汽车电子控制技术

汽车电子控制技术第一章汽车电子控制技术概述第一节汽车电子控制技术开展情况一、汽车电子控制技术的应用情况汽车技术、建筑技术与环境保护是衡量一个国家工业化水平上下的三大标志。80年代以来，提高汽车性能，节约能源和保护环境，主要取决于电子控制技术。在汽车上，电子控制技术的应用概况如图4－1－1所示，主要用于汽车动力性、平安性、舒适性和娱乐通讯信息控制。随着机电一体化汽车和电子化汽车的诞生，汽车汽车电子学和汽车电子控制技术等新科学、新技术正在蓬勃开展。图4－1－1汽车电子控制技术应用概况二、汽车电子控制技术的开展过程汽车控制技术是伴随着汽车法规〔油耗法规、排放法规、平安法规〕要求的提高和电子控制技术的开展而逐步开展到当今控制水平的，其开展过程经历了机械控制、电子电路控制、模拟计算机控制和数字计算机控制等过程。〔一〕发动机电子控制技术的开展过程汽车发动机电子控制技术是借鉴飞机发动机汽油喷射技术而诞生，并伴随电子控制技术的开展和汽车油耗法规、排放法规要求的逐步提高而开展到当今水平的。其开展经历大致如下。1934年，德国采用怀特〔Wright〕兄弟创造的向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术，研制成功第一架采用燃油喷射式发动机的军用战斗机。1952年，德国博世公司〔Bosch〕研制成功第一台机械控制汽油喷射式发动机，汽油直接喷入气缸内，空燃比利用气动式混合气调节器调节，配装在戴姆勒－奔驰〔Daimler-Benz〕300L型赛车上。1958年，博世公司研制成功向进气管内喷射汽油的机械控制汽油喷射式发动机，空燃比采用机械式油量分配器进行调节，配装在梅赛德斯－奔驰〔Mercedes-Benz〕220S型轿车上。1967年，博世公司研制成功K-Jetronic机械控制式汽油喷射系统，电动燃油泵提供的360kPa低压燃油，由燃油分配器分配到各缸进气管上的机械式喷油器，汽油连续喷向进气口，空燃比由挡流板式空气流量计操纵油量分配器中的计量槽进行调节。1982年，在K-Jetronic系统的根底上增设了一个压差调节器、局部传感器和电子控制单元ECU，改良研制成功了KE-Jetronic机电结合式汽油连续喷射系统。1993年以前出厂的奔驰轿车和奥迪轿车，大多数采用了KE-Jetronic系统。最早研制汽车电子燃油喷射装置的是美国苯迪克斯〔Bendix〕公司。该公司于1957年开始试用真空管电子控制系统，根据进气压力、由设在各个节气门前的喷油器与进气行程同步喷油。遗憾的是该专利技术并未付诸实用。1967年，德国博世公司根据美国苯迪克斯公司的专利技术，开始批量生产利用进气歧管绝对压力信号和模拟式计算机来控制发动机空燃比A/F的D型燃油喷射系统〔D－Jetronic〕，装备在德国群众〔Volkswagen〕汽车公司生产的VW－1600型和奔驰280SE型轿车上。率先到达了当时美国加利福尼亚州的排放法规要求，开创了汽油发动机电子控制燃油喷射技术的新时代。D型燃油喷射系统是用电子电路控制喷油器阀门的开启时刻与开启时间。1973年，随着排放法规的要求逐年提高，要求进一步提高控制精度，进一步完善控制功能。博世Bosch公司便在D型燃油喷射系统〔D－Jetronic〕的根底上，改良开展成为L型燃油喷射系统〔L－Jetronic〕。L型喷射系统利用了翼片式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的体积流量，与利用进气歧管绝对压力来间接测量进气量的D型喷射系统相比，检测精度和控制精度大大提高。1973年，美国通用General汽车公司在生产的汽车上，将分立元件式电子点控制器开始改用集成电路IC式点火控制器。1974年，美国通用General汽车公司开始加大火花塞的电极间隙，并采用高能点火装置，并将点火线圈和集成电路式点火控制器安放在分电器壳体内。1976年，美国克莱斯勒Chrysler汽车公司生产的汽车开始研制并在同年装备微机控制点火系统，取名为“电子式稀混合气燃烧系统ELBS”。该系统采用模拟式计算机，根据大气温度、进气温度、发动机冷却液温度、发动机负荷与转速等信号计算出最正确点火时刻，控制200多个参数。1977年，美国通用General汽车公司开始采用微机控制点火系统，取名为MISAR系统。该控制系统由CPU、RAM、ROM、A/D等组成，装备在奥迪斯莫比尔Oldsmobile牌“特罗纳德”轿车上。1977年，美国福特Ford汽车公司与日本东之TOSHIBA公司合作开发出了同时控制点火时刻、废气再循环、二次空气的发动机电子控制EEC系统，并于同年装备在林肯Lincoln牌“凡尔赛”轿车上。1978年，福特公司在EEC微机控制系统的根底上，增加了空燃比反响控制和怠速转速控制等控制内容，控制系统取名为EEC－Ⅱ系统。1979年又进一步完善控制功能，开展成为EEC－Ⅲ系统，80年代又改良开展成为EEC－Ⅳ系统。1978年，美国通用General汽车公也研制成功了同时控制点火时刻、空燃比、废气再循环和怠速转速的微机控制系统，取名为C－4系统。该系统还具有自诊断功能和备用电路。1979年，德国博世Bosch公司在L型燃油喷射系统的根底上，将点火控制与燃油喷射控制组合在一起，并采用数字式计算机进行控制，从而构成当今广泛采用的Motronic控制系统。1979年，日本日产Nissan汽车公司也开发研制成功了能综合控制点火时刻、空燃比、废气再循环和怠速转速的发动机集中控制系统ECCS，该系统具有自诊断功能，装备在公子Cedric牌和荣耀Gloria牌轿车上。1980年，丰田TOYOTA汽车公司开发成功了能综合控制点火时刻、爆震、空燃比、怠速转速，且具有自诊断功能的丰田计算机控制系统TCCS。三菱MITSUBISHI汽车公司也在1980年研制成功了采用卡尔曼旋涡式空气流量传感器的电子控制喷射ECI系统。1981年，德国博世Bosch公司又在L型燃油喷射系统L－Jetronic的根底上，用新颖的热线式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的质量流量，从而取代翼片式空气流量传感器，该系统取名为LH型燃油喷射系统LH－Jetronic。〔二〕变速器电子控制技术的开展过程自动变速器是在机械式变速器、液力变矩器等液力传动技术和电子控制技术的根底上开展而成的。液力传动技术于19世纪初创造于欧洲，最早于1912年将液力变矩器应用在船舶上。由于液力变矩器不仅具有防止发动机过载的作用，而且还能无级地改变转速比和扭矩比，因此迅速在其他领域得到应用，主要用于公共汽车。1930年，英国研制生产了一种三级变矩器应用于公共汽车，1932年，美国通用General也在公共汽车上采用了这种变矩器，1937年又用于内燃机车。第二次世界大战期间，液力变矩器又用于军用汽车和专用汽车。与此同时，美国开始自行研制液力传动技术。最早生产自动变速器的是美国通用公司，于1938年推出了将行星齿轮变速器与液力偶合器组合而成液力自动变速器，采用液压控制自动变速，是现代轿车自动变速器的雏形。1942年，研制成功一种两挡液力机械变速器，其变速器采用了“阿里逊”型双导轮、可闭锁的综合式变矩器。1947年，该公司将液力传动装置用于批量生产的小客车上，并在第二年作为小客车用的标准部件，并逐步应用到该公司生产的其他车型上。1948年，在别克Buick轿车上装备了著名的NYNAFLOW型变速器，这种变速器由单级多相五元件变矩器〔一个泵轮、一个涡轮、三个导轮〕和具有两个前进挡、一个倒挡的行星齿轮变速器组成，采用液压控制，在结构上已接近现代汽车用液力自动变速器。带锁止离合器的锁止式液力变矩器出现于20世纪70年代末期。美国克莱斯勒Chrysler公司1978年投放市场的A-413等型自动变速驱动桥中，就装备有锁止式液力变矩器。早期自动变速器的控制系统均为液压控制。1969年雷诺16AT型汽车装备了液力自动变速器，采用了电子计算机控制自动变速，从而成为电子控制液力自动变速器的先驱。目前，液力自动变速器的变速齿轮机构已由单行星排开展到多行星排，使变速器的挡位数量由两个前进挡增加到三个或四个前进挡。由于液力自动变速器具有许多优点，因此在汽车上应用越来越广泛。美国三大汽车公司液力自动变速器的装车率1982年分别为通用公司：91.7%、福特公司：71.5%、克莱斯勒公司：83.%；1983年分别为通用公司：93.9%、福特公司：74.4%、克莱斯勒公司：86.4%。美国轿车1992年装车率为80%〔其中城市轿车为100%〕。日本生产轿车上液力自动变速器的装车率1982年为26%、1986年为41%、1992年为60%、1993年为75%。〔三〕防抱死制动电子控制技术的开展过程最早应用ABS技术的交通工具是铁路机车。早在20世纪初，由于铁路机车制动时车轮抱死在铁轨上滑行使车轮外圆磨损出一些小平面，因此车轮不能平稳旋转而产生振动和噪声。为了减小振动和噪声，1908年，J.E.Francis设计了一种装置，安装在机车上之后，意外地发现制动距离也缩短了，这就是ABS的雏形。1920年，英国人霍纳摩尔研制成功了ABS技术，并于1932年申请了第一个防滑专利U.K382241。1936年，德国罗伯特·博世RobertBosch公司获得了ABS专利权。该专利技术由安装在车轮上的电磁式车轮速度传感器和控制制动液压力的电磁阀组成。40年代末期，为了缩短飞机着陆时的滑行距离、防止机轮在制动时跑偏、甩尾和轮胎剧烈摩耗，飞机制动系统开始采用ABS，并很快成为飞机的标准装备。汽车上最早采用ABS的是美国福特〔Ford〕汽车公司。1954年，该公司率先把法国生产的民航飞机用ABS应用在林肯Lincoln牌轿车上。1958年，杜尔Dunlop公司利用飞机用ABS原理，开发成功了目前称为四轮两通道低选控制式Maxa-retABS，安装在载货汽车上。该ABS的前轮速度传感器采用机械式，后轮速度传感器采用电磁式。1960年，哈理·福格森·雷斯HarryFergusonReserch公司将Maxa-retABS改造成四通道控制式ABS，并装车试验。1965年该公司向英国杰森Jensen公司提供四通道四轮控制式ABS样机。1966年，该公司将其四轮控制ABS安装于野马V-8型汽车上，并在美国著名的汽车城底特律举行了试车仪式，试坐人员无不为其制动性能良好而惊叹。1960年至1970年间，梅赛德斯·奔驰Mercedes-Benz公司与由德律丰根Telefunken公司和苯迪克斯Bendix公司合并而成的德律克斯Teldix公司联合开发四轮控制式ABS。1970年，罗伯特·博世RobertBosch公司购置了苯迪克斯Bendix公司在德律克斯Teldix公司的股份，并继续开发ABS。1978年，Mercedes-Benz公司生产的450SEL型轿车开始批量选装RobertBosch公司生产的四轮控制式ABS。与此同时，宝马BMW公司生产的BMW7系列轿车也开始批量选装RobertBosch公司生产的四轮控制式ABS。Bosch公司一直在进行ABS技术的研制工作，并获得多项专利，是目前世界上最大的ABS生产公司。该公司不仅给本国的奔驰Benz、宝马BMW、奥迪Audi轿车配套安装ABS,而且还为国外30多个汽车厂的50余种汽车提供ABS，到1995年底，安装BoschABS的汽车已达300多万辆。德国生产ABS的公司还有瓦布克WABCO公司〔该公司从1986年开始在北京设立办事处向我国推广ABS〕、戴维斯Teves公司〔目前国产桑塔纳2000GSi型轿车采用的MK20型ABS就是上海汽车制动系统引进戴维斯公司技术合资生产的〕。日本在ABS技术方面不甘落后。1971年，日本化油器机械公司开发研制成功后轮控制式ABS，称为电子滑移控制系统ESC〔ElectronicSkidControlledSystem〕，装备在丰田TOYOTA公司1971款皇冠Crown、科罗纳Corona、马克ⅡMarkⅡ型轿车和日产Nissan公司1971年款总统President、荣耀Gloria、地平线Skyline轿车上。1976年，日本三菱Mitsubishi公司与日本纳布克NABCO公司联合开发成功后轮控制式ABS，安装在三菱公司生产的快乐Debonair牌轿车上。1983年，日本本田公司开发成功两通道四轮控制式ABS，安装在本田序曲Prelude牌轿车上。1984年，日本纳布克NABCO公司获得德国RobertBosch公司四轮控制式ABS的生产许可证，生产的ABS安装在1984年款华美Galant、马自达RX-7和贵夫人Fairlady牌轿车上。1984年后，RobertBosch公司和阿尔福雷德Alfred公司开始开发将电子控制器、液压调节器以及制动总泵组合成一体的ABS。1985年RobertBosch公司正式生产这种综合系统，其突出优点是缩小了占用空间。美国生产ABS的公司主要有德尔科Delco公司、本迪克斯Bendix公司。Delco公司1991年后研制的DelcoMoraineⅥ型低本钱ABS，在通用公司的别克〔Buick〕、雪佛莱〔Chevrolet〕、旁蒂克〔Pontiac〕等车系上得到广泛应用。到1995年，美国汽车ABS的装车率已经到达90％。在平安法规的推动下，ABS已成为汽车的标准装备。目前ABS技术的开展与更新很快，型式与牌号也很多，比拟流行的有博世2〔Bosch2〕型、戴维斯·马克4〔TevesMKⅣ〕型和德尔科6〔DelcoMoraineⅥ〕型，美国汽车大多采用戴维斯、德尔科以及本迪克斯ABS，欧洲和日本大多采用博世2型的改良型ABS。我国研究ABS始于80年代初，国家“九五”科技攻关方案也列入了ABS研究工程，目前仅有个别厂家投入小批量生产。装备ABS的国产车型有一汽奥迪、捷达、上海别克、桑塔纳、广州本田和神龙富康等轿车。国内从事ABS研究与生产的单位有上海汽车制动系统、东风汽车公司、重庆公路研究所、重庆宏安ABS、陕西兴平514厂、清华大学、西安公路交通大学和吉林工业大学等。〔四〕平安气囊电子控制技术的开展过程汽车平安气囊是美国机械工程师约翰·赫缀克〔〕1953年创造的。约翰·赫缀克在创造平安气囊的专利得到批准之后，曾分别致函美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司，介绍自己的创造。在60年代，由于汽车行业认为所有被动平安装置都形同虚设、在任何车速下都不能起到保险作用，因此三大汽车公司对约翰·赫缀克的创造反响都不积极。与此同时，航空公司着眼于保证飞机和宇宙飞船等碰撞事故中乘员的平安，对平安气囊技术较为重视，并进行了一些试验。其中，在DC-7型客机上的试验结果十分令人振奋，当以接近260km/h的速度进行碰撞试验时，试验结果说明：装备气囊的模拟人都完好无损，而未装气囊的模拟人都毁坏了。随后，日本本田、美国福特与通用等汽车公司开始组织力量，改良研制和完善平安气囊系统。1971年，日本本田汽车公司开始引进气囊技术进行开发研制和实车应用。1973年，美国通用汽车公司在1000辆雪佛莱非洲羚羊〔Impalas〕牌轿车上安装了气囊，并以销售价格低于本钱价格的优惠条件，将气囊系统作为1974年所有高级轿车的选装件。到1977年的三年内，总共销售了10321套。虽然因本钱高、质量大、可靠性低和充气噪声大等原因而停止生产，但是，这一举措为平安气囊在汽车上推广和开展起到了不可估量的作用。1984年，戴姆勒－奔驰公司在其1984年款梅赛德斯－奔驰〔Mercedes-Benz〕190型和S级轿车上安装了气囊系统。从此气囊系统逐步被汽车消费者认可和接受，制造商也尽力改良和开展气囊技术，用以满足消费者的要求。同年美国联邦车辆平安标准〔FMVSS〕208款规定：1987年开始逐步采用气囊系统。其实施时间和配装率1987年为10％；1988年为25％；1989年为40％；1990年为100％。1987年，日本本田汽车公司经过16年艰苦努力，终于开发研制成功了当今普遍采用的价格低、质量小、可靠性高、充气噪声小的燃药式气囊系统。同年9月开始作为本田传奇〔Legend〕牌轿车的选装件。从此开辟了大量使用气囊系统的新局面。1992年美国联邦政府法律规定，1994年以后出厂的新车必须配装驾驶席气囊或平安带收紧系统。到1994年，美国拥有配装气囊的汽车约3300万辆。根据实际应用情况，FMVSS208款又修改规定，要求从1997年从70年代开始采用座椅平安带和驾驶员正面气囊以来，已经挽救了成千上万人的生命。据专家估计，汽车普及气囊技术以后，仅在美国每年就可挽救15000人的生命；另据德国敏感法律研究中心CSRL〔CenterforStudyofResponsiveLaw〕1995年提供的资料说明，如果气囊系统与平安带一起装备德国所有汽车，那么每年能够挽救12000人的生命。正面气囊只能防止或减轻来自前方的伤害，即只有在汽车遭受正面碰撞时才能起到保护作用，对侧面碰撞无能为力。据美国国家公路交通平安管理局统计，在美国1993年的车祸中，由于迎面碰撞而死亡和受伤的人数分别为11524人和1011000人，由于侧面碰撞而死亡和受伤的人数分别为6922人和666000人，侧面碰撞导致死亡和受伤的人数分别为迎面碰撞导致死亡和受伤人数的60％和66％。由此可见，加强侧面碰撞的防护能力是不容无视的重要问题。实践证明，装备侧面辅助防护平安气囊〔SideSupplementalRestraintSafeAirBag－SSRS气囊〕是行之有效的措施之一。瑞典沃尔沃〔VOLVO〕汽车集体公司是侧面气囊系统的先导者。该公司将侧面气囊安装在座椅靠背边缘上，并装备在1995新款VOLVO850型轿车上，1996年秋季开始在VOLVO960型轿车上装备，1997年推出的新款沃尔沃S70型轿车在前排驾驶席与乘员席均安装了侧面SRS气囊。丰田汽车公司开发研制的侧面气囊的体积比沃尔沃公司侧面气囊的体积大一些。由于气囊体积较大，因此既能保护头部、颈部，也能保护腰部，并将其安装在车门上而不是安装在座椅上。德国宝马〔BMW〕公司1995年在宝马BMW5系列轿车上采用了侧面气囊，并将其安装在车门上。随着气囊技术的开展，该公司认为采用两个气囊防止侧面碰撞比采用一个可靠，为此从1997年开始，便在宝马BMW7系列轿车上采用两个气囊。其中一个安装在车门上，用以保护汽车乘员的腰部；另一个设制成香肠状，安装在车门支柱的上部，用以保护乘员的头部与颈部。目前，侧面SRS气囊开发研制工作方兴未艾，欧洲汽车公司处于领先地位，其主要原因有两个方面：一是欧洲汽车价格等级相对较高，增加气囊本钱影响不大；二是欧洲侧面碰撞试验标准比美国严格，因为美国是欧洲汽车的主要市场之一，欧洲汽车公司倾向于通过严格的标准和试验来到达扩大市场之目的。综上所述，汽车电子技术的开展过程大致可分为四个阶段。1974年以前为第一阶段，是汽车电子控制技术开展的初级阶段。主要产品有交流发电机、电子式电压调节器、电子式闪光器、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、汽车收音机、电子点火控制器、数字时钟等等。1974年至1982年为第二阶段，是汽车电子控制技术迅速开展阶段，在此期间，汽车上广泛应用集成电路和16位以下的微处理器。主要产品有电子燃油喷射系统〔EFI〕、空燃比反响控制系统、防抱死制动系统〔ABS〕、平安气囊系统〔SRS〕、电子控制自动变速系统〔ECT〕、巡航控制系统、电子控制门锁系统、程控驾驶系统、超速报警系统、前照灯灯光自动控制系统、自动除霜系统、车辆导航系统、座椅平安带收紧系统、车辆防盗系统、故障自诊断系统、车身高度自动控制系统、数字式组合仪表盘〔包括数字式车速表、里程表、转速计、燃油表、水温表〕等等。1982年至1990年为第三阶段，也是微型计算机在汽车上应用日趋成熟并向智能化开展阶段。主要产品有牵引力控制系统、四轮转向控制系统、轮胎气压控制系统、声音合成与识别系统、数字式油压表、蜂窝式、可热式挡风玻璃、倒车示警器、超速限制器、自动后视镜系统、道路状态指示器等等。1990年以后为第四阶段，是汽车电子控制技术向智能化开展的高级阶段。主要产品有微波系统、多路传输系统、32位微处理器、动力最优化控制系统、通信与导航协调系统、平安驾驶监测与警告系统、自动防追尾碰撞系统、自动驾驶系统和电子地图等等。三、汽车电子控制系统的类型根据汽车的总体结构，汽车电子控制系统可分为发动机电子控制系统、变速器电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统四大类。根据控制功能，汽车电子控制系统可分为动力性、平安性、舒适性和娱乐通讯信息控制四种类型，其控制系统和主要控制工程如表4－1－1所示。每一个控制系统可以由各自的电子控制单元〔ECU〕单独控制，也可由几个系统组合起来用一个ECU进行控制。在不同车型上，其组合形式和控制功能不尽相同。如丰田凌志〔LEXUS〕LS400型和皇冠〔CROWN〕3.0等型轿车将发动机控制系统与自动变速控制系统共用一个ECU控制，而尼桑风度〔CEFIRO〕和瑞典沃尔沃〔VOLVO〕等轿车那么各自用一个ECU控制。在所有汽车电子控制系统中，发动机控制系统的结构组成最复杂、控制工程最多、控制功能最强，因此通常将发动机ECU称为主ECU。表4－1－1汽车电子控制系统类型及其主要控制工程类型控制功能系统名称控制项目汽车电子控制系统动力性控制电子控制燃油喷射〔EFI〕喷油量〔喷油时间〕；喷油时刻；燃油泵；燃油停供电子控制点火〔ESA〕点火时刻；通电时间；爆震防止怠速转速控制〔ISC〕空调接通与切断；变速器挂档；动力转向泵接通与切断排放控制废气再循环〔EGR〕；空燃比反响控制；活性炭罐电磁阀控制；CO控制〔VAF〕；二次空气喷射进气控制进气引导通路切换；涡流控制阀增压控制泄压阀；废气涡轮增压器自诊断测试与失效保护控制故障警告；存储故障代码；部件功能测试；传感器与执行器失效保护电子控制变速〔ECT〕发动机输出扭矩；液力变矩器锁止时机；变速器换档时机；电磁阀和传感器失效保护平安性控制防抱死制动控制〔ABS〕车轮制动力、滑移率驱动防滑控制〔ASR〕发动机输出扭矩；驱动轮制动力；差速器锁止平安气囊控制〔SRS〕气囊点火器点火时机座椅平安带收紧控制收紧器点火器点火时机动力转向控制ECPS控制助力油压、气压或电动机电流雷达车距控制车距；报警；制动前照灯灯光控制焦距；光线角度平安驾驶监控驾驶时间；方向盘状态；驾驶员脑电图、体温和心率防盗控制报警；遥控门锁；数字密码点火开关；数字编码门锁；方向盘自锁电子仪表汽车状态显示中央门锁控制门锁遥控；行驶自锁；玻璃升降舒适性控制悬架控制〔EMS〕车身高度；悬架刚度；悬架阻力；车身姿势〔点头、侧倾、俯仰〕巡航控制〔CCS〕车速；平安〔解除巡航状态〕空调控制制冷；取暖电动座椅控制方向〔向前、向后〕；上下〔向上、向下〕CD音响娱乐娱乐信息控制交通信息显示交通信息；电子地图车载通讯联络车载计算机车内办公第二节汽车电子控制系统的控制方式电子控制系统是由传感器、信息处理器和执行器三局部组成，如图4－1－2所示。传感器所得功用是采集各种信息，信息处理器〔即电子控制器ECU〕的功用是分析处理传感器采集得到的各种信号，并向受控装置〔即执行器〕发出控制指令，执行器的功用是根据控制器的指令完成具体操作动作。图4－1－2电子控制系统的组成在汽车电子控制系统中，虽然实现相同控制目标或到达相同控制目的所设计的传感器和执行器并无实质性区别，但是电子控制器ECU〔ElectronicControlUnit〕的设计却千差万别，各汽车公司都竭尽全力，各显神通。因为设计人员都清楚，在硬件条件大致相同的下，谁能设想出更好的控制方法，设计出更好的控制程序，谁就能在剧烈地竞争中占有更多的市场份额。一、开环控制在控制系统中，如果输出端与输入端之间不存在反响回路，输出量对系统的控制作用没有影响，该系统就称为开环控制系统。在汽车电子控制系统中，燃油喷射式发动机的启开工况和加速工况以及汽车前照灯光束的控制就采用了开环控制方式。图1—3所示为一开环速度控制系统，它是根据控制信号的大小和方向来控制负载转速的上下和方向。其原理是控制信号经电子放大器放大后，向电液控制阀输出一定大小的电流，控制阀就控制一定流量的传动液供应液压泵带动负载以一定的转速运转。这个系统对被控制量〔负载转速〕不进行任何检测，仅仅根据控制信号来对负载进行控制。图4－1－3开环速度控制系统〔a〕系统原理图；〔b〕系统方框图在任何开环控制系统中，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反响到系统输入端与输入量进行比拟。对应于每一个输入量，相应的就有一种工作状态与之对应。因此，开环控制系统的精度主要取决于系统的校淮精度、工作过程中保持校淮值的程度以及系统组成元件性能参数的稳定程度。在系统不存在内部扰动和外界扰动、元件性能参数又比拟稳定的条件下，开环控制系统是比拟简单并可保证足够的控制精度的。为了满足实际应用需要，开环控制系统必须精确校准，并在工作过程中设法保持该校准值不发生变化。在系统存在扰动的情况下，当被控制的输出量偏离给定量时，开环系统就没有纠正的能力了，即控制精度就会降低。例如在图4－1－3所示的系统中，当负载力矩增加时，由于控制阀的流量随负载压力的增加而减小以及液压系统内部泄漏增加等原因，就会导致液压泵转速降低，加之没有反响比拟，无法自动校正输出量到给定值，因此系统的控制精度降低。二、闭环控制在控制系统中，但凡系统的输出端与输入端之间存在反响回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，就称为闭环控制系统。换句话说，反响控制系统就是闭环控制系统。“闭环”的含意就是应用反响调节作用来减小系统的误差。在图4－1－3所示的开环控制系统中，如果引入反响回路，即用测速发电机直接检测被控制量〔负载转速〕，然后反响到输入端，那么就构成一个闭环控制系统，如图4－1－4所示。控制信号〔输入信号〕和反响信号之差，称为偏差信号。偏差信号输入控制器后，通过控制和调节作用来减小系统的误差，使系统的输出量趋于所希望的给定值，即通过反响作用来减小系统误差。图4－1－4闭环速度控制系统〔a〕系统原理图；〔b〕系统方框图闭环控制系统的突出优点是精度较高。无论什么干扰，只要被控制量的实际值偏离给定值，由于采用了反响，对外界扰动和系统内部参数变化引起的偏差，系统就会产生调节作用来减少这一偏差，因此，可以采用精度不太高而本钱比拟低的元件组成一个比拟精确的控制系统。闭环控制系统的缺点是由于闭环系统是以偏差消除偏差，即系统要工作就必须有偏差存在，因此闭环系统不会有很高的精度。同时，由于系统组成元件的惯性，传动链的间隙等因素存在，如果配合不当就可能导致系统产生振荡〔等幅振荡或变幅振荡〕，从而使系统不能稳定工作。因此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。在汽车电子控制系统中，空燃比反响控制、发动机爆震控制、排气再循环〔EGR〕控制、防抱死制动控制等等都采用了闭环控制方式。空燃比〔A/F〕和点火提前角反响控制，所采用的传感器分别是氧传感器和爆震传感器。氧传感器安装在发动机排气管上，用来检测排气中氧离子的浓度；爆震传感器安装在发动机缸体上，用来检测发动机是否产生爆震。排气中氧离子的浓度取决于混合气的空燃比，当空燃比小于理论空燃比〔:1〕时，混合气偏浓，燃烧过程中氧气较少，排气中氧离子很少或没有氧离子；当空燃比大于理论空燃比〔:1〕时，混合气偏稀，燃烧过程中氧气富裕，排气中氧离子含量较多。混合气越稀，排气中氧离子浓度越大。空燃比反响控制系统由氧传感器测量排气中剩余氧离子的含量，间接测量出每一瞬间进入发动机的混合气的浓度，并检测结果转变为电信号输入电控单元ECU与设定的目标空燃比进行比拟，电控单元再根据比拟结果控制喷油量增加或减少，从而将空燃比〔A/F〕控制在设定的目标值附近。当混合气过稀时，排气中氧离子含量多，电控单元就控制喷油器增加喷油量；反之，当混合气过浓时，排气中氧离子含量少，电控单元就控制喷油器减少喷油量，如此不断循环进行控制。为使三元催化装置对排气净化处理到达最正确效果，闭环控制的空燃比应当控制在理论空燃比〔A/F＝〕附近的狭窄范围内。因此对启动、加速及全负荷等需要加浓混合气的工况，那么需采用开环控制。三、自适应控制“适应”是生物的根本特征之一。一切生物总是企图在不断变化的环境条件下维持生理上的平衡，生物具有的这种能力称为适应能力。在控制系统中，当系统元件老化以及参数、环境变化时，都会造成系统的动态特性发生变化。虽然大多数反响控制系统参数值的微小变化对系统的正常工作不会产生任何影响，但是，如果系统参数值随着环境变化而发生较大的变化，系统就可能出现在某一种环境条件下有满意的性能，在其它环境条件下就不可能有满意的性能，甚至出现不稳定现象。自适应控制系统就是随着环境条件或结构参数产生不可预计的变化时，系统本身能够自行调整或修改系统的参数值，使系统在任何环境条件下都保持有满意的性能的控制系统。换句话说，自适应控制系统是一种“自身具有适应能力”的控制系统。在汽车电子控制系统中，自适应控制得到了广泛地应用，海拔高度、工作温度、点火时刻、喷油时间以及空燃比等等的控制，都采用了自适应控制方式。例如，如在发动机燃油喷射控制系统中，氧传感器设在排气管上，其工作温度较高，而废气中的颗粒物质很容易将其污染堵塞，因此氧传感器的老化会引起空燃比的测量误差。采用自适应控制可将氧传感器的输出电压与预先储存在电控单元中的过量空气系统表进行比拟，从而确定氧传感器是否老化及其老化程度，通过选择适当的修正系数对氧传感器的输出参数值进行校准，使其输出参数值接近器件老化前的正常状态，从而提高了控制系统的工作可靠性。根据参数值的调节方式不同，自适应控制可分为前馈自适应控制和反响自适应控制两种根本形式。〔一〕前馈自适应控制在自适应控制系统中，如果通过可测信号能够观测到过程特性的改变，并且预先知道如何根据这些信号来调整控制器，这种系统就称为前馈自适应控制系统，又称为开环自适应控制系统，如图4－1－5所示。该系统的显著特点是没有从闭环内部引出信号反响到控制器中。在汽车电子控制系统中，为了适应海拔高度、工作温度等参数的变化，控制系统通常采用前馈自适应控制，因为利用气压计和温度计等测量仪表即可测量出这些参数的变化量，并且可在控制器中预先设定好系统随之所作的改变。〔二〕反响自适应控制在自适应控制系统中，如果过程特性的变化不能直接观测到，然而根据系统的输入、输出信号等参数能够计算出输入控制器的参数，使之适应过程变化的系统，称为反响自适应控制系统，如图l－6所示。图4－1－5前馈自适应控制系统框图图4－1－6反响自适应控制系统框图反响自适应控制系统又可分为自寻最优自适应控制系统和模型参考自适应控制系统两大类。一类是自寻最优自适应控制系统，控制框图如图4－1－7所示。其显著特点是能够连续自动地测量对象的动态特性〔如传递函数〕，并将其与希望的动态特性进行比拟，并利用差值来不断修正系统的可调参数〔通常是控制器的特性参数〕或产生一个控制信号，从而保证无论环境条件如何变化，系统都能保证最正确性能。另一类是模型参考自适应控制系统，控制框图如图4－1－8所示，模型参考自适应系统是自己决定一个动态模型，希望系统也能符合这个标准，假设不符合就改变参数，使闭环响应接近于参考模型的响应。这个模型可以是一个物理模型，也可以是计算机中的模拟系统。显然，模型参考自适应系统不是测量对象或环境的特性变化，而是比拟本系统的输出和模型输出的差异，并以此为依据改变系统参数。图4－1－7自寻最优自适应控制系统框图图4－1－8模型参考自适应控制系统框图四、学习控制一个熟练的操作人员与自适应控制系统之间的差异主要是：操作人员认识熟悉的输入，而且能够运用过去学习到的经验按最正确的状态进行操作。自适应控制系统在任何环境变化时改变信号，使系统性能保持最正确。如果一个系统能够认识一些熟悉的情况和特点，而且能够运用过去学习到的经验按最正确方式进行动作，这种系统就称为学习控制系统。在发动机电子控制系统中，为了改善爆震和空燃比控制时的响应特性，从80年代中期开始，研究人员便开始将学习控制用于控制系统。设计的系统能将反响值〔如氧传感器的输出电压〕与参考值的偏差存入存储变换表的一个特定区域中，该区域与执行反响时的发动机工作条件相对应。当发动机进入与该工作条件相同的工况时，那么使用已存储的偏差去修正控制值，从而将被控参数控制在一个最正确值。五、模糊控制1965年，美国伯克利加州大学〔UniversityofCaliforniaatBerkeley〕教授扎德〔L.A.Zadeh〕发表了著名论文《FuzzySets》，提出了模糊性问题，给出了问题的定量描述方法，模糊数学从此诞生了。1974年，英国学者E.H.Mamdani率先用模糊控制语句组成了模糊控制器，并将其成功的运用于蒸汽机和锅炉的控制。这一开拓性的工作，标志着模糊控制理论和技术的诞生。控制理论〔特别是现代控制理论〕的开展与数学有着密切的关系。无论是采用经典控制理论还是采用现代控制理论去设计一个自动控制系统，都需要建立被控对象的数学模型，要知道模型的结构、阶次、参数等等。在此根底上合理地选择控制方式、进行控制器的设计。然而大量的实践告诉我们，在许多情况下，由于被控对象的控制过程复杂，控制机理有不明之处，缺乏必要的检测手段或测试装置不能进入被测试区域等种种原因，致使无法建立被控过程的数学模型。例如，制药和食品工业生产中的发酵过程〔青霉素发酵过程是青霉素菌二次代谢的生化过程〕，化工生产过程中的聚合反响过程，建材工业生产中的水泥窑、玻璃窑及各种窑炉的燃烧过程等等。这类过程的变量多，过程往往具有非线性等特点，各种参数也往往存在时变性。因此，要建立这类过程的数学模型非常困难，甚至是不可能。用经典控制理论和现代控制理论来解决这类对象的控制往往难以奏效，得不到满意的控制效果。与此相反，对这类常规方法难以控制的对象，有经验的操作人员进行手动控制，往往可以收到较为满意的控制效果。模糊数学创始人、控制论专家扎德〔Zadeh〕教授曾举过一个很有说服力的例子，即汽车停车过程控制的例子。假假设停车场上已经停满了很多汽车，现在要把一辆汽车停到刚好可以放下它的两辆汽车之间的空隙中去。用控制理论论的方法解决这个问题，首先应建立停车过程的数学模型即汽车的状态方程，它涉及到多个变量，包括汽车的位置，汽车车身的方向，汽车的速度，前轮的角度等。汽车在拥挤的停车场运行或移动，又不能与其它汽车碰撞，因此汽车与周围汽车之间的距离又构成一组约束。由于约束条件和变量较多，因此采用数学模型精确求解停车问题并非易事。然而，一个熟练的汽车驾驶员凭着自己的驾驶经验，进进退退，不断调整方向盘，进退几次就能把汽车停放到拥挤的汽车空隙中去。他没有建立什么状态方程，更谈不上精确地计算，而是根据不甚精确的观察，根据脑子里停车的经验规那么，执行一些不精确的控制，就到达了满意的停车位置。研究说明，人的控制一般建立在直观和经验的根底上，这种方法可以看作是一组探索式的判定规那么，它具有如下特点：〔1〕人的大脑在判定过程中，具有“不精确”的固有特性，人的控制动作往往是不稳定、不一致和主观的。因此，很难精确解释操作人员的控制行为。〔2〕操作人员不但能对温度、高度等简单的度量作出反响，而且能对颜色、气味、声音等复杂的度量模式和一些无法度量的量进行观察，并且能够迅速的作出反响。虽然这些观察具有主观性，但是作出控制判定的依据正是这些观察结果。模糊控制就是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊语言变量、模糊集合以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，用计算机来实现的一种智能控制。模糊控制系统框图如图4－1－9所示，由图可见，模糊控制系统的结构与一般的计算机数字控制系统根本类似，有所不同的是控制器为模糊控制器。模糊控制系统既是一个数字计算机控制系统，控制器由计算机实现控制，需要A／D与D／A转换接口，以实现计算机与模拟环节的连接，也是一个闭环反响控制系统，被控制量要反响到控制器，与设定值相比拟，根据误差信号进行控制。图4－1－9模糊控制系统框图利用计算机实现人的控制经验是模糊控制的根本思想，而人的控制经验一般是由语言来表达的，这些语言表达的控制规那么又带有相当的模糊性。如人工控制控制车速的快慢时，车速客观上是一个精确量，但人脑对车速的判别却带有模糊特征，因此，我们要用模糊语言确定模糊控制规那么：如“车速很高”、或“车速比拟高”、或车速略高”、或“车速适当”、或“车速略低”、或“车速比拟低”、或“车速很低”等等。这些规那么的形式正是模糊条件语句的形式，可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念及它们之间的关系，又可根据这种模糊关系及某时刻过程变量的检测值〔需化成模糊量〕，用模糊逻辑推理的方法得出此时刻的控制量。由于模糊控制器的模型不是由数学公式表达的数学模型，而是由一组模糊条件语句构成的语言形式，因此模糊控制器又称模糊语言控制器。由于模糊控制器的模型是由带有模糊性的有关控制人员和专家的控制经验和知识组成的知识模型，是基于知识的控制，因此模糊控制属于智能控制。在对汽车的控制中，我们知道有些情况〔如燃气混合过程、缸内燃气燃烧过程等〕的过程是很难找到其精确的模型，即使能找出模型，但通常会因模型过于复杂而很难用于实时控制。利用模糊控制方法，那么不需要预先知道过程精确的数学模型。在控制过程中，首先要把各种传感器测出的精确量转化成适合于模糊运算的模糊量，然后将这些量在模糊控制器中进行运算，最后再将运算结果中的模糊量转化为精确量，以便对各执行元件进行具体的操作控制。在模糊控制中，存在着一个模糊量和精确量之间相互转化的问题。这样的模糊控制问题，常常需要将模糊量转化成假设干级的精确量的范围进行处理。对于车速是“高”还是“低”，虽然是—个模糊量，但是可根各种人的体会、经验和测试结果，运用模糊统计的方法得出车速对“高”或“低”的隶属程度，再求出其隶属函数和隶属函数曲线，利用隶属函数建立模糊数学模型，从而实现模糊控制。第二章发动机控制系统的组成与类型第一节发动机控制系统的功用与组成一、发动机电子控制系统〔EECS〕的功能汽车发动机电子控制系统的英文名称是EngineElectronicControlSystem，简称为EECS或EEC系统。世界主要汽车公司发动机电子控制系统的控制功能及其主要特征如表4－2－1所示。表4－2－1世界主要汽车公司发动机电子控制系统〔EECS〕应用情况年份系统名称主要控制功能汽车公司主要特征1967D-Jetronic燃油喷射博世Bosch压力传感器检测空气流量1973L-Jetronic燃油喷射博世Bosch翼片式传感器检测空气流量1976ELBS点火时刻克莱斯勒Chrysler微机控制点火1977MISAR点火时刻通用General微机控制点火1977EEC点火时刻、废气再循环福特Ford微机控制系统1979ECCS燃油喷射、点火时刻日产NISSAN微机控制系统、系统自诊断1979EEC-Ⅳ燃油喷射、点火时刻福特Ford微机控制系统、系统自诊断1979DEFI燃油喷射、点火时刻通用General微机控制系统、系统自诊断1979Motronic燃油喷射、点火时刻博世Bosch热膜式传感器检测空气流量1980TCCS燃油喷射、点火时刻丰田TOYOTA涡流式传感器检测空气流量1981I-TEC燃油喷射、点火时刻五十铃ISUZU微机控制系统、系统自诊断1981LH-Jetronic燃油喷射博世Bosch热丝式传感器检测空气流量1982KE-Jetronic燃油喷射博世Bosch机电结合控制燃油喷射1982EMS燃油喷射、点火时刻卢卡斯Lucas微机控制系统、系统自诊断发动机电子控制汽车在我国已不再是天方夜谭，目前已有桑塔纳2000GLi、2000GSi〔时代超人〕型轿车、上海别克轿车、广州本田轿车、捷达AT、GTX型轿车、奥迪100C36FL、100C3V6FL型轿车、切诺基吉普车、红旗CA7220E、CA7226L型轿车、天津夏利轿车、天津丰田轿车、神龙富康轿车、三星SXZ6490〔〕、6472〔〕、6510〔V6〕轻型客车、猎豹牌越野汽车等都采用了燃油喷射式发动机。这些电控汽车以其优越的技术性能、使用性能和独特的魅力，正以锐不可当之势逐渐占领国内汽车市场。发动机电子控制系统〔EECS〕的主要功能是控制燃油喷射式发动机的空燃比和点火时刻。除此之外，还有控制发动机启动、怠速转速、极限转速、排气再循环、闭缸工作、二次空气喷射、进气增压、爆震、发电机输出电压、电动燃油泵和系统自诊断等辅助功能。二、发动机电子控制系统〔EECS〕的组成汽车发动机电子控制系统是由空气供应系统、燃油供应系统和电子控制系统三局部组成。随着汽车电子控制技术的开展与进步，各汽车公司开发研制的电子控制系统千差万别，控制功能、控制参数和控制精度不同，采用控制部件的类型、结构和数量也不相同。图4－2－1所示为捷达都市先锋〔GETTAAT〕和新捷达王〔JETTAGTX〕轿车发动机电子控制系统的组成与控制部件安装位置，控制部件主要包括空气流量传感器〔热膜式〕G70、磁感应式曲轴位置〔发动机转速与曲轴转角〕传感器G28、霍尔式凸轮轴位置〔第一缸上止点位置〕传感器G40、节流阀体J338〔包括节气门电位计G69、怠速节气门电位计G88和怠速开关F60〕、进气温度传感器G72、冷却液温度〔水温〕传感器G62、氧传感器G39、发动机爆震传感器G61与G66、车速传感器、空调开关、空调继电器J32、电子控制单元J220、诊断测试通讯接口〔诊断插座〕、汽油泵继电器J17、电动汽油泵G6、四只喷油器N30、N31、N32与N33、点火线圈N、N128及点火控制器N122总成、火花塞Q、活性炭罐电磁阀N80、氧传感器加热器Z19、怠速控制电机V60、进气软管与进气歧管、油压调节器等等。图4－2－1捷达轿车EECS组成与控制部件安装位置〔图中括号内代号G39、G72等为原厂维修资料代号〕〔一〕空气供应系统空气供应系统简称供气系统。燃油在发动机汽缸内燃烧需要一定数量的空气，空气供应系统的任务就是为发动机提供必要的空气，并测量出进入汽缸的空气量。根据发动机怠速转速的控制方式不同，供应空气的进气道分为有旁通空气道和无旁通空气道两种。设有旁通空气道的空气供应系统的结构如图4－2－2所示。图4－2－2有旁通空气道供气系统的结构1－空气滤清器；2－空气流量传感器；3－怠速转速控制阀；4－进气歧管；5－动力腔；6－节气门体发动机工作时，空气通道为：进气口→空气滤清器→空气流量传感器→进气管→节气门→动力腔→进气歧管→发动机进气门进入发动机汽缸。当发动机怠速运转时，空气通道为：进气口→空气滤清器→空气流量传感器→进气管→节气门前端的旁通空气道入口→怠速转速控制阀→节气门后端的旁通空气道出口→动力腔→进气歧管→发动机进气门进入发动机汽缸。捷达AT、GTX以及桑塔纳2000GSi型轿车的怠速转速采用节气门直接控制方式，空气供应系统没有设置旁通空气道，这种供气系统的结构如图4－2－3所示，主要由空气滤清器、空气流量传感器、进气软管、进气歧管、动力腔、节气门位置传感器、进气温度传感器等组成。图4－2－3无旁通空气道供气系统的结构1－空气滤清器；2－空气流量传感器；4－进气歧管；5－动力腔；6－节气门体发动机工作〔包括怠速〕时，空气通道为：进气口→空气滤清器→空气流量传感器→进气软管→节流阀体→动力腔→进气歧管→发动机进气门。空气经滤清器滤清后，由节流阀体流入动力腔再分配给各缸进气歧管。进入发动机汽缸空气量的多少由电控单元ECU根据安装在进气道上的空气流量传感器检测的进气量信号求得。捷达AT、GTX与桑塔纳2000GSi型轿车发动机供气系统在发动机怠速时的标准进气量为2.0～5.0g由燃油喷射式发动机供气系统的结构可见，与化油器式发动机相比，其进气道较长且设有动力腔，其目的是：充分利用进气管内的空气动力效应，增加各种工况下的充气量，以便提高发动机的动力性。空气动力效应是一种十分复杂的物理现象。为了便于说明，可将其视为气流惯性效应与气流压力波动效应共同作用的结果。气流惯性效应是指在进气管内高速流动的气流在活塞到达进气行程的下止点之后，仍可利用进气气流的惯性继续充气一段时间，从而增加充气量。因为适当增加进气管的长度，能够充分利用气流的惯性效应增加充气量，所以燃油喷射式发动机都采用了较长的进气管，并将进气歧管设制成具有较大弧度，用以充分利用气流的惯性效应来提高充气量。气流压力波动效应是指各个气缸周期性、间歇性的进气而导致进气管内产生一定幅度的气流压力波动。气流压力波动会沿着进气管以音速传播并往复反射。如果进气管的形状有利于压力波反射并产生一定的共振，就能利用共振后的压力波提高充气量。为了利用气流压力波动效应，大多数燃油喷射式发动机在进气管中部设制有一个动力腔或在进气管的旁边设制一个与进气管相通的谐振腔，以利于进气管内压力波的共振来提高充气量。〔二〕燃油供应系统燃油供应系统简称供油系统，其功用是向发动机各个汽缸供应混合气燃烧所需的燃油量。燃油喷射式发动机供油系统的结构如图4－2－4所示，主要由燃油箱、电动燃油泵、输油管、燃油滤清器、油压调节器、燃油分配管、喷油器和回油管等组成。燃油分配管又称为供油总管或油架。图4－2－4燃油供应系统的结构1－汽油箱；2－电动燃油泵；3－输油管；4－回油管；5－喷油器；6－油压调节器；7－燃油分配管；8－汽油滤清器发动机工作时，汽油泵工作，将油箱内的燃油泵入供油系统，供油系统的油压由油压调节器调节，一般控制在高于进气管压力300kPa左右。喷入发动机汽缸内的燃油流过的路径为：汽油箱→汽油泵→输油管→汽油滤清器→燃油分配管→喷油器。喷油器将燃油喷射在进气门附近〔缸内喷射系统那么直接喷入汽缸〕。当发动机工作、进气门翻开时再吸入汽缸燃烧作功。当汽油泵泵入供油系统的燃油增多、油路中的油压升高时，油压调节器将自动调节燃油压力，保证供应喷油器的油压根本不变。供油系统过剩的燃油由回油管流回油箱，回油路径为：汽油箱→汽油泵→输油管→汽油滤清器→燃油分配管→油压调节器→回油管→油箱。桑塔纳2000GLi、2000GSi、捷达GTX等轿车燃油供应系统的结构原理如图4－2－5所示，主要由汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、油压调节器、燃油分配管及喷油器等组成。图4－2－5桑塔纳、捷达轿车燃油供应系统的结构原理1－汽油箱；2－电动汽油泵；3－汽油滤清器；4－进油管；5－喷油器；6－燃油分配管；7－油压调节器；8－回油管电动汽油泵将汽油从油箱里泵出，先经汽油滤清器过滤，再经油压调节器调节油压，使油路中的油压高于进气管负压300±20kPa，最后经燃油分配管分配到各缸喷油器。喷油器根据电控单元ECU的指令将汽油适时喷在进气门附近。在德国原Motronic系统中，设计有冷启动喷油器，当冷车启动发动机时，冷启动喷油器按电控单元ECU发出的控制指令喷油，用以改善发动机的低温启动性能。桑塔纳2000GLi、2000GSi、捷达GTX等型轿车引进的Motronic系统经过改良设计，取消了冷启动喷油器。〔三〕电子控制系统汽车发动机电子控制系统的主要功用是采集发动机的工况信号，根据采集的信号计算确定最正确喷油量、最正确喷油时刻以及最正确点火时刻等等，从而提高发动机的动力性、燃油经济性和排放性能。发动机电子控制系统由传感器、电子控制器ECU〔电控单元〕和执行器〔执行元件〕三局部组成。通过对这些控制部件进行不同的组合，便可组成不同的控制子系统。这些子系统主要有燃油喷射系统、点火与爆震控制系统、怠速控制系统、空燃比反响控制系统、排气再循环系统和故障自诊断测试系统等等。1．传感器传感器是一种信号转换装置，安装在发动机的各个部位，其功用是检测发动机运行状态的各种电量参数、物理量和化学量等等，并将这些参量转换成计算机能够识别的电量信号输入电控单元〔ECU〕。发动机电子控制系统常用的传感器与开关信号有以下几种：〔1〕空气流量传感器AFS〔AirFlowSensor〕或进气歧管绝对压力传感器MAP〔ManifoldAbsolutePressureSensor〕。其功用是检测进入发动机的进气量信号，空气流量传感器可以直接检测进气量信号，歧管压力传感器只能间接检测进气量信号。〔2〕曲轴位置传感器CPS〔CrankshaftPositionSensor〕和凸轮轴位置传感器CIS〔CylinderIdentificationSensor〕。曲轴位置传感器的功用是检测发动机曲轴转角和转速信号，凸轮轴位置传感器功用是检测活塞上止点位置信号，故又称为汽缸识别传感器。在相当一局部汽车上，曲轴位置传感器与凸轮轴位置传感器是制做在一体的，统称为曲轴位置传感器。〔3〕节气门位置传感器TPS〔ThrottlePositionSensor〕。其功用是检测节气门开度和加、减速信号。如节气门全开、全闭和局部开启等，通过微机对节气门开度信号进行处理，即可得到加、减速信号。〔4〕爆震传感器DS〔DetonationSensor〕。其功用是检测发动机有无爆震信号。〔5〕冷却液温度〔水温〕传感器CTS〔CoolantTemperatureSensor〕。其功用是检测发动机冷却水温信号，简称水温传感器。〔6〕进气温度传感器IATS〔IntakeAirTemperatureSensor〕。其功用是检测供应发动机的空气温度信号。〔7〕氧传感器或O2传感器〔OxygenSensor〕。其功用是通过检测排出废气中氧离子的含量来检测空燃比信号。〔8〕车速传感器VSS〔VehicleSpeedSensor〕。其功用是检测汽车行驶速度信号。〔9〕空档平安开关信号NSW〔NeutralStartSwitch〕。其功用是检测自动变速器的档位选择开关是否处于空档位置。〔10〕点火开关信号IGN〔Ignitionswitch〕。当点火开关接通“ON〔点火〕”或“ST〔启动〕”档位时，向电控单元ECU输入相应的信号。〔11〕空调A/C〔AirConditioningSwitch〕选择与请求信号。当空调接通时，向电控单元提供信号。〔12〕蓄电池电压信号UBAT。向电控单元提供电压信号。2．电子控制器电子控制器又称为电控单元〔ECU〕，俗称电脑，是发动机控制系统的核心部件。其功用是根据各种传感器和控制开关输入的信号参数，对喷油量、喷油时刻和点火时刻等等进行实时控制。发动机工作时，节气门位置传感器TPS检测驾驶员操作的节气门开度信号，空气流量传感器AFS检测进入汽缸的空气量，曲轴位置传感器CPS检测发动机的转速信号，这三个信号作为确定汽油喷射量的主要信息输入电控单元〔ECU〕，再由ECU计算确定根本喷油量。与此同时，ECU还要根据水温传感器、进气温度传感器和氧传感器等输入的信息计算确定辅助喷油量，用以对根本喷油量进行必要的修正，最终确定实际喷油量。当实际喷油量确定后，ECU再根据曲轴位置传感器输入的曲轴转速与转角信号、凸轮轴位置传感器输入的第一缸活塞上止点位置信号，确定最正确喷油时刻和最正确点火时刻，并向各执行器发出指令信号，控制喷油器、点火线圈、怠速控制阀等动作。3．执行器执行器又称为执行元件，是控制系统的执行机构，其功用是接受电控单元〔ECU〕的控制指令，完成具体的控制动作。发动机电子控制系统常用的执行器有以下几种：〔1〕电动燃油泵。其功用是供应燃油喷射系统规定压力的燃油。〔2〕电磁喷油器。根据ECU的喷油脉冲信号，精确计量燃油喷射量。〔3〕冷启动喷油器及热限时开关。根据ECU的喷油脉冲信号和发动机冷却液温度信号，控制发动机启动时的喷油量和喷油持续时间。〔4〕怠速控制阀ISC或ISCV〔IdleSpeedControlValve〕。其功用是控制发动机的怠速转速。控制内容包括两个方面，一方面是在发动机正常怠速运转时稳定怠速转速，到达防止发动机熄火和降低燃油消耗之目的；另一方面是在发动机怠速运转状态下，当发动机负载增加〔如接通空调器、动力转向器或液力变扭器等〕时，自动提高怠速转速〔即快怠速〕，防止发动机熄火。〔5〕活性炭罐及其电磁阀。根据电控单元的控制指令信号，回收发动机内部的燃油蒸汽，以便减少排气污染。汽车发动机电子控制系统的控制功能不同，采用控制部件的类型和数量也不相同。捷达AT、GTX型轿车发动机电子控制系统的组成如图4－2－6所示。图4－2－6捷达AT、GTX型轿车发动机电控系统的组成〔图中括号内代号G70、G28等为原厂维修资料代号〕捷达AT、GTX型轿车发动机电控系统采用控制部件的情况如下：空气流量传感器AFS为热膜式空气流量传感器G70，曲轴位置传感器CPS为磁感应式曲轴位置传感器G28，凸轮轴位置传感器CIS为霍尔式凸轮轴位置传感器G40，节气门位置传感器有两个，一个是在发动机怠速工况检测节气门位置信号的怠速节气门位置传感器G88，另一个是在发动机怠速以外工况检测节气门位置信号的节气门位置传感器G69。除此之外，还有进气温度传感器G72、冷却液温度传感器G62、氧传感器G39、爆震传感器G61与G66、车速传感器等等。在这些传感器中，空气流量传感器G70、曲轴位置传感器G28、凸轮轴位置传感器G40和节气门位置传感器G69等四种传感器是控制燃油喷射与点火最重要的传感器。其结构性能与工作状况直接影响控制系统的控制精度和控制效果。电控单元除了采集上述传感器的信号之外，还要采集怠速开关F60、空调开关、点火启动开关、电源电压以及空档平安开关〔自动变速汽车〕信号。捷达AT、GTX型轿车发动机电控系统采用的执行器主要有油泵继电器J17、电动汽油泵G6、喷油器N30～N33、点火线圈N、N128与点火控制器N122总成、活性炭罐电磁阀N80、氧传感器加热器Z19、怠速控制电机等等。在发动机电控系统中，还设有一个故障诊断插座〔故障测试仪接口〕。当控制系统发生故障或需要了解控制系统的工况参数时，利用测试仪通过故障诊断插座可以调取所需信息和参数。捷达AT、GTX型轿车设有一个16端子故障诊断插座，安装在中央继电器盒上。可用一汽群众公司提供的或型专用测试仪调取所需信息和参数。第二节发动机燃油喷射系统的类型自60年代以来，美国、德国和日本等工业兴旺国家相继开发研制并装备汽车多种类型不同、档次各异的发动机控制系统。发动机电子控制燃油喷射系统是随着机械式控制系统、机电结合式控制系统和电子控制技术的开展而逐步开展而成的。为了便于读者全面了解发动机控制系统的总体情况，有必要介绍发动机燃油喷射系统的类型。一、按燃油喷射系统的控制方式分类按控制方式不同，发动机燃油喷射系统可分为机械控制式、机电结合式和电子控制式燃油喷射系统三种类型。1．机械控制式燃油喷射系统机械控制系统是指利用机械机构实现燃油连续喷射的系统。早期奔驰Benz、奥迪Audi轿车采用的K－Jetronic系统即为机械控制式燃油喷射系统。K－Jetronic系统是德国博世Bosch公司1967年研制成功的燃油喷射系统，结构如图4－2－7所示，燃油分配器与空气计量器组合在一起构成混合气控制器，漏斗形空气计量器的挡板与控制器杠杆的一端接触。进气量变化时挡板产生位移，并通过杠杆机构操纵燃油分配器的柱塞移动，从而改变燃油计量槽开度的大小来控制喷油器的喷油量，到达控制混合气空燃比的目的。图4－2－7K－Jetronic型机械式燃油喷射系统2．机电结合式燃油喷射系统机电结合式燃油喷射系统是指由机械机构与电子控制系统结合实现的燃油喷射系统，主要是指1993年以前奥迪和奔驰轿车装备的在K－Jetronic机械控制系统根底上改良而成的KE－Jetronic系统，如图4－2－8所示。KE－Jetronic系统仍为连续喷射系统，与K－Jetronic系统的主要区别在于增加了压差调节器、油压调节器、电子控制器、冷却液温度〔水温〕传感器等。电子控制器ECU根据水温传感器、节气门位置传感器等输入的信号控制油液压差调节器，改变燃油分配器中燃油计量槽进口与出口之间的燃油压差，从而调节燃油供应量，到达调节不同工况混合气空燃比的目的。图4－2－8KE－Jetronic型机电结合式燃油喷射系统3．电子控制式燃油喷射系统电子控制式燃油喷射系统EFI〔ElectronicControlFuelInjectionSystem〕是指由电控单元ECU直接控制燃油喷射的系统，如图4－2－9所示。桑塔纳2000GLi、2000GSi、捷达AT、GTX型轿车、切诺基吉普车燃油喷射系统均为电子控制燃油喷射系统。图4－2－9电子控制式燃油喷射系统供油系统供应一定压力的燃油〔电控EFI一般高于进气歧管压力300kPa左右〕。燃油由喷油器喷入节气门附近的进气歧管内或直接喷入发动机汽缸内与空气混合，喷油器受电控单元〔ECU〕控制，ECU通过控制每次喷油持续时间的长短来控制喷油量，每次喷油持续时间一般为2～10ms。喷油持续时间越长，喷油量就越大。空气流量计检测进气量并转变为电信号输入电控单元ECU，曲轴转角传感器检测曲轴转角并转变为电信号输入电控单元用以计算发动机转速，电控单元根据进气量信号和转速信号计算出根本喷油量，再根据冷却液温度传感器和其他传感器检测的信号对根本喷油量进行修正，并确定实际喷油量。除此之外，电控单元还要根据节气门位置传感器〔节气门开关〕输入的节气门位置信号，在发动机不同工况下按不同的模式来控制喷油量。在节气门关闭、发动机处于怠速工况时，电控单元将增加喷油持续时间，提供较浓的混合气，保证发动机怠速稳定；在节气门中小开度、发动机处于局部负荷工况时，电控单元将控制提供较稀的经济混合气，以便节约燃油；在节气门接近全开或全开、发动机处于大负荷或满负荷工况时，电控单元将控制提供较浓的功率空燃比混合气，保证发动机发出最大功率。电子控制系统采用的控制方式有开环控制、闭环控制、自适应控制、学习控制和模糊控制等等。这些控制方式在第一章已经介绍，故不赘叙。二、按燃油喷射部位分类按喷油器喷射燃油的部位不同，发动机燃油喷射系统可分为缸内喷射系统和进气管喷射系统和两种类型。其中，进气管喷射又分为单点喷射〔SPI、TBI或CFI〕和多点喷射〔MPI〕两种类型，多点喷射系统又分为压力型〔即D型〕和空气流量型〔即L型〕多点喷射系统两种类型。〔一〕缸内喷射系统缸内喷射又称为缸内直接喷射，将供油系统的燃油通过喷油器直接喷射到汽缸内部的喷射称为缸内喷射，如图4－2－10〔a〕所示。缸内喷射系统均为多点喷射系统，这种喷射系统将喷油器安装在汽缸盖上，并以较高的燃油压力〔约3～4MPa〕将汽油直接喷入汽缸。由于汽油粘度低而喷射压力较高，且缸内工作条件恶劣〔温度高、压力高〕，因此对喷油器的技术条件和加工精度要求较高。根据福特汽车公司研究说明：缸内喷射的优越性在于能够实现稀薄混合气燃烧，有利于降低燃油消耗和控制排放。因此缸内喷射是发动机燃油喷射技术的开展方向，目前许多汽车公司正在致力于攻克喷油器工作寿命等关键技术问题。〔二〕进气管喷射系统进气管喷射系统又称为缸外喷射系统，将供油系统的燃油通过喷油器喷射在汽缸外面节气门或进气门附近进气管内的喷射称为进气管喷射，如图4－2－10〔b〕所示。目前汽车燃油喷射系统大都采用进气管喷射，与缸内喷射相比，进气管喷射对发动机机体的设计改动较小，喷油器不受燃烧高温、高压的直接影响，设计喷油器时受到的制约减少，喷油器的工作条件大大改善。国产桑塔纳2000GLi、2000GSi、捷达AT、GTX、奥迪Audi100、Audi200、红旗CA7180E、CA7200E、CA7220E、夏利TJ7100E、TJ7130E型轿车和切诺基吉普车等均采用进气管喷射。图4－2－10喷油器喷油位置示意图〔a〕缸内喷射；〔b〕进气管喷射1．单点燃油喷射系统〔SPI或SPFI〕单点燃油喷射系统的英文名称是SinglePointFuelInjectionSystem，简称SPFI或SPI，是指在多缸发动机的节流阀体上节气门的上方，安装一只或并列安装两只喷油器的燃油喷射系统，如图4－2－11〔a〕所示。图4－2－11喷油器安装部位示意图〔a〕单点喷射；〔b〕多点喷射燃油喷入节气门前方的进气管中与进气气流混合形成燃油混合气，通过进气歧管分配到各个汽缸。因为喷油器安装在节流阀体中央集中喷射燃油，所以单点喷射系统又称为节流阀体喷射系统TBI〔ThrottleBodyInjectionSystem〕或中央喷射系统CFI〔CentralFuelInjectionSystem〕。如美国通用〔General〕公司的TBI系统、福特〔Ford〕公司的CFI系统以及德国博世Bosch公司的Mono－Motronic系统等等。国产帕萨特〔Passat〕发动机和高尔夫〔Golf〕发动机采用的Bosch公司Mono－Motronic型间歇式单点喷射系统如图4－2－12所示。单点喷射系统的工作原理与多点喷射系统相似，也是由电控单元根据空气量检测计、曲轴位置传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器等检测的发动机工况信号，计算喷油时间，在发动机每个汽缸进气行程开始之前喷油一次，喷油量由每次喷油持续时间的长短来控制，射喷所需的压力燃油由电动燃油泵提供。由于单点喷射系统的喷油器距离节气门较远，喷入进气管的燃油具有足够的时间与进气气流混合形成均匀的可燃混合气，因此对喷油雾化的质量要求不高，可以采用较低的喷油压力〔一般为100kPa，高尔夫轿车SPI系统怠速时的燃油压力为80～120kPa〕。这样可以降低对电动燃油泵、燃油滤清器等供油系统零部件的要求，从而降低系统的制造本钱。图4－2－12高尔夫、帕萨特轿车SPI系统1－汽油箱；2－电动汽油泵；3－空气滤清器；4－汽油滤清器；5－油压调节器；6－喷油器；7－进气温度传感器；8－电控单元ECU；9－怠速控制阀；10－节气门位置传感器；11－氧传感器；12－冷却液温度传感器；13－曲轴位置传感器；14－蓄电池；15－点火开关；16－燃油喷射继电器2．多点燃油喷射系统〔MPI或MPFI〕多点燃油喷射系统的英文名称是Multi-PointFuelInjectionSystem，简称MPFI或MPI，进气管多点喷射系统是指在发动机每一个汽缸进气门前方的进气歧管上均设装一只喷油器的燃油喷射系统，如图4－2－11〔b〕所示。发动机工作时，燃油适时喷在节气门附近的进气歧管内，空气与燃油在节气门附近形成燃油混合气，能够保证各缸得到混合均匀的混合气。进气管多点喷射系统在开展过程中曾经研制出几种典型的根本型式，可分为D型、L型、LH型和M型燃油喷射系统，它们代表着不同年代燃油喷射系统的设计思路和技术水平。其中D和L分别来源于德文的Druck〔压力〕和Luftmengen〔空气流量〕。LH型和M型是在L型根底上改良而成的燃油喷射系统，〔1〕博世D型燃油喷射系统。D型系统是最早应用在汽车上的发动机电子控制燃油喷射系统，于1967年由德国博世〔Bosch〕公司根据美国本迪克斯〔Bendix〕公司的专利技术研制而成、应用在当时的群众1600型和奔驰280SE型轿车上。D型燃油喷射系统的组成如图4－2－13所示，其显著特点是采用歧管压力传感器来测量进气量。图4－2－13博世D型MPI燃油喷射系统进气量的大小由驾驶员操纵加速踏板进行控制。节气门开度不同，进气量就不同，进气歧管内的压力也就不同。在发动机转速相同的情况下，歧管压力与进气量成一定比例关系。歧管压力传感器将进气歧管内的进气压力转变为电信号输入电控单元ECU，ECU根据信号电压的上下即可计算出发动机的进气量。国产桑塔纳2000GLi型轿车、切诺基BJ2021型吉普车、夏利2000型轿车、局部进口丰田佳美〔CAMRY〕、皇冠〔CROWN〕3.0、本田雅阁〔ACCORD〕等型轿车均采用D型MPI系统，但其控制系统较传统的博世D型燃油喷射系统已有较大改良。传统的博世D型喷射系统空燃比和点火提前角采用开环控制，上述轿车燃油喷射系统的空燃比和点火提前角都采用闭环控制。〔2〕博世L型燃油喷射系统。L型由D型MPI燃油喷射系统改良设计而成。系统结构原理与D型MPI系统根本相同，有所不同的是以翼片式空气流量传感器取代了D型MPI系统的歧管压力传感器，可以直接测量发动机的进气量，提高了喷油量的控制精度，空燃比仍采用开环控制，系统组成如图4－2－14所示。原始的博世L型MPI燃油喷射系统已很少采用，目前丰田大霸王〔即子弹头PREVIA〕小客车、丰田佳美〔CAMRY〕轿车与马自达MPV多用途汽车采用的博世L型MPI燃油喷射系统都已经过改良设计，空燃比和点火提前角都采用了闭环控制。图4－2－14博世L型MPI燃油喷射系统〔3〕博世LH型燃油喷射系统。LH型MPI燃油喷射系统是L型的改良型，两个系统的结构原理根本相同，主要区别是LH型采用热丝式空气流量传感器取代了L型的翼片式空气流量传感