《汽车构造》教案 单元一 项目四 任务四 汽油发动机电控系统结构认知

《汽车发动机构造与维修》教案课题序号12实施课时4使用教具整车或电喷系统台架课题名称项目四电控燃油喷射系统认知与拆装任务四汽油发动机电控系统结构认知教学目标（知识与技能，过程与方法，情感、态度与价值观）【知识目标】1.了解发动机电控系统的组成；2.了解发动机电控系统主要元器件的功用和原理。【能力目标】1.能认识电控系统主要元器件；2.会拔插主要元器件插接器。【育人目标】1.让学生理解民主集中制的重要性。2.培养自主学习的意识，养成自主学习的习惯以及技能，提高学生自我发展的能力。教学重点电控系统的组成及工作原理；各传感器的位置，作用及分类。教学难点各控制内容的控制原理；各传感器的作用。教学内容教师活动学生活动【复习回顾】简述燃油工作路线。【导入新课】电子控制单元（ECU）是发动机电控系统的核心，接受传感器或其他装置输入的电信号，并对所接受的信号进行存储、计算和分析处理，根据计算和分析的结果向执行元件发出指令。本任务主要介绍汽油发动机电控系统组成、作用和工作原理。 项目四电控燃油喷射系统认知与拆装任务四汽油发动机电控系统结构认知一、电控系统的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。信号输入装置是“情报员”，包括各种开关及传感器，用于采集控制系统所需的信息，并将其转换成电信号通过线路输送给ECU。电子控制单元（ECU）是“司令部”，给传感器提供参考电压，接受传感器或其他装置输入的电信号，并对所接受的信号进行存储、计算和分析处理，根据计算和分析的结果向执行元件发出指令。执行元件是“工作机构”，受ECU控制，具体执行某项控制功能从而达到控制目标。汽油机电子控制的核心问题是燃油定量和点火定时；柴油机电子控制的核心问题是燃油定量和喷油定时。电控汽油机是以电子控制单元（ECU）为控制核心，以空气流量和发动机转速为控制基础，以喷油器的喷油量、喷油时刻、发动机怠速和点火装置等为控制对象，保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳空燃比和点火提前角，同时适应调整发动机怠速。汽车电控技术在发动机上的应用主要有：电控燃油喷射系统、电控点火系统、怠速控制系统、排放控制系统、进气控制系统、自诊断与报警系统、安全保险装置及应急备用系统等。二、汽油发动机电控系统主要元器件电子控制单元由信号输入装置、电子控制单元ECU及执行器三部分组成。1.信号输入装置信号输入装置包括各种传感器及开关。（1）传感器在发动机控制系统中，传感器的作用是将汽车各部件运行的状态参数（各种非电量信号）转换成电信号并输送到控制器，用以监测各部件运行情况和环境条件。主要有：空气流量传感器、进气压力传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、爆震传感器等。1)空气流量传感器空气流量传感器也称空气流量计（MAF：MassAirFlowSensor），通常安装在空气滤清器与节气门体之间。它的功用是将吸入的空气量转换为电信号传送给发动机电控单元ECU，其信号是ECU确定基本喷油量的重要信号之一。根据结构的不同，空气流量传感器又分为热线式、热膜式、卡门漩涡式及叶片（翼板）式几种类型。2）进气歧管绝对压力传感器进气歧管绝对压力传感器（MAP：ManifoldAbsolutelypressureSensor）也称为进气压力传感器，是一种间接测量发动机进气量的传感器，通常安装在进气歧管上。其功用是通过检测进气歧管内的绝对压力和环境大气压之间的差值，并将其转变为电压信号输送到发动机ECU。进气压力传感器信号是确定喷油量和点火时间的基本依据，也是检测发动机负荷的重要参数。进气压力越大，进气量越多，喷油越多，点火提前角越大。3）节气门位置传感器节气门位置传感器（TPS：ThrottlePositionSensor）一般安装在节气门体上，固定在节气门轴一段，随节气门轴一起转动。它的作用是将气门开度及启闭快慢的状态变为电信号送入ECU，ECU以此为判断发动机不同运行工况的依据，用来控制喷油时间和点火正时及变速器换挡等多种功能和参数。常见的节气门位置传感器有线性式（可变电阻式）和开关式（触点式）两种类型。部分车型使用电子节气门，取消了加速踏板与节气门之间的拉索，采用电子控制式。电子控制节气门（ETC：ElectronicThrottleControlSystem）的功用是利用发动机ECM来精确地控制节气门开度。该系统主要由加速踏板位置传感器（APP）、ECU、节气门位置传感器和节气门电机等组成。加速踏板位置传感器在加速APP踏板总成的顶部，节气门电机和节气门位置传感器TPS位于电子节气门体总成中。APP将加速踏板位置信息传送给ECU，ECU结合当前发动机的工况计算出最佳的节气门开度，并与TPS检测的当前节气门位置进行对比，然后向节气门电机发出指令，控制节气门电机工作，将节气门调整到合适的开度。为了保证电子节气门控制系统正常工作，节气门电机和节气门转轴之间有减速机构和负载弹簧。4）曲轴位置传感器曲轴位置传感器（CKPS：CrankshaftPositionSensor）又称为发动机转速与曲轴转角传感器。它的作用是采集曲轴转动角度或发动机转速信号，并输送至ECU，作为点火控制和喷油控制的主要参数之一。ECU还可以检测曲轴位置传感器信号波动大小来判断发动机是否出现失火。曲轴位置传感器一般安装于曲轴前端、中部或变速器壳体靠近飞轮的位置。按照工作原理的不同，曲轴位置传感器可分为磁电式、霍尔式和光电式。5）凸轮轴位置传感器凸轮轴位置传感器（CMPS：CamshaftPositionSensor）的作用主要是检测凸轮轴位置和转角，从而确定第一缸活塞压缩上止点的位置。在启动发动机时，ECU根据凸轮轴位置传感器和曲轴位置传感器提供的信号，识别出各个汽缸活塞的位置和行程，精确控制燃油喷射顺序和喷射时刻、点火顺序和点火时刻。随着可变气门正时（VVT）技术的出现和发展，凸轮轴位置传感器除了用于判定各缸压缩上止点外，还要监控VVT系统的进气或排气凸轮是否达到预定位置。双可变气门正时（DVVT）系统的进、排气凸轮轴各有一个凸轮轴位置传感器。凸轮轴位置传感器的工作原理与曲轴位置传感器的工作原理相似。对于现代汽车发动机控制系统，当曲轴位置传感器或凸轮轴位置传感器发生故障时，其信号有时可以互相替换。例如，当曲轴位置传感器信号丢失时，ECU可以利用凸轮轴位置传感器信号推算出曲轴位置和发动机转速；当凸轮轴位置传感器信号丢失时，ECU可以利用曲轴位置传感器信号判断1缸压缩上止点和各缸活塞位置。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器中任何一个正常工作，发动机都可以启动，但ECU会进入故障模式，限制发动机的某些功能。6）进气温度传感器进气温度传感器（IAT:IntakeAirTemperatureSensor）通常安装在空气滤清器之后的进气软管或空气流量传感器上（科鲁兹），也有个别车型将其独立安装在进气管上，用以检测进气温度，它与进气压力传感器联合使用可以间接测量进人汽缸的空气量。发动机电控单元ECU根据进气温度传感器检测到的进气温度来修正喷油量，使发动机自动适应外部环境（寒冷、高温、高原、平原）的变化。进气温度传感器属于热敏电阻型，它主要由外壳和对温度变化非常敏感的负温度系数的热敏电阻组成。负温度系数的热敏电阻具有外界温度越高而其电阻值越小的特性。7）冷却液温度传感器冷却液温度传感器（CTS：CoolantTemperatureSensor）的作用是检测发动机冷却液的温度，并转变为电信号，输送给ECU，是喷油和点火的修正信号。冷却液温度传感器的信号输入可以实现以下功能：①修正喷油量：发动机低温运转时增加喷油量，形成较浓的混合气。②修正点火提前角：发动机低温运转时，增大点火提前角（提前点火）；高温运转时，为了防止发生爆震，减小点火提前角（推迟点火）。③冷启动时决定喷油量：冷启动时，ECM根据冷却液温度信号决定冷启动喷油量。温度越低喷油量越大，从而形成可燃的混合气体，以利于发动机顺利启动。④影响怠速控制阀动作：低温时，为了使发动机温度尽快达到正常值，ECM根据冷却液温度传感器信号控制怠速控制阀的动作，提高怠速运转。⑤影响怠速断油：汽车急减速滑行时，若ECM检测到冷却液温度正常，就控制喷油器在短时间内停止喷油，直到发动机转速下降到设定的低转速时再恢复供油。⑥影响废气再循环:冷却液温度较低时，由于燃烧不稳定，缸内温度较低，发动机运转不平稳。此时，ECM输出信号停止废气再循环系统的工作，随着温度的升高，控制废气再循环系统开始工作。冷却液温度传感器通常安装在节温器壳体上。使用电子节温器的发动机一般安装两个冷却液温度传感器，一个位于节温器壳体上，另一个位于散热器出口处，其中ECT1主要用于喷油、点火等控制；ECT2主要用于电子节温器的闭环控制冷却液温度传感器工作原理与进气温度传感器相似，也是采用负温度系数的热敏电阻型。8）氧传感器氧传感器（EGO：ExhaustGasOxygenSensor）是电子控制燃油喷射系统进行反馈控制的传感器，一般安装在排气管上。它的功用是用来检测排气中的氧气含量，以确定实际空燃比是比理论空燃比浓还是稀，并向发动机ECU反馈相应的电压信号。发动机ECU根据氧传感器反馈的混合气浓稀信号，在上次喷油量的基础上对本次喷油量进行减小或增加的修正。按结构原理不同，氧传感器分为氧化锆（ZrO2）式和氧化钛（TiO2）式两种类型，氧化锆式氧传感器又分为加热型与非加热型氧传感器两种，非加热型的线束插头有一个或两个接线端子；加热型的线束插头有二个或四个接线端子。加热器采用陶瓷加热元件制成，设在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。氧化钛式一般都为加热型传感器。由于氧化钛式氧传感器价格低，且不易受到硅离子的腐蚀，因此应用越来越多。采用氧传感器的最终目的是为了提高发动机的排放性能,通常与三元催化转换器一同使用。三元催化转换器安装在排气管中段，它能同时净化排气中CO、HC和NOx三种主要的有害气体，但只有在混合气的空燃比处于接近理论空燃比的一个窄小范围内，三元催化转换器才能有效地起到净化作用。因此应用氧传感器进行反馈控制的目的也在于保证三元催化转化器的排气净化效果，以解决功率、油耗和排气污染之间的矛盾。氧传感器信号反馈控制的闭环控制，能使实际混合气的空燃比接近理论空燃比。但对特殊工况如启动、暖机、怠速、加速、满负荷等需加浓混合气的情况，仍需要开环控制（即发动机ECU暂不采用氧传感器反馈回的信号，而是按实际运行工况进行喷油控制），以充分发挥发动机的动力性能。所以目前普遍采用开环和闭环相结合的控制方式，而开环和闭环控制之间的转换由发动机ECU来完成。9）爆震传感器当发动机吸入油气混合物后，在还没有点火的情况下，混合气自行燃烧，火焰传播速度达到2000m/s（正常时为30m/s），粗暴燃烧产生巨大冲击力撞击汽缸壁，不再主要推动活塞，这种现象称为爆震。爆震又分为有感爆震与无感爆震两种，有感爆震通常会引起发动机抖动、甚至车身也明显地发生抖动，无感爆震主要的表现是发动机噪音加大。发动机发生爆震的主要危害是：一是爆震破坏发动机的正常燃烧，从而使发动机动力性，经济性变差，排污加重；二是爆震燃烧是在局部产生强烈的冲击波，将破坏发动机汽缸壁上的润滑油膜，使发动机工作条件恶化；三是爆震燃烧容易造成发动机过热．使各部机件热负荷增加，冷却水温度失去控制，时间长后，将会造成冷却水沸腾而使发动机无法工作。因此，必须防止爆震的产生。实验证明发动机发出最大功率时的点火时刻在开始产生爆震时刻的附近。电子控制点火系统中，就是利用减小点火提前角的方法防止爆震的发生，即使点火时刻到爆震边缘只有一个较小余量，即可控制爆震发生又可有效得到发动机的输出功率。爆震传感器（KS：KnockSensor）是用来检测发动机的爆震信号，并将信号送到电控单元ECU，ECU根据该信号控制点火时刻，防止爆震，有爆震则推迟点火时刻，无爆震则提前点火时刻，使点火时刻在任何工况都保持最佳值。爆震传感器通常安装在缸体侧面。（2）开关量信号1）蓄电池电压信号（UBAT）蓄电池电压输入ECU的主要目的是当蓄电池电压变化时，ECU将对喷油持续时间和点火线圈初级电路接通时间进行修正；当发电机停止工作时，蓄电池直接向ECU的存储器供电，消耗电流很小，约为5—20mA。2）点火开关信号（IGN）当点火开关打开时，ECU将控制以下动作：怠速步进电机进入预先设定位置；根据进气量信号，确定基本喷油时间；监测冷却液温度信号；监测节气门位置传感器信号；接通油泵继电器电路；ECU控制燃油泵继电器触点接通，向氧传感器加热元件通电加热。3）启动信号（STA）当ECU收到启动信号STA后，将执行以下动作：接通启动继电器；监测曲轴位置传感器CKPS和凸轮轴位置传感器CMPS的输入信号，确定点火时刻和喷油时刻；控制燃油泵继电器接通燃油泵电路使燃油泵运转；监测节气门是否全开，进入溢油清除状态；4）空挡启动开关信号（NSW）空挡启动开关信号的作用是提示自动变速器的档位状态，在变速器处于驻车档和空挡的时候，发动机可以启动，而在档位切换过程中，发动机控制电脑根据该信号来调整发动机的怠速转速、点火正时等。5）动力转向开关信号（PSW）动力转向开关信号（PSW）表示动力转向开关接通使发动机负荷增大信号。如果此时发电机处于怠速运转，ECU将控制怠速阀或步进电机动作，使发动机转速升高，防止发动机因负荷过大而熄火。6）空调开关信号（A/C）空调（A/C）信号是用来检测空调压缩机电磁离合器是否工作。空调信号是取自空调压缩机电磁离合器的电源电路，空调压缩机电磁离合器工作时，该电路向发动机电控单元ECU输送高电平信号，ECU根据空调（A/C）信号来控制发动机怠速时的点火提前角、怠速转速等。2.电子控制单元ECU在整个系统中，电子控制单元（ECU）是核心部分，具有强大的数学运算、逻辑判断、数据处理及数据管理等功能。其作用主要体现在以下几个方面：（1）接收传感器等其他装置输入的信息，给传感器提供参考电压（2V、5V、9V或12V）。（2）处理、存储、计算和分析信息数据及故障信息。（3）根据输入的有关信息求出输出值（指令信号），并且将它与标准值对比，进行故障判断。（4）把弱信号（指令信号）变为强信号（控制信号）。（5）当电控系统出现故障时，输出故障信息。（6）实行学习控制（自我修正输出值）。ECU是以微型计算机为核心组成的电子控制装置，并在内存中存储事先编制的程序或控制软件，即ECU由硬件和软件两部分组成。（1）硬件ECU的硬件按照功能可分为输入电路、微型计算机和输出电路三个部分，如图4-4-14所示。从传感器输送过来的信号，首先进入输入处理电路进行预处理，一般是在去除杂波和把正弦波变为矩形波后转换成输入电平。对于CPU不能直接处理的模拟信号，A/D转换器将其转换为数字信号后再输入。输出处理电路将CPU发出的指令转变成控制信号来驱动执行器工作，一般有控制信号的生成和放大等功能。（2）软件ECU的软件包括控制程序和数据两部分，最主要的是主控程序。主控程序的主要任务是实现整个系统初始化、协调系统工作时序、设定控制模式，包括常用工况及其他工况下喷油信号和点火信号的输出程序，软件中还有转速和负荷的处理程序、中断处理程序等。3）工作过程发动机启动时，ECU进入工作状态，某些运行程序或操作指令从存储器（ROM）中调入中央处理单元（CPU）。这些程序可以控制燃油喷射、点火时刻、怠速转速等等。在CPU的控制下，一个个指令按照预先编制的程序有条不紊地进行循环。在程序运行过程中所需要的发动机工况信息由各种传感器提供。当脉冲信号、模拟信号等输入ECM后，首先通过输入回路进行信号处理。如果是数字信号，就根据CPU的安排经缓冲器和I/O接口电路直接进入CPU；如果是模拟信号，则首先经过模/数（A/D）转换器转换成数字信号，以便数字式单片机处理，然后才能经I/O接口电路输入CPU。大多数信息暂时存储在RAM中，根据控制指令再从RAM传送到CPU。ECM将预先存储在ROM中的最佳试验数据引入CPU，再将传感器输入的信息与其进行比较。CPU将来自传感器的各种信息依次取样，与最佳试验数据进行逻辑运算，通过比较作出判定结果并发出指令信号，经I/O接口电路、输出回路控制执行器动作。如果是喷油器驱动信号，就控制喷油开始时刻、喷油持续时间，完成控制喷油功能；如果是点火器驱动信号，就控制点火导通角和点火时刻，完成控制点火功能。如果执行器需要线性电流量驱动，单片机就控制占空比来控制输出回路导通与截止，使流过执行器电磁线圈的平均电流线性增大或减小。发动机工作时，计算机运行速度相当快，如点火时刻控制，每秒钟可以修正上百次，因此控制精度很高，点火时刻十分准确。3.执行元件在发动机电控系统中，执行元件受ECU控制，是具体执行某项控制功能的装置。常用的执行元件有：喷油器、点火器、怠速控制阀、EGR阀、