、发动机过热、加速性变差。加速性变差。1 1）空燃比对发动机动力性、经济性的影响）空燃比对发动机动力性、经济性的影响2 2）空燃比对发动机排放性的影响）空燃比对发动机排放性的影响 影响汽油发动机排放的主要因素是混合气的影响汽油发动机排放的主要因素是混合气

13、的空燃比。空燃比。1 A/F值减少值减少(浓度增加浓度增加)，此时发动机发出的功率，此时发动机发出的功率 大，但燃烧不完全，生成的大，但燃烧不完全，生成的 CO、HC增加增加。2 A/F值约为值约为16附近，燃烧效率最高，燃油消耗附近，燃烧效率最高，燃油消耗 量低，但生成的量低，但生成的NOx也最多也最多。3 A/F值增大值增大(浓度减少浓度减少)，减少供给稀混合气时，减少供给稀混合气时， 燃烧速度变慢，燃烧不稳定，使得燃烧速度变慢，燃烧不稳定，使得HC增多增多。1.1.空燃比对发动机性能的影响空燃比对发动机性能的影响3.1.2 3.1.2 汽油发动机工作过程对可燃混合气的要求汽油发动机工作过

14、程对可燃混合气的要求1 理论空燃比：理论空燃比：A/F 14.7，理论上完全燃烧。，理论上完全燃烧。4 火焰传播上限：火焰传播上限： A/F 5.9，混合气浓到燃烧过程混合气浓到燃烧过程 严重缺氧，火焰无法传播。严重缺氧，火焰无法传播。2 功率空燃比：功率空燃比： A/F 12.5，发动机产生的功率和，发动机产生的功率和 转矩最大，动力性最好。转矩最大，动力性最好。3 经济空燃比：经济空燃比： A/F 16，可降低发动机的油耗。，可降低发动机的油耗。5 火焰传播下限：火焰传播下限： A/F 20.6，混合气稀到燃料分混合气稀到燃料分 子之间的距离过大，火焰无法传播。子之间的距离过大，火焰无法传

15、播。2. 2. 发动机工况对混合气空燃比的要求发动机工况对混合气空燃比的要求1 1）发动机发动机稳定工况稳定工况中等中等负荷负荷：轿车为轿车为全负荷的全负荷的40-60% 货车货车为为全负荷的全负荷的40-60%大负荷和全负荷大负荷和全负荷：节气门开度超过节气门开度超过3/43/4稳定工况：稳定工况： 发动机已完成预热，转入正常运转，且在一发动机已完成预热，转入正常运转，且在一段时间内无转速和负荷的突然变化。有段时间内无转速和负荷的突然变化。有 怠速和小负荷、怠速和小负荷、中等中等负荷、大负荷和全负荷负荷、大负荷和全负荷怠怠 速速：对外无输出功率，汽油机怠速转速一般：对外无输出功率，汽油机怠速

16、转速一般 为为300- -800r/min。小负荷小负荷：对外输出功率极小。：对外输出功率极小。 稳定工况稳定工况工工 况况 特特 点点A/F怠怠 速速节气门近乎全闭，发动机转速低，汽节气门近乎全闭，发动机转速低，汽油雾化不良油雾化不良,缸内压力高于进气管压力，缸内压力高于进气管压力，气缸废气率较大。气缸废气率较大。约为约为9- -12小负荷小负荷节气门开度仍很小，发动机转速仍较节气门开度仍很小，发动机转速仍较低。低。约为约为10- -13中等中等负荷负荷节气门有足够的开度。节气门有足够的开度。约为约为16- -17大负荷大负荷全负荷全负荷节气门全开，发动机发出最大功率。节气门全开，发动机发出

17、最大功率。约为约为12.52 2）稳定工况对混合气空燃比的要求）稳定工况对混合气空燃比的要求冷启动冷启动：汽油机冷启动时，燃料和空气的温度均：汽油机冷启动时，燃料和空气的温度均 很低。很低。暖暖 机机：发动机逐渐升温为暖机过程：发动机逐渐升温为暖机过程。 加加 速速：所需功率增加，节气门开度加大，进气：所需功率增加，节气门开度加大，进气 管产生管产生 燃油燃油“附壁附壁”现象。现象。急急减速减速：节气门开度突然减小，进气管真空度增：节气门开度突然减小，进气管真空度增 加，进气管附壁的燃油蒸发，加，进气管附壁的燃油蒸发， 。过渡工况：过渡工况： 发动机发动机过渡工况有过渡工况有 冷启动、暖机、加

18、速、急减速冷启动、暖机、加速、急减速3 3）过渡工况对混合气空燃比的要求）过渡工况对混合气空燃比的要求过渡工况过渡工况工工 况况 特特 点点A/F冷启动冷启动燃料和空气的温度均很低，汽油雾燃料和空气的温度均很低，汽油雾化极不良。化极不良。约为约为6- -9暖暖 机机燃料和空气的温度较低，汽油雾化燃料和空气的温度较低，汽油雾化不良。不良。逐渐加大逐渐加大到到9- -12加加 速速产生产生 燃油燃油“附壁附壁”现象，现象，混合气浓混合气浓度瞬间稀释。度瞬间稀释。附加燃油附加燃油急减速急减速进气管附壁的燃油蒸发，当空气进进气管附壁的燃油蒸发，当空气进气量不足时，气量不足时，混合气变浓，严重时混合气变

19、浓，严重时会熄火会熄火。减缓减缓进气不足进气不足结论结论 发动机燃料供给系统的关键要求时：实时、连发动机燃料供给系统的关键要求时：实时、连续、精确控制混合气空燃比。化油器式燃料供给系续、精确控制混合气空燃比。化油器式燃料供给系统无法很好满足要求。统无法很好满足要求。3.2 3.2 电子控制燃料喷射电子控制燃料喷射(EFI)系统系统年份年份系统名称系统名称主要控制功能主要控制功能汽车公司汽车公司1967D -jetronic燃油喷射燃油喷射BOSCH1973L - jetronic燃油喷射燃油喷射1979Motronic燃油喷射、点火燃油喷射、点火1981LH - jetronic燃油喷射燃油喷

20、射1982KE - jetronic燃油喷射燃油喷射1977EEC 点火、废气再循环点火、废气再循环FORD1978EEC -燃油喷射、点火燃油喷射、点火1979EEC -燃油喷射、点火燃油喷射、点火1980EEC - 燃油喷射、点火燃油喷射、点火世界主要汽车公司发动机世界主要汽车公司发动机EFI系统系统年份年份系统名称系统名称主要控制功能主要控制功能汽车公司汽车公司1978C - 4燃油喷射、点火燃油喷射、点火GENERAL1979ECCS 燃油喷射、点火燃油喷射、点火NISSAN1980TCCS燃油喷射、点火燃油喷射、点火TOYOTA19811-TEC燃油喷射、点火燃油喷射、点火IZUZU

21、1982EMS燃油喷射、点火燃油喷射、点火LUCAS世界主要汽车公司发动机世界主要汽车公司发动机EFI系统系统1)基本原理基本原理 EFI利用各种传感器检测发动机和环境的各利用各种传感器检测发动机和环境的各种状态，经种状态，经ECU判断、计算，使发动机在不同工判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。况下均能获得合适空燃比的混合气。3.2.1 3.2.1 电子控制燃料喷射系统的基本原理电子控制燃料喷射系统的基本原理 电控燃料喷射系统电控燃料喷射系统 Electronic Fuel Injection System EFI2)需实现的控制需实现的控制 1. 喷油正时控制喷油正时

22、控制 2. 喷油量控制喷油量控制 3. 断油控制断油控制 4. 氧传感器反馈燃油修正控制氧传感器反馈燃油修正控制 3.2.2 3.2.2 电子控制燃料喷射特性电子控制燃料喷射特性 1）可直接测量发动机进气量，）可直接测量发动机进气量，精确控制精确控制A/F值值；2）无需喉管进行节流、形成高速气流，）无需喉管进行节流、形成高速气流，提高发动提高发动 机的充气和排气效率机的充气和排气效率；3）提高各个气缸混合气的均匀性提高各个气缸混合气的均匀性，提高发动机的，提高发动机的 燃烧质量和稳定性；燃烧质量和稳定性；4）提高燃料的雾化质量，提高发动机的）提高燃料的雾化质量，提高发动机的低温启动低温启动 性

23、能和抗爆性；性能和抗爆性；5）提高系统动态响应性，）提高系统动态响应性，提高发动机的加速性能提高发动机的加速性能；6）与化油器式发动机相比，）与化油器式发动机相比，功率提高功率提高 5 10， 油耗降低油耗降低 515，排放减少排放减少约约20。7）并且能为车辆的综合控制提供平台。）并且能为车辆的综合控制提供平台。EFIEFI系统的优点：系统的优点：3.3.13.3.1发动机集中控制系统发动机集中控制系统 1）发动机控制系统的主要子系统有：）发动机控制系统的主要子系统有： 燃料喷射系统、点火系统、排放系统燃料喷射系统、点火系统、排放系统。 2）运行控制参数有：）运行控制参数有： 负荷、转速、负

24、荷、转速、A/F值、点火时刻、点火电压等值、点火时刻、点火电压等。 3）发动机集中控制目的：发动机集中控制目的： 统一监测、协调控制、整体优化统一监测、协调控制、整体优化。3.3 3.3 发动机集中控制发动机集中控制环境信息环境信息发动机工况信息发动机工况信息控制参数信息控制参数信息车辆工况信息车辆工况信息车车辆辆传传感感器器ECU燃料供给系统燃料供给系统点火系统点火系统其它系统其它系统图图3-3 3-3 发动机集中控制系统示意图发动机集中控制系统示意图3.3.23.3.2发动机集中控制系统基本组成发动机集中控制系统基本组成信息传感器信息传感器中央处理器中央处理器1 1. .信息传感器模块信息

25、传感器模块 检测与发动机相关的各种信息，并输送给检测与发动机相关的各种信息，并输送给ECUECU。环境信息环境信息 大气温度、压力、湿度、海拔高度等大气温度、压力、湿度、海拔高度等。发发 动动 机机工况信息工况信息 工作温度、负荷、转速、功率等。工作温度、负荷、转速、功率等。控控 制制参数信息参数信息工作循环、进气压力、进气温度、排气压力、工作循环、进气压力、进气温度、排气压力、排气温度、点火电压、点火时刻、发电机工作排气温度、点火电压、点火时刻、发电机工作电压电流、机油压力等电压电流、机油压力等。车车 辆辆工况信息工况信息车辆速度、传动系统工况、制动与驱动系统工车辆速度、传动系统工况、制动与

26、驱动系统工况、辅助系统工况等。况、辅助系统工况等。2.2.中央处理模块中央处理模块 集成化集成化中央处理模块中央处理模块作为主控装置，采用作为主控装置，采用多输多输入、多输出的数学模型入、多输出的数学模型、将控制算法和试验运行数、将控制算法和试验运行数据形成预编程序存放在据形成预编程序存放在ECU中。对发动机实施中。对发动机实施整体整体决策决策。实现。实现分层控制分层控制、交叉控制交叉控制 集中控制系统只有在网络数据总线技术的支撑集中控制系统只有在网络数据总线技术的支撑下才能实现。网络数据总线在下才能实现。网络数据总线在1313章有介绍。章有介绍。3.3.网络数据总线网络数据总线1 1）分层控

27、制）分层控制 发动机整体控制目标发动机整体控制目标传感系统控制传感系统控制功能子系统控制功能子系统控制执行机构控制执行机构控制预期动力输出预期动力输出第一层第一层：发动机整体控制目标，发动机整体控制目标，包括动力性、经济性、工况。包括动力性、经济性、工况。 第二层第二层：监测、获取发动机控监测、获取发动机控制所需的信息。制所需的信息。 第三层第三层: :功能子系统控制，确定功能子系统控制，确定子系统的目标。子系统的目标。 第四层第四层：使发动机产生预期的使发动机产生预期的动力输出。动力输出。 传统的发动机传统的发动机控制技术是对其各子系统进行控制技术是对其各子系统进行单独控制，使其工作性能达到

28、理想状态。单独控制，使其工作性能达到理想状态。 现代现代ECU预存模式在统一信息集成的基础上，预存模式在统一信息集成的基础上，视情况采用并行方式对发动机视情况采用并行方式对发动机其各子系统实施交其各子系统实施交叉控制叉控制2)2)交叉控制交叉控制车辆环境车辆环境信信 息息中央处理中央处理ECU发动机环境发动机环境信信 息息点火控制点火控制燃料供给控制燃料供给控制排放控制排放控制协调发动机协调发动机信信 息息协调发动机协调发动机与车辆环境与车辆环境协调车辆协调车辆与大环境与大环境其它控制其它控制图图3-5 3-5 发动机集中系统控制发动机集中系统控制3.3.33.3.3发动机集中控制系统基本控制方式发动机集中控制系统基本控制方式控制方式：整体、开放、动态；控制方式：整体、开放、动态；控制原则：控制原则：自上而下、先整体再局部、先宏观再微观。自上而下、先整体再局部、先宏观再微观。发动机发动机系系 统统 功功 能能整体功能整体功能过程集成过程集成工作循环工作循环和和热功转换热功