无职院汽车电器与电子控制技术讲义

第一章起动系发动机进入正常工作循环之前，必须依靠外力进行起动。常用的起动方法有：人力起动、辅助汽油机起动和电力起动机起动等。人力起动，最为简单，但不方便；目前手摇起动只作为汽车的起动后备手段；辅助汽油机起动，比较笨重，仅用大功率柴油机或大型拖拉机上；电力起动机起动，简称电动机起动，操作轻便，起动迅速可靠，还可重复起动，在现代汽车上得到广泛应用。第一节概述一、起动系统的组成和作用发动机起动系统的组成，主要由蓄电池、点火开关、起动机、起动机继电器等组成。起动系的作用就是通过起动机将蓄电池的电能转化为机械能，通过传动装置将电磁转矩传递给发动机飞轮，驱动飞轮旋转，实现发动机的起动。1、起动机起动机一般由三部分组成：（1）直流串励式电动机。用于将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生转矩。（2）传动装置（啮合机构）。其作用是在发动机起动时，使起动机的驱动齿轮与飞轮齿圈啮合，将电动机的转矩传给发动机飞轮；在发动机起动后，使起动机与飞轮自动脱离。（3）控制装置，即电磁开关等。其作用是接通或切断电动机与蓄电池之间的电路；对于某些汽油发动机，还兼有在起动时短路点火线圈附加电阻的作用。2、起动开关与起动继电器（1）起动开关。起动开关的作用是接通起动机电磁开关电路，使电磁开关通电工作。汽油发动机的起动开关与点火开关组合在一起，即点火开关设有起动档。（2）起动继电器。由于起动机电磁开关的电流较大（一般为35～40A），直接由起动开关控制，起动开关会因通过的电流过大而容易烧坏。因此，一些汽车的起动机控制电路中装有起动继电器，由起动继电器触点的开闭控制起动机电磁开关电路的通断，起动开关只是控制起动继电器线圈电路的通断，因而减小了通过起动开关的电流。二、起动机的种类现代汽车普遍采用电磁控制式起动机。在起动机的组成中，电动机一般没有多大的差别，而传动装置与控制装置差异较大，因此分类有所不同。1．按电动机磁场产生的方式（1）励磁式起动机：通过向励磁绕组通电产生磁场。一直以来，汽车上的起动机普遍都采用直流串励式电动机，如桑塔纳轿车用QD1225型、东风EQ2120型汽车用QD2623型起动机。（2）永磁式起动机：以永久磁铁作磁极产生磁场。由于磁极采用永磁材料支撑，无需磁场绕组，因此电动机结构简化、体积小、质量轻。永磁式起动机是近年来出现的新型起动机，但目前在汽车上使用还比较少，如奥迪100型轿车。2、按传动机构啮合方式分类起动机可分为强制啮合式、电枢移动式和同轴齿轮移动式起动机。（1）强制啮合式起动机：利用电磁力拉动杠杆机构，使驱动齿轮强制啮入飞轮齿圈的起动机。主要优点是工作可靠性高，因此现代汽车广泛采用。（2）电枢移动式起动机：利用磁极产生的电磁力使电枢产生轴向移动，从而将驱动齿轮啮入飞轮齿圈的起动机。其特点是结构比较复杂，主要用于大功率发动机的汽车，如太脱拉T138、斯柯达706R等汽车起动机。（3）同轴移动式起动机：利用电磁开关推动电枢轴孔内的啮合推杆移动，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈的起动机。主要用于大功率发动机的汽车，如斯泰尔SXZ190型汽车用QD2745型起动机和奔驰Benz2026型汽车用KB型起动机。三、起动机型号根据QC/T73——1993《汽车电气设备产品型号编制方法》规定，国产起动机的型号表示如下：12541311254131说明：①产品代号：QD一起动机：QDJ一减速起动机；QDY一永磁起动机；②电压等级代号：1～12V；2～24V；③功率等级代号：其含义如表2－1所示；④设计代号：按产品设计先后顺序，以1～2位阿拉伯数字组成；⑤变型代号：主要电器参数和基本结构不变的情况下，一般电器参数的变化和某些结构改变称为变型，以汉语拼音大写字母A、B、C等表示。第二节起动机的构造及工作原理本节介绍目前应用最为广泛的电磁操纵强制啮合式起动机，结构如图1-1所示。图1-1起动机结构一、起动机的构造（一）直流电动机1．串励式直流电动机的结构，主要由电枢、换向器、磁极以及机壳等部件组成。（1）电枢与换向器。电枢由电枢轴、电枢铁心、电枢绕组等组成，电枢的结构如图1-2所示，它的作用是产生电磁转矩。图1-2电枢的结构电枢铁心由硅钢片叠压而成，借花键压装在电枢轴上。电枢绕组嵌装在铁心的槽内，绕组两端分别焊接在换向器的铜片上。为了得到较大的转矩，流经电枢绕组的电流很大，一般为200～600A，因此电枢绕组采用横截面积较大的矩形裸铜线绕制。为了防止裸铜线绕组间短路，在铜线与铜线之间、铜线与铁心之间用绝缘性能较好的绝缘纸隔开。换向器的功能是保证电枢绕组产生的电磁转矩的方向保持不变。换向器由铜片和云母片相互叠压而成，压装在电枢轴的一端，云母片使铜片间、铜片与轴之间均绝缘。根据材质的不同，换向器铜片之间的云母片有低于铜片和与铜片平齐两种。云母片低于铜片主要是为了避免钢片磨损后云母片外突而造成电刷与换向器接触不良；云母片与铜片平齐则主要是防止电刷粉末落人铜片之间的槽中而造成短路。国产起动机换向器云母片一般不低于铜片。但许多进口汽车起动机换向器云母片却低于铜片。（2）磁极。磁极由铁心和励磁绕组构成，并通过螺钉固定在电动机壳体上。磁极的作用是产生磁场，一般采用四个磁极，为增大电磁转矩，大功率起动机采用六个磁极。励磁绕组也是用粗扁铜线绕制而成，与电枢绕组串联。四个励磁绕组的连接方式有两种，一种是四个绕祖串联后再与电枢绕组串联，另一种是两个绕祖先串联后并联，然后再与电枢绕组串联。如图1-3所示。图1-3励磁绕组的连接方式（3）电刷组件。电刷组件的功用是将电源电压引入电枢绕组，主要由电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷用铜粉与石墨粉压制而成，起动机电刷的含铜量为80％左右，石墨含量为20％左右。加人较多铜粉的目的是减小电阻，提高导电性能和耐磨性能。电刷架固定在电刷端盖上，电刷安放在电刷架内。直接固定在端盖上的电刷架称为搭铁电刷架或负电刷架，安装在负电刷架中的电刷称为负电刷。用绝缘板将电刷架绝缘固定在电刷架盖上的电刷架称为绝缘电刷架或称正电刷架，安装在正电刷架上的电刷称为绝缘电刷或称正电刷。电刷弹簧压在电刷上，其作用是保证电刷与换向器接触良好。（4）轴承。起动机的工作时间很短，一般采用青铜石墨轴承或铁基含油滑动轴承。减速起动机由于电枢的转速较高，采用滚柱轴承或滚珠轴承。（二）直流串励式电动机的工作原理直流电动机根据通电导体在磁场中受电磁力作用而发生运动的原理工作的。由于换向器的作用，使在N极和S极之间，处于上、下面导体的电流方向保持不变，电磁力形成的转矩方向保持不变，使电枢始终按一定的方向转动。电枢绕组虽然能按一定的方向转动，但是每当转到垂直位置时，都是依靠惯性转过，转动很不平稳，电磁力产生的电磁转矩也很小。为了增大电磁转矩和提高电动机的平顺性，实际使用的电动机采用了多组电枢绕组和多对磁极。对于结构一定的电动机，其电磁转矩M与磁极磁通φ和电枢电流I成正比，其数学表达式为：M＝CmφI（1－l）式中Cm—电机结构常数，取决于电动机的结构。2．传动装置起动机的传动装置由单向离合器和拨叉组成。单向离合器的功用是单方向传递力矩，即起动发动机时，将电动机的驱动转矩传递给发动机曲轴（传递动力）；当发动机起动后又能自动打滑（切断动力），以免损坏电动机。这是因为发动机飞轮与起动机驱动齿轮之间的传动比为1:10~1:15，当发动机起动后如果动力联系不及时切断，飞轮就会带动电枢以8000~15000r/min的转速高速旋转，从而导致电枢绕组从铁心槽中甩出而损坏电枢。起动机采用的单向离合器有滚柱式、弹簧式和摩擦片式三种。滚柱式和弹簧式离合器主要用于功率较小的汽油发动机起动机，摩擦片式离合器可以传递较大转矩，主要用于柴油发动机起动机。单向离合器工作原理大同小异，下面以滚柱式单向离合器为例介绍其结构原理。图1-4滚柱式单向离合器图1-5滚珠式单向离合器的工作原理a）起动时传递电磁转矩b）起动后打滑滚柱式单向离合器的结构如图1－4所示。单向离合器外壳2与驱动齿轮1连为一体，离合器外壳和十字块装配后形成四个楔形槽，槽中有四个滚柱4，滚柱的直径大于槽窄端又小于槽宽端，弹簧及活柱5将滚柱推向槽窄端，使得滚柱与十字块及外壳表面有较小的摩擦力。十字块3与传动套筒l0刚性连接，传动套筒安装在电枢轴花键部位，使单向离合器总成可以轴向移动和随轴转动。起动时，拨叉通过移动村套推动单向离合器总成作轴向移动，使驱动齿轮啮入飞轮齿圈的同时，电枢轴通过花键带动传动套筒使十字块移动，十字块相对于外壳的转动使滚柱在小摩擦力的作用下滚向槽窄端而被卡紧，使得外壳随十字块一起转动，于是电枢的电磁转矩通过单向离合器传递给了驱动齿轮（图1-5a）。发动机一旦发动，发动机飞轮带动驱动齿轮旋转，使离合器外壳的转速高于十字块，此时，滚柱滚向槽宽端而打滑（图1-5b），从而防止了发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而造成飞散事故。滚柱式单向离合器结构简单紧凑，在中小功率的起动机上被广泛采用，如奥迪、捷达、丰田、桑塔纳等。但在传递较大转矩时，滚柱容易变形而卡死。因此，滚柱式单向离合器不适用于较大功率的起动机。3．控制装置电磁开关的作用是控制起动机驱动齿轮与飞轮的啮合与分离，以及电动机电路的通断。电磁开关主要由吸引线图、保持线圈、活动铁心、接触盘、触点等组成。对于汽油发动机用起动机，电磁开关内还有点火线圈附加电阻短路触点，通过电磁开关外壳上的接线柱与点火线圈一次线圈相连。图1-6起动机工作原理以ST614型起动机电路为例，说明电磁开关的工作原理，如图1－6所示。接通起动开关，电磁开关通电，其电流通路为：蓄电池正极→接线柱18→电流表11→熔断器10→起动开关9→电磁开关接线柱7吸引线圈6→接线柱14→起动机磁场和电枢线圈保持线圈5→电源开关搭铁→电源开关→蓄电池负极此时由于通过吸引线圈6和保持线圈5的电流方向相同，因此产生的磁力方向相同，在两线圈磁力的共同作用下，使活动铁心克服弹簧力右移，带动拨叉3将驱动齿轮推向飞轮，与此同时，活动铁心将接触盘15顶向触点。当驱动齿轮与飞轮啮合时，接触盘15将触点18、14接通，使起动机通入起动电流，产生正常电磁转矩起动发动机。接触盘接通触点时，吸引线圈被短路，活动铁心靠保持线圈的磁力保持在吸合的位置。发动机起动后，在断开起动开关的瞬间，接触盘仍在接触位置，此时电磁开关线圈电流为：蓄电池正极→接线柱18→接触盘15→接线柱14→吸引线圈6→保持线圈5→搭铁→蓄电池负极。此时，吸引线圈与保持线圈中通过的电流相反，吸引线圈产生了与保持线圈相反方向的磁通，两线圈磁力互相抵消，活动铁心在弹簧力的作用下复位，使驱动齿轮退出；与此同时，接触盘也回位，切断起动机电路，起动机便停止工作。第三节起动机的工作特性及其影响因素一、起动机的工作特性直流串励式电动机的转矩M、转速n和功率P与电流之间的关系，称为直流串励式电动机的工作特性。直流串励式电动机工作特性曲线，如图1-7所示，其中曲线M、n和P分别代表转矩特性、转速特性和功率特性。图1-7起动机工作特性曲线1．转矩特性电动机电磁转矩M随电枢电流Is变化的关系称为转矩特性。对于串励式电动机而言，磁通在磁路未饱和时磁通与电流的平方成正比，在磁路饱和时磁通与电流成正比。因此，在起动机起动的瞬间，因发动机的阻力矩很大，起动机处于完全制动状态。此时电枢转速为零，电枢电流达到最大值。转矩与电枢电流的平方成正比，所以制动电流所产生的转矩很大，足以克服发动机的阻力矩，使发动机的起动容易。这就是汽车起动机采用串励式电动机的主要原因之一。2．机械特性电动机的转速n随电磁转矩M而变化的关系称为机械特性。串励式电动机在输出转矩大时，电枢电流较大，电流随电动机转速的增加而急剧下降。反之，在输出转矩小时，电枢电流又随电动机转速的减小的而很快上升。从机械特性看出，直流串励式电动机具有轻载转速高、重载转速低的特点。重载转速低，可以保证电动机在起动时（重载）不会超出允许的功率而烧毁，使起动安全可靠。这是起动机采用串励式直流电动机的另一原因。但由于其轻载或空载时转速很高，容易造成“飞散”事故。因此，对于功率较大的串励式直流电动机，不允许在轻载或空载下长时间运行。3．功率特性串励式起动机的功率可由下式确定：式中M—起动机输出转矩，单位为Nm；n—起动机的转速，单位为r/min；P—电动机功率，单位为kw。起动机在全制动(ns=0)和空载（MS=0）时，其功率均为0，而在IS接近全制动电流一半时其输出功率最大。起动机工作时间短暂，允许以最大功率状态工作，因此起动机的额定功率一般也就是电动机的最大功率或接近于最大功率。二、影响起动机功率的因素（1）接触电阻和导线电阻。接触电阻包括导线与蓄电池极桩、起动机接线柱以及电动机内电刷与换向器等的接触电阻。接触电阻大、导线截面积小或过长，都会造成较大的电压降而使起动机功率下降。（2）蓄电池容量。蓄电池的容量小，其内阻较大，起动时加在电动机上的端电压就低，供给起动机的电流小，产生的转矩小，会使起动机的功率下降。（3）环境温度。环境温度低时，蓄电池的容量下降，内阻增大，起动机的功率下降明显。因此在冬季对蓄电池适当保温，可以提高起动机的功率，改善起动性能。

第二章发电机及电压调节器汽车电源系统主要由蓄电池、发电机和电压调节器等组成，蓄电池和发电机并联于汽车电路之中，发电机是主要电源，蓄电池是辅助电源。在发动机停转或起动时，汽车由蓄电池供给电能；发动机起动后，带动发电机运转，如果发电机供电能力能满足用电需要，则由发电机向所有用电设备供电；否则，由发电机和蓄电池共同供电。发电机供电过剩时，向蓄电池充电。汽车用交流发电机主要由转子、定子、整流器及前后端盖等组成。第一节交流发电机的构造及类型一、交流发电机的分类1．按总体结构分类（1）普通交流发电机：无特殊装置，无特殊功能的汽车交流发电机，称为普通交流发电机。如东风EQ1090型载货汽车用JF132N型交流发电机。（2）整体式交流发电机：即内装电子调节器的交流发电机。如一汽捷达、上海桑塔纳轿车用JFZ1913Z型14V90A发电机（3）无刷交流发电机：即没有电刷和集电环（滑环）的交流发电机。如东风EQ2102型越野汽车用JFW2621型28V45A整体式发电机（4）带泵交流发电机：即带真空制动助力泵的交流发电机。如仙游电机厂生产的JFB1712型交流发电机。2．按整流器结构不同分类（1）六管交流发电机：即整流器由六只整流二极管组成三相桥式全波整流电路的交流发电机。如解放CA1091型载货汽车用JF1518交流发电机。（2）八管交流发电机：即整流器总成由八只二极管组成的交流发电机。如天津夏利TJ7130型微型轿车用JFZ1542型14V45A型交流发电机。（3）九管交流发电机：即整流器总成由九只二极管组成的交流发电机。如斯太尔(STEYR）汽车用JFZ2518A型28V27A交流发电机和猎豹（PAJERO）汽车4664型发动机用14V75A交流发电机。（4）十一管交流发电机：即整流器总成由11只二极管组成的交流发电机。如一汽捷达、上海桑塔纳轿车用JFZ1913Z型14V90A发电机。整流原理参见《汽车电工与电子技术基础》。3．磁场线圈搭铁型式分类（1）内搭铁型交流发电机：即发电机磁场线圈的一端与发电机壳体连接的交流发电机。如东风EQ1090型载货汽车用JF132N型交流发电机。（2）外搭铁型交流发电机：即磁场线圈的一端经调节器后搭铁的交流发电机。如捷达、桑塔纳轿车用JFZ1913Z型14V90A发电机、解放CA1091型载货汽车用JF1522A型交流发电机、东风EQ2102型越野汽车用JFW2621型28V45A整体式发电机等。目前，大多数汽车都采用外搭铁型交流发电机。二、交流发电机的构造汽车用交流发电机主要由转子、定子、整流器及前后端盖等组成。如图2－1所示。图2-1交流发电机的组成图2-2转子的组成1．转子转子的功用是产生磁场，转子主要由转子铁心、励磁线圈（又称磁场线圈）、爪极和滑环组成，如图2-2所示。两块爪极安装在转子轴上，爪极间的空腔内装有转子铁心和励磁线圈。励磁线圈绕在铁心上，铁心压装在两块爪极之间的转子轴上。滑环由彼此绝缘的两个铜环组成，压装在转子轴的一端并与转子轴绝缘。励磁线圈的两端分别从内侧爪极上的两个小孔中引出，其中一端焊接在滑环的内侧铜环上，另一端则穿过内侧铜环上的小孔并焊接在外侧铜环上，两个铜环分别与发电机的两个电刷接触。当两个电刷与直流电源接通时，励磁线圈中便有电流流过，并产生轴向磁通，使一块爪极磁化为N极，另一块爪极磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。将转子爪极设计成鸟嘴型的目的是使磁场呈正弦分布，电枢线圈产生的感应电动势近似于正弦波形。图2-3定子的组成2．定子定子的功用是产生交流电，其结构如图2-3所示，由定子铁心和定子线圈组成。定子铁心由内圆带槽的环状硅钢片叠成，各硅钢片之间互相绝缘。定子线圈为三相对称线圈，安装在定子铁心的槽内。三相线圈的连接方法采用星形联结，三相线圈各引一个端子，中性点引出一个端子。3．整流器交流发电机的整流器由6只硅二极管组成.二极管的引线为二极管的一极，其壳体部分为二极管的另一极。压装在后端盖（或与外壳相通的接地散热板）上的三只硅二极管的壳体为二极管正极，引线为二极管的负极，称之为负极管；压装在外壳绝缘散热板上的三只硅二极管的壳体为负极，引线端为二极管的正极，称之为正极管。三只正极管和三只负极管的引线端通过三个接线柱一一对应连接，并分别连接三相线圈的A、B、C端，就组成了三相桥式全波整流电路。固定在散热板上的螺栓伸出发电机壳体外部，作为发电机的输出接线柱，该接线柱为发电机的正极，相应的标记为“B”（或“＋”或“电枢”等）。4．端盖及电刷组件交流发电机的前后端盖由铝合金铸成，铝合金为非导磁材料，可减少漏磁，并且具有重量轻、散热性好的优点。后端盖上安装有电刷组件与调节器总成。电刷组件由电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷安装在电刷架的孔内，借弹簧张力使电刷与滑环保持良好接触。每只电刷都有一根引线，该引线直接引到IC调节器内部，从而将励磁线圈与调节器工作电路连接起来。在发电机前端盖前安装有风扇和V型皮带轮，由发动机通过V型带来驱动发电机带轮和转子转动。发电机的通风散热依靠风扇来实现。在前、后端盖上制有通风口，当风扇与带轮一起转动时，空气便从进风口流人，经发电机内部再从出风口流出，由此便将发电机内部热量带出，达到散热目的。三、交流发电机的型号根据QC/T73-93《汽车电气设备产品型号编制方法》的规定，汽车交流发电机的型号有五部分组成：1234512345第一部分为产品代号，由字母表示，如JF,JFZ,JFB,JFW分别表示普通交流发电机、整体式交流发电机、带泵交流发电机和无刷交流发电机。第二部分为电压等级代号，用一位阿拉伯数字表示，其中有：1—12V、2—24V、6—6V。第三部分为电流等级代号，用一位阿拉伯数字表示，各代号表示的电流等级见表2-1。第四部分为设计序号，用一位阿拉伯数字表示产品的顺序。第五部分为变型代号，用字母表示，交流发电机是以调整臂的位置作为变形代号。从驱动端看，Y-右边、Z—左边，无字母则表示在中间位置。电流等级代号123456789电流范围/A～1920～2930~3940~4950~5960~6970~7980~8990~99表2-1电流等级代号第二节交流发电机特性交流发电机的工作特性是指发电机经整流后输出的直流电压U、电流I和转速n之关系，包括空载特性、输出特性和外特性。1．空载特性当发电机空载运行时，发电机端电压U和转速之间的关系，即负载电流I=0时f(n)的函数关系，称为发电机的空载特性，如图2-5a所示。空载特性可以判断发电机充电性能的好坏。从曲线的上升速率和达到蓄电池电压的转速高低可判断发电机的性能是否良好。2．输出特性当发电机电压一定时，输出电流与发电机转速之间的关系，称为发电机的输出特性，如图2-5b所示。输出特征曲线表明，端电压保持不变(12V发电机保持14V,24V发电机保待28V),当n>n1时，其输出电流随着转速增加而逐渐增大。当n<n1时，因发电机端电压低于额定值，发电机不能向外输送电流，汽车电器只能由蓄电池供电，所以n1称为空载转速，它通常作为选择发电机与发动机传动比的依据。发电机达到额定功率时的转速称为额定转速n2，这时发电机的负载电流为额定电流IN。转速n2是判断发电机的性能的重要指标。当发电机转速达到一定值后，发电机的输出电流几乎不再继续增加，具有限制输出电流的能力。这是由于随着定子线圈中感应电动势的增加，定子线圈的阻抗也随转速的升高而增加，同时定子电流增加时，电枢反应的增强也使感应电动势下降。由于上述原因，使发电机转速达到一定值后，其输出电流几乎不变，即具有限定输出电流的作用，故交流发电机不需设置限流器。3．外特性当发电机转速一定时，发电机端电压U与输出电流I之间的关系，即n一常数时，U=f(I)的函数关系，称为发电机外特性，如图2-4c所示。外特性曲线表明，在一定的转速下，输出电流增加时，发电机端电压有较大幅度的下降，因此，要使输出电压稳定，必须配备电压调节器。另外，在发电机高速运转时，如果突然失去负载，端电压会急剧升高，电气设备中的电子元件将有击穿的危险。图2-4交流发电机的特性第三节交流发电机电压调节器汽车用交流发电机工作时其转速很不稳定且变化范围很大，若对发电机不加以调节，其端电压将随发动机转速的变化而变化，这与汽车用电设备要求电压恒”定相矛盾。因此，发电机必须要有一个自动的电压调节装置。交流发电机调节器的作用就是当发动机转速变化时，自动对发电机的电压进行调节，使发电机的电压稳定，以满足汽车用电设备的要求。图2-5电压调节器图2-5电压调节器本节介绍触点式调节器。它利用触点的通断来改变励磁线圈的电流大小，使其产生的磁场的强弱变化来保持发电机电压恒定的电压调节器，称为触点式电压调节器。以FT－61型电压调节器为例，如图2-5所示。FT－61型电压调节器结构和电路该调节器由支架上的两个固定触点和活动臂上的两个活动触点组成两对触点即S1和S2。S1的固定触点通过固定支架连结在调节器“火线”接线柱上，S2的固定触点搭铁。活动触点臂的另一端用拉力弹簧拉紧，发电机不工作时S1闭合称为常闭触点,S2断开称为常开触点。中间的电磁铁心上绕有磁化线圈，它的两端，一端接在附加电阻R1；和加速电阻R2之间，一端经温度补偿电阻R3接地。附加电阻R1和加速电阻R2接在调节器的“火线”接线柱和“磁场”接线柱之间，和触点S1并联。2．电压调节过程调节器不工作时，低速触点S1常闭，高速触点S2常开。1）发动机起动并闭合点火开关，蓄电地经低速触点S1向励磁线圈供电。励磁电路为；蓄电池正极→电流表→点火开关→调节器点火接线柱→低速触点S1→活动触点臂→磁轭→调节器接线柱→电刷、滑环→励磁线圈→电刷、滑环→搭铁接线柱→蓄电池负极。与此同时，蓄电池也向调节器电磁线圈供电，电路为：蓄电池正极→电流表→点火开关→调节器点火接线柱→附加电阻R2→电磁线圈→温度补偿电阻R3→搭铁接线柱→蓄电池负极。电磁线圈有电流通过，产生电磁吸力，试图吸开低速触点S1。2）当发动机转速升高时，发电机转速也随之升高，发电机端电压升高到稍高于蓄电池电压时，发电机自励。此时励磁电路和电磁线圈电路的电源由蓄电池变为发电机，低速触点仍然闭合。3）当发动机转速升到较高转速，发电机的输出电压达到第一级调压值（14V）时，电磁线圈中通过较大电流，电磁铁心产生的电磁力大于弹簧拉力，吸动活动触点臂下移至中间位置，低速触点被打开，高速触点也未闭合。此时，R1和R2串人了励磁电路。使励磁电流减小，交流发电机输出电压下降，调节器的电磁线圈电流随之减小，电磁吸力减弱，弹簧拉力又将低速触点S1闭合，R1和R2被短路，励磁电流再增大，发电机输出电压又上升，低速触点又打开，如此反复，低速触点不停地开启、闭合，使发电机输出电压保持在一级调整值上。一级调压时，发电机励磁电路为：发电机“＋”→点火开关→调节器点火接线柱R1→R2→磁场接线柱→励磁线圈→搭铁接线柱→发电机“—”。4）发动机作高速运转时，发电机输出电压较大，低速触点断开，R1和R2串人励磁电路，但发电机输出电压仍然继续升高，达到二级调压值14.5V时，电磁线圈中电磁铁心吸力进一步增大，使活动触点臂进一步下降，高速触点S2闭合，励磁线圈两端搭铁短路，无励磁电流通过，磁场大大减弱，只有剩磁，发电机端电压迅速下降。此时，调节器中的电磁线圈吸力也大大削弱，在弹簧拉力的作用下，高速触点又被打开，励磁电流又增大，发电机输出电压又升高。如此不断反复，高速触点不断开启、闭合作振动，使发电机在高速运转时自动调节电压，维持在二级工作电压14.5V上。5）发动机停止工作时，断开点火开关，发电机不发电，调节器恢复原始状态，低速触点闭合，高速触点打开。FT－61型电压调节器第一级调节的转速范围较小，第二级调节的转速范围较大，因此适用于与高转速的交流发电机配用。

第三章点火系汽车发动机的工作循环是由吸气、压缩、做工与排气四个冲程组成。柴油发动机压缩冲程末期，气缸内压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，从喷油嘴喷出的雾状柴遇到热空气即可立即燃烧，因此无需设置点火装置。汽油的燃点较高，气缸内的汽油混合气用高压电火花点着而燃烧。电火花由点火系统产生，点火系统的功用就是把汽车电源系统低压电转变成15－20kV的高压电，并按发动机气缸工作顺序适时地引入气缸形电火花点着混合气，从而使发动机正常工作。第一节概述一、对点火系的要求1．能产生足以击穿火花塞电极间隙的高电压在火花塞电极间能产生火花时所需要的电压，称为击穿电压或称为跳火电压。击穿电压的影响因素包括：火花塞电极间隙和形状；气缸内混合气的压力与温度；电极的温度和极性，以及发动机的工作情况等。为了保证点火工作可靠，且在困难条件下点火，作用于火花塞两电极间的电压通常在20～30kV。2．火花产生足够的点火能量要使混合气可靠点燃，火花塞必须具有足够的点火能量。在发动机正常工作时，电火花只要有0.01～0.03J的能量即可。但是在起动时，为保证可靠点火，火花塞的点火能量可达到0.1J。3．点火时刻应适应发动机的各种工况发动机的点火时刻用点火提前角表示。点火提前角是指火花塞跳火时的曲柄位置与活塞上止点时曲柄位置的夹角。发动机不同转速和负荷所要求的最佳点火提前角不同。点火系必须能自动调节点火提前角，使点火时间能适应发动机的各种工况。二、发动机点火系的分类1．按点火系统电源不同分（1）磁电机点火系最早出现的点火系。现在应用于部分摩托车上（2）蓄电池点火系点火系电源是蓄电池或发电机，在汽车和摩托车上都有广泛应用。2．按点火系储存点火能量的方式分类（1）电感蓄能式点火系点火系产生高压前从电源获取能量是电感线圈以磁场能的方式储存，即以点火线圈建立磁场能量的方式储存点火能量。目前使用的绝大部分点火系为电感储能式。（2）电容储能式点火系点火系产生高压前从电源获取的能量以蓄能电容建立电场能量的方式储存点火能量。应用于赛车上。3．按点火信号产生的方式分类（1）磁感应式由分电器轴驱动的导磁转子转动，改变磁路磁阻，使感应线圈的磁通量发生变化而产生点火电压信号。（2）光电式由分电器轴驱动的这光转子转动，通过阻挡和穿过发光二极管光线的变化，使光敏三极管产生点火信号。（3）振荡式由分电器轴驱动的耦合转子转动，通过振荡电路起振和不起振的变化，再经滤波电路滤波后而得到点火信号。（4）霍尔效应式由分电器轴驱动的导磁转子转动，通过霍尔元件所通过的磁通量的变化而产生点火信号。第二节传统点火系的工作特性与传统点火系的工作特性一、传统点火系的工作特性点火系统发出的最大电压随发动机转速或分电器转速而变化的关系称为点火系统的工作特性。二次电压的最大值与一次侧断开电流Ik成正比。但发动机在不同转速工作时，Ik不同，当蓄电池电压和点火线圈一定时，它与触点的闭合时间tb有关。而触点闭合时间又与发动机的转速、气缸数等有关。二次电压的最大值将随发动机转速的升高而降低。这是因为在断电器触点闭合后，一次电流需经一定的时间方能由零增长到最大稳定值。控制触点开闭的断电器凸轮与发动机凸轮轴有着固定的转速比。当发动机转速升高时，断电器触点闭合时间所对应的凸轮旋转角度虽然不变，但凸轮转过同样的角度时，触点闭合所经历的时间却减少了，一次电流不能增长到最大稳定值（一次电流是按指数规律增长的），而使一次侧断开电流Ik减小，二次电压最大值便随之降低。发动机的转速越高，触点闭合时间亦越短，二次电压也就越低。图3－1所示为传统点火系统的工作特性。图图3－1传统点火系统的工作特性。必须指出，发动机转速低，触点闭合时间长，固然有利开于二次侧电压的提高，但转速过低时触点打开得慢，使一次侧电流断开时的变化速率下降；同时触点间的火花也不能迅速消失，一部分能量损失于触点火花的形成，结果反而使二次侧电压降低。二次电压随转速升高而降低的现象，是发动机高速时容易断火的原因。如果在图3－1中做一条相当于发动机最不利情况下所需击穿电压的水平虚线，由此虚线与特性曲线的交点即为发动机的极限转速nMAX，超过此转速将不能保证可靠点火。二、传统点火系的工作特性1．发动机的气缸数对二次电压的影响二次电压的最大值将随发动机气缸数量的增加而降低。这是因为凸轮的凸起数与气缸数相同，发动机的气缸数越多，凸轮每转一周触点闭合与打开的次数就越多，于是触点的闭合时间缩短，一次侧断开电流减小，因而使二次电压降低。2．火花塞积炭对二次电压的影响发动机工作时，若化油器调整不当或润滑油过多，在火花塞缘体上会产生积炭，因此相当于在火花塞电极间并联一个分路电阻，使二次侧电路形成闭合回路。当触点打开，二次电压增长时，在二次侧电路内会产生泄漏电流，消耗了一部分电磁能，从而使U2MAX降低，当积炭严重时，由于泄漏严重，会使U2MAX低于火花塞跳火电压，迫使发动机停止工作。火花塞积炭越严重，则U2MAX就降得越低，甚至在火花塞间隙处根本不能形成电火花。3．电容对二次电压的影响从理论上讲，分电器上的电容器C1的容量越小越好，但实际上，C1容量太小就不能很好地起吸收点火线因初级绕组自感电动势的作用，触点断开时的触点火花就会加大而使U2MAX降低；电容值过大则会使触点断开时电容的充放电时间延长，导致初级电流的下降速率减小而使降低U2MAX。电容器C1的容量一般为0.15～0.35μF。就提高U2MAX而言，次级分布电容C2越小越好，但它是由点火系统次级回路结构所确定。4．断电器触点的间隙断电器触点的间隙是指断电器凸轮将动触点顶开至最大位置时触点间的气隙，正常间隙应为0.35～0.45mm。触点间隙过大，凸轮顶开触点早，触点关闭迟，触点闭合段所占的角度（称闭合角）小，相同转速下的触点闭合时间短，初级电流小，次级电压低；触点间隙过小，则会使触点断开时的火花加大，也会使U2MAX下降。5．触点接触电阻理想情况下触点接触后是无电阻的，但当触点的接触表面有烧蚀、氧化、脏污等情况后，接触后的触点就会有一定的电阻。触点接触电阻增大，点火线圈初级电路的电阻增大，从而使初级电流减小，U2MAX降低。6．点火线圈的温度点火线圈的温度升高时，初级绕组的电阻会增大，从而使初级电流减小，U2MAX下降。第三节传统点火系的主要元件一、点火线圈点火线圈的作用是将电源的低压转变为高压，以使火花塞电极产生点燃混合气的电火花。点火线圈按磁路的结构形式不同，分为开磁路和闭磁路两种。传统触点式点火系统基本上都使用开磁路的点火线圈，闭磁路点火线圈多应用于电子点火系统。1．开磁路点火线圈图3－2是开磁路点火线圈的结构示意图。由硅钢片叠成的铁心外套有绝缘套管，套管上分层绕有次级绕组和初级绕组。初级绕组通过的电流大，产生的热量多，其绕在次级绕组的外面有利于散热。在绕组与外壳之间，装有导磁用钢套，当初级电阻通电时，铁心被磁化，形成磁路。由于开式线圈漏磁损失较多，因此这种开磁路的点火线圈初级、次级能量转换效率不高（60％左右）。为加强绝缘、防止潮气侵入和有利于散热，点火线圈外壳内充满沥青或变压器油。图图3－2开式点火线圈的示意图。两接线柱式点火线圈的低压接线柱上分别标有“＋”、“—”的标记。三接线柱点火线圈与两接线柱式的主要区别是外壳上装有一个附加电阻，为固定该电阻，又增加了一个接线柱11。附加电阻就接在标有“开关”和“＋开关”的两接线柱10和11上．附加电阻可由低碳钢丝、镍铬丝或纯镍丝制成。具有受热时电阻迅速增大，而冷却时电阻迅速降低的特性。因此，在发动机工作时，可利用附加电阻这一特性自动调节一次电流，改善高速时的点火特性。在安装时，应将附加电阻的两端标有“＋开关”和“开关”的两接线柱接至起动机开关的辅助触点上，以便起动时将其短路，提高起动时的一次电流和二次电压，使起动容易。图3-3闭式点火线圈图3-3闭式点火线圈磁路点火线圈闭磁路点火线圈（也称干式点火线圈）的结构和磁路的形成如图3—3所示。这种点火线圈的铁心采用日字形结构，磁路均由导磁率极高的铁心构成，因此漏磁少，点火线圈的能量转换效率高。铁心中留一小空隙是为了减少铁心磁滞现象。二、分电器分电器总成由断电器、配电器、电容器和点火提前机构构成，其结构如图3—4所示。33—4分电器总成分电器壳体一般由铸铁制成，下部压有石墨青铜衬套，分电器轴在衬套内旋转，靠油杯中的润滑油润滑。分电器各部的结构原理分述如下。1．断电器断电器的作用是周期性地通断点火线圈初级回路，它由触点和凸轮组成。触点安装在能相对分电器外壳转动的活动底板上，其中固定触点搭铁，固定触点支架用紧固螺钉固定在活动板上。活动触点与壳体之间是绝缘的，它通过触点臂经触点弹簧片与分电器低压接线柱相通。活动触点臂有孔端松套在活动底板的销轴上，通过触点臂弹簧片的弹力使顶块紧压在凸轮上。断电器凸轮由分电器轴经离心点火提前调节机构带动旋转，就使断电器触点周期性的开闭。；。转动分电器轴，凸轮将触点项开至最大位置时，松开固定触点支架上的紧固螺钉，旋动偏心螺钉即可通过改变固定触点的位置来调整断电器触点的间隙。2．配电器配电器的作用是将点火线圈次级产生的高压按点火顺序送至各缸火花塞。配电器由套在断电器凸轮上的分火头和分电器盖组成。分电器盖的中央插孔内有弹簧和接触电刷（小炭柱），接触电刷靠其小弹簧压在分火头的导电片上。分电器盖中央插孔的周围均布有与气缸数相同的旁插孔，通过插入高压分线与各缸火花塞相连。旁插孔内连接着旁电极，工作时，分火头和断电器凸轮一起旋转，当断电器触点刚刚张开时，点火线圈次级产生的高压电经分火头导电片跳至与其相对的旁电极，再经高压分线送至火花塞电极。3．电容器电容器的作用是：当触点分开时可减小触点间的火花，防止触点烧蚀；同时，由于电容器能吸收触点分开时的电能，使初级电流迅速切断，提高了磁场变化的速率，从而提高次级电压。电容器容量一般为0.15～0.35μF。当电容器容量过小时，触点间的电弧放电增强，点火能量损失增大，触点烧蚀加重；当电容器容量过大时，触点火花减小，但电容器充放电的周期较长，磁通变化的速率降低，使次级电压下降。由于电容器工作时要承受触点打开瞬间初级绕组产生的200～300V的自感电动势，因此要求其耐压为500V，电容器在20ºC时，绝缘电阻应不低于50MΩ。4．点火提前调节装置（1）离心点火提前调节机构离心点火提前调节机构随发动机转速的变化自动调节点火提前角装置，发动机转速越高，最佳点火提前角越大。这是因为发动机转速升高时，在单位时间内，活塞将移动较大距离，曲轴也相应地转过较大的角度，如果混合气燃烧速率不变，则最佳点火提前角应按线性规律增长。但当转速升高到一定程度时，由于混合气的压力和温度的提高,使燃烧速度也随之加快，因此最佳点火提前角随发动机转速的升高呈非线性增大。离心提前机构安装在断电器固定底板的下面，其结构如图3-5所示。在分电器轴8上固定有托板6，两个离心块1分别套在托板的柱销5上，可绕柱销转动。离心块的另一端由弹簧7拉向轴心。断电器凸轮及拨板3为一体，套装在分电器轴上，拨板的矩形孔套在离心块的销钉4上，受离心块驱动。当分电器轴转动时，离心块上的销钉即通过拨板带动断电器凸轮相对分电器轴转动一个角度。离心提前机构的工作原理如图3-6所示。当发动机转速升高时，离心块的离心力逐渐增大，克服弹簧拉力使离心块向外甩开。离心块上的销钉便推动拨板带着断电器凸轮顺着分电器轴旋转的方向向前转过一个角度，使断电器凸轮提前顶开触点，点火提前角增大。转速越高，离心块的离心力越大，离心块甩开的程度就越大，点火提前角也就越大。反之，当转速降低时，离心力减小，弹簧便拉动离心块，拨板和断电器凸轮逆着分电器轴旋转的相反方向向后退回一个角度，使点火提前角减小。两个离心块上的弹簧弹性不同。粗而强的弹簧，安装后成为自由的状态，细而弱的一根安装后略略拉紧。在低速范围内，只有细弹簧起作用，当转速提高到一定程度后，两根弹簧同时起作用，以便点火提前角开始成正比增大，以后又趋向平缓，即点火提前角与转速不是线性关系，使之更符合发动机转速变化时对点火提前角的要求。离心提前机构的工作特性如图3－7所示。图3-5离心点火机构图3-5离心点火机构3-6离心点火机构的工作原理3-6离心点火机构的工作原理3-7离心点火机构的工作特性3-7离心点火机构的工作特性（2）真空提前机构。真空提前机构是随发动机负荷的大小不同而自动改变点火提前角的装置。它是用改变触点与凸轮的相对位置关系的方法来进行调节的，在同一转速下，随着发动机负荷的增大，最佳点火提前角将随之减小。这是由于发动机负荷大即节气门开度大时，吸入气缸的混合气量增多，压缩行程终了时的压力和温度增高，残存废气量相对减小，使燃烧速度加快（即火焰传播速度加快），因此最佳点火提前角应随负荷增大而减小。真空提前机构装在分电器壳体的外侧，内部构造如图3-4b所示。壳内装有膜片16，将其内部分成两个腔室，位于分电器壳体一侧的腔室与大气相通，另一腔室用管子与化油器混合室相通（接到化油器下体空气管上的一个专设的小通气孔，该孔在节气门怠速开度时，正处于节气门前方，与怠速过渡喷孔邻近）膜片中心固装着拉杆15，拉杆的另一端困装一销钉，断电器活动底板就套装在拉杆的销钉上，因此拉杆运动可带动断电器活动底板转动。转动的最大角度由固定底板上的长形孔限制。平时在膜片右方弹簧18的作用下，膜片拱向分电器一侧，并通过拉杆，带动断电器活动底板处于某一位置。真空提前机构的工作原理如图3－8a所示。当发动机负荷小时，节气门开度小，小孔位于节气门之下，小孔处的真空度较大，吸动膜片，克服弹簧张力向右拱曲，拉杆拉动活动底板并带着断电器触点逆分电器旋转方向转动一定角度，使触点提前打开，点火提前角增大。当发动机负荷增大即节气门开度增大时（如图3－8b所示），小孔处真空度减小，吸力下降，在弹簧张力的作用下，膜片向左拱曲，拉杆带动活动底板顺着凸轮旋转方向转动一定角度，使点火提前角自动减小。发动机在怠速时，如果点火提前角较大，将使怠速运转不稳，因此化油器空气道中的小孔此时位于节气门的上方，该处的真空度几乎为零，在弹簧力作用下，推动膜片使点火提前角减小或基本不提前，满足怠速时的要求。真空提前机构的工作特性如图3-9所示图3-8真空提前机构的工作原理图3-8真空提前机构的工作原理图3-9真空提前机构的工作特性图3-9真空提前机构的工作特性（3）辛烷值选择器。辛烷值选择器的作用是根据燃油辛烷值的不同，由人工调节点火提前角，也称人工调节器。辛烷值选择器安装在分电器下部的壳体上，通过转动分电器的壳体来带动触点，使触点与分电器轴作相对移动，从而改变点火提前角。当燃用高牌号（即辛烷值大）的汽油时，逆着分电器轴旋转方向转动分电器壳体，点火提前角增大；反之，当燃用低牌号汽油时，则顺着分电器轴旋转方向转动分电器壳体，点火提前角减小。三、火花塞火花塞的作用是将点火线圈产生的点火高压引人发动机的燃烧室，在其电极间隙中形成电火花，点燃混合气。图3-10火花塞的结构图3-10火花塞的结构（1）火花塞的结构。火花塞的结构如图3-10所示，在钢质壳体5的内部固有陶瓷绝缘体2。在绝缘体中心孔的上部装有金属杆3，金属杆上端有接线螺母1，用来连接高压导线，下部装有中心电极10。金属杆3与中心电极10之间用导体玻璃6密封，铜制内垫圈4和8起密封和导热作用，壳体5上部的外侧，制成六角平面以便于拆装，下部的螺纹安装在发动机气缸盖的火花塞孔内，壳体下端固定有弯曲的侧电极9。中心电极和侧电极一般都是分别采用不同的镍锰合金或贵金属合金制成的，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能。火花塞的电极间隙一般为0.6～0.7mm。采用高能电子点火装置，其火花塞间隙可增大至1.0～1.2mm。（2）火花塞的热特性。要使火花塞能正常工作，其绝缘体裙部的温度应保持在500～750ºC，使落在绝缘体上的油滴立即烧掉，不致形成积炭，该温度为火花塞的“自净温度”。如果绝缘体裙部的温度低于自净温度，就会引起火花塞积炭；若温度过高，则混合气与炽热的绝缘体接触时，会引起炽热点火而产生形成早燃、爆燃等现象。影响火花塞裙部温度的主要因素是裙部长度。裙部越长，受热面积越大，散热路径越长，散热困难，则裙部温度越高，称为热型火花塞；反之，裙部越短，裙部温度越低，称为冷型火花塞。热型火花塞适用于功率小、转速和压缩比低的发动机；冷型火花塞适用于功率大、转速高和压缩比大的发动机。

第四章汽车电子控制系统概述第一节汽车电子技术的发展背景汽车既可作为生产运输的生产用品，又可作为代步、休闲、旅游等消费用品，汽车技术的发展是人类文明史的见证。随着社会、经济的发展，汽车成为人类密不可分的伙伴。当然，汽车的发展也带来了一些负面的影响，如随着汽车保有量的增加，交通条件、安全、环境污染也成了日益严重的问题。汽车的安全、环保和节能是当今汽车技术发展的主要方向。一、安全、环保和节能推动了汽车技术的发展汽车的安全性是人类社会的一大祸害，车辆的制动安全性、驱动安全性与行驶安全性是道路交通安全事故的三大主要根源。全世界每年由于交通事故死亡约50万人，排在人类死亡原因的第10位；我国目前每年因交通事故死亡占全国总死亡人数的1.5%，约每年10万人。为此，科技人员从汽车的主动安全性和被动安全性两个方面着手，设计了防滑控制系统、车辆姿态控制系统、智能防撞预警与应急保护系统、碰撞后的保护系统等一系列电子控制装置。HC和NOx混合在一起，在强烈的阳光照射下，会发生一系列光化学反应，产生臭氧和各种化合物。臭氧（O3）具有很强的氧化性和毒性。1963年美国洛杉矶地区发生了光化学烟雾事件，促使各国对大气污染的重视研究。据统计，城市大气污染物一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）的主要污染源是汽车排气。因此，世界各国都相继制订了日益严格的汽车排放物限制法规。此外，随着汽车保有量的增加，汽车噪声也是环境保护的重点治理对象。于是，现代轿车普遍装有喷油与点火控制、废气再循环及三元催化等发动机尾气控制装置。人们还在降低机械噪声、隔振、隔音等方面进行了大量的实验与改进工作。进入二十世纪70年代，全球的石油危机，使汽车节能问题受到世界各国高度重视，汽车耗油量被相应的法规限制，并成为汽车报废的一个主要标志。到二十世纪末，美国政府提出了耗油为3L/100km的“3升车”计划。传统的化油器等发动机部件虽然有了很大的改进，仍然满足不了排放和油耗两大法规的要求。可见，传统技术已无能为力，只有采用汽油喷射及电子点火等易于应用的电子控制新技术，才能有所突破。二、电子信息技术的发展推进了汽车技术向集成与智能迈进汽车技术特别是汽车电子控制技术在世界较发达国家发展迅猛，其先决条件是电子技术和计算机技术的迅猛发展。二十世纪物理学的革命，促使半导体技术的迅速发展，尤其是集成电路（IC）和大规模集成电路（LSI）及超大规模集成电路（VLSI）的发展，使电子元件过渡到了功能块和微型计算机，不仅功能极强，而且价格便宜，可靠性好，结构紧凑，响应敏捷，迅速推动了汽车电控技术的发展。由于电子信息技术的发展，以及近年来嵌入式系统、局域网CAN（ControllerAreaNetwork）和数据总线DB（DataBus）技术的成熟，汽车电子控制系统的集成成为汽车技术发展的必然趋势。原先单一项目控制的燃油喷射控制、点火控制、排放控制、自动变速控制等，发展成为多功能的集成控制系统。如：发动机的电子控制技术是从控制点火时刻开始的，上世纪九十年代初发展到汽油喷射、点火控制、排放控制等多项内容复合的发动机集中控制系统；上世纪末又将发动机控制、驱动防滑控制系统等复合,成为动力控制系统或牵引控制系统（TCS,TractionControlSystem）。又如：戴姆勒—克莱斯勒公司(Daimler—Chrysler)的测控一体化制动系统（SBC，SensotronicBrakeControl），把制动踏板行程、转向角度、轮速、车速等信号集合，通过制动防抱死（ABS，Anti—LockBrakeSystem或AntilockBrakingSystem）或电子稳定控制程序（ESP，ElectronicStabilityProgram)系统控制制动过程。传感技术和计算机技术的发展，加快了汽车的智能化进程。日本丰田公司（Toyota）和德国德科电子公司（Delco）联合开发的智能车速控制系统，驾驶员可以选择滞后前车一定的时间（1.8s、2.0s、2.4s），通过前保险杠的雷达传感器测距来控制，并与前车保持一定的距离。德国德尔福电子系统公司（Delphi）的热管理系统，把信号送入系统中央控制器后，可以根据乘员的衣着和心理反应进行自动调节气流温度、流量、流动方向等，满足各个乘员的舒适性。智能汽车导航系统集合了嵌入式计算机、彩色显示器和卫星定位系统（GPS）等技术，由于“蓝牙技术”（Bluetooth）的应用，预计卫星定位这项技术将在我国得到迅速推广。网络化是未来车辆的必然选择，集发动机控制、底盘控制、车身控制、以及安全、通讯、娱乐等于一体的网络汽车的出现也是指日可待。图4-1、图4-2为近期构建的车辆网络系统。图4-1四层网络结构图4-2网络层次的发展三、汽车电子技术应用的优越性由于电子技术、计算机技术和信息技术等新技术的发展和应用，汽车电子控制在控制的精度、范围、适应性和智能化等多方面有了较大发展，实现了汽车的全面优化运行。因此，在降低排放污染、减少燃油消耗、提高安全性和舒适性等方面，电子控制汽车有着明显的优势。1．减少汽车修复时间汽车电气设备的故障约占汽车总故障的1/3。由于汽车构造比较复杂，零部件比较多，工作环境不可控制（如道路条件，环境的温、湿度），加上人为的因素，所以汽车的可靠性差，无故障间隔时间短；随着电气设备在汽车零部件中比例的增加，电气设备的故障率还会提高。由于电子控制汽车均装有自诊断系统，提高了故障诊断的速度和准确性，从而缩短了汽车的修复时间，带来很好的社会效益和经济效益。2．节油汽车发动机采用电子综合优化控制，与传统的化油器式发动机相比，可以节约燃油消耗10%~15％左右。汽车是一个较复杂的多参数控制的机械，而且行驶条件随机变化。对其采用优化控制后，计算机可以对控制对象的有关参数（如温度、气体压力、转速、排气成分）进行适当采样，然后进行数据处理，最终控制汽车的执行机构，这样便可使汽车在最佳工况下工作，以达到节油目的。发动机各部件的优化控制主要有：电子控制点火装置、电子控制汽油喷射和混合气浓度控制装置等，此外还有发动机闭缸控制节油装置、怠速控制、废气再循环控制和爆震控制等优化控制。3．减少空气污染用传感器控制的发动机空燃比闭环控制系统，可以保证空燃比处于理论空燃比附近工作。若加装废气再循环和三元催化净化等装置，不但可以节约燃油，而且废气中碳氢化合物（HC）的体积分数可降低40％，氮氧化合物（NOx）的体积分数可降低60%左右。4．减少交通事故电子技术在汽车安全方面得到应用后，使整车的安全性能提高。交通事故主要由人的主观因素和客观因素所造成，减少人的主观因素造成事故的电子装置有：防止酒后驾车和驾驶员磕睡的电子装置、检查人的心理状态和反应时间的电子装置等；减少由于客观原因造成事故的电子装置有：电子控制防滑装置、智能驾驶信息系统、汽车主要参数报警装置和安全气囊等。5．提高乘坐舒适性汽车的舒适性包括平顺性、噪声控制、空气温度和湿度调节以及居住性等。通常所说的乘坐舒适性，主要是指乘客对振动的适应程度。振动主要由路面、轮胎、发动机和传动系通过不同途径传递到人体，其振动的幅度和频率对人体影响较大。采用电子技术后，可以根据汽车的运行情况和路况适时控制减振器的阻尼等参数，从而提高乘坐舒适性。车内温度、湿度、灯光等，可根据环境条件及人的要求自动控制在合适的程度。目前，发达国家的轿车电子产品应用已占车价的25%以上，随着量子力学的重大发现和纳米技术的推广应用，还将进一步推进汽车技术的发展。预计高级轿车在近10年内电子器件将达到轿车总成本的40%，电子器件消耗的顶峰功率也将由目前的2kw~3kw增长到8kw~10kw。。由于汽车电器设备的广泛应用，按8kw计算，14V的汽油车电器系统（蓄电池12V）电流将达570A。因此，美、欧等汽车制造商和零部件供应商已在讨论12/14V向36/42V汽车电器系统转化，预计42V汽车电器系统的应用已为时不远了。表4-1列出了现代汽车上应用较多的汽车电子控制系统。表4-1现代汽车电子控制系统第二节汽车电子控制系统的一般组成一、电子控制系统的一般组成电子控制系统就是应用控制装置自动地、有目的地控制、操作机器设备或过程，使之有一定的状态和性能。典型的工程控制系统如图4-3所示。自动控制系统一般由检测反馈单元、指令及信号处理单元、转换放大单元、执行器和动力源等几部分组成。图4-3电子控制系统的一般组成1．检测反馈单元该单元的功用在于通过各种传感器检测受控参数或其它中间变量，经放大、转换后用以显示或作为反馈信号。2．指令及信号处理单元该单元接受人机对话随机指令或定值、程序指令，并接受反馈信号，一般具有信号比较、变换、运算、逻辑等处理功能。传统的指令及信号处理单元多采用模拟电路，随着微电子技术和计算机技术的发展，为工程控制系统提供了采用数字计算机指令和信号处理单元的可能性。汽车上所用的指令及信号处理单元多为微处理机。3．转换放大单元该单元的作用是将指令信号按不同方式进行相互转换和线性放大，使放大后的功率足以控制执行器并驱动受控对象。4．执行器执行器直接驱动受控对象的部件，可以是电磁元件，如电磁铁、电动机等；也可以是液压或气动元件，如液压或气压工作缸及马达。为了使驱动特性与受控对象的负荷特性相互匹配，还可附加变速机构，如液压马达和行星齿轮传动的组合。5．动力源动力源为各单元提供能源，通常包括电气动力源和流体动力源两类。二、自动控制系统的分类工程自动控制系统的分类方式很多，一般有以下几种。1．按控制系统有无反馈环节分类（1）开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响（即无检测反馈单元），则称为开环控制系统。开环控制系统的控制精度完全取决于各单元的精度，因此，它主要使用在精度要求不高并且不存在内外干扰的场合。但开环控制系统结构简单，且一般不存在稳定性的问题。（2）闭环控制系统系统的输出通过检测反馈单元返回来作用于控制部分，形成闭合回路，这种控制系统就称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。其优点是能够自动纠正外部干扰和系统内参数变化引起的偏差，这样就可以采用精度不太高而成本较低的元件，组成一个较为精确的控制系统。但是闭环控制系统也有它的缺点。由于闭环控制系统是以偏差消除偏差的，即系统要工作就必须有偏差存在，因此这类系统不会有很高的精度。同时，由于组成系统的元件有惯性、传动链的间隙等因素存在，如配合不当，将会引起反馈控制系统的振荡，从而系统不能稳定工作，精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环控制系统存在的主要矛盾。2．按输入量变化的规律来分类（1）恒值控制系统恒值控制系统的特点是，系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应地保持恒定值。它是一种最常见的自动控制系统，如自动调速系统、恒温控制系统、恒张力控制系统等，都属于恒值控制系统。（2）随动控制系统随动控制系统的特点是，输入量是变化的（有时是随机的），并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化，故随动系统又称为伺服系统或跟踪系统。它广泛地应用于飞机、舰船、武器（火炮、导弹）和雷达等的运动控制。（3）过程控制系统该系统的输出量是按给定的时间函数实现控制的。这类系统广泛地应用于化工、冶金、造纸、食品等工业的工艺过程参数控制，如温度、压力、流量、液位、pH值等。过程控制系统也可称为程序控制系统，往往内含伺服控制系统。以上三种控制系统都是闭环控制系统。3．按系统传输信号对时间的关系分类（1）连续控制系统连续控制系统的特点是，控制作用的信号是连续量或模拟量。如随动系统就是连续控制系统，因为作用于系统的信号是模拟量。（2）离散控制系统又称采样控制系统。它的特点是，作用于系统的控制信号是连续量、数字量或采样数据量。通常采样数值计算机控制的系统都是离散系统。4．按系统输出量和输入量的关系分类（1）线性系统线性系统的特点是，系统的输出量和输入量的关系是线性的，它的各个环节或系统都可以用线性微分方程来描述，可以应用叠加原理和拉氏变换解决线性系统中的问题。（2）非线性系统非线性系统的特点是，其中的一些环节具有非线性性质（例如出现饱和死区、滞环等）。它们往往要采用非线性的微分方程来描述。此外，叠加原理对非线性系统是不适用的。另外，按系统主要组成元件的物理性质，可将控制系统分为电气控制系统、液压控制系统和电一液控制系统。5．简化的汽车电子控制系统模型从控制原理来看，汽车电控系统可以简化为传感器、ECU和执行器三大组成部分。传感器是感知信息的部件，功用是向ECU提供汽车运行状况和发动机工况等。ECU接收来自传感器的信息，经信息处理后发出相应的控制指令给执行器。执行器即执行元件，其功用是执行ECU的专项指令，从而完成控制目的。传感器、ECU和执行器三部分相互间的工作关系如图4-4所示。图4-4传感器、ECU和执行器之间的工作关系三、汽车电子控制系统简介汽车电子控制系统可以分为以下四个部分：1）发动机和动力传动集中控制系统。包括发动机集中控制系统、自动化变速控制系统、制动防抱死和牵引力控制系统等；2）底盘综合控制和安全系统。包括车辆稳定控制系统、主动式车身姿态控制系统、巡航控制系统、防撞预警系统、驾驶员智能支持系统等；3）智能车身电子系统。自动调节座椅系统、智能前灯系统、汽车夜视系统、电子门锁与防盗系统等；4）通讯与信息/娱乐系统。包括智能汽车导航系统、语音识别系统、“ONSTAR”系统（具有自动呼救与查询等功能）、汽车维修数据传输系统、汽车音响系统、实时交通信息咨询系统、动态车辆跟踪与管理系统、信息化服务系统（含网络等）等。下面简单介绍一下目前较多见且较成熟的部分地区汽车电子控制装置。（一）发动机控制部分1．电控点火装置（ESA）该系统可使发动机在不同转速、进气量等因素下，在最佳点火提前角工况下工作，使发动机输出最大的功率和转矩，而将油耗和排放降低到最低限度。该系统分为开环和闭环两种控制。电控点火装置闭环控制系统通过爆震传感器进行反馈控制，其点火时刻的控制精度比开环高，但排气净化差些。2．电控汽油喷射(EFI)该系统根据各传感器输送来的信号，能有效控制混合气空燃比，使发动机在各种工况下空燃比达到较佳值，从而实现提高功率、降低油耗、减少排气污染等功效。该系统可分为开环和闭环两种控制。闭环控制是在开环控制的基础上，在一定条件下，由计算机根据氧传感器输出的含氧浓度信号修正燃油供给量，使混合气空燃比保持在理想状态下。3．废气再循环控制（EGR）该系统是将一部分排气中的废气引入进气侧的新鲜混合气中再次燃烧，以抑制发动机有害气体氮氧化合物的生成。该系统能根据发动机的工况适时地调节参与废气再循环的废气循环率，以减少排气中的有害气体氮氧化合物。它是一种排气净化的有效手段。4．怠速控制（ISC）该系统能根据发动机冷却液温度及其它有关参数，如空调开关信号、动力转向开关信号等，使发动机的怠速处于最佳状态。除以上控制装置外，发动机部分的控制内容还有：发动机输出、冷却风扇、发动机排量、气门正时、二次空气喷射、发动机增压、油气蒸发控制及系统自诊断等。另外，随着计算机技术的进一步发展，计算机将会在现代汽车上承担更重要的任务，如控制燃烧室的容积和形状、控制压缩比、检测汽车零件逐渐增加的机械磨损等。（二）底盘控制部分1．电控自动变速器（ECT）该装置有多种形式。它能根据发动机节气门开度和车速等行驶条件，按照换档特性精确地控制变速比，使汽车处于最佳档位。该装置具有提高传动效率、降低油耗、改善换档舒适性、提高汽车行驶平稳性以及延长变速器使用寿命等优点。2．防滑控制系统防滑控制包括制动防抱死（ABS）、牵引控制（TCS）、驱动防滑（ASR）和车辆横向稳定性控制系统（VSC）。该系统可以提高制动效能，防止汽车在制动、起步、驱动和转弯时产生侧滑，是保证行车安全和防止事故发生的重要措施。3．电子控制动力转向电子控制动力转向的型式较多，目前汽车动力转向的发展趋势为四轮转向系统。它们分别显示出不同的优越性，如有的可获得最优化的转向作用力特性、最优化的转向回正特性，改善行驶的稳定性以及发挥节能和降低成本的作用；有的主要是为了提高转向能力和转向响应性；有的主要用来改善高速行驶时的稳定性。目前电控前轮动力转向较普及，通过控制转向力，保证汽车原地或低速行驶时转向轻便，而高速行驶时又确保安全。4．电控悬挂(TEMS)该系统能根据不同的路面状况，控制车辆高度，调整悬挂的阻尼特性及弹性刚度，改善车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐舒适性。5．巡航控制系统(CCS)该系统又称恒速行驶系统。汽车在高速公路上长时间行驶时，打开该系统的自动操纵开关后，恒速行驶装置将根据行驶阻力自动增减节气门开度，使汽车行驶速度保持一定。该系统可以减轻驾驶员长途驾驶之疲劳。（三）行驶安全系统1．安全气囊（SRS)该系统是国外汽车上一种常见的被动安全装置。在车辆相撞时，由电控元件用电流引爆安置在方向盘中央（有的在仪表盘板杂务箱后边也安装）等处气囊中的渗氮物，迅速燃烧产生氮气，瞬间充满气囊。气囊的作用是在驾驶员与方向盘之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞击而受伤。此装置一定要与安全带配合使用，否则效果大为降低。2．雷达防撞系统该系统有多种形式。有的在汽车行驶中，当两车的距离小到安全距离时，即自动报警，若继续行驶，则会在即将相撞的瞬间，自动控制汽车制动器将汽车停住；有的是在汽车倒车时，显示车后障碍物的距离，有效地防止倒车事故发生。3．驱动防滑控制系统（ASR）该系统是在制动防抱死系统的基础上开发的，两系统有许多共同组件。该系统装置利用驱动轮上的转速传感器，当感受到驱动轮打滑时，控制元件便通过制动或通过油门降低转速，使之不再打滑。它实质上是一种速度调节器，可以在起步和弯道中速度发生急剧变化时，改善车轮与地面间的附着力，提高其安全性。该系统装置在雪地或湿滑路面上，较能发挥其特性。4．安全带控制系统该系统在汽车发生任何撞击的情况下，可瞬间束紧安全带。有的汽车上只有当计算机确认驾驶员和乘客安全带使用正确无误时，发动机才能被起动。5．前照灯控制系统该系统可在前照灯照明范围内，随着方向盘的转动而转动，并能在会车时自动启闭和防眩。除上述装置外，已经开发出各种各样的安全装置，如自动门窗装置、车门自动闭锁装置、防盗装置、车钥匙忘拔报警装置和语言开门（无钥匙）装置等。（四）信息系统随着电子化的发展，汽车信息系统越来越庞大，远远超出如车速、里程、冷却液温度、油压等相关范围，逐渐向全面反映车辆工况和行驶动态等功能发展。科目繁多的信息装置正在源源不断地进入汽车领域。1．信息显示与报警系统该系统可将发动机的工况和其它信息参数，通过微处理机处理后，输出对驾驶员更有用的信息，并用数字显示、线条显示或声光报警。显示的信息除冷却液温度、油压、车速、发动机转速等常见的内容外，还有瞬时耗油量、平均耗油量、平均车速、行驶里程、车外温度等。根据驾驶员的需要，可随时调出显示这些信息。监视和报警的信息主要有：燃油温度、冷却液温度、油压、充电、尾灯、前照灯、排气温度、制动液量、手制动、车门未关严等。当出现不正常现象或自诊断系统测出有故障时，立即由声光报警。2．语言信息系统过去一般信息显示都是靠驾驶员查看仪表，用视觉感知，这样容易造成遗漏。现在出现了语言信息，包括语音报警和语音控制两类。语音报警是在汽车出现不正常情况，如冷却液温度、水位、油位不正常，制动液不足和蓄电池充电值偏低等情况时，计算机经过逻辑判断，输出信息至扬声器，发出模拟人的声音向驾驶员报警，如“水位不正常”、“请加油”等，多数还同时用灯光报警。语音控制是用驾驶员的声音来指挥和控制汽车的某个部件、设备进行动作。3．车用导航系统与定位系统该系统是近几年研究的新课题。它可在城市或公路网范围内，定向选择最佳行驶路线，并能在屏幕上显示地图，表示汽车行驶中的位置，以及到达目的地的方向和距离。这实质是汽车行驶向智能化发展的方向，再进一步就可成为无人驾驶汽车。4．通信系统这方面真正使用且采用最多的是汽车电话，在美国、日本、欧洲等发达国家较普及。目前的水平在不断地提高，除车与路之间，车与车之间，车与飞机等交通工具之间的通话外，还可通过卫星与国际电话网相联，实现行驶过程中的国际间电话通信，实现网络信息交换，图像传输等。（五）附属装置1．全自动空调（EA/C）该装置突破单一的空气温度调节功能，根据设计在车内的各种温度传感器（车内温度、大气温度、日照强度、蒸发器温度、发动机冷却液温度等）输入的信号，由计算机进行平衡温度演算，对进气转换风门、混合风门、水阀、加热断电器、压缩机、鼓风机等进行控制；根据乘客要求，保持车内的温度等小气候处于最佳值（人体感觉最舒适的状态）。2．自动座椅该装置是人体工程技术与电子控制技术相结合的产物，它能使座椅适应乘客的不同体型，满足乘客的舒适性的要求。3．音响／音像车内装有立体音响、CD等。放音系统可实现立体声补偿、立体声音响自动选台，显示器实现数码选台。四、ECU的功能与组成1．ECU的功能ECU是一种电子综合控制装置，它所具备的基本功能如下：1）接受传感器或其他装置输入的信息，给传感器提供参考(基准)电压：2V、5V、9V、12V；将输入的信息转变为微机所能接受的信号。2）存储、计算、分析处理信息；计算出输出值所用的程序；存储该车型的特点参数；存储运算中的数据（随存随取），存储故障信息。3）运算分析。根据信息参数求出执行命令数值；将输出的信息与标准值对比，查出故障。4）输出执行命令。把弱信号变为强的执行命令数值；输出故障信息。5）自我修正功能（自适应功能）。在发动机控制系统中，ECU不仅用来控制汽油喷射系统，同时还具有点火提前角控制、怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、自诊断、失效保护和备用控制系统等多项控制功用。在发动机控制系统中，由于使用微机，与以往的模拟电路控制相比，信号处理的速度和容量大大提高，因此，就可以实现多功能的高精度集中控制。2．ECU的组成发动机集中控制系统ECU的组成如图4-5所示。ECU主要由输入回路、A/D转换器（模/数转换器）、微型计算机和输出回路四部分组成。图4-5ECU的组成1-传感器2—模拟信号3—输入回路4—A/D转换器5—输出回路6—执行元件7—微机8—数字信号9—ROM/RAM记忆装置（1）输入回路输入ECU的传感器信号有两种：一种是模