汽车发动机原理课件：电子控制系统

电子控制系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)和执行元件组成，ECU采集来自空气流量计、进气温度、发动机转速、冷却液温度、节气门位置传感器以及氧传感器等的输入信息，进行实时处理，经过精确计算，发出最佳喷油脉冲信号和最佳点火信号，从而获得最佳的空燃比与点火提前角，达到良好的动力性和经济性，当发动机出现故障时，电子控制系统还有故障诊断功能，可自动诊断故障，保存故障码，并通过故障指示灯输出。图4-34为电控系统主要部件总体构成图。一、传感器传感器是检测发动机工作状态的信息元件，传感器将发动机工作状态提供给ECU，ECU经过逻辑运算和判断，才能知道发动机是处于怠速、加速还是减速，油量是浓还是稀等。进气管压力传感器、空气流量传感器在前面已经做过介绍，在此不再重复，其他常用传感器介绍如下。１.温度传感器电控系统中，进气温度和发动机冷却液温度是对喷油量进行控制和修正的两个温度参数，进气温度传感器是检测发动机吸入空气的温度。为此，进气温度传感器一般与进气量测量装置安装在同一处，冷却液温度传感器感知发动机温度的变化，用以确定发动机的运行状态，控制冷起动喷油器的工作和暖机加浓以及对喷油量的修正。进气温度传感器和冷却液温度传感器都采用热敏电阻式温度传感器，其温度范围相近，测量原理相同，图4-35为冷却液温度传感器的结构和工作特性。热敏电阻式温度传感器的测量电路比较简单，只要把传感器与一个精密电阻串联接到一个稳定的电源上，就能够用串联电阻的分压输出反映温度的变化。２.曲轴位置传感器曲轴位置传感器亦称点火信号发生器，除用于点火正时控制外，还是检测发动机转速的信号源，曲轴位置传感器可分为磁脉冲式、霍尔式、光电式等，可安装在曲轴、凸轮轴、飞轮或分电器上。磁脉冲式曲轴位置传感器由永久磁铁、定时转子、耦合线圈等组成，其工作原理如图4-36所示。转子由导磁好材料制成，装在分电器轴上，转子外缘设有与汽缸数相等且等距离分布的齿，该齿即为定时齿，图中转子有4个齿，分别代表四缸发动机的4个缸，耦合线圈绕在衔铁上，衔铁固定在分电器壳体上，当曲轴带动分电器轴旋转时，由于转子定时齿相对于线圈位置的变化，使线圈内的磁通变化，从而在线圈内产生感应电动势输出。所以，每个定时齿都会引起线圈内磁通由零变到最大，又由最大变到零的周期性变化，根据法拉第电磁感应定律，当回路中的磁通发生变化时，回路中就会产生感应电动热，感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，感应电动势的方向由楞次定律来确定，对应于磁通的变化，每个定时齿都会在线圈内产生一个类似正弦波的感应电动势输出，感应电动势与磁通的波形及它们之间的对应关系如图4-36b)所示。如图4-37所示为可传感曲轴位置信息的霍尔传感器，这类传感器可以将发动机转速和曲轴位置的检测融为一体，转子上的某一个叶瓣的宽度比其余叶瓣小一些，这个叶瓣所对应的脉冲的宽度小一些，而且设计成该脉冲的上升沿在恒速时比其他脉冲的上升延迟一些到来。ECU通过软件识别这个特殊叶瓣的来临，只要装配时确保叶瓣位置同曲轴位置之间固定的相对关系，便能借此感知上止点位置信息，当然同时也能传感转速信息。３.节气门位置传感器节气门位置传感器是把节气门的开度转化成电信号，再传给ECU，ECU根据节气门开度值判定发动机当前的运行工况，根据系统控制精度的要求不同，节气门位置传感器有两种不同的类型。一种是以输出值为开关量的简单开关式传感器，这种传感器由一个可动触点和两个固定触点——功率触点和怠速触点构成，其结构如图4-38所示，可动触点可沿导向凸轮沟槽移动，导向凸轮由固定在节气门轴上的控制杆驱动。当发动机怠速工作时，传感器可动触点与怠速触点接触，怠速工况信号线输出为高电平，当发动机节气门开度大于50％时，另一对功率触点闭合，功率信号线输出为高电平，当发动机节气门开度在怠速和50％之间时，活动触点处于两个触点间，传感器输出线均为低电平。另一种为线性节气门位置传感器，如图4-39所示，这种传感器有两个与节气门轴同轴的触点，一个触点可在基板上滑动，并与基板形成一个电位器，它将节气门开度值转化为电压值，另一个专门用于确定节气门全关位置，提供怠速信号，也称为怠速测量触点。４.氧传感器为了使装有三元催化转化器的发动机达到最佳的排气净化性能，必须把混合气的空燃比保持在理论空燃比附近很窄的范围内，因此在这样的系统中，氧传感器成为必需的装置，氧传感器的作用是检测排气中氧的浓度并转化为电信号反馈给ECU，由ECU根据废气中的含氧量，对喷油量进行修正。目前，最常用的氧传感器是二氧化锆或二氧化钛传感器，二氧化锆(ZrO2

)传感器的结构如图4-40所示。二氧化锆氧传感器的基本元件是专用陶瓷体，即二氧化锆固体电解质管，陶瓷体制成试管状，也称锆管，锆管固定在带有安装螺纹的固定套内，锆管内表面与大气相通，外表面与排气相通，其内外表面都覆盖着一层多孔性的铂膜作为电极，氧传感器安装在排气管上，为了防止排气管内废气中的杂质腐蚀铂膜，在锆管外表的铂膜上覆盖一层多孔的陶瓷层，并加有带槽口的防护套管，在其接线端有一个金属护套，其上开有一孔，使锆管内表面与大气相通。当锆管接触氧气时，氧气透过多孔铂膜电极，吸附于二氧化锆，并经电子交换成为负离子，由于锆管内表面通大气，外表面通排气，其内外表面的氧气分压不同，则负氧离子浓度也不同，从而形成负氧离子由高浓度侧向低浓度侧的扩散，当扩散处于平衡状态时，两电极间便形成电动势，所以二氧化锆氧传感器的本质是化学电池，亦称氧浓差电池。图4-41给出了氧化锆传感器的输出特性，由图可知，当混合气在理论空燃比附近时，氧化锆传感器的输出电压会随着空燃比的改变而急剧变化，从而可以很灵敏地给出相应的控制信号。二氧化钛氧传感器是一种电阻型气敏传感器，它是利用化学反应强，对氧气敏感，易于还原的氧化物半导体材料二氧化钛在与氧气接触时产生氧化还原反应，使晶格结构发生变化，从而导致电阻值发生变化的原理工作的，又称电阻型氧传感器，其结构如图4-42所示。二氧化钛氧传感器由二氧化钛元件、温度补偿热敏元件、外壳、接线端子等组成，二氧化钛是一种在室温下具有很高电阻的半导体，但当排气中氧含量较低(混合气浓)时，二氧化钛的阻值减小，反之，当排气中氧含量较高时，二氧化钛的阻值增大，从而将氧浓度转换成电参数，经过适当的电路处理，就可以获得有用的电信号。５.空燃比传感器空燃比传感器的结构如图4-43所示，与氧传感器相似，空燃比传感器采用了二氧化锆固体电解质来测定排放气体中的氧浓度，用以检测空燃比，这种传感器的特点是在超稀薄燃烧区域进行空燃比反馈控制，与氧化催化剂并用，目的是为了节省燃油。这种传感器结构虽然与氧化锆型氧传感器相似，但是外侧电极和内侧电极之间施加了一定的电压。此时，为达到外侧电极表面的氧量而使氧化锆内的氧离子流动，所以可把它作为电流进行检测，在稀混合气范围内，燃烧废气中的氧浓度与空燃比有关。所以，根据传感器中的电流值，可检测空燃比。另外，为了将检测元件的温度保持在一定值，在传感器内还安装了陶瓷加热器。６.爆震传感器爆震传感器用于检测发动机有无爆震发生，以此实现发动机点火时刻的闭环控制，可以有效地抑制发动机爆震现象的发生。此外，由于闭环控制系统可将发动机的燃烧过程控制在微爆状态，故能有效地提高发动机的工作性能，爆震传感器是点火闭环控制系统中不可缺少的元件。磁滞伸缩式爆震传感器的结构如图4-44a)所示，它是一种电感式传感器，由高镍合金的铁芯、永久磁铁、绕组及外壳等组成，其工作原理是，当发动机发生爆震时，铁芯受振使绕组磁通发生变化，从而产生感应电动热。当传感器的固有振荡频率与发动机爆震时的振动频率相同时，传感器输出最大信号(图4-44b)。图4-45所示为另一种共振型压电式爆震传感器的结构，由图可知，这种爆震传感器由压电元件、振荡片、基座、外壳等组成。压电元件紧贴在振荡片上，振荡片固定在基座上，选择振荡片的固有频率与被测发动机爆震时的振动频率一致，则当爆震发生时两者共振，压电元件有最大谐振输出，该共振型压电式爆震传感器的输出特性如图4-46所示。二、ECUECU是电控汽油喷射系统的核心，内装有微型计算机，发动机工作状态通过传感器反映给ECU，在ECU内存储喷射持续时间、点火时刻、怠速和故障诊断等数据，这些存储的数据与发动机工况以及计算机程序相匹配，ECU利用这些数据和来自发动机上各种传感器的号，经过逻辑运算，又输出控制信号给执行器，通过执行器控制发动机工作状态。电子控制单元(ECU)如图4-47所示，电子控制单元的硬件分成输入极、微型计算机和