发动机综合控制系统

第8章发动机综合控制系统

8.1 发动机电子控制系统概述一、 汽车电控技术发展

第一阶段，从20世纪60年代中期到70年代中期，主要是为了改善部分性能而对汽车产品进行的技术改造，如在车上装了晶体管收音机。第二阶段，从20世纪70年代末期到90年代中期，为解决安全、污染、和节能三大问题，研制出电控汽油喷射系统、电子控制防滑制动装置和电控点火系统。第三阶段，20世纪90年代中期以后，电子技术广泛的应用在底盘、车身、和车用柴油发动机多个领域。

二、电控技术对发动机性能的影响1．提高发动机的动力性2．提高发动机燃油经济性3．降低排放污染4．改善发动机的加速和减速性能5．改善发动机的起动性能三、应用发动机上的电子控制系统1. 电子燃油喷射系统（EFI）2. 电控点火系统（ESA）3. 怠速控制系统（ISC）4. 排放控制系统5. 进气控制系统6. 增压控制系统7. 巡航控制系统8. 警告提示9. 自诊断与报告系统10. 失效保护系统11. 应急备用系统四、发动机电控系统的基本组成1. 电控系统的基本组成与类型基本组成

任何一种电子控制系统，其主要组成都可分为信号输入装置、电子控制单元（ECU）和执行元件三部分。信号输入装置（各种传感器）电子控制单元（ECU）执行元件电控系统的基本组成电控燃油喷射系统的电子控制类型：开环控制——ECU根据传感器的信号对执行器进行控制，但不去检测控制结果；闭环控制——也叫反馈控制，在开环的基础上，它对控制结果进行检测，并反馈给ECU。2.传感器的类型及功用1)空气流量计2)进气绝对压力传感器3)节气门位置传感器4)凸轮轴位置传感器5)曲轴位置传感器6)进气温度传感器7)冷却液温度传感器8)车速传感器9)氧传感器10)爆燃传感器11)空调开关12)档位开关13)启动开关14)制动灯开关15)动力转向开关16)巡航控制开关3.电子控制单元（ECU）的基本功能给传感器提供电压，接受传感器和其他装置的输入信号，并转换成数字信号；储存该车型的特征参数和运算所需的有关数据信号确定计算输出指令所需的程序，并根据输入信号和相关程序计算输出指令数值；将输入信号和输出指令信号与标准值进行比较，确定并存储故障信息。向执行元件输出指令，或根据指令输出自身已储存的信息；自我修正功能（学习功能）。4.执行元件的类型喷油器、点火器、怠速控制阀、巡航控制电磁阀、节气门控制电动机、EGR阀、进气控制阀、二次空气喷射阀、活性炭罐排泄电磁阀、油泵继电器、风扇继电器、空调压缩继电器、自诊断显示与报警装置、仪表显示器等8.2发动机电控汽油喷射系统组成和工作原理一、汽油喷射系统概述1、汽油喷射系统的发展20世纪30年代由于军用飞机上，1954年德国奔驰公司在奔驰300SL上装了机械式汽油喷射系统（K型）；20世纪60年代在K型的基础上发展了机电组合式汽油喷射系统（KE型）；20世纪60年代后期，随着电子技术的发展，德国BOSCH公司研制出电控燃油喷射系统（EFIBosch公司燃油喷射系统的发展过程2、电控燃油喷射系统的优点（视频）1.能提供发动机在各种工况下最合适的混合气浓度；2.用排放物控制系统后，降低了HC、CO和NOX三种有害气体的排放；3.增大了燃油的喷射压力，因此雾化比较好；4.在不同地区行驶时，发动机控制ECU能及时准确地作出补偿；5.在汽车加减速行驶的过渡运转阶段，燃油控制系统能迅速的作出反应；6.具有减速断油功能，既能降低排放，也能节省燃油；7.在进气系统中，由于没有像化油器那样的喉管部位，因而进气阻力小；8.发动机起动容易，暖机性能提高。3、电控喷射系统的类型1.

按喷射方式分类

同时喷射

分组喷射

顺序喷射

2.按空气量的计量方式分类

D型电控燃油喷射系统

L型电控燃油喷射系统

3.按喷射位置分类（见视频）

多点喷射系统

单点喷射系统4.按有无信号分类

开环控制系统

闭环控制系统同时喷射将各气缸的喷油器并联，所有喷油器有电脑的同一个指令控制，同时喷油，同时断油。分组喷射将各气缸的喷油器分成几组，同一组喷油器同时喷油或断油。喷油器由电脑分别控制，按发动机各气缸的工作顺序喷油。顺序喷射D型电控燃油喷射系统——在根据进气量和发动机转速确定基本喷油量。——利用空气流量计直接测量发动机的进气量，电脑不必进行推算，可根据空气流量计信号计算与该空气量相应的喷油量。L型电控燃油喷射系统多点喷射系统每缸进气门处装有一个中央喷射装置，由ECU控制喷射。其燃油分配均匀性好，但控制系统复杂，成本高。主要用于中、高级轿车。气门喷油器输油管进气支管单点喷射系统在节气门上方装一个中央喷射装置，由1～2个喷油器集中喷油。采用顺序喷射方式。结构简单，故障少、维修调整方便。广泛的应用于普通轿车和货车。调压器喷油器节气门体位置传感器节气门开环控制系统ECU根据传感器的信号对执行器进行控制，但不去检测控制结果；传感器电子控制单元执行器发动机闭环控制氧传感器闭环控制系统也叫反馈控制，在开环的基础上，它对控制结果进行检测，并反馈给ECU。传感器电子控制单元执行器发动机电控燃油喷射系统的组成空气供给系统燃油供给系控制系统二、空气供给系统（视频1

2）功用：为发动机提供清洁的空气并控制发动机正常工作时的供气量。D型EFI空气供给系L型EFI空气供给系1、空气流量计1）叶片式空气流量计（视频）工作原理来自空气滤清器的空气通过空气流量计时，空气推力使测量板打开一个角度，当吸入空气推开测量板的里与弹簧变形后的回位力相平衡时，叶片停止转动。与测量扳同轴转动的电位计检测出叶片转动的角度，将进气量转换成电压信号VS送给ECU。1、电位计滑臂2、可变电阻3、接进气管4、测量叶片5、旁通空气道6、接空气滤清器（2）热式空气流量计（见视频）20世纪80年代后生产的日本日产公爵轿车和美国福特车系轿车多数采用热式空气流量计，热式空气流量计的主要元件是热线电阻，可分为热线式和热膜式两种类型。控制电路热膜温度传感器防护网工作原理热线电阻RH以铂丝制成，RH和温度补偿电阻RK均置于空气通道中的取气管内，与RA、RB共同构成桥式电路。RH

、RK阻值均随温度变化。当空气流经RH时，使热线温度发生变化，电阻减小或增大，使电桥失去平衡，若要保持电桥平衡，就必须使流经热线电阻的电流改变，以恢复其温度与阻值，精密电阻RA两端的电压也相应变化，并且该电压信号作为热式空气流量计输出的电压信号送往ECU。

A：集成电路；RH：热线电阻RK：温度补偿电阻RA：精密电阻RB：电桥电阻（3）卡门旋涡式空气流量计（见视频）在气流通道中放一个柱体，气体通过时在柱体后产生许多涡旋。按检测分为：超声波检测法和反光镜检测法2、进气管绝对压力传感器（MAP）在D型电控燃油喷射系统中，由进气管绝对压力传感器测量进气管压力，并将信号输入ECU，作为燃油喷射和点火控制的主控制信号。（见视频）3、节气门体功能：节气门体安装在进气管中，来控制发动机正常工况下的进气量。组成：主要由节气门和怠速空气道等组成。节气门位置传感器装在节气门轴上，来检测节气门的开度。有的车上还设有副节气门和副节气门位置传感器4、节气门位置传感器（见视频）作用：检测节气门的开度及开度变化，此信号输入ECU，控制燃油喷射及其他辅助控制。三、燃油供给系统（见视频）功用：供给喷油器一定压力的燃油，喷油器则根据电脑指令喷油。油箱电动燃油泵燃油滤清器压力调节器喷油器燃油压力调节器燃油供给系统元件位置组成：由油箱、电动燃油泵、汽油滤清器、喷油器、压力调节器及燃油分配管等组成。压力调节器汽油滤清器油箱燃油分配管1、电动燃油泵（见视频）

按电动燃油泵的结构不同分为：涡轮式、滚柱式、转子式和侧槽式。涡轮式电动燃油泵结构：主要由燃油泵电动机、涡轮泵、出油阀、卸压阀组成。2、压力调节器（见视频）

作用：稳定燃油管的压力，使它与进气歧管之间的压力差保持恒定的250～300kPa.组成：主要由阀片、膜片、膜片弹簧和外壳组成。3、喷油器工作原理喷油器不喷油时，回位弹簧通过衔铁使针阀紧压在阀座上，防止滴油。当电磁线圈通电时，产生电磁吸力，将衔铁吸起并带动针阀离开阀座，同时回位弹簧被压缩，燃油经

过针阀并由轴针与喷口的环

隙或喷孔中喷出。当电磁线

圈断电时，电磁吸力消失。

回位弹簧迅速使针阀关闭，

喷油器停止喷油。

（见视频）4、冷起动喷油器功用：在发动机冷起动时喷油，以加浓混合气，改善发动机的冷起动性能。原理：发动机起动时，起动继电器线圈通电，触电闭合使蓄电池电压送至冷起动喷油器，正时开关控制冷起动搭铁回路接通，冷起动喷油器喷油。若冷却水温度较高，正时开关则断开，冷起动喷油器不喷油。四、控制系统（见视频）

ECU根据空气流量计信号和发动机转速信号确定基本喷油时间，在根据其他传感器对喷油时间进行修正，并按最后确定的总喷油时间向喷油器发出指令，使喷油器喷油或断油。空气流量计或进气管绝对压力传感器发动机转速传感器其他传感器基本喷油量修正喷油量喷油器1、传感器1、传感器1）温度传感器（见视频）

进气温度传感器（IATS）

功用：给ECU提供进气温度信号，作为燃油喷射和点火正时控制的修正信号。冷却水温度传感器（ECTS）

功用：给ECU提供发动机冷却液温度信号，作为燃油喷射和点火正时控制修正信号。2）发动机转速和曲轴位置传感器（见视频）

检测发动机转速和曲轴转角的位置可分为：电磁式、光电式、霍尔式3）爆燃传感器（见动画）

检测发动机有无爆燃现象，并将信号传送给发动机电控单元检测爆燃使用的方法有检测气缸压力、发动机机体振动及燃烧噪声等，最常用的方法根据发动机机体振动来判断发动机是否产生了爆燃。爆燃传感器安装在发动机机体上，将发动机振动频率转换成电压信号，以检测爆燃强度。2、执行器1）主继电器 采用滑阀型，当接通点火开关时，电流通过主继电器线圈，滑阀被吸引，触点闭合，于是电源向EFI供电。当断开点火开关，主继电器断开，EFI的供电被切断2）断路继电器 控制电动汽油泵电源的继电器，通常仅在发动机运转时接通电路。3、电子控制单元（ECU）

（视频）ECU的功用是采集和处理各种传感器的输入信号，根据发动机工作的要求（喷油脉宽、点火提前角等），进行控制决策的运算，并输出相应的控制信号。当前电控发动机中除了控制喷油外，还控制点火、EGR、怠速和增压发动机的废气阀等，由于共用一个ECU对发动机进行综合控制，所以也被称为发动机管理系统。ECU基本功能：1）接收传感器及其他装置输入的信息2）存储、计算和分析处理信息3）运算分析 4）输出执行命令 5）自我修正功能（自适应功能）五、汽油喷射控制一、喷射正时控制视频（燃油喷射方式）在采用间歇喷射方式的电控燃油喷射系统中，电脑必须控制喷油器喷油的开始时刻，这就是喷油正时控制。其控制目标一般是在进气行程开始前，喷油结束。1）顺序喷射正时控制2）分组喷射正时控制3）同时喷射正时控制（1）顺序喷射正时控制工作原理：ECU根据凸轮轴位置传感器（G信号）、曲轴位置传感器（Ne信号）和发动机的作功顺序，确定各气缸工作位置。当确定各缸活塞运行至排气行程上止点某一位置时，ECU输出喷油控制信号，接通喷油器电磁线圈电路，该缸开始喷油。特点：喷油器驱动回路数与气缸数目相等。（2）分组喷射正时控制特点：把所有喷油器分成2～4组，由ECU分组控制喷油器。工作原理：以各组最先进入作功的缸为基准，在该气缸排气行程上止点前某一位置，ECU输出指令信号，接通该组喷油器电磁线圈电路，该组喷油器开始喷油。（3）同时喷射正时控制特点：所有各缸喷油器由ECU控制同时喷油和停油。工作原理：喷油正时控制是以发动机最先进入作功行程的缸为基准，在该缸排气行程上止点前某一位置，ECU输出指令信号，接通该组喷油器电磁线圈电路，该组喷油器开始喷油。2、喷油持续时间（喷油量）控制目的：使发动机在各种运行工况下，都能获得最佳的喷油量，以提高发动机的经济性和降低排放污染。1）起动时的同步喷油量控制2）起动后的同步喷油量控制3）异步喷油量控制1）起动时的同步喷油量控制在发动机转速低于规定值或点火开关接通位于STA（起动）档时，喷油时间的确定见右图，ECU根据冷却液传感器信号和冷却液温度——喷油时间确定基本喷油时间，根据进气温度传感器对喷油时间作修正（延长或缩短）。然后在根据蓄电池电压适当延长喷油时间，以实现喷油量的进一步的修正，即电压修正。2）起动后的同步喷油量控制喷油持续时间=基本喷油持续时间×喷油修正系数+电压修正D型根据发动机转速信号和进气管绝对压力信号确定基本喷油时间；L型根据发动机转速信号和空气流量计信号确定基本喷油时间。同时,还必须根据各种传感器输送来的各种运行工况信息，对基本喷油量时间进行修正。3）异步喷油量控制起动后异步喷射是指与曲轴转动角度不同步的喷射，例如急加速时的燃油量修正。发动机起动和加速时的异步喷油量是固定，各气缸喷油器以一个固定的喷油持续时间，同时向各气缸增加一次喷油。3、断油控制减速断油控制——当汽车减速时，ECU将会切断燃油喷射控制电路，停止喷油，以降低碳氢化合物及一氧化碳的排放量。限速断油控制——加速时，发动机超过安全转速或汽车车速超过设定的最高车速时，ECU将切断燃油喷射控制电路，停止喷油，防止超速。8.3 发动机怠速控制一、怠速控制系统的功能与组成（见视频）

1.怠速控制系统的功能：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。2.怠速控制系统的组成：如图，主要由传感器、ECU和执行元件三部分组成。1、冷却液温度信号2、A/C开关信号3、空挡位置开关信号4、转速信号5、节气门位置信号6、车速信号7、执行元件1、节气门2、进气管3、节气门操纵臂4、执行元件5、怠速空气道a）节气门直动式b）旁通空气式3.怠速控制的方法怠速控制也就是对怠速工况下的进气量进行控制。控制基本类型有节气门直动式和旁通空气式。节气门直动式怠速控制器（见视频）

主要由直流电动机、减速齿轮机构、丝杠机构和传动轴等组成1、节气门操纵臂2、怠速控制器3、节气门体4、喷油器5、燃油压力调节器6、节气门7、防转六角孔8、弹簧9、直流电动机10、11、13、齿轮12、传动轴14、丝杠原理当直流电动机通电转动时，经减速齿轮机构减速增扭后，再由丝杠机构将其旋转运动转换为传动轴的直线运动。传动轴顶靠在节气门最小开度限制器上，发动机怠速运转时，ECU根据各传感器的信号，控制直流电动机的正反转和转动量，以改变节气门最小开度限制器的位置，从而控制节气门的最小开度，实现对怠速进气量进行控制的目的。2、步进电动机型怠速控制阀3、旋转电磁阀型怠速控制阀4、占空比控制电磁阀型怠速控制阀控制阀的控制内容起动初始位置的设定起动控制暖机控制发动机负荷变化的预控制电器负载增大时的怠速控制学习控制反馈控制发动机转速变化预测控制固定占空比控制8.4 发动机排放控制一、三元催化转换器、氧传感器与闭环控制二、废气再循环控制三、活性炭罐蒸发污染控制1、三元催化转换器（TWC）（见视频）

影响最大的是混合气的浓度和排气温度。只有在理论空燃比14.7附近，三元催化转化器的转化效率最佳，一般都装有氧传感器检测废气中的氧的浓度，氧传感器信号输送给ECU，用来对空燃比进行反馈控制。发动机的排气温度过高（815℃以上），TWC转换效率将明显下降。

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转变为无害气体。2、氧传感器（见视频）

1）氧化锆式传感器2）氧化钛式传感器3）氧传感器控制电路（闭环控制）当实际空燃比比理论空燃比小时，氧传感器向ECU输入的高电压信号（0.75～0.9V）。此时ECU减小喷油量，空燃比增大。当空燃比增大到理论空燃比时，氧传感器输出电压信号将突变下降至0.1V左右，ECU立即控制增加喷油量，空燃比减小。如此反复，就能将空燃比精确地控制在理论空燃比附近一个极小的范围内。二、废气再循环控制EGR功能：将适当的废气重新引入气缸参加燃烧，从而降低气缸的最高温度，以减少NOx的排放量。种类：开环控制EGR系统闭环控制EGR系统（见视频）开环控制EGR系统主要由EGR阀和EGR电磁阀等组成闭环控制EGR系统检测实际的EGR率或EGR阀开度作为反馈控制信号，其控制精度更高。常用EGR率表示EGR的控制量。它用进入气缸的混合气中废气的比例表示。EGR率与发动机动力性、经济性和排放性能有关。EGR率增加过大时，使燃烧速度太慢，燃烧变得不稳定，失火率增加，使HC也会增加；EGR率过小，NOx排放达不到法规要求，易产生爆震，发动机过热等现象。因此EGR率必须根据发动机工况进行控制。EGR的控制策略：增加EGR率可以使NOx排出物降低，但同时会HC排出物和燃油消耗增加。因此在各种工况采用的EGR率必须是对动力性、经济性和排放性能的综合考虑。三、活性炭罐蒸发污染控制也叫汽油蒸气排放（EVAP）控制系统功能收集汽油箱和浮子室内蒸气的汽油蒸气，并将汽油蒸气导入气缸参加燃烧，从而防止气油蒸气直接排出大气而防止造成污染。同时，根据发动机工况，控制导入气缸参加燃烧的汽油蒸气量。（见视频）

EVAP控制系统的组成与工作原理油箱的燃油蒸气通过单向阀进入活性碳罐上部，空气从碳罐下部进入清洗活性碳，在碳罐右上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制阀，排放控制阀上部的真空度由碳罐控制电磁阀控制，电磁阀受控制。1、油箱盖2、油箱3、单向阀4、排气管5、电磁阀6、节气门7、进气门8、真空阀9、真空控制阀10、定量排放孔11、活性碳罐EVAP控制系统的工作原理发动机工作时，ECU根据发动机转速、温度、空气流量等信号，控制碳罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上部的真空度，从而控制排放控制阀的开度。当排放控制阀打开时，燃油蒸气通过排放控制阀被吸入进气歧管。8.5 燃油喷射系统实例一、故障自诊断系统1、故障自诊断系统的功能1）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。2）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；3）当传感器或其电路发生故障时，自动启动失效保护功能；4）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。二、自诊断系统工作原理

1.传感器故障自诊断原理

2.执行元件故障自诊断原理

1.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。2.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。三、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”电亮，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。四、OBD—Ⅱ简介（车载诊断系统）

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—Ⅱ）。OBD一Ⅱ的主要特点：l）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