汽车电子与电气设备--汽油机辅助控制系统

第四章汽油机辅助控制系统 本章主要内容 怠速控制系统进气控制系统增压控制系统排放控制系统巡航控制及电控节气门系统冷却风扇及发电机控制系统故障自诊断系统失效保护系统应急备用系统 本章学习要求 掌握怠速控制系统的功能与组成 掌握ISCV的结构与检修 掌握控制阀的控制内容 掌握动力阀控制系统 谐波增压控制系统系统ACIS 可变配气相位控制系统VTEC的结构与工作原理及控制方法 了解增压控制系统的工作原理 掌握EVAP电控系统的工作原理及检修方法 掌握EGR控制系统的工作原理及检修方法 掌握TWC与空燃比反馈控制系统的工作原理 了解巡航控制系统的工作原理和电控节气门系统的功能及工作原理 了解电子风扇 失效保护系统和应急备用系统的工作原理 掌握故障自诊断系统的功能和工作原理 一 怠速控制系统IdleSpeedControlSystem 本节主要内容 怠速控制系统的功能与组成节气门直动式怠速控制器步进电动机型怠速控制阀旋转电磁阀型怠速控制阀占空比控制电磁阀型怠速控制阀开关型怠速控制阀 1 怠速控制系统的功能与组成 功能 用高怠速实现发动机起动后的快速暖机过程 自动维持发动机怠速在目标转速下稳定运转 组成 传感器 ECU 和执行元件 怠速控制方法 怠速控制的实质就是对怠速工况下的进气量进行控制 控制怠速进气量的方法 节气门直动式和旁通空气式节气门直动式通过执行元件改变节气门的最小开度来控制怠速进气量 旁通空气式通过执行元件控制怠速旁通气道的空气量来控制怠速进气量 2 节气门直动式怠速控制器 组成 直流电动机 减速齿轮机构 丝杠机构和传动轴等 大众车节气门直动式怠速控制器 大众车节气门直动式怠速控制器电路图 3 步进电机型怠速控制阀 ECU控制S1通电 转子顺时针转动90度 ECU继续给S2通电 转子再顺时针转动90度 依此类推 当ECU按照S4 S3 S2 S1的顺序通电时 转子逆时针转动 线圈通电一次 转子转动一次的角度称为步进角 步进电机型ISCV构造及工作原理 控制阀的结构与工作原理 怠速控制阀影片 丰田车步进电机型怠速控制阀 实际的步进电机不只4个定子 而是有很多 下图中的步进电机转子每转一步一般为1 32圈 步进电机的工作范围为0 125个步进级 步进电机型怠速控制阀电路 丰田皇冠3 0轿车步进电机型ISCV电路 步进电机型怠速控制阀的检修 拆下控制阀线束连接器 检测B1和B2与搭铁间的电压 为蓄电池电压 熄火后 2 3s内在怠速控制阀附近应能听到内部发出的 嗡嗡 响声 B1与S1和S3 B2与S2和S4之间的电阻 应为10 30 蓄电池正极接B1和B2端子 负极按顺序依次接通S1 S2 S3 S4端子 控制阀应向外伸出 若负极按反方向接通S4 S3 S2 S1端子 则控制阀应向内缩回 S1 S2 S3 S4顺序 S4 S3 S2 S1顺序 怠速控制阀的控制内容 控制内容 起动初始位置的设定起动控制暖机控制怠速稳定控制怠速预测控制电器负荷增多时的怠速控制学习控制 怠速控制阀的控制内容 起动初始位置的设定 关闭点火开关发动机熄火后 电子控制单元ECU的M REL端子向主继电器延续供电2 3s ECU控制步进电机ISCV全部打开 以利于下次起动 起动控制 起动时 ISCV全开 起动顺利 起动后 ECU根据水温的高低控制步进电机 调节控制阀的开度 暖机控制 又称为快怠速控制 暖机时 ECU根据水温的高低控制怠速控制阀的开度 随着水温上升 怠速控制阀开度逐渐减小 怠速稳定控制 ECU将接受道的转速信号与确定的目标转速进行比较 其差值超过一定值时 ECU通过步进电机控制怠速控制阀以调节空气进气量 又称为反馈控制 怠速控制阀的控制内容 怠速提速控制 在怠速时 出现以下情况 ECU控制步进电机将怠速提升 开空调 转方向盘 带动力转向的车 电器负荷增大 如开大灯 风窗加热器 尾灯等 挂前进档 自动变速器汽车 学习控制 由于磨损等原因 怠速控制阀的位置相同时 其实际的怠速转速和设定的目标转速略有不同 此时ECU利用反馈控制使怠速转速回到目标转速 同时将此时的步进电机步数存入ROM中 ECU中有一小电路不断电 以便在以后的怠速控制过程中使用 步进电机ISCV提速控制FLASH动画 丰田车旋转电磁阀型ISCV 4 旋转电磁阀型怠速控制阀 旋转电磁阀型怠速控制阀结构 占空比 脉冲信号的通电时间与通电周期的比值 旋转电磁阀型怠速控制阀工作原理 旋转电磁阀型怠速控制阀电路及其检修 断开线束插头 点火开关ON 但不起动发动机 测量电源端子 B与搭铁之间的电压 应为蓄电池电压 断开线束插头 在控制阀侧测量端子 B与端子RSC及RSO之间的电阻值 正常值应为18 8 22 8 发动机达正常工作温度 变速器空挡 发动机怠速运转 短接TE1与E1端子 发动机转速为1000 1200r min 5s后转速应下降约200r min 5 占空比控制电磁阀型怠速控制阀 丰田车占空比控制电磁阀型ISCV 6 开关型怠速控制阀 丰田车开关型ISCV 二 进气控制系统 目的 提高进气量 改善发动机动力性能 类型 动力阀控制系统 谐波进气增压系统 ACIS 可变配气相位控制系统 VTEC 等多种 动力阀控制系统 是控制发动机进气道的空气流通截面大小 以适应发动机不同转速和负荷时的进气量需求 从而改善发动机的动力性 谐波进气增压系统 利用了进气管内的压力波与进气门的开启配合 当进气门开启时 使反射回来的压力波正好传到该气门附近 从而形成进气增压的效果 提高发动机的充气效率和功率 可变配气相位控制系统 根据发动机转速 负荷等参数变化来控制VTEC机构工作 改变驱动同一气缸两进气门工作的凸轮 以调整进气门的配气相位及升程 并实现单进气门工作和双进气门工作的切换 可变进气管系统影片 控制方式 ECU 真空电磁阀 真空 膜片真空气室 动力阀 动力阀控制系统 在进气量较小的低速 小负荷工况下 使进气道空气流通截面减小 可提高进气流速 从而提高充气效率 改善发动机的低速性能 在进气量较大的高速 大负荷工况下 适当增大进气道空气流通截面 可减少进气阻力 提高进气量 从而改善发动机的高速性能 ACIS基本原理 谐波增压控制系统ACIS 低速时 进气控制阀关闭 压力波传播距离长 发动机低速性能好 高速时 进气控制阀打开 压力波传播距离短 发动机高速性能好 ACIS组成 ACIS控制电路 控制方式 ECU ACIS电磁阀 真空 真空驱动器 进气控制阀 ACIS电磁阀电阻 38 5 44 5 可变配气相位控制系统VTEC 中凸轮升程最大 次凸轮升程最小 主凸轮的形状适合发动机低速时单气门工作的配气相位要求 中凸轮的形状适合发动机高速时双进气门工作的配气相位要求 四个活塞安装处 VTEC工作原理 VTEC工作原理 发动机低速时 电磁阀断电 油道关闭 在弹簧作用下 各活塞均回到各自孔内 三个摇臂彼此分离 此时 主凸轮通过主摇臂驱动主进气门 中间摇臂驱动中间摇臂空摆 不起作用 次凸轮升程非常小 通过次摇臂驱动次进气门微量开闭 以防止进气门附近积聚燃油 配气机构处于单进 双排气门工作状态 发动机高速运转 且发动机转速 负荷 冷却液温度及车速均达到设定值时 电磁阀通电 油道打开 在机油作用下 同步活塞A和同步活塞B分别将主摇臂与中间摇臂 次摇臂与中间摇臂插接成一体 成为一个同步工作的组合摇臂 此时 由于中凸轮升程最大 组合摇臂由中凸轮驱动 两个进气门同步工作 进气门配气相位和升程与发动机低速时相比 气门的升程 提前开启角度和迟后关闭角度均较大 此时配气机构处于双进 双排气门工作状态 三 增压控制系统 功能 根据发动机进气压力的大小 控制增压装置的工作 以达到控制进气压力 提高发动机动力性和经济性的目的 分类 根据增压装置使用的动力源不同 增压装置分废气涡轮增压和动力增压两种 目前多采用废气涡轮增压 典型废气涡轮增压控制系统 四 排放控制系统 汽车排放污染来源 发动机排出的废气 约占65 以上 曲轴箱窜气 约占20 燃料供给系统中蒸发的燃油蒸汽 约占10 20 汽油机的主要污染物 一氧化碳CO 碳氢化合物HC 氮氧化合物NOX汽车排放控制系统 排污治理方法 曲轴箱强制通风PCV系统汽油蒸汽排放EVAP控制系统废气再循环EGR系统三元催化转换器TWC与空燃比反馈控制系统二次空气供给系统热空气供给系统 1 汽油蒸汽排放 EVAP 控制系统 功能 收集燃油箱和浮子室 化油器式汽油机 内蒸发的汽油蒸汽 并将汽油蒸汽导入气缸参加燃烧 从而防止汽油蒸汽直接排入大气而造成污染 同时 还必须根据发动机工况 控制导入气缸参加燃烧的汽油蒸汽量 为了控制燃油箱逸出的燃油蒸汽 电控发动机普遍采用了碳罐 油箱中的燃油蒸汽在发动机不运转时被碳罐中的活性碳所吸附 当发动机运转时 依靠进气管中的真空度将燃油蒸汽吸入发动机中 电子控制单元根据发动机的工况通过电磁阀控制真空度的通或断达到燃油蒸汽的控制 采用燃油蒸汽的控制可减少大气中的HC和节约燃料 机械式EVAP控制系统 电控EVAP控制系统典型布置 控制方式 1 ECU 清污电磁阀 真空 真空控制阀 进气歧管吸入燃油蒸汽2 ECU 清污电磁阀 进气歧管吸入燃油蒸汽 电控EVAP控制系统工作过程 活性炭罐影片 韩国现代轿车EVAP系统 在部分电控EVAP控制系统中 活性碳罐上不设真空控制阀 而将受ECU控制的电磁阀直接装在活性碳罐与进气管之间的吸气管中 控制方式 ECU 清污电磁阀 进气歧管吸入燃油蒸汽 一般维护 经常检查管路是否漏气 滤芯是否堵塞 真空控制阀的检查 拆下真空控制阀 用手动真空泵对真空控制阀施加5kPa的真空度 从活性炭罐侧孔吹入空气应畅通 不施加真空度 吹入空气则不通 电磁阀的检查 拆下电磁阀进气管一侧的软管 用手动真空泵由软管接头给控制电磁阀施加一真空度 电磁阀不通电时应能保持真空度 若电磁阀通以蓄电池电压 真空度应释放 电磁阀电阻的检查 电阻为36 44 EVAP系统的检修 NOX是空气中的氮气与氧气在高温 高压条件下形成的 发动机排出的NOX量主要与气缸内的最高温度有关 气缸内最高温度越高 排出的NOX量越多 EGR控制系统的功能 将适量的废气引入气缸内参加燃烧 从而降低气缸内的最高温度 以减少NOX的排放量 为了保证发动机正常工作和性能不受过多影响 必须根据发动机工况的变化 控制废气再循环量 EGR率 EGR量 吸入空气量 EGR量 100 类型 开环控制EGR系统和闭环控制EGR系统 2 废气再循环 EGR 控制系统 EGR控制系统影片 由负荷控制的EGR系统 由水温和负荷控制的EGR系统 不采用ECU控制的开环EGR系统 控制方式 ECU EGR电磁阀 真空 EGR阀 部分废气进入进气歧管 ECU控制的开环控制EGR系统 组成 EGR阀 EGR电磁阀等ECU根据发动机冷却液温度 节气门开度 转速和起动等信号来控制EGR电磁阀的通电或断电 ECU控制的开环控制EGR系统工作过程 用EGR阀开度作为反馈信号 EGR阀开度传感器工作原理与电位计式节气门位置传感器相同 闭环控制EGR系统 检测实际的EGR率或EGR阀开度作为反馈控制信号来控制EGR系统 这种控制精度更高 EGR控制系统的检修 一般检查怠速时 拆下EGR阀上的真空软管 发动机转速应无变化 用手触试真空管口应无吸力 转速达2500r min以上 同样拆下此真空软管 发动机转速应明显升高 中断了废气再循环 EGR电磁阀的检查测量电阻值 应为33 39 不通电时 从通进气管侧接头吹入空气应畅通 从通大气的滤网处吹入空气应不通 通电时 与上述刚好相反 EGR阀的检查给EGR阀施加15kPa的真空 EGR阀应能开启 不施加真空时 EGR阀应能完全关闭 3 三元催化与空燃比反馈系统 三元催化转换器TWC三元催化转换器也称为触媒转换器 简称触媒 功能 利用转换器中的三元催化剂 将发动机排出废气中的有害气体CO HC和NOX变成无害气体 构造 安装在排气消声器前面 由转换芯子和外壳等构成 转换芯子常用蜂窝状陶瓷作为承载催化剂的载体 在陶瓷载体上浸渍铂 或钯 与铑贵重金属的混合物作为催化剂 TWC影片 影响TWC转换效率的因素 影响最大的是混合气的浓度和排气温度 只有在标准混合气附近 对废气中的有害气体CO HC和NOX的转换效率才最佳 在装用TWC的汽车 一般装用氧传感器检测废气中的氧浓度 并将此信号送给ECU后 对空燃比进行反馈闭环控制 装用TWC后 发动机的排气温度须在300 815 之间 低于300 氧传感器将不能产生正确信号 因此部分氧传感器内有加热线圈 高于815 TWC转换效率下降 氧传感器OxygenSensor O2S 功用 检测排气中的氧浓度 向ECU输送空燃比信号 分类 氧化锆 ZrO2 式和氧化钛 TiO2 式两种 别名 传感器 氧化锆式氧传感器 氧传感器FLASH动画 氧传感器影片 氧化钛式氧传感器 组成 二氧化钛元件 导线 金属外壳和接线端子等 原理 废气中的氧浓度高时 二氧化钛的电阻值增大 废气中氧浓度较低时二氧化钛的电阻值减小 氧传感器电路 两个热型氧传感器两个普通型氧传感器氧传感器外部接线 单线 信号线 外壳接地双线 信号线 接地线三线 电源 加热 信号 外壳接地 四线 电源 加热 信号 接地 丰田LS400轿车氧传感器控制电路 在带氧传感器的EFI系统中 并不是所有工况都进行闭环控制 在起动 怠速 暖机 加速 全负荷 加速断油等工况下 发动机不可能以理论空燃比工作 此时仍采用开环控制方式 EFI系统的闭环控制过程 闭环控制系统影片 TWC及氧传感器的检修 使用注意事项禁用含铅汽油 防止催化剂失效 三元催化转换器固定不牢或汽车在不平路面上行驶时的颠簸 容易导致转换器中的催化剂截体损坏 装用蜂巢型转换器的汽车 一般汽车每行驶80000km应更换转换器心体 装用颗粒型转换器的汽车 其颗粒形催化剂的重量低于规定值时 应全部更换 热型氧传感器加热器的检查对热型氧传感器 测量其加热器线圈电阻 如凌志LS400轿车氧传感器加热器线圈 在20 时电阻为5 1 6 3 氧传感器信号检查连接好氧传感器线束连接器 使发动机以较高转速运转 直到氧传感器工作温度达到400 以上时再维持怠速运转 反复踩动加速踏板 并测量氧传感器输出信号电压 加速时应输出高电压信号 0 75 0 90V 减速时应输出低电压信号 0 10 0 40V 若不符合上述要求 应更换氧传感器 4 二次空气供给系统 作用 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 同时增加TWC的升温 二次空气供给系统不工作的条件 EFI进入闭环控制 水温超过规定 发动机转速和负荷超过规定 ECU发现有故障 控制方式 ECU 二次空气电磁控制阀VSV 真空 二次空气控制阀 新鲜空气 二次空气供给系统影片 二次空气供给系统的检修 低温起动发动机后 拆下空气滤清器盖 应听到舌簧阀发出的 嗡 嗡 声 拆下二次空气供给软管 用手指盖住软管口检查 发动机温度在18 63 范围内怠速运转时 有真空吸力 温度在63 以上 起动后70s内应有真空吸力 起动70s后应无真空吸力 发动机转速从4000r min急减速时 应有真空吸力 拆下二次空气阀 从空气滤清器侧软管接头吹入空气应不漏气 电磁阀的检查 阻值应为36 44 各系统综合示意图 WTS 水温传感器TPS 节气门位置传感器AFS 空气流量计 五 巡航控制及电控节气门系统 一 巡航控制系统巡航控制系统的功能巡航控制系统的组成气动膜片式巡航控制执行元件巡航控制使用注意事项巡航控制系统的使用方法巡航控制系统的检修 匀速控制功能巡航控制车速设定功能滑行功能加速功能恢复功能车速下限控制功能车速上限控制功能手动解除功能自动解除功能自动变速器控制功能快速修正巡航控制车速功能自诊断功能 巡航控制系统的功能 巡航控制系统的组成 组成 操纵开关 安全开关 传感器 巡航控制ECU和执行元件等 气动膜片式巡航控制执行元件 组成 真空输送阀 真空输送电磁阀 真空释放阀 膜片气室和膜片拉杆等 巡航控制使用注意事项 在天气恶劣条件下不要使用 在解除巡航控制模式后 应关闭巡航控制系统的控制开关 在坡道较大或较多的道路上行驶时不要使用 若巡航指示灯闪亮时 说明有故障 请勿使用 ECU是巡航控制系统的中枢 对电磁环境 湿度及机械振动有较高的要求 巡航控制系统的使用方法 设定巡航速度解除巡航控制模式提高巡航控制车速降低巡航控制车速 巡航控制系统的检修 系统工作时 如果ECU在预定的时间内收不到车速信号 或由于操纵开关或执行元件故障而自动解除巡航控制模式 系统指示等闪烁5次 说明巡航控制系统有故障 二 电控节气门系统 电控节气门系统的功能非线性控制怠速控制减小换档冲击控制驱动力控制 TRC 稳定性控制 VSC 巡航控制 电控节气门系统结构 LS400轿车节气门电控系统 电控节气门系统工作原理 发动机ECU根据各传感器输入信号确定最佳的节气门开度 并通过对控制电动机和电磁离合器的控制改变节气门开度 1 冷却风扇控制系统功能 发动机控制ECU根据冷却液温度传感器信号和空调开关信号 通过风扇继电器来控制风扇电动机电路的通断 以实现对风扇的控制 原理 发动机控制ECU控制风扇继电器线圈的搭铁回路 当冷却液温度低于98 时 ECU断开风扇继电器搭铁回路 冷却风扇不工作 当却液温度高于103 时 冷却风扇工作 如果选择空调开关信号 不管冷却液温度多少 风扇始终工作 六 冷却风扇及发电机控制系统 北京切诺基4 0L发动机冷却风扇系统电路图 2 发电机控制系统 功能 根据蓄电池电压信号 控制发电机的输出信号 原理 蓄电池电压信号经端子3输送给ECU ECU控制发电机励磁绕组的搭铁回路以调节磁场强度 从而实现发电机输出电压的控制 1 故障自诊断系统的功能通过自诊断测试判断电控系有无故障 有故障时 指示灯发出警报 并将故障码存储 在维修时 通过一定操作程序可将故障码调出 进行有针对性的检查 当传感器或其电路发生故障时 自动启动失效保护功能 当发生故障导致车辆无法行驶时 自动启动应急备用系统 以保证汽车可以继续行驶 七 故障自诊断系统 2 自诊断系统工作原理 传感器故障自诊断原理若传感器输入ECU的信号超出正常范围 或在一定时间内ECU收不到该传感器信号 或该传感器输入ECU的信号在一定时间内不发生变化 自诊断系统均判断定为 故障信号 例如水温传感器 当传感器向ECU输送的信号电压低于0 3V或高于4 7V 自诊断系统会判断为故障信号 执行元件故障自诊断原理在没有反馈信号的开环控制中 执行元件如有故障 自诊断系统只能根据ECU输出的执行信号来判断 原理与传感器类似 带有反馈信号的闭环控制工作时 自诊断系统还可根据反馈信号判别故障 3 自诊断系统的使用 故障指示灯当检测到有故障时 仪表盘上的故障指示灯 CHECKENGINE 点亮 以警告驾驶员或维修人员 在使用中 点火开关接通 发动机没有起动或起动后的短时间内 故障指示灯点亮是正常现象 当起动后几秒钟内或发动机达到一定转速 一般为500r min 后 故障指示灯应熄灭 故障灯和失效保护系统影片 4 OBD 简介 OBD是ON BOARDDINGOSITICS的缩写 是由美国汽车工程学会 SEA 提出的 经环保机构 EPA 和加州资源协会 CARB 认证通过的 20世纪70年代 汽车电控系统中开始采用了第一代随车诊断系统 OBD I 1994年以后 美国 日本和欧洲的主要汽车制造厂家生产的电控汽车逐步开始采用第二代随车诊断系统 OBD OBD 的主要特点 汽车按标准装用统一的16端子诊断座 并将诊断座统一安装在驾驶室仪表盘下方 OBD 具有数据传输功能 OBD 具有行车记录功能装用OBD 的汽车 采用相同的故障码代号及故障码意义统一 1 失效保护系统的功能在电控系统中 当自诊断系统判定某传感器或其电路出现故障 即失效 时 由自诊断系统启动而进入工作状态 给ECU提供设定的目标信号来代替故障信号 以保持控制系统继续工作 确保发动机仍能继续运转 八 失效保护系统 2 失效保护系统设定的标准信号 冷却水温度信号若冷却水温度传感器或其电路发生故障时 失效保护系统给ECU提供设定的冷却水温度信号 通常按冷却水温度为80 控制发动机工作 防止混合气过浓或过稀 进气温度传感器当进气温度传感器或其电路发生故障时 失效保护系统给ECU提供设定的进气温度信号 通常按进气温度为20 控制发动机工作 防止混合气过浓或过稀 点火确认信号点火系统发生故障造成不能点火 ECU接受不到点火控制反馈的点火确认信号时 失效保护系统使ECU立即切断燃油喷射 使发动机停止运转 节气门位置传感器信号当节气门位置传感器或其电路发生故障时 ECU将始终接受节气门处于全开或全关状态信号 无法对喷油量进行精确控制 此