发动机辅助控制系统

汽车电控技术教案李俊平第5章辅助控制系统学习目的通过本章的学习应掌握电控汽油机排气净化控制的主要内容，控制系统的基本组成部件，所用传感器的作用、工作原理，系统的控制过程；撑握怠速控制的基本方式，主要控制装置的一般工作原理及基本控制内容。了解进气控制的基本控制内容和方法；了解故障自诊断系统的主要功能及一般工作原理。5．1排气净化与排放控制为了减少汽车使用过程中对大气环境的污染，现代汽车对发动机的污染源采取了多项控制有害物排放及净化的措施，如采用三元催化转化器及空燃比反馈控制、废气再循环(EGR)控制、二次空气喷射控制、活性炭吸附及炭罐的清洗控制等。本章仅介绍前两项控制功能。5．1．1三元催化转化器、氧传感器与空燃比反馈控制一、三元催化转化器为了有效减少发动机排人大气的C0、HC和NO。的总量，现代轿车汽油机在排气系统中普遍安装了净化装置，对以上三种有害物质进行净化处理，这种净化装置称为三元催化转化器。三元催化转化器安装在排气消声器前，由三元催化转化芯子和外壳等构成，如图5．1所示。大多数三元催化转化器的芯子以蜂窝状陶瓷芯作为催化剂的载体，在陶瓷载体上浸渍铂(或钯)和铑的混合物作为催化剂。为了提高芯子的抗颠簸性能，芯子的外面通常用钢丝包裹。铂(或钯)和铑作为催化剂，它们不仅能使一氧化碳和碳氢化合物氧化变成二氧化碳和水，而且还能促使氮氧化物与一氧化碳进行化学反应，转变成氮气和二氧化碳。在三元催化转化器的芯子内所进行的化学反应，前者是氧化反应，后者为还原反应。三元催化转化器对CO、HC和NOX三种有害物的转换效率与发动机的空燃比有关，只有当发动机的实际空燃比在理论空燃比A／F=14.7：1(过量空气系数a=1)附近时，三元催化转换器对这三种有害物质才同时具有最高的转换效率，如图5．2所示。早期的电控汽油喷射发动机中，ECU根据发动机转速、进气量、进气压力、温度等信号确定喷油量，对空燃比实行开环控制，虽然这种控制方法相对于化油器式汽油机对空燃比的控制方法有了很大的提高，但要将空燃比精确控制在14．7：1附近很小的范围内是非常困难的。为了使三元催化转化器始终具有最高的转换效率，现代电控汽油机普遍采用氧传感器检测废气中氧的含量，对空燃比实行反馈控制(即闭环控制)，以提高空燃比控制精度。另外，由于汽油中的铅会使作为催化剂的贵金属铂和钯失去催化效力，造成催化剂“中毒”，所以装用三元催化转化器的汽油机必须使用无铅汽油。图5．1三元催化转化器图5．2三元催化转化器效率随空燃比的变化二、氟传感器氧传感器的作用是检测排气中氧的含量，并把检测结果输送到ECU。国产大多数汽油机电控系统采用一个氧传感器，它们一般安装在三元催化转化器上游的排气歧管或排气管上。为了进一步减少汽油机有害物的排放，有些汽油机的微机控制系统增加了三元催化转化器净化效率检测功能，具有这一功能的电控汽油机需要两个氧传感器，它们分别安装在三元催化转化器的上游和下游。在电控汽油机中应用比较广泛的氧传感器主要有氧化锫(ZrO：)氧传感器和氧化钛(TiO2)氧传感器两种类型。l．氧化锆氧传感器氧化锆氧传感器的主要元件是氧化锆(氧化锆固体电解质)烧结的多孔性试管状陶瓷体，也称锆管。氧化锫氧传感器的基本结构如图5．3所示。锆管2固定在带有安装螺纹的传感器体中，锆管的内外表面都镀覆一层多孔铂膜作为电极，通过导线将信号引出。锆管内腔通过金属护套上的小孔与大气相通，外表面通过防护套管8上开有的槽口与排气管中的废气相接触，为了防止废气对铂膜的腐蚀，在锆管外表面的铂膜上还覆盖一层多孔性陶瓷层。由于锆管陶瓷体具有多孔性的特点，因此内腔大气中的氧能够渗入到固体电解质内。当温度较高时，氧气将发生电离。若锆管内腔(大气)和锆管外表面(废气)两侧氧的含量不一致，即存在氧的浓度差时，固体电解质内部的氧离子将从锆管的内腔向锆管的外表面扩散，此时锆管相当于一个微电池，在锆管两侧的铂电极之间产生电压，如图5．4所示。铂电极之间的电压与两侧氧的浓度差有关，当混合气偏稀时用F气中氧的含量较高，铝管内外两侧氧的浓度差小，两电极之间产生的电压很低，输出电压几乎为零。当混合气偏浓时，排气中氧的含量较低，同时包含较多不完全燃烧的产物（如CO、HC、H2等）。这些不完全燃烧的产物在诸管外表面铂的催化作用下与废气中残余的低浓度氧发生氧化反应（如ZCO＋O2→2CO。），使废气中残余的氧几乎被消耗殆尽，在错管的外表面处氧的浓度几乎为零，这时诸管内外两侧氧的浓度差达到最大，在两电极间产生接近1V的最大输出电压。图5．3氧化锆氧传感器l一废气；2一铝管；3一电极；4一弹簧；5一线头绝缘支架；6一导线；7一度气管管壁；8一防护套管图5．4氧传感器工作原理图5.5氧传感器电压特性l一排气管壁；2一废气；3一陶瓷防护层；4、5一电极引线点；6一大气；7一铂电极；8一陶瓷体氧化锆氧传感器对空燃比在14．7：1附近的变化非常敏感，在混合气由浓到稀或由稀到浓的变化过程中，与混合气浓度对应的输出电压在A／F＝14．7附近产生阶跃式的高低电压突变（图5.5），这种类似于一个氧浓度开关的输出特性，对于单一空燃比目标值控制是十分有利的。汽油机运转时，对应于实际空燃比相对理论的空燃比上下偏离，氧传感器输出电平高低和宽度对应变化的电压脉冲信号，如图5．6所示。在需要实行空燃比反馈控制（即闭环控制）的运行工况，ECU根据氧传感器的输人信号修正喷油量，把实际空燃比精确地控制在理论空燃比附近。氧化锆氧传感器是一种高温型传感器，正常工作温度为600－800℃，因此氧传感器一般布置在排气总管上或排气总管出口附近，利用废气的热量加热传感器，使其达到正常工作所需的温度。这种布置方式尽管具有结构简单、控制方便的特点，但是也存在传感器布置的灵活性较差，排气的极端高温可能造成传感器损坏的不足。为此，有些电控汽油机采用加热式氧化锆氧传感器。这种氧传感器的基本结构和工作原理与普通氧化锆氧传感器基本相同，两者的差异在于加热式氧化锆氧传感器在锆管内增加了一个陶瓷加热元件，如图5．7所示。由于加热式氧化锆氧传感器所需的工作温度由陶瓷加热元件保证，这样不仅改善了传感器安装的灵活性，避免了排气极端高温对传感器的损伤，而且也有利于扩大闭环控制的工况范围。加热式氧化锆氧传感器一般布置在三元催化转化器上游，靠近三元催化转化器的适当位置。图5.6氧传感器输出信号与混合气空燃比的关系图5.7加热式氧化锆氧传感器l一锆管；2一陶瓷加热元件2．氧化钛型氧传感器氧化钛型氧传感器由二氧化钛制成，二氧化钛(TiO2)中氧分子比较活泼，在周围环境氧的浓度(氧的分压)发生变化时，二氧化钛将发生氧化或还原反应，同时材料的电阻值也随之发生变化，所以氧化钛型氧传感器也称为电阻型氧传感器。在大气环境条件下，二氧化钛的电阻很大，但当排气中氧的浓度减少时(即混合气稍浓时)，二氧化钛中氧分子发生脱离，使晶体出现空穴，材料中的自由电子增加，使材料的电阻值迅速减小。反之，若混合气稍稀，即由于排气中氧的浓度增加，电阻迅速恢复至原来的值，氧化钛型氧传感器的电阻特性如图5.8所示。二氧化钛型氧传感器的工作温度为300—900℃，在这一温度范围内二氧化钛的电阻对氧的浓度变化非常敏感，同时工作温度的变化对它的电阻也有一定影响。为了提高二氧化钛型氧传感器的检测精度，一般采用加热方式，以保证其工作温度恒定，对于非加热式二氧化钛型氧传感器，则必须采取温度补偿措施。图5．8二氧化钛型氧传图5．9二氧化钛型氧传感器感器空燃比一电阻特性l一二氧化钛陶瓷；2一陶瓷绝缘体；3一电极；4一铂线非加热式氧化钛型氧传感器的基本结构如图5.9所示。它由检测排气中氧含量的球状多孔性二氧化钛陶瓷l、陶瓷绝缘体2、电极3、铂线4及开有孔槽的金属防护套等组成。非加热式氧化钛型氧传感器一般安装在总管上或排气总管出口附近，利用排气的高温使传感器在所需的工作温度范围内工作。加热式二氧化钛型氧传感器布置比较自由，一般安装在三元催化转化器上游附近。与氧化锆氧传感器相比，氧化钛型氧传感器具有结构简单，体积小，价格便宜，抗腐蚀、抗污染能力强，经久耐用，可靠性高等优点。但也存在温度对传感器电阻影响较大，需采用内装式加热元件或采取温度补偿等措施。氧化钛型氧传感器在空燃比反馈控制系统中的作用与氧化锆氧传感器相同。它们工作原理上的差异主要在于：氧化锆氧传感器将废气中氧的浓度变化直接转换成输出电压的变化，氧化钛型氧传感器则将废气中氧的浓度变化转换成传感器电阻的变化，然后送人检测电路。三、空燃比反馈控制为了满足越来越严格的排放法规的要求，最有效地利用三元催化转化器对排气的催化净化效能，现代电控汽油机在绝大部分运行工况对空燃比都实行闭环控制。空燃比反馈控制系统的构成原理如图5．10所示。在空燃比反馈控制过程中，空燃比、氧传感器输出的电压信号和空燃比反馈控制信号三者之间的变化关系如图5．1l所示。假定开始时混合气的实际空燃比略小于14.7，此时氧传感器输出高电平信号，ECU根据氧传感器的高电平信号，对基本喷油持续时间进行减量修正，实际喷油持续时间缩短，喷油量减少，修正过程按先快后缓方式进行，如图5.1l所示。由于喷油量持续减少，混合气逐渐变稀，当混合气的实际空燃比略大于14.7时，氧传感器的输出信号从高电平阶跃到低电平，ECU根据氧传感器的低电平信号，对基本喷油持续时间进行增量修正，修正过程仍按先快后缓方式进行。由于喷油量持续增加，混合气又逐渐由稀变浓，一旦空燃比大于14.7，氧传感器的输出信号将从低电平阶跃到高电平，然后ECtI将根据氧传感器输人的高电平信号，重复前面的由浓到稀的修正过程……如此反复循环，最终使混合气的实际空燃比始终稳定在理论空燃比附近.从整个修正过程看，当实际混合气偏浓时，由于空燃比偏浓的时间比空燃比偏稀的时间长,故氧传感器输出高电位时间也相对较长，从而使实际空燃比向变稀方向变化，反之则向相反方向变化。图5．10氧传感器反馈控制系统工作原理图图5．11空燃比反馈控制过程A一氧传感器反馈；B一转速；C一空气流量计；D一水温传感器；E一喷油量控制l一空气流量计；2一发动机；3一三元催化转化器；4一氧传感器；5一喷油器 当电控系统对混合气空燃比实行反馈控制时，实际混合气的浓度基本上在理论空燃比附近变动但理论空燃比对发动机有些工况并不适宜，如发动机的起动工况、暖机工况等。为了使发动机正常起动或暖机，需要较浓的混合气，此时电控系统对空燃比实行开环控制，向发动机提供偏浓的混合气。又如发动机在大负荷或高转速工况时，需要较浓的功率混合气浓度，此时电控系统也将实行开环控制，向发动机提供具有功率混合气浓度的混合气，以满足汽车对发动机动力的要求。根据发动机各运行工况对混合气浓度的要求，电控系统将对空燃比实行开环控制的工况有：发动机起动工况，冷起动后及暖机工况的前期，大负荷、高转速工况、加速工况、燃油控制工况等。另外，如果由于发动机原因或氧传感器的原因，造成氧传感器的输出电压持续处于低电平(如持续时间超过10s以上)，或者氧传感器的输出电压持续处于高电平(如持续时间超过4s以上)，则ECU将自动停止空燃比反馈控制，发动机将在空燃比开环控制状态运行。当氧传感器的温度小于300℃时，氧传感器不能正常工作，电控系统也将实行开环控制。5．1．2废气再循环控制(EGR控制)一、废气再循环的基本概念废气再循环(Exhaust．Gas．Recirculation，EGR)是目前广泛采用、能减少发动机氮氧化物生成量的一种较有效的方法。它把发动机排出的一部分废气通过进气系统引入发动机进行再循环，以降低最高燃烧温度，减少氮氧化物(NO，)的生成量。由NOX的生成机理知，发动机燃烧过程生成的NOX的生成量与混合气中氧的浓度、燃烧温度及高温持续的时间有关，其中氧的浓度和燃烧温度是两个最重要的因素。图5.12给出了A／F=15时，NOX排放浓度随燃烧温度变化的规律，从图5.12可以看出燃烧温度对NOX的生成浓度有非常重要的影响。虽然图5.12的曲线是在A／F=15时得到的，但实验表明，在空燃比略小于14.7时，NOX的生成浓度随燃烧温度变化的规律与图5.12基本相同。采用废气再循环方法能有效抑制NO。生成量。这是因为，废气的主要成分是二氧化碳，虽然二氧化碳本身不能燃烧，但二氧化碳是一种三原子惰性气体，具有比二原子惰性气体大的比热容值，即在温升△T相同的情况下，二氧化碳气体需要吸收更多的热量。在新鲜混合气中掺入适当比例的废气后，二氧化碳气体能够吸收较多的燃烧热量，使最高燃烧温度下降，从而使NOX的生成量减少。废气再循环中引入的废气量必须适当。若引入废气量太少，对降低NO。生成量的效果不明显；若引入废气量过多，不仅混合气着火性能变差，发动机输出功率下降，而且还会使发动机排放性能恶化。对于废气再循环过程引入的废气量，一般用EGR率来表示，EGR率的定义如下：EGR气体流量EGR率×100％吸入空气量十EGR气体流量对于大多数发动机，废气再循环的EGR率控制在6％一15％范围较适宜。另外，虽然适量废气再循环可以有效地降低NO，排放量，但也存在影响混合气着火性能和发动机输出功率的缺憾。因此，一般在发动机NO；排放量较多的运行工况才进行废气再循环，而在发动机的起动、暖机、怠速、低转速小负荷、大负荷或高转速及加速等工况，由于废气再循环将明显影响发动机性能，因此在这些运行工况不进行废气再循环。二、废气再循环系统的基本工作原理废气再循环系统的构成原理如图5．13所示。系统由废气再循环阀(EGR阀1)、真空电磁阀及其连接管道和软管组成。进行废气再循环时，一部分废气从排气管经过EGR阀进入进气管与新鲜空气混合。EGR阀的开启和关闭由阀体上方真空室的真空度控制，当需要进行废气再循环时，在ECU控制下，真空电磁阀开启，把节气门下游的真空引入EGR阀上方的真空室，EGR阀开启，排气管中的部分废气经过EGR阀进入进气管，周而复始地进行再循环。当不需要进行废气再循环时，在ECU控制下真空电磁阀关闭，并把节气门上游的进气压力引入EGR阀的真空室，EGR阀在回位弹簧的作用下关闭，废气再循环停止。在废气再循环的基本概念中曾指出，既要有效地减少NOX的生成量，同时又不能对发动机的其他性能造成较大的不利影响，除了有些工况不能进行废气再循环外，还必须对废气再循环过程的EGR率进行控制。事实上，即使在需要进行废气再循环的工况，固定的EGR率也是不适宜的，比较理想的情况是，废气再循环过程中EGR率应随发动机运行工况和状态作相应变化，这样既能有效降低NO；生成量，又能把废气再循环对发动机性能造成的不利影响减小到最低程度。这种较理想的可变EGR率废气再循环，只有采用电控技术才能实现。图5．13废气再循环系统构成原理A一进气歧管真空；曰一排气管废气；c一至进气管l—EGR阀；2一传感器输入信号；3一真空电磁阀三、两种电控可变EGR率废气再循环系统简介1．电控真空阀驱动可变EGR率废气再循环系统电控真空阀驱动可变EGR率废气再循环系统如图5．14所示。该系统由EGR阀2、EGR阀升程(开度)位置传感器3和ON—OFF’真空电磁阀4等组成。EGR阀升程位置传感器用来检测EGR阀开度大小，并将EGR阀开度转换为相应的电压信号，输送到ECU。ON—OFF真空电磁阀由两个电磁阀组成，这两个电磁阀中任何一个处于开启状态，另一个必处于关闭状态，这就是为什么称其为ON—OFF’电磁阀的原因。在这两个电磁阀中，一个控制EGR阀真空室与节气门上游进气管之间的连接通道，若这个电磁阀处于开启状态，则把进气压力引入真空室，使EGR阀关闭。另一个电磁阀控制EGR阀真空室与节气门下游进气歧管之间的连接通道，若这个电磁阀处于开启状态，则把进气歧管的真空引入真空室，，使“EGR阀开启。当发动机进行废气再循环时ECU首先根据发动机转速和负荷；预先确定EGR阀的目标升程，然后通过交替改变两个ON—OFF。电磁阀工作状态，对EGR阀的升程进行调整，直到位置传感器检测出的EGR阀实际升程与目标升程相同为止。图5.14电控真空阀驱动可变EGR率废气再循环系统A一进气歧管真空；口一排气管废气；c一至进气管l一水温传感器；2一EGR阀；3一EGR阀开度位置传感器；4一ON一0FF真空电磁阀；5一其他传感器输入信号在不进行废气再循环的工况，ECu使控制EGR阀真空室与节气门上游进气管连接通道的电磁阀保持开启状态，由于进气压力的引入，使EGR阀完全关闭。2．电控电磁阀驱动可变EGR率废气再循环系统图5.15所示为一采用比例电磁阀控制EGR开度的可变EGR率废气再循环系统。当发动机进行废气再循环时，ECu根据当前运行工况和相关传感器的输入信号确定EGR率(EGR阀的目标升程)，先按预先设定的通断电比例使比例电磁阀将EGR阀打开。然后，EcU根据位置传感器测得的：EGR阀实际开度，不断调整比例电磁阀的通断电比例，直到EGR阀达到预先设定的开度为止。采用电磁阀驱动EGR阀，不仅提高了EGR阀的响应速度(与真空阀驱动的EGR阀相比，反应速度提高了10倍)和EGR率的控制精度，而且为废气再循环系统诊断故障提供了方便，目前电磁驱动EGR阀的使用已越来越多。电磁驱动EGR阀的主要不足是电磁线圈长期在高温下工作，工作环境较差，对电磁线圈的耐高温性能有较高的要求。(a)废气再循环系统构成简图(b)EGR阀总成图5．15电控电磁阀驱动可变EGR率废气再循环系统A一排气管废气；B一至进气管l一空气流量计；2一ECU；3一EGR阀总成；4一EGR阀开度位置传感器5一电磁线圈；6一阀门总成5.2电控怠速控制系统发动机处于怠速工况时的转速对发动机的性能有较大的影响，怠速过高，会增加无谓的燃油消耗。据统计，汽车在交通密度大的道路上行驶时，约有30％的燃油消耗在怠速阶段，因此应尽可能降低怠速。但从减少有害物排放的角度考虑，怠速又不能过低，过低的怠速会使有害物排放量增加。另外，发动机处于怠速工况运行时，由于用电器、空调装置、自动变速器、动力转向伺服机构的接入等情况，会使怠速下降，若不采取有效措施会引起发动机运转不稳定，甚至熄火。在微机控制怠速控制系统中，ECU根据相关传感器的输入信号控制怠速控制装置，调整怠速时的进气量，使发动机在怠速负荷发生变化的使用条件下，能以适当怠速稳定运转。怠速控制的内容随车型的不同有较大的差异，一般．ECu对怠速进行控制的内容包括起动后的控制、暖机过程的控制、负荷变化时的控制及减速时的控制等。5.2.1电控怠速控制系统的工作原理在电控怠速控制系统中，ECu首先根据各传感器的输入信号确定目标转速；然后把目标转速与发动机的实际转速进行比较，得到目标转速与实际转速的差值；最后根据此差值确定达到目标转速所需的控制量，驱动怠速控制装置增加或减少空气量。微机控制怠速控制系统一般采用转速反馈控制方式，车辆正常行驶时，为了避免怠速反馈控制与驾驶员通过油门踏板动作引起的空气量调节发生干涉，电控怠速控制系统需要用节气门全关闭信号、车速信号等对怠速状态进行确认，只有怠速状态得到确认的情况下才进行怠速反馈控制。除了上述怠速稳定控制外，现代电控汽油机的怠速控制系统，还把过去由其他装置实现的功能集中到怠速控制系统中，如：为提高暖机时发动机怠速的补充空气阀、为解决怠速工况空调压缩机工作所需功率输出而附加的节气门控制装置等。在现代电控汽油机中，这些控制功能都已由电控怠速控制装置来完成，这样不仅减少了零部件，发动机的结构更加简化和紧凑，而且也有利于提高发动机可靠性。怠速控制的本质是怠速进气量的控制，虽然进气量控制的方式及所采用控制装置随车型不同而有所差异，但从怠速进气量控制方式的基本特征分类，可以分为两种类型。一类是以控制怠速旁通空气通道截面大小为基本特征，对怠速空气流量进行调节的旁通气道控制方式；另一类是以直接控制节气门的开度为基本特征，对怠速空气流量进行调节的节气门直动控制方式，如图5.16所示、，目前，在电控汽油机中旁通气道控制方式应用较为广泛。(a)旁通气道控制方式(b)节气门直动控制式图5．16怠速执行机构进气控制方式l一怠速控制装置；2一节气门；3一节气门操纵臂；4一空气5.2.3怠速控制装置对于两类怠速控制方式，由于控制方式不同，因此控制装置在结构上有较大的差异。一、旁通气道控制方式怠速控制装置在旁通气道控制方式中，应用比较广泛的控制装置主要有步进电机式怠速控制装置和旋转滑阀式怠速控制装置，其他还有旋转电磁阀式怠速控制装置、直线电磁阀式怠速控制装置等。1．步进电机式怠速控制装置如5．17所示，步进电机式怠速控制装置由步进电机和怠速控制机构两大部件组成，其中步进电机由永久磁铁的转子4、定子线圈l及轴承2等组成，怠速控制机构由进给丝杆3、阀轴8、阀门6、阀座7及旁通空气通道5等组成。怠速控制机构进给丝杆的一端通过阀轴与阀门固连在一起，进给丝杆的螺纹端旋人步进电机转子内。步进电机的转子既可以顺时针旋转。也可以逆时针旋转。转子旋转时，进给丝杆受到挡板的约束不能随转子一起旋转，只能在轴向上下运动。进给丝杆上下运动时，带动阀门一起作轴向运动，使阀门与阀座之间的相对距离发生变化，也即使旁通空气通道的通过截面积发生变化，起到调节流过旁通气道空气量的作用。图5．17步进电机式怠速控制装置l一定子线圈；2一轴承；3一进给丝杆；4一转子；5一旁通空气通道；6一阀门；7一阀座；8一阀轴(1)步进电机的基本结构及工作原理如图5．18所示，步进电机的转子由N极和s极在圆周上相间排列的永久磁铁组成，共有8对磁极。定子由A、B两个定子组成，定子内绕有A、B两组线圈，线圈由导磁材料制成的爪极包裹。每个定子各有8对爪极，每个爪极(N极与s极)之间保持1个爪宽度的间距，A、B两个定子的爪极相差1个爪的位差，两个定子组成一体安装在外壳内，如图5．19所示。图5.18定子爪极的位置图5．19定子结构l一转子；2一线圈A；3一线圈B；4一爪极；5一定子A；6一定子B相线绕组的控制电路见图5—20，A、B两个定子绕组分别由1、3相绕组和2、4相绕组组成，Ecu通过晶体三极管控制各相绕组的搭铁，交替变换定子爪极极性，使步进电机转子产生步进式转动，如欲使步进电机正转，相线控制脉冲按l→2→3→4相序滞后90°相位角，使定子上的N扳向右移动，则转子正转，如图5.2l、图5.22所示。如欲使步进电机反转，相线控制脉冲按1→2→3→4相序依次超前90°相位角，定子上的N极向左向移动，则转子反转。转子的转动是为了使定子线圈电磁铁和转子永久磁铁的N极和S极互相吸引到最近距离。当定子的爪极极性由于相线控制脉冲的变化而改变时，转子也随之转动，始终保持转子的N极与定子的s极对齐。转子转动1圈需32个步级，每一个步级转动1个爪的角度(即11.25°)，步进电机的正常工作范围为0—125个步级。图5．20相线绕组的控制电路图5．21相线控制脉冲(正转)图5．22步进原理(2)步进电机式怠速控制装置的控制内容电控系统对怠速控制装置的控制内容因发动机而异，对于步进电机式怠速控制装置，其主要控制内容主要有以下几项：①起动初始位置设定为了保证怠速控制阀在发动机再起动时处于全开位置，在发动机点火开关关闭后，主继电器继续保持接通状态，ECU控制步进电机转动使怠速控制阀开至最大位置(即125步级)，为下次起动做好准备，然后主继电器才断电。②起动后控制由于发动机起动前，ECU已经把怠速控制阀的初始位置预置在最大开度位置，当发动机起动后，若怠速控制阀仍保持全开，则会引起发动机转速过高。为了避免出现这种情况，在起动过程中，当发动机转速达到由冷却水温度确定的对应转速时，：ECU控制步进电机转动，使怠速控制阀逐渐关小到与冷却水温度相对应的开度。③暖机控制暖机过程中，ECu控制步进电机转动，使怠速控制阀从起动后的开度逐渐关小，当冷却水温达到70℃时，暖机控制结束，怠速控制阀达到正常怠速开度。④反馈控制当发动机在怠速工况运转时，如果发动机的实际转速与预置的目标转速的差值超过规定值(如20r／mim)，ECU即控制步进电机转动，通过怠速控制阀增减旁通空气量，使发动机实际转速与目标转速差小于规定值。目标转速与发动机怠速工况时的负荷有关，对应于空挡起动开关是否接通，空调是否使用，用电器增加等不同情况，都有不同确定的目标转速。⑤发动机转速变化的预控制发动机处于怠速工况时，空调开关、空挡起动开关等接通或者断开，都会即时引起发动机怠速负荷变化，产生较大的怠速波动。为了减小负荷变化对怠速的影响，ECU在收到以上开关量信号后，在发动机转速变化出现前，就控制步进电机转动，预先把怠速控制阀开大或关小一个固定的距离，以提高发动机的怠速稳定性。⑥学习控制由于发动机的性能在使用过程中会发生变化，此时怠速控制阀的位置虽然没有变化，但实际的怠速也会偏离原来的初始数值。出现这种情况的时候，ECu除了采用反馈控制使怠速达到目标值外，同时将此时步进电机转过的步数储存在备用储存器中，供以后怠速控制时调用。2．旋转滑阀式怠速控制装置如图5．23所示，旋转滑阀式怠速控制装置由永久磁铁转子3、电枢4、旋转滑阀6、回位弹簧和电刷等组成。旋转滑阀与电枢轴固连，随电枢轴一起转动，改变旁通气道截面的大小，调节怠速时的空气量。其接线图见图5．24，永久磁铁转子安装在装置壳体上，形成固定的磁场。电枢位于永久磁铁的磁场中，电枢铁心上缠有两组绕向相反的电磁线圈L1和L2，当线圈￡，通电时，电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通气道截面变小。当线圈￡：通电时，电枢带动旋转滑阀逆时针偏转，空气旁通气道截面变大。L1和L2的两端与电刷滑环相连，经电刷引出与ECU相连接。电枢轴上的电刷滑环与电机换向器结构类似，它由三段滑片围合而成，分别与一个电刷相接触。电枢绕组L1和L2的两端分别焊接在相应的滑片上。当点火开关打开时，怠速控制装置接线插头“2”上即受蓄电池电压，电枢绕组L1和L2是否通电，由ECu控制两线圈的搭铁三极管VT2和VT1的通断决定。由于占空比(一个脉冲周期高电平的时间与一个脉冲周期所经历的时间之比)控制信号和三极管VT，的基极之间接有反向器，所以三极管VT。和VT：集电极输出相位相反，使两个电枢绕组总是交替地通过电流，又因两组线圈绕向相反，致使电枢上交替地产生方向相反的电磁力矩。由于电磁力矩交变的频率(约250Hz)较高，且电枢转动具有一定的惯性，所以旋转滑阀根据控制信号的占空比，摆到一定的角度即处于稳定状态。当占空比为50％时，L1和L2线圈的平均通电时间相等，二者产生的电磁力矩抵消，电枢轴停止偏转。当占空比小于50％时，线圈L．的平均通电时间长，其合成电磁力矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通气道截面变小，怠速降低；反之，当占空比大于50％时，空气旁通气道截面变大，怠速升高。占空比的范围为18％(旋转滑阀关闭)至82％(旋转滑阀达到最大开度)之间，滑阀的最大偏转角度限制在90°以内。对旋转滑阀式怠速控制装置，滑阀的偏转角度，由两组线圈的通电时间比例，即由控制脉冲的占空比确定。ECU对旋转滑阀式怠速控制装置的控制内容与步进电机式基本相同，在此不再重复。图5．23旋转滑阀式怠速控制装置图5．24旋转滑阀式怠速控制装置连接电路图l一电接头；2一外壳；3一永久磁铁转子；4一电枢；5一旁通气道；6一旋转滑阀．二、节气门直动方式怠速控制装置节气门直动控制方式怠速控制装置通过控制节气门开度，调节怠速时的进气量，完成怠速控制的各项内容。图5．25所示的节气门直动控制方式怠速控制装置，是近年在微机控制汽油机中采用较多的一种结构形式。图5．25节气门直动控制方式怠速控制装置1一节气门；2一步进电机总成；3一减速齿轮；4一节气门操纵齿板；5一节气门轴该怠速控制装置安装在节气门体上，主要由步进电机总成2、减速齿轮3、节气门操纵齿板4等组成。发动机在急速工况运转时，在ECU控制下，步进电机正转一定步数，经过减速齿轮组的减速增矩，由最后一级小齿轮拨动齿板转动，齿板通过传动机构把节气门打开至某一开度，若步进电机反转，则节气门开度随之变小。由此能够根据怠速工况负荷变化，对怠速时的空气量进行调节。齿板与节气门之间为单向传动，因此不会和油门踏板对节气门的控制发生干涉。节气门直动控制方式，具有位置控制稳定性好的优点。但怠速控制装置工作时，为了克服节气门关闭方向回位弹簧的作用力，采用能起增矩作用的减速齿轮组，使变位速度下降，响应较慢。5．3气控制系统5.3.1电控进气惯性增压控制系统进气惯性增压控制系统也称进气谐振增压控制系统，它利用进气气流惯性产生的压力波来提高充气效率。一、进气惯性增压的机理当气体高速流向进气门时，如果进气门突然关闭，进气门附近气体的流动将突然停止运动，由于惯性，后面的气体仍将继续向前运动，于是在进气门附近的气体将受到压缩，压力上升。当气体的惯性效应消减后，先前被压缩的气体开始膨胀，向进气气流相反方向流动，压力下降。膨胀气体的膨胀波传到进气管口时又被反射回来，于是形成了来回震荡的压力波。如果来回震荡的压力脉动波与进气门开闭配合好，使反射的压力波集中到要打开的进气门旁，则在进气门打开时，就会形成对进气进行增压的效果。一般而言，如果采用较长的进气管，产生的压力波波长较长，有利与提高发动机中低转速区域的扭矩。如果采用较短的进气管，产生的压力波波长较短，可以提高发动机高速区域的输出功率。如果在发动机运行过程中，根据发动机的运行工况使进气管长度可改变，则可兼顾增大中低转速时的扭矩和提高高速时的输出功率。二、可变进气管有效长度谐振增压控制系统图5．26所示是目前广泛采用的一种改变进气管有效长度的方法，该方法通过控制变换阀的开或关，改变进气管的有效长度。当发动机在中低转速工况运行时，ECU使变换间关闭，进气管有效长度变长，空气按图5．26a的路线进人气缸，有利于增大发动机中低转速时的扭矩。当发动机在高速工况运行时，ECU使变换阀打开，进气管有效长度变短，空气按图5．26b的路线进人气缸，可以提高发动机高速运转时的输出功率。电控可变进气管有效长度谐振增压控制系统，根据发动机的转速适时地改变进气管的有效长度，充分利用进气谐振效应，提高充气效率，使发动机的高速与低速性达到了最优化。图5．27是可变进气管有效长度和固定进气管长度发动机，在高、低速时输出功率和扭矩的比较，从图中可以看出，采用可变进气管有效长度的结构，对于增大发动机低速扭矩、提高高速时的输出功率是十分有效的。(a)低速时的进气路线(b)高速时的进气路线图5．26可变进气管有效长度谐振增压控制系统l一变换阀；2一进气管(a)中低速工况输出扭矩比较(b)高速工况输出功率比较图5．27可变进气管有效长度发动机和固定进气管长度发动机输出扭矩和功率比较l一可变进气管有效长度发动机；2一固定进气管长度发动机5．3．2电控废气涡轮增压压力控制目前，废气涡轮增压在汽油机轿车的应用不多，一般只限于对发动机功率和结构紧凑性要求较高的车辆中。但随着排放标准，特别是降低燃油消耗率、减少CO：排放量标准的提高，为了使车辆在城市道路运行和在高速公路运行时都能具有较低的燃油消耗率、较好的动力性和排放性能，预计废气涡轮增压技术将在汽油机中得到广泛的应用。电控废气涡轮增压压力控制系统的组成如图5．28所示，整个系统由释压电磁阀1、气动执行器2、旁通阀3及增压器4等组成。系统增压压力的控制是通过旁通阀的开闭实现的，若旁通阀关闭，废气几乎全部流过增压器，增压压力提高。若旁通阀开启，部分废气经旁通通道直接排出，增压压力降低。旁通阀的开启和关闭，由ECU通过对释压电磁阀和气动执行器控制来实现，受工作温度的限制，系统采用气动执行器操纵旁通阀，而不直接用电磁阀控制。在正常情况下，ECU输出高电平信号使释压电磁阀动作，切断气动执行器的气室与空气进口的连通，使气室与增压器出口连通，此时气室内的压力与增压压力相等，压力较高，气动执行器推动弹簧使旁通阀关闭，废气涡轮处于正常工作状况。当增压压力过高时，ECU输出低电平信号，释压电磁阀释放，切断气动执行器的气室与增压器出口的连通，使气室与空气进口连通，于是气室压力降低，弹簧恢复力使旁通气阀打开，增压压力下降。图5．28废气涡轮增压压力控制系统A一空气进口；口一增压后的空气；C一废气进；D一废气出l一释压电磁阀；2一气动执行器；3一旁通阀；4一增压器ECU主要根据进气歧管的压力对增压压力进行控制，在高速大负荷时旁通阀开启(即所谓的放气)，其目的是提高低速时转矩的同时，避免高速时发动机的机械负荷和热负荷过高。在有些车型中，还增加了爆震反馈控制功能，当发动机发生爆震时，ECU立即打开旁通阀放气，使增压压力降低，当爆震消失后，再逐渐关闭旁通阀，使之恢复到正常的增压压力。近年来，可变旁通阀开度的闭环增压压力控制系统也开始进入应用。在闭环控制系统中，ECU根据发动机的工况，首先以预置的旁通阀开度数据控制旁通阀的开度，然后由位置传感器将实际执行结果反馈到ECtJ，‘ECu根据偏离情况做出调整。采用增压压力的闭环控制后，可以更精确地控制发动机的扭矩，大大改善了急加速时转矩滞后的现象。5．4故障自诊断系统概述现代发动机电控系统所具备的控制功能越来越多，系统越来越复杂，当出现故障时，维修人员对故障的判断变得越来越困难，故障自诊断系统就是在这一背景下应运而生的。微机控制系统具有的故障自诊断功能不仅能向使用者发出故障警告，向维修人员提供故障信息，以便迅速判断并排除故障，而且还具备带故障运行控制功能，一般情况下能使车辆维持最基本的行驶功能，行驶到修理厂进行必要的维修。自1979年美国GM汽车公司正式在汽车上使用故障自诊断系统(即第一代车载故障自诊断系统OBD—I：OnBoardDiagnositics)以来，各种故障自诊断系统迅速在汽车上得到了广泛的应用。1988年，在第一代车载自诊断系统的基础上，又开发了第二代故障自诊断系统OBD一Ⅱ，与第一代故障自诊断系统相比，OBD－J除了在系统功能上有了进一步的拓展外，还对诊断座的布置位置、诊断座的针数、端子的代号及内容都进行了规范和统一。现在故障自诊断系统已成为发动机乃至整车电控系统必不可少的基本功能。5.4.1故障自诊断系统的工作原理对于故障自诊断系统，也许把它称为自动检测系统更妥当，因为该系统不是在某些部件（如三元催化转化器等）、传感器及电控系统出现故障时才开始工作。实际上，只要发动机一开始运转，故障自诊断系统即开始对这些部件、传感器及电控系统工作状况、输出信号进行检查和监测，一旦被检查或监测的对象出现异常情况或输出异常信号，故障自诊断系统即判定该被检对象出现故障。当被检对象出现故障后，系统将立即完成三项基本工作：储存故障信息，以供维修时调用；以灯光等方式向驾驶人员发出故障警告；启动带故障运行控制功能（也称失效保护功能），使车辆仍能维持最基本的行驶功能。一、自诊断系统对故障的判定方法根据被检对象的特点，故障自诊断系统对被检对象故障的判断，一般有三种判别模式。1．数值及特征比较判别模式数值及特征比较判别模式是适用最广的一种故障判别模式，对于一些部件及大多数传感器均采用这种判别模式。对适用于数值及特征比较判别模式的对象，在发动机运行过程中，系统连续不断对它们的输人信号值或输人信号特征与标准值或标准特征进行比较，一旦输人信号超过规定值或特征不对，则系统即作为故障记录下来。如这种故障信号是偶发性的，经过一定时间再也没有重复出现，则在一定时间后系统将自动清除。如水温传感器，正常情况下其输出的电压应在0．3－4．7V之间，一旦其输出电压超出此范围，系统则判断为水温传感器故障。又如氧传感器，正常情况下其输出电压应在高一低电平间正常波动，如氧传感器长时间输出高电平或低电平，则系统判断为氧传感器故障。2．反馈信号监测判别模式该判别模式主要用于执行器的故障判别。对电控系统中的重要执行器，其每工作一次应向自诊断系统的监测回路输出一个反馈信号，若监测回路多次重复没有接受到该执行器的反馈信号，则系统判断为XX执行器故障。如点火系的点火模块，在一个工作循环中应向自诊断系统的监测回路输出与气缸数相等的点火反馈信号，一旦监测回路连续接受不到点火模块输出点火反馈信号，则系统判断为点火系故障，同时执行断油控制。3．状态判别模式状态判别模式主要用于微型计算机故障的判断。如计算机出现内存溢出，或计算机不能定时对内存进行清除，则系统判断为计算机故障，同时启动备用系统，以三种固定状态控制发动机运转。二、自诊断系统的带故障运行控制功能一旦电控系统的组成传感器、执行器及计算机出现故障，自诊断系统将执行带故障运行控制功能，也即安全保障功能。对于不同的故障对象，自诊断系统将采取不同的处理方法。对于水温传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、空气流量计等故障，系统将以预先设定的固定值代替实际值对发动机的运行进行控制。如水温传感器出现故障时，系统将以80℃的预先设定值代替实际的未知水温。又如节气门位置传感器出现故障时，系统将以怠速及小负荷两种工况，即两组固定的喷油持续时间、点火提前角和闭合角控制发动机运行。对于氧传感器、爆震传感器等用于反馈控制的传感器故障，系统将以开环控制方式对发动机进行控制。对于点火系的故障，为了避免大量燃油进入气缸，系统将执行断油控制。对于计算机故障，系统将启动备用系统，按起动、怠速及小负荷三种运行工况，以三种固定的喷油持续时间、点火提前角和闭合角控制发动机运行。三、故障警告、故障信息读出和清除在自诊断系统确认一些部件、传感器及计算机出现故障后，系统将点亮仪表板上的故障指示灯，或者在仪表板上的规定位置显示“c：HECKENGINE”、“SERVICE．ENGINESOON”等提示信息。故障信息的读出，对OBD—I系统既可以采用就车读出和就车清除的方法，也可以采用外接设备读出和清除的方法。对于OBD一Ⅱ系统，只能采用外接设备读出与清除的方法。所谓就车读出和就车清除的方法，是指通过诊断座跨接等方法，由故障灯、故障笔、发光二极管等以不同闪烁持续时间及间隔所表示的数值，读出故障代码，然后根据不同汽车制造公司对代码的定义确定故障源。在故障排除后，按规定的操作步骤清除故障码。外接设备读出与清除方法是指通过通用或专用的读码器、解码器、扫描仪、专用诊断仪直接读出故障代码或故障内容、检查步骤等信息。在故障排除后，按规定的操作步骤用这些外接设备清除故障码。使用的专用设备有1551、1552(大众专用)，Fluck系列95、98(通用公司专用)等。通用仪器设备有OTC、’rECH、SNAPONSCANNER、HY222、笛威’rwAY9206、940、数字存储示波器等。5．4．2OBI)一Ⅱ故障自诊断系统简介OBD一Ⅱ故障自诊断系统(即车载故障自诊断系统的统一标准)，由美国汽车工程学会SAE于1980年末提出，经美国环保机构EPA和加州资源协会cARB认证通过后，作为强制性标准首先在美国开始实行。美国联邦法律规定，到1996年，所有在美国销售的汽车必须满足OBD一Ⅱ的标准。现在，OBD一Ⅱ标准已发展成为世界汽车行业的统一标准。按照OBD一Ⅱ标准设计的故障自诊断系统，对诊断模式和诊断接口进行了统一，原则上只需使用一台仪器，就可对各类车辆进行诊断检测，该系统是目前应用最广泛的自诊断系统。一、OBI)一Ⅱ故障自诊断系统的主要特点与OBD—I车载故障自诊断系统相比，OBD一Ⅱ有如下的主要特点：=1\*GB3①断座统一规定为16针插座，统一安装于驾驶室仪表板下方，如图5．29所示。采用OBD－11标准主要车系的诊断座端子代号及内容可查阅相关资料获得。图5．29OBD－11的诊断座②OBD一见故障自诊断系统的诊断座具有数值分析资料传输功能，OBD－11资料传输线有两个标准：ISO——欧洲统一标准为7＃、15＃针脚；SAE——美国统一标准（SAE—J1850）用2＃、10＃针脚。③各种车辆故障码代号相同，且故障码意义统一。OBD－11故障码由5个字组成，如图5．30所示。图5．30OBD一见故障代码的定义规定④具有行车记录功能，能记录车辆行驶过程的有关数据资料。=5\*GB3⑤具有重新显示记忆故障的功能。=6\*GB3⑥具有可由仪器直接清除故障码的功能。二、OBD—11故障自诊断系统的工作原理OBD－11故障自诊断系统要完成的自诊断任务有：诊断试验、诊断试验的结果记录、进行诊断失效操作。1．故障诊断模式及处理OBD－11的诊断试验分为三个层次，即被动诊断（Passive）、主动诊断（Active）和介人诊断（Intrusive）。被动诊断只是在运行过程中监测微机系统及其元件。主动诊断除了具有被动诊断的基本监测功能外，还在具有故障出现后，对整个系统或元件操作控制的功能，主动诊断通常在被动诊断失效后进行。介人诊断是一种特殊主动诊断，它主要是介人ECU执行影响到车辆性能或排放的操作控制。2．故障诊断结果的记录在ECU中应储存记录的诊断结果信息主要包括以下内容：(1)故障信息故障信息记录中保存了故障内容、故障发生的时间、还包括历史故障记录等信息。（2）冻结框（FreezeFrame）它保存运行工况的信息，即在与排放有关的故障出现时（此时有故障警告显示）发动机的工况参数。冻结框只有一个。（3）失效记录（FailRecords）它保存的信息与冻结框类似，但失效记录可有多个。（4）系统状态表明系统的故障诊断过程是否在进行，同时还能表明对与排放有关的传感器、元件或子系统是否进行过诊断。（5）暖机次数记录发动机所经历的从冷起动到暖机至70℃过程的次数。该次数可作为ECU判断故障排除情况的依据。如某一故障排除后，ECU在执行诊断过程时自动将暖机次数置零，然后不断累加，如达到40次（依系统而定）后仍未再次诊断到这一故障，则ECU自动消除相应的故障信息。三、OBD—11故障自诊断系统的故障四OBD一见故障自诊断系统的故障码分为A、B、C八四类。其特点分别为：（l）A类故障与排放有关，第一次扫描诊断失效，系统即显示故障警告，如冻结框空缺即存储，存储故障信息，每次诊断失效即刷新失效记录。（2）B类故障与排放有关，一次扫描诊断失效即处于警戒状态，第二次扫描通过即解除警戒。若第二次扫描失效则显示故障警告，如冻结框空缺即存储，存储故障信息，每次诊断失效即刷新失效记录。（3）C类故障与排放无关（即该类故障引起的有害排放增加量，不会超过联邦法规标准的1．5倍，下同），第一次扫描失效只显示维修提示信号或维修信息，存储故障信息，不存储冻结框，存储试验失效记录，每次诊断试验失效即刷新失效记录。（4）D类故障与排放无关，不显示任何提示信息，第一次扫描失效存储故障信息，不存储冻结框，诊断试验失效即存储失效记录，每次诊断试验失效即刷新失效记录。四、OBD一皿故障自诊断系统对故障码的清除OBD－11故障自诊断系统对故障码清除有3种方法可采用：(1）使用专门的故障诊断仪（如Tech2）清除。它还可以清除原有的冻结框和失效记录数据。（2）卸掉ECU的总保险丝或断开蓄电池接线，使EC断电，则所有的故障信息均会消除。（3）如果产生故障信息的故障已被排除，诊断系统将重新对暖机过程计数。一旦暖机次数达到40次（依系统而定）尚未诊断到故障，则ECU自动将原故障信息清除。本章小结本章介绍了电控汽油机排气净化与排放控制主要内容，控制系统组成部件的一般构造、作用及原理，电控系统的控制过程；怠速控制的基本方式，主要控制装置的一般构造及工作原理，怠速控制的基本内容；进气控制系统的基本构成及控制方法；故障自诊断