汽车电子控制技术课件：汽油机辅助控制系统

汽车电子控制技术汽油机辅助控制系统学习目标通过本项目的学习，了解怠速控制系统的控制功能、基本组成、控制方式；理解怠速控制系统的控制原理、控制过程；掌握主要怠速控制装置的结构组成、工作原理、控制内容和故障诊断与检测方法；掌握排气净化与排放控制系统的主要内容，系统的结构组成、工作原理、主要零部件及系统的故障诊断与检方法；了解进气控制系统的类型、结构组成、工作原野理、故障诊断与检测方法。了解可变配气机构的结构组成、熟悉其工作原理、控制原理；了解电动节气门系统的结构组成、熟悉其工作原理。为全面系统地掌握汽车发动机电子控制系统的类型、结构、工作原理、故障诊断与检修打下坚实的基础。课题一电控怠速控制系统一、怠速控制系统概述二、怠速控制装置课题二排气净化与排放控制系统一、三元催化转化器与空燃比反馈控制系统二、废气再循环控制系统三、二次空气供给系统四、燃油蒸气排放控制系统课题三进气控制系统一、谐波进气增压系统二、动力阀控制系统三、可变配气机构控制系统四、电控废气涡轮增压控制系统课题四

电动节气门控制系统一、电动节气门控制系统的功能二、电动节气门控制系统的组成及控制原理汽油机辅助控制系统课题一电控怠速控制系统一、怠速控制系统概述1．怠速控制系统的功能怠速控制(ISC)系统功能是在发动机怠速工况下，根据发动机冷却液温度、空调压缩机是否工作、自动变速器是否挂人挡位等实际情况，通过怠速控制阀对发动机进气量进行控制，使发动机以最佳怠速稳定运转。2．怠速控制方式一类是以控制怠速旁通空气通道截面的大小为基本特征，对怠速空气流量进行调节的旁通气道控制方式；另一类是以直接控制节气门的开度为基本特征，对怠速空气流量进行调节的节气门直动控制方式，如图4-1所示。（a)（b)图4-1怠速控制方式（a）节气门直动式；（b)旁通气道式3．怠速控制系统的组成旁通空气式怠速控制系统的组成如图4-2所示，由各种传感器、信号控制开关、电子控制器、怠速控制阀和节气门旁通空所气道等组成。冷却液温度信号用于修正怠速转速。在ECU内部，存储有不同水温对应的最佳怠速转速，如图4-3所示。图4-2怠速控制系统组成框图图4-3不同温度下的怠速转速4．怠速控制原理怠速控制的实质是控制怠速时的进气量。当发动机怠速负荷增大时，ECU控制怠速控制阀使进气量增大，从而使怠速转速提高，防止发动机运转不稳或熄火；当发动机怠速负荷减小时，ECU控制怠速控制阀使进气量减少，从而使怠速转速降低，以免怠速转速过高。

5．怠速控制过程怠速转速控制过程如图4-4所示。图4-4怠速转速控制过程1）ECU判断发动机是否处于怠速状态；2）当判断为怠速工况时，查询该工况下的目标转速；3）将目标转速与曲轴位置传感器检测的发动机实际转速进行比较；4）根据比较结果调节实际怠速转速。在旁通气道控制方式中，应用比较广泛的控制装置主要有步进电动机式怠速控制装置和旋转滑阀式怠速控制装置。1．步进电动机式怠速控制装置目前，大部分汽车采用步进电动机控制怠速转速，使发动机在不同怠速工况下都处于最佳怠速转速运转。如图4-5所示。图4-5步进电机式怠速控制装置1-定子线圈；2-轴承；3-进给丝杆；4-转子；5-旁通空气通道；6-阀门；7-阀座；8-阀轴二、怠速控制装置怠速控制机构进给丝杆的一端通过阀轴与阀门连在一起．进给丝杆的螺纹端旋人步进电动机转子内。步进电动机的转子既可以顺时针旋转，也可以逆时针旋转。转子旋转时，进给丝杆受到挡板的约束不能随转子一起旋转，只能沿轴向上下运动。进给丝杆上下运动时，带动阀门一起做轴向运动，使阀门与阀座之间的相对距离发生变化，也使旁通空气通道的通过截面积发生变化，起到调节流过旁通气道空气量的作用。如图4-6所示，步进电动机的转子由N极和S极在圆周上相间排列的永久磁铁组成，共有8对磁极。定子由A、B两个定子组成．其内绕有A、B两组线圈，线圈由导磁材料制成的爪极包围。每个定子各有8对爪极，每个爪极（N极与S极）之间保持一个爪宽度的间距，A、B两个定子的爪极相差一个爪的位差，两个定子组成一体安装在外壳内，如图4-7所示。图4-6定子爪极的位置图4-7定子结构1-转子；2-线圈A；3-线圈B；4-爪极；5-定子A；6-定子B（1）步进电动机的基本结构及工作原理相线绕组的控制电路如图4-8所示，A、B两个定子绕组分别由1、3相绕组和2、4相绕组组成，ECU通过晶体三极管控制各相绕组的搭铁，交替变换定子爪极的极性，使步进电动机转子产生步进式转动。图4-8相线绕组控制电路欲使步进电动机正转，相线控制脉冲按1234相序依次滞后90°相位角，使定子上的N极向右移动，则转子正转，如图4-9、图4-10所示。如欲使步进电动机反转，相线控制脉冲按1234相序依次超前90°相位角，使定子上的N极向左向移动，则转子反转。转子的转动是为了使定子线圈电磁铁和转子永久磁铁的N极和S极互相吸引到最近距离。当定子的爪极极性由于相线控制脉冲的变化而改变时，转子也随之转动，始终保持转子的N极与定子的S极对齐。图4-9相线控制脉冲图4-10步进原理1）起动初始位置的设定为了改善发动机的再起动性能，在发动机点火开关关闭(OFF)后，ECU控制步进电动机转动使怠速控制阀开至最大位置（即125步级），以便为下次起动做好准备。ECU内部主继电器控制电路对主继电器进行控制，如图4-11所示。图4-11步进电动机控制电路（3)步进电动机式怠速控制装置的控制内容2）起动控制当发动机转速达到500r/min时，微机将控制怠速控制阀从全开位置（125步）的A点到达B点位置，如图4-12所示。3）暖机控制当冷却水温达到70℃时，暖机控制结束，怠速控制阀达到正常怠速开度，如图4-13所示。4）反馈控制5）发动机负荷变化的预控制6）电器负载增多时的怠速控制7）学习控制图4-13暖机控制特性图4-12起动控制特性旋转滑阀式怠速控制系统主要由电磁控制的旋转滑阀式怠速调整装置、传感器及ECU组成。如图4-14所示，旋转滑阀式怠速控制装置由永久磁铁转子3、电枢4、旋转滑阀6、螺旋回位弹簧和电刷等组成，其接线图如图4-15所示，永久磁铁固定在外壳上。图4-14旋转滑阀式怠速控制装置1-电接头；2-外壳；3-永久磁铁定子；4-电枢；5-旁通气道；6-旋转滑阀图4-15旋转滑阀式怠速控制装置连接电路图2.旋转滑阀式怠速控制装置当占空比为50%时，线圈L1和L2的平均通电时间相等，电枢轴停止偏转。当占空比小于50%时，空气旁通气道截面变小，怠速降低；反之，当占空比大于50%时，空气旁通气道截面变大，怠速升高。如图4-16是三元催化转化器工作原理示意图。三元催化转化器是利用催化剂的作用，使排气中的有害成分CO、HC和NOX尽量进行化学反应转化为对人体无害的CO2、H2O和N2的一种排气净化装置，也称为催化转换净化器。图4-16三元催化转换器工作原理示意图课题二排气净化与排放控制系统一、三元催化转化器与空燃比反馈控制系统1．三元催化转换器三元催化转换器（如图4-17所示）的外形如大型消声器，用耐高温耐腐蚀的不谤钢制成，安装在排气管上，消声器之前，壳体内的催化剂是直径为2～4mm的氧化铝颗复，在其多孔性的表面上涂有铂。催化剂表面积很大，每克表面积可达50～300。催化转换器的结构应保证废气通过时与催化剂颗粒均匀接触。三元催化转换器的使用条件：1)由图4-18可知，只有在理论空燃比附近，对废气中的三种有害气体(CO、HC和NOX)的转换效率均比较高；2）装用催化转换器的发动机只能使用无铅汽油；3）工作温度超过250℃～350℃时；4）催化剂与载体的容积必须与发动机的排气量相匹配，足够的强度和抗热冲击；5）须配温度控制装置或旁通管道；6）对三元催化转换器要定期保养。

图4-17三元催化转换器1-支承环；2-波纹网眼环；3-支承环；4-密封垫5-整体式催化反应器载体；6-温度传感器图4-18TWC的转换率与混合气浓度的关系2．氧传感器氧传感器的其功用是通过检测排气中氧离子的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。（1）氧化锆型氧传感器的结构与工作原理氧化锆型氧传感器也称二氧化锆型氧传感器，其结构如图4-19所示，它由钢质保护套管、锆管、加热器、电极、线束插头和防水护套等组成。图4-19氧化锆型氧传感器1-钢质保护套管；2-废气；3-锆管；4-电极；5-弹簧；6-绝缘体；7-信号输出导线；8-空气；9-接地端；10-加热器接线端；11-信号输出端；l2-加热器；13线束插头；14--防水护套(a)不带加热器(b)带加热器锆管的陶瓷体是多孔的，渗入其中的氧气在高温时发生电离。U型锆管的内、外侧存在氧离子浓度差，因而氧离子从浓度高的内侧向浓度低外侧扩散，从而使锆管成为一个微电池，在两铂极间产生电压，如图4-20所示。而锆管内侧大气中的氧离子可认为基本不变，因此，锆管内、外侧氧离子浓度差急剧变化，传感器产生的电压发生突变：从0.9V左右急剧变化为0.1V左右，其产生的电压与空燃比的变化关系如4-21所示。图4-21氧化锆型氧传感器输出特性图4-20氧化锆型氧传感器的工作原理（2）氧化钛型氧传感器的结构和工作原理氧化钛型氧传感器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，氧化钛型氧传感器又称为发生电阻变化的氧传感器。二氧化钛型氧传感器的外形和氧化锆型氧传感器相似，如图4-22所示。纯二氧化钛在常温下是一种高电阻的半导体，表面一旦缺氧，其晶格便出现缺陷，电阻随之减小。图4-22氧化钛型氧传感器1-保护套管；2-连接线；3-氧化钛厚膜元件在理论空燃比附近，氧化钛式氧传感器的电阻发生突变，其阻值随空燃比变化情况如图4-23所示。氧化钛型氧传感器的工作原理如图4-24所示，氧化钛型氧传感器的电阻随空燃比的变化最终转变为电压的变化，通过3端子输入ECU,当排气中氧浓度随发动机混合气浓度变化时，氧传感器的电阻随之改变，3号端子上的电压信号也随着变化。图4-24氧化钛型氧传感器的工作原理1-氧化钛型氧传感器；2-1V电源电压端子；3-传感器信号输出端子图4-23氧化钛型氧传感器输出特性3．空燃比反馈控制系统空燃比反馈控制系统的构成原理如图4-25所示。在空燃比反馈控制过程中，空燃比、氧传感器输出的电压信号和空燃比反馈控制信号三者之间的变化关系如图4-26所示。图4-25空燃比反馈控制系统工作原理A-氧传感器反馈；B-转速；C-空气流量计；D-水温传感器；E-喷油量控制l-空气流量计；2-发动机；3-三元催化转换器；4-氧传感器；5-喷油器图4-26空燃比控制过程1）假定开始时混合气的实际空燃比略小于14.7，氧传感器输出高电平信号，ECU根据氧传感器的高电平信号，对喷油量减量修正，修正过程按先快后缓的方式进行；2）混合气逐渐变稀，当混合气的实际空燃比略大于14.7时，氧传感器的输出信号跳跃到低电平，3）ECU根据氧传感器的低电平信号，对喷油量进行增量修正，修正过程仍按先快后缓的方式进行；4）混合气又逐渐由稀变浓，一旦空燃比小于14.7，氧传感器的输出信号跳跃到高电平，然后ECU又重复前面的由浓到稀的修正过程，如此反复循环，最终使混合气的实际空燃比始终稳定在理论空燃比附近。二、废气再循环控制系统废气再循环系统简称为EGR系统，它是指在发动机工作时将一部分废气引入进气管，并与新鲜空气混合后吸入汽缸内以降低燃烧温度，从而降低低NOX排放的目的，它是目前用于降低NOX排放的一种有效措施。对于废气再循环过程引入的废气量，一般用EGR率来表示，EGR率的定义为：对于大多数发动机而言，废气再循环的EGR率控制在6%～15%范围内较适宜。1．开环控制EGR系统开环控制EGR系统（日本公爵3.OE轿车）如图4-27所示，主要由EGR阀和EGR电磁阀等组成。图4-27开环控制EGR系统2．闭环控制EGR系统闭环控制式废气再循环系统控制原理如图4-28所示，新鲜空气经节气门进入稳压箱，发动机排气中的一部分经控制阀进入稳压箱，稳压箱中设置有EGR率传感器对稳压箱中新鲜空气与废气所形成的混合气中的氧气浓度不断地进行检测，并将检测结果输入ECU。ECU经过分析计算后向控制阀输出控制信息，不断地调整EGR率，从而有效地减少NOX的排放量。图4-28闭环控制EGR系统

二次空气供给系统是在一定工况下，将新鲜空气送入排气管，促使废气中的CO和HC进一步氧化，从而降低CO和HC的排放量，同时也加快了三元催化转换器的升温过程，电控二次空气供给系统（韩国现代轿车）如图4-29所示。下列情况下ECU不给二次空气电磁阀通电。1)发动机转速和负荷超过规定值。2)冷却液温度超过规定范围。3)电控燃油喷射系统进入闭环控制。4)ECU有故障。图4-29二次空气供给系统三、二次空气供给系统四、燃油蒸气排放控制系统汽车排放的HC有20%来自于燃油蒸发，燃油蒸气排放系统简称EVAP系统，其功能是收集燃油箱内蒸发的燃油蒸气，并将燃油蒸气导入汽缸参加燃烧，防止燃油蒸气直接排人大气而造成污染。EVAP系统的组成如图4-30所示，在装有EVAP控制系统的汽车上，燃油箱盖上只有空气阀，而不设蒸气放出阀。图4-30EVAP控制系统的组成l-燃油箱盖；2-燃油箱；3-单向阀；4-排气管，5-炭罐电磁阀；6-节气阀；7-进气阀；8-真空室；9-真空控制阀；10-定量排放；11-活性炭罐为了提高进气量，改善发动机动力性能，可变技术在汽车发动机上得到了广泛的应用。一、谐波进气增压系统1．谐波进气增压系统的功能谐波进气增压控制系统的功能就是根据发动机转速的变化，改变进气管内压力波传播距离，以提高充气效率，改善发动机性能。2．谐波进气增压系统的工作原理进气管长度可变化，那么进气增压就可兼顾高、低两个转速区域的增大功率和增大转矩，从而兼顾低速和高速的进气增压效果。如图4-31所示。图4-31谐波进气增压系统工作原理图课题三进气控制系统发动机工作时，真空罐是靠电磁真空通道阀（简称电磁阀）与真空马达（膜片式驱动装置）相通，而电磁阀受发动机ECU控制。发动机是在ECU、电磁阀、真空罐和真空马达的共同作用下，可以实现最佳的进气增压效果，其控制原理如图4-32所示。电磁真空阀的工作电路如图4-33所示。当发动机低速运转时，ECU电脑不接通ACI端子的搭铁电路，电磁真空阀不动作，真空罐与真空马达的真空管路被切断，真空马达不动作，进气增压控制阀不打开。图4-32谐波进气增压系统控制原理图

图4-33电磁真空电磁阀工作电路1．动力阀控制系统的功能动力阀控制系统的功能是控制发动机进气道的空气截面大小，以适应发动机不同转速和负荷时的进气量要求，从而改善发动机的动力性。2．动力阀控制系统的工作原理ECU控制的动力阀控制系统的工作原理如图4-33所示，控制进气道空气流通截面大小的动力阀安装在进气管上，动力阀的开闭由膜片真空室控制，ECU根据各传感器信号通过真空电磁阀（VSV阀）控制真空罐与真空室的真空通道。(a)(b)图4-33动力阀控制系统工作原理(a)发动机小负荷运转时；(b)发动机大负荷运转时l-真空罐；2一真空电磁阀；3-ECU；4-膜片真空气室；5-动力阀二、动力阀控制系统三、可变配气机构控制系统为了使发动机在高转速时能提供较大的功率，在低速时又能产生足够的转矩，现代轿车发动机采用可变气门正时和升程的电子控制技术。1.VTEC的基本结构如图4-35所示为本田雅阁F23A和F20B1发动机的VTEC机构，主要由气门、凸轮、摇臂、同步活塞等组成。。图4-35本田发动机VTEC结构1-凸轮轴；2-摇臂轴；3-主摇臂；4-正时板；5-中间摇臂；6-止推活塞；7-辅助摇臂；8-同步活塞B；9-同步活塞A；10-正时活塞轮轴对应的每一个缸有5段凸轮参加工作，如图4-36所示。其中排气凸轮2、6与常规排气凸轮相同。进气有3个凸轮，主进气凸轮3有较大的进气提前角和较大的气门升程；辅助进气凸轮5有较小的进气提前角和较小的气门升程；还增加了一个中间进气凸轮4，其具有最大的进气提前角和最大的气门升程。图4-365段工作凸轮1-凸轮轴；2-排气凸轮轴；3-主进气凸轮；4-中间进气凸轮；5-辅助进气凸轮三个进气凸轮分别驱动三根摇臂，其组件如图4-37所示。与主凸轮、辅助凸轮和中间凸轮相对应的摇臂分别为主摇臂7、辅助摇臂5和中间摇臂6。三根摇臂内部装有由液压控制移动的同步活塞3、4

和正时活塞1。图4-37摇臂组件1-正时活塞；2-正时活塞弹簧；3-同步活塞A；4-同步活塞B；5-辅助摇臂；6-中间摇臂；7-主摇臂2.VTEC的工作原理发动机低速时如图4-38所示，VTEC机构的油道内没有机油压力，正时活塞14、同步活塞12、13和止推活塞11在回位弹簧作用下都处于左端，正时板卡人正时活塞14，使其不能移动，此时正时活塞和同步活塞13正好处在主摇臂5内，同步活塞12处在中间摇臂6内，止推活塞11处在辅助摇臂7内,三根摇臂分离，彼此独立工作。图4-38发动机低速运转1-凸轮轴；2-主凸轮；3-中间凸轮；4-辅助凸轮；5-主摇臂；6-中间摇臂；7-辅助摇臂；8-摇臂轴中心油孔；9-摇臂轴；10-止推活塞弹簧；11-止推活塞；12-同步活塞B；13-同步活塞A；14-正时板活塞发动机达到某一个设定的高转速时，由ECU传来的信号打开VTEC电磁阀，压力机油通过摇臂轴上的油孔16，如图4-39所示。进入正时活塞，正时板移出，推到摇臂内的正时活塞，使三根摇臂锁成一体。由于中间凸轮升程最高，摇臂锁为一体后由它驱动，进气门开启时间延长，升程增加。当发动机转速再次降低到某一个设定的低转速时，VTEC电磁阀断电，切断油路，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退回原位，三根摇臂再次分离，独立工作。图4-39发动机高速运转1-凸轮轴；2-主凸轮；3-中间凸轮；4-辅助凸轮；5-主摇臂；6-中间摇臂；7-辅助摇臂；8-摇臂轴中心油孔；9-摇臂轴；10-止推活塞弹簧；11-止推活塞；12-同步活塞B；13-同步活塞A；14-正时板；15-正时活塞；16-摇臂轴油孔3.VTEC的工作过程控制VTEC系统的气门工作状态的切换由控制系统控制如图4-40所示。它主要由传感器、控制单元和执行器组成。发动机控制单元ECU根据转速传感器、车速传感器、水温传感器、负荷传感器等信号进行判断，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂内活塞液压系统，使发动机在不同的工况下由不同的凸轮控制，从而使进气门的开度和正时处于较佳状态。VTEC电磁阀开启后，控制系统通过压力开关反馈信号给ECU，以监控系统工作。图4-40VTEC控制系统1-压力油道；2-压力开关；3-电磁阀四、电控废气涡轮增压控制系统目前，废气涡轮增压控制系统在汽油机轿车的应用不多，一般只限于对发动机功率和结构紧凑性要求较高的车辆中。电控废气涡轮增压控制系统的组成如图4-43所示，整个系统由释压阀1、气动执行器2、旁通阀3及增压器4等组成。图4-43电控废气涡轮增压压力控制系统的组成A-空气进口；B-增压后的空气；C-废气进；D-废气出；1-释压电磁阀；2-气动执行器；3-旁通阀；4-增压器系统增压控制是通过旁通阀的开闭来实现的，若旁通阀关闭，废气几乎全部通过增压器，增压压力提高；若旁通阀开启，部分废气经旁通气道直接排出，增压压力降低。旁通阀的开启和关闭由ECU通过对释压电磁阀和气动执行器控制来实现，系统采用气动式执行器操纵旁通阀。课题四电动节气门控制系统一、电动节气门控制系统的功能节气门的作用是控制进入发动机的空气流量,决定发动机的运行工况。电动节气门控制系统(ETCS)是一种柔性控制系统，在电子控制单元的控制下,通过节气门体上的电动机驱动节气门,可实现节气门开度的快速精确控制,使发动机在最适当的状态下工作，从而提高了汽车的动力性、安全性及舒适性以及降低排放污染。二、电动节气门控制系统的组成及控制原理1.系统的组成如图4-42所示,电动节气门控制系统主要由节气门体、节气门踏板、节气门踏板位置传感器、节气门位置传感器、节气门驱动装置和节气门电子控制单元(绝大部分与发动机ECU集成为一体等组成。图4-42电动节气门控制系统结构组成1-节气门位置传感器；2-驱动电动机；3-节气门（1）节气门踏板位置传感器节气门踏板位置传感器产生反应节气门踏板下踏量大小和变化速率的电压信号输入电子控制单元,用于检测节气门踏板的位置变化情况。节气门踏板位置传感器由两个无触点线性电位器传感器组成,如图4-43所示。在同一基准电压下工作,基准电压由ECU提供。图4-43节气门踏板位置传感器随着节气门踏板位置的改变,电位器阻值