博世发动机管理系统EMS课件.ppt

,先进的发动机管理系统ME7-Motronic,目录,1 系统综述,3 ME7系统的主要控制策略,6 ME7系统的综合诊断,8 结束语,7与其它系统的接口,2 ME7的主要控制系统,5 电控单元（ECU）,4 主要传感器与执行器介绍,系统综述,本章将从以下几个方面对ME7系统进行初步介绍。其中的系统组成和控制策略将在后面进行重点论述。,系统特点 ME7系统是目前国内采用的德国BOSCH公司生产的Motronic系列发动机管理系统（Engine Management System 简称EMS）的最先进的一种，与之前的M1和M3系统的最大不同在于ME7系统的控制策略是基于扭矩控制的。 这种控制策略可以灵活地将众多系列的Motronic系统功能移植到不同的发动机和使用环境。 ME7系统采用了电子节气门（Electronic Throttle Control,简称ETC)，使得发动机的进气量不直接由加速踏板来控制，而是由电控单元采集分析诸多信号后通过控制节气门开度来精确确定。,系统综述,系统综述,系统特点 ME7系统的电控单元（EMS ECU）采用了两片高性能CPU，大容量的闪存（Flash Memory），在提高系统运行处理能力和程序、匹配数据升级方面有明显的提高。 电控单元（EMS ECU）中的CPU还集成了CAN总线控制器，与车内其它电子控制系统组成了CAN总线网络，进一步提高了系统性能，并同时也为诊断和维修提供了方便。 此外，ME7系统集成了众多先进的传感器和执行器，可以更加准确、可靠地测量和执行动作，所有这些都为提高整个汽车的综合性能奠定了坚实的基础。,系统综述,系统组成,如上图所示，ME7系统包括以下三个部分： -传感器 负责记录当前发动机和车辆运行的各种数据以及驾驶者的驾驶意愿 -执行机构 火花塞式发动机管理系统所要求的所有的伺服单元或终端控制元件 -中央电控单元(ECU） 对传感器信号进行采集处理并生成相应输出控制信号,系统综述,系统综述,系统综述,系统基本功能 ME7发动机管理系统的基本功能是根据驾驶者的意愿设置相应的扭矩输出。 具体地说，就是利用加速踏板位置传感器反映当前驾驶者的驾驶意愿，中央电控单元将认为当前的加速踏板位置传感器的测量值对应着一个特定的输出扭矩，为了获得这个对应的扭矩，中央电控单元将在采集各类发动机工况参数和车辆运行参数的基础上，协调各个输出控制信号，如： - 气缸进气量 - 喷油量 - 点火正时 以达到要求的输出扭矩，同时系统将监测当前运行参数的变化情况。,系统综述,系统辅助功能 ME7系统同时广泛采用了辅助的开环和闭环控制功能，包括： 怠速控制 闭环控制 燃油蒸发排放控制 巡航控制 降低NOx排放的排气再循环控制(EGR) 降低HC排放的二次空气喷射控制,系统综述,系统综述,由于多种因素的共同作用，这些辅助功能已被提高到了一个重要的位置。这些因素包括： 要求降低尾气排放的法规 对进一步提高燃油经济性的不懈追求 对安全性和驾驶舒适性的更高要求,系统扩展 ME7系统也可进行扩展，以集成以下配置： - 涡轮增压器和可变进气歧管控制(可提高动力输出) - 发动机阀门正时可变的凸轮轴控制 (可降低燃油消耗和排放，同时提高动力输出) - 爆震控制、发动机转速控制和车速控制(可保护发动机和车辆)。,系统综述,系统基本控制策略 M7系列的发动机管理系统采用的是基于扭矩控制的控制策略。 使用该控制策略，可以使系统针对不同发动机和使用环境，方便灵活地集成众多Motronic系列产品的功能。 大多数辅助开环和闭环控制功能都会体现在对发动机扭矩的影响上，这经常导致同时出现相互矛盾的要求。 该控制策略则能够区分出这些相互矛盾的需求的优先程度，并执行最至关重要的需求,这也是基于扭矩控制的控制策略的优势所在。,系统综述,系统接口 在ME7系统中，中央控制单元采用CAN(Controller Area Network,控制器局域网)总线与车内掌管其它系统的不同控制单元保持通信与互相协作。 这种协作的一个例子是当进行换档时，Motronic控制单元可操纵自动变速箱的ECU来执行扭矩的减少，从而减少变速箱的磨损。 同样，如果安装了TCS(牵引控制系统)，当感受到车轮滑动时，它的ECU会把相应的数据传递给Motronic控制单元，使其降低发动机扭矩。 这也是采用基于扭矩的柔性响应控制的另一个好处。,系统综述,系统诊断 由于器件故障将可能导致严重的安全或排放问题，在线诊断系统(On-Board Diagnosis)是Motronic系列发动机管理系统的标准配置。 利用在线诊断，系统可以诊断出象空气流量计、电子节气门体、氧传感器、碳罐阀等诸多器件的故障。 ME7系统可满足OBD和EOBD标准。,系统综述,ME7的主要控制系统,ME7的主要控制系统,发动机管理系统主要通过控制：进气、喷油、点火来实现对整个发动机的运行管理，本章将主要就以下三个分系统介绍ME7主要的控制系统：,燃油系统,点火系统,进气系统,节气门控制 对火花塞式发动机而言，决定功率输出的首要因素是气缸进气量。 发动机管理系统主要是通过调节节气门开度来控制气缸进气的。,进气系统,进气系统,常规系统 常规的设计是依靠机械的连接来控制节气门，借助系缆或机械拉杆传递加速踏板的运动，相应地转变成节气门的动作。 发动机冷车启动时，为了克服较大的内部摩擦消耗需要吸入较多的空气和喷入额外多的燃油；同时，当辅助设备如空调压缩机被打开时，气缸也需要吸入更多的空气来弥补驱动功率的损失。,进气系统,这些额外的空气要求可通过空气旁通执行器来满足，这种执行器能控制一个绕过节气门的额外气流通道。 另一种选择是使用一种可随发动机需求变化而相应调整节气门最小开度的节气门执行器来满足这种要求。 但这两种情况下为满足发动机需求波动而对空气流量进行电子控制的范围都是有限的，仅局限在某些特定工况，比如说怠速控制。,进气系统,带有ETC的系统 如下图所示，ETC(电子节气门控制)控制涉及部件包括：加速踏板、EMS ECU、和电子节气门总成。,进气系统,ETC系统部件说明： - 加速踏板：内有两个输出信号同向变化的电位器负责监控踏板的位置。踏板的位置由驾驶员决定。 - 电子节气门体：包括节气阀门、节气门执行器(一直流电机)、节气门开度传感器。其中开度传感器是两个输出反向互补的电位器。 ME-Motronic系统将ETC控制与负责点火、喷油和大量辅助功能的发动机管理ECU集成在一起，而无需为ETC配备一个专门的ECU。,进气系统,进气系统,下图给出的是一典型的ETC系统部件的图片：,ETC系统控制原理： 加速踏板位置传感器将感受到的加速踏板位置信号传递给ECU， ECU计算出相应的节气门开度，在根据发动机当前运行工况作适当调整后，产生一个相应的控制信号传递给电子节气门总成的节气门执行器。 节气门执行器能够对ECU的输出控制信号做出精确的响应，同时两个节气门位置传感器又将当前的节气门开度信息反馈给ECU，由ECU再做适当的反馈控制。 电子节气门总成上的两个反相互补节气门位置传感器连同加速踏板上监控踏板运动行程的两个电位器，构成了整个ETC监控功能的一部分，能提供系统所期望的冗余度。,进气系统,在整个发动机运行期间，ETC控制系统会不断地检查和监测所有能影响节气门开度的传感器信号和计算。 一旦遇到故障，系统的初始反应是回复到基于冗余传感器信号的状态并进行数据处理。如果没有冗余的信号可用，则节气门开度调整到默认的位置。,进气系统,尽管节气门控制是控制发动机进气的主要方式，仍然有许多其它的系统型式也能够实现对进入气缸中的新鲜空气和残留废气数量的调整，包括： - 可变进排气阀门正时 - 排气再循环(EGR) - 可变进气歧管布置(动态增压） - 废气涡轮增压,进气系统,燃油供应与传送 电动燃油泵从油箱中泵出燃油，经燃油滤清器强制过滤后，燃油被送往燃油分配管。 燃油分配管上装有由电磁控制的喷油器，可以精确地将一定数量的燃油喷入进气歧管。 在配有回油管的系统中，燃油流经油压调节器后多于的部分会返回油箱中。,燃油系统,燃油系统,燃油系统可分为带回流管和不带回流管的两种，在无回油管的系统中，油压调节器紧挨着油泵安装。回油管就可省略了，这不仅可减少生产的成本，而且可降低油箱里的温度。 温度的降低意味着不仅碳氢化合物的排放更少，而且燃油蒸发排放系统的表现会更佳。 右图给出的是带回流管的燃油系统。,燃油系统,燃油系统,1）电动燃油泵 2）燃油分配管3）燃油滤清器 4）油压调节器5）电磁喷油器,燃油系统的组成：,1）电动燃油泵 电动燃油泵维持着由油箱而来的连续不断的燃油流动。它可以安装在油箱里或者油箱外的油路中。 目前多采用的是在油箱内安装油泵总成，这种油泵总成集成了油泵与油位传感器，并设有一涡旋状隔板结构以去除回油管中的油蒸汽。,燃油系统,2）燃油分配管 燃油经油泵后流过燃油分配管，燃油分配管上装有喷油器，在这里燃油被均匀的分配到各个喷油器。在有回油管的系统中还有压力调节器。 燃油分配管的尺寸经过精心设计，以防止由于喷油器的开关引起谐振造成局部的油压波动。这就避免了在负荷或转速变化的过渡工况时喷入不规则数量的燃油。 视不同车型的特殊需要，燃油分配管可采用钢制、铝制或塑料材料制造。同时燃油分配管也可集成一个测试阀，供检修时卸压以及测试之用。,燃油系统,3）燃油滤清器 燃油杂质造成的污染会影响油压调节器与喷油器的工作。 因此有必要在油泵的下游安装一个燃油滤清器。 滤清器中含有纸制的滤芯，滤芯上带有许多平均直径仅10m的微孔。,燃油系统,4）油压调节器 喷油量由喷油脉宽和燃油分配管与进气歧管的压差决定。 有回油管的系统由油压调节器负责维持燃油系统与进气歧管的压差恒定。,燃油系统,5）油压衰减器 喷油器的循环工作与正排量燃油泵的周期性燃油卸压特性都会引发燃油系统内的压力波。在恶劣的环境条件下，电动油泵、油路以及燃油分配管的支架会将这种压力波动传递给油箱和车身。 通过使用特别设计的支架和油压衰减器可以抑制这些噪声源。油压衰减器的设计与油压调节器类似，由一个有弹簧预设力压住的膜片将燃油腔与空气腔分割开。,燃油系统,6）电磁喷油器 当电磁线圈中没有电流通过时，由于弹簧力与燃油压力的共同作用，阀针被压向阀座，从而将燃油供应系统与进气歧管隔断。 当电磁线圈通电时，线圈周围产生磁场，从而提升衔铁，阀针离开阀座，燃油便通过喷油器喷出。 电磁喷油器的结构可参考下图。,燃油系统,燃油系统,电磁喷油器的结构示意图：,燃油喷射 为满足汽车平稳运行和低排放的严格要求，每一个工作循环都需要提供完全精确的混合气配制。 喷射的燃油量必须精确计量以匹配吸入的空气量。如今，准确的喷油正时也变得越来越重要，因此，ME7系统采用的是多点燃油喷射，即每个气缸都配有一个电磁喷油器。 喷油器由ECU控制，可在准确的时间点将精确的燃油量直接喷向气缸进气门附近，这样大大避免了喷出燃油沿进气管壁的凝结。因为这种凝结将导致所需混合气空燃比的偏离。 此外，对于多点燃油喷射系统来说，因为发动机进气歧管只通过供燃烧的空气，所以可以优化其形状和尺寸来实现发动机的动态增压。,燃油系统,燃油系统,多点燃油喷射示意图如下：,燃油系统,混合气配制 可以采用各种不同的燃油调节方法来实现有效的燃油雾化，最大程度保证空燃混合气的均匀性，同时使在进气管壁凝结程度最小。 燃油雾化模式取决于喷油器出口端的几何形状、角度以及油滴的尺寸。 对特定的气缸头与进气歧管几何形状而言，采用的喷油器应有所不同。,点火系统,点火系统的首要任务是保证在规定时间内点燃混合气。为此，点火系统必须严格控制点火正时，同时也要确保火花塞能够释放足够的能量点燃混合气。 右图给出的是一典型的点火线圈。,点火系统,点火系统,点火系统主要由点火电子驱动电路、点火线圈、火花塞和高压导线等组成。中央电控单元根据曲轴位置传感器和转速、水温、电压等信号计算出点火时刻和通电时间，并将此计算结果送至点火电子驱动电路。 由点火电子组件控制点火线圈的初级电路的接通和断开。点火线圈形式参见右图。,点火电路 点火电路产生点火所需的高压，然后在准确的时刻供给相应的火花塞。点火线圈 点火线圈在闭合时储存能量，在断开时产生高压，通过火花塞放电生成火花。,点火系统,电控单元ECU是发动机管理系统的“处理与控制中心”。它采用预先存储的功能或算法(处理程序) 对由传感器送来的信号进行处理，并以这些传感器信号为基础计算得到控制信号，并通过驱动级直接将控制信号送往相应的执行器(例如点火线圈和喷油嘴)实施控制。 ME7发动机管理系统的电控单元采用的是专门为发动机管理系统而设计定义的16位高性能微处理器，此外还为微处理器配有闪存（Flash Memory）可方便地实现程序和匹配数据的更新。,电控单元,电控单元（ECU）,主要结构：,电控单元（ECU）,物理设计 电控单元（Electric Control Unit,简称ECU）是由金属外壳与敷有电子元器件的印刷电路板构成。 具有混合电路的紧凑型ECU可以直接安装在发动机上，独特的设计使它能抵抗较高的热应力。 通过一个多引脚的线束插头将ECU与各传感器和执行器、当然还有电源相连。这种接头的引脚数目取决于ECU所包含的相应功能的多少。在ME-Motronic系统中，接头引脚不会少于100个。 在PCB板的输出功放电路下方（反面）有层金属底板，利用穿孔连接来实现向金属底板下表面的热传递,并从那儿把输出放大电路所产生的热量通过“热桥”传递给金属外壳。,电控单元（ECU）,ECU必须承受一些极端的考验，比如温度、湿度和物理应力，并抵抗所导入的电磁干扰，抑制向外发射的高频电磁静电噪声。 正常运行状态下，ECU应能实现在实际工作环境温度和正常电源电压下正确无误地进行信号处理。,电源 电压调节器为ECU提供数字电路所需的5V恒定工作电压。,电控单元（ECU）,信号输入 传感器信号首先经过保护电路，再经过信号转换器和放大器进入ECU，主要类型如下： - 模拟信号 ECU内部集成了模数转换器(A/D)负责把模拟信号(例如加速踏板位置、空气流量、发动机温度、电源电压比等信息)转换成数字信号。 - 数字输入信号 例如空调、换档选择手柄等的开关信号，以及来自霍尔传感器的转速脉冲可以直接供微处理器处理。,电控单元（ECU）, 由感应式传感器送来的脉冲输入信号提供了诸如车速、曲轴转速和转角等信息。它们由特殊电路进行处理，并被转换成方波信号。根据系统集成度的不同，对原始信号的处理可以部分或完全由传感器自身来完成。通过数据总线（CAN）传递的信息不需要进行预处理。,电控单元（ECU）,信号处理 输入信号由在ECU内部的微处理器进行处理。 为使系统能正常运作，必须为微处理器配备已固化在非易失性存储器(ROM或EPROM或Flash Memory)中的信号处理程序。这些存储器中还包含用来指导发动机管理系统(EMS)工作的特定曲线和MAP图（数据）。 为适应不同的发动机和车辆对各自不同数据范围的需要，ECU直到生产的最后环节才进行程序写入（当然在这一过程里没有必要打开ECU）。这样就可减少应任何一家汽车厂商的特殊要求而专门生产的ECU的类型。,电控单元（ECU）,可读/写的随机存储器(Random Memory，简称RAM)用来存储计算结果和调节参数，以及由诊断所得出的系统故障信息。 RAM必须要有不间断的供电，一旦断开与汽车电瓶的连接，所有的数据都将消失；恢复电瓶供电后，ECU必须重新计算适应因子。 为解决这一问题，有些ECU单元则将所需要的变量存储在EEPROM(非易失性存储器)中备用。,电控单元（ECU）,信号输出 由微处理器控制的输出驱动电路提供足够的功率输出直接驱动执行机构。这些驱动电路有一整套保护电路，以防止因对地短路、电源电压波动和电器过载等造成损坏。 OBD诊断功能能够检查出驱动级的各种故障，并相应地在必要时抑制该路输出。故障入口程序也保存在RAM中，维修工程师就可用诊断仪与其串口相连，获取相应的故障信息。 点火关闭中断电源供应时，有些ECU会依靠一套保持电路维持主继电器开启，直到完成程序处理。,电控单元（ECU）,ME7系统的主要控制策略,如综述中所述，ME7系统除了M1，M3系列所具有的闭环控制，怠速闭环控制，爆震控制之外，还在于ME7的控制系统是基于扭矩控制这个平台的，下面将对以下ME7系统的主要计算、控制策略进行论述：,基于扭矩控制的理论,气缸进气量的计算,点火正时的计算和控制,喷油计算和控制,对不同运行工况的处理,怠速闭环控制,爆震控制,的闭环控制,蒸发排放控制控制,增压控制,安全保护,驾驶性能改善,发动机管理系统的首要任务是将驾驶指令反映到发动机的功率和扭矩输出上。不论是在恒速前进还是加速前进，驾驶员都需要发动机输出扭矩克服前进中的阻力。 此外，系统内许多功能子系统（如怠速控制和转速调速等）参与对行驶伺服机构（如电子牵引力控制，自动变速箱）和通常的汽车附属功能（如空调等）的控制，并将这些设备对发动机功率输出调整要求告诉Motronic系统。例如，在启动空调压缩机时，空调控制系统就会向ECU请求增加输出功率。 早期发动机运行时，作为控制参数的气缸充气量、燃油质量和点火正时都被认为是控制指令而直接执行，当各种可能互相矛盾的需求同时出现时，彼此之间没有协调。,基于扭矩控制的理论,基于扭矩控制的理论,采用基于扭矩控制策略的ME7系统则前进了一步，它首先对各部件的要求进行优先级判断和协调，然后再利用得出的控制参数去实现指定扭矩的输出。这种协调控制的策略能确保发动机在各个工况下实现排放和耗油的优化。 此外，采用基于扭矩的控制策略，就能比较方便地做到：根据不同的发动机和客户使用要求，将众多的不同控制功能集成到不同型号的发动机管理系统中，供用户自由选择。也就是说，从而使ME7型发动机管理系统具有更好的移植性。,基于扭矩控制的理论,基于扭矩控制的理论,发动机的扭矩计算 燃烧过程产生的内部扭矩是基于扭矩控制的ME-Motronic系统的基本参数。 发动机的实际输出扭矩还要从中扣除摩擦、泵气损失、驱动辅助器件（水泵、交流发电机等）和传动装置所消耗的能量。 基于扭矩控制的最终目的是能够选择最精确的发动机参数以精确地响应驾驶指令，同时还要补偿损失以及满足给其他辅助部件供能的需要。,基于扭矩控制的理论,实际输出扭矩的调节 ME-Motronic系统在扭矩生成的时候采用两种方法调节输出扭矩： 一种是控制电子节气门（ETC）改变进气量，这是一种逐渐缓慢过渡的方法，另外一种是采用调节点火正时或关闭某个气缸喷油的快速响应方式。 采用缓慢过渡的方法实际上就是控制进气量的方法，主要负责稳态运行；而快速响应的方式（调节点火正时）可以在扭矩生成时对动力变化非常迅速地响应。 具体调节过程可参照下图。,基于扭矩控制的理论,基于扭矩控制的理论,进气阀门关闭的时候气缸内的空气质量称为进气量。 还有一种和活塞位移无关的相对空气量，它是当前进气量和在标准条件下（P0 = 1.013kPa，T0 = 273K）气缸所能容纳的空气质量的比值。 在计算喷油量的时候，必须要知道相对空气量。它对于今天的火花塞式发动机来说是一个影响功率输出的基本参数。,气缸进气量的计算,气缸进气量的计算,由于还没有直接测量进气量的方法，因此必须利用现有的传感器测量数据在仿真模型的基础上计算出相对空气量。 进气仿真模型应满足以下要求： - 精确地确定在不同运行条件下的进气量 （包括在动力增压、可选流程进气歧管、可变阀门正时等）； - 能够对采用EGR(废气再循环)系统的排气成分准确反映； - 对任何设定进气量，都能够计算出对应节气门开度的控制参数。,气缸进气量的计算,考虑到可以利用气体流过阀门（这里是节气门）所遵循的方程，进气歧管仿真模型可以用来计算进入气缸的空气量。 这时主要影响参数是紧挨着节气门的前方空气压力、流过节气门所造成的压降以及节气门的实际通流面积，所有这些参数都用进气歧管仿真模型计算得到。其它一些只和节气门相关的特定参数，如气流经过节气门时的摩擦损失，则必须是在建立试验测量的基础上定量给出。 计算出来的节气门开度将以指令参数的形式传送给节气门的开度控制元件。,气缸进气量的计算,1）喷油持续时间的计算 要实现理论空燃比，气缸充气量是计算喷油量的基础。同时结合与喷油器设计有关的固定常量来计算喷油持续时间。 喷油持续时间也要受到喷油供油压力和喷油背压之间差值的影响。标准的喷油供油压力是300KPa（3bar）。2）喷油正时 为了保证燃烧质量，在精确定量喷油量的同时还要有正确的喷油正时。,喷油计算与控制,喷油计算与控制,喷油计算与控制,喷油时间的计算：,点火系统的目的是提供足够的能量保证燃气在恰当的时候完全燃烧。该能量来源于线圈闭合期间提供给初级线圈的能量。 闭合结束的时间通常和点火时刻一致。ECU根据给点火线圈充电的需要确定闭合角的大小。 ME-Motronic的无分电式点火系统在线圈闭合开始时给线圈充电，断开时激发点火。,点火正时的计算与控制,点火正时的计算与控制,点火正时的计算与控制,点火正时的计算,可用不同的扭矩输出和发动机转速来区分发动机的不同运行工况。 右图显示了发动机运行的不同工况范围对应的扭矩和转速范围。,ME7系统对不同运行工况的处理,对不同运行工况的处理,转速与负荷快速变化的过渡工况尤其重要，因为这些工况对混合气形成状况有特殊要求（例如这时将出现进气歧管壁上油膜的凝结和气化现象）。 另一个重要的环节是起动阶段和随后的暖机过程，这个过程将持续到发动机和排气系统的温度升高到正常工作水平。,ME7系统对不同运行工况的处理,起动 在起动过程中，进气量、喷油量和点火时间根据专门的计算结果来调整。起动后工况 起动后工况(紧接在起动过程结束之后)的混合气仍然较浓，但相比起动初始时已减少喷油量和进气量。 点火提前角也作相应调整，以适应修正后的喷油量和不同的运行工况的需要。 直到平稳过渡到暖机工况后，起动后工况结束。,ME7系统对不同运行工况的处理,暖机和催化转换器加热 当发动机在冷车状态下起动后，需要调整气缸进气、喷油和点火以满足发动机输出更大扭矩的要求。这个过程一直持续到升高至合适的温度为止。 在这个过程中首要的事情是快速加热催化净化器，使催化净化器迅速转换到工作状态以大幅度降低排放。,ME7系统对不同运行工况的处理,使用这种方法时，发动机工作在高浓混合气下(0.6)，以增加排气中一氧化碳和碳氢的含量，相应地这时发动机效率会降低。新鲜的空气(二次空气并不参与缸内燃烧过程)被直接引入到排气阀下游以支持CO和HC的氧化。由此产生的加热能量进入催化转换器，使它在最短的延迟时间达到工作温度。一个电动真空泵从空气滤清器室或一个特制的粗滤器中获得二次空气。这些空气再通过一个卸放阀进入排气系统，同时有一个单向阀用来防止灼热的排气倒流回二次空气系统。,二次空气,ME7系统对不同运行工况的处理,系统以一个指定的间隔去驱动二次空气泵和空气阀门，并由一个宽带的氧传感器来精确判断二次空气泵的工作情况。这个过程产生足够的热量供远离发动机位置的催化净化器使用。下图分别显示了有/无二次空气喷射时，发动机在排放测试时最初一段时间内的HC和CO排放曲线。,ME7系统对不同运行工况的处理,怠速工况 在怠速时，发动机没有扭矩输出，燃烧过程产生的能量被用来维持发动机本身的运转和驱动附属设备。在这种工况下，维持运转所需要的扭矩和怠速转速一起决定了油耗。 在交通严重拥堵时，车辆很多油耗就是在这种工况下发生的，它被用来克服怠速时最低水平的摩擦损耗，并由此决定了低怠速的转速。 ME-Motronic的闭环怠速控制能保证在设定的怠速状态下稳定、可靠地工作，而与其他条件的变化无关。 这些变化则可能是由于多种因素，诸如电气系统、空调压缩机、自动变速箱齿轮啮合、助力转向等引起的电流波动等而导致的。,ME7系统对不同运行工况的处理,WOT(满负荷) 在节气门全开(WOT)时没有节气损失，发动机在任何给定的转速下均可发出最大潜能的功率。,ME7系统对不同运行工况的处理,过度工况1）加速/减速 一部分喷入进气道的燃油并未及时到达气缸参加随后的燃烧。相反，在进气歧管壁上生成了一层油膜。在大负荷和喷油量增加的情况下，这层油膜所含有的燃油迅速增加。 当加速时节气门开度增大，一部分喷射的燃油被这层油膜吸收，因此相应地必须喷射额外数量的燃油以弥补这部分损失，防止加速时混合气变稀。 同样，因为一旦负荷下降，管壁上油膜中含有的额外燃油将重新气化，所以减速时喷油量必须相应地降低。,ME7系统对不同运行工况的处理,下图展示了喷油和节气门开度之间的响应曲线。,ME7系统对不同运行工况的处理,2）飞车倒拖断油/恢复供油 当高转速飞车，或者处于拖动时的节制状态，发动机提供给飞轮的能量会变为负值。在这些情况下，发动机的摩擦和空气阻力都能使车辆减速；而喷油或不喷油，发动机都能持续运转。 对于被动的、无喷油的倒拖工况，喷油须被抑制以减少燃油消耗和排放。 ME-Motronic基于扭矩的控制能对喷油脉宽施加一个可调的抑制作用，通过逐渐地而非突然地减少特定的输出量，来防止在过渡到倒拖工况时发生扭矩跳变。 当转速降到高于怠速转速的某个特定的值时，喷油重新开始。在喷油重新开始的过程中，基于扭矩的控制功能控制着扭矩缓慢地增长，以确保发动机扭矩的建立平稳进行(平滑过渡)。,ME7系统对不同运行工况的处理,目的 怠速期间，发动机并不在飞轮端输出扭矩，为了在尽可能低的转速下维持稳定的转速，怠速闭环控制系统必须要努力维持扭矩输出和发动机自身耗能的平衡。 在怠速期间，发动机提供能量是必要的，因为这可以满足众多部件耗能的需要，这可能包括发动机曲轴的内部摩擦，气阀伺服机构以及诸如冷却水泵之类的辅助设备。,怠速闭环控制,怠速闭环控制,发动机的内部摩擦损失将由于温度的波动而产生各种变化。此外，在整个发动机的服务寿命期间，尽管摩擦损失变化很慢，但是还是始终在改变。 发动机所承担的负荷也可能由于一些外部辅助设备（如空调压缩机）的起动和关闭而在一个较大的范围内变化。 由于采用的是更小质量的往复运动部件和飞轮以及更大容量的进气歧管，因此现代发动机对负荷的变化特别敏感。,怠速闭环控制,运行理念 ME7这种基于扭矩控制的发动机管理系统要求怠速闭环控制能够定量输出功率，以确保在任何工况下都能维持怠速工况的稳定。 其结果是使在转速降低的时候增加输出功率，而在转速升高的时候降低功率输出。 系统在识别到一些影响因素，如空调压缩机起动或自动变速箱换档的时候，将会相应地增加功率输出。,怠速闭环控制,在低温情况下，由于要克服更大的摩擦损失或维持更高的怠速转速，输出扭矩必须增大。 将这些输出功率要求累加起来后，送到扭矩协调处理单元，再由它进行计算，得出相应所需的充气质量、混合气成分和点火正时。,怠速闭环控制,利用三元催化净化器对排气进行后处理是一种有效的降低排气有害物质浓度的方法。 三元催化净化器可以将碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOX）减少98乃至更多，并将其转换成水（H2O）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）。,的闭环控制,的闭环控制,的闭环控制,如下图所示，转换的效率取决于发动机空燃比是否在1的附近很小范围内。,双态型传感器的闭环控制1）控制范围 为了有效地同时处理排气中典型的有害物质，调节必须极为严格地限制在能同时对三种有害物质有效转化的范围内。 闭环控制要求保证发动机运行在=0.991内。ME7系统在计算喷油时间的时候利用了这个来自氧传感器的信号。 右图展示了闭环控制的结构原理。,的闭环控制,2）控制过程闭环控制只有等到氧传感器能够完全工作时才起作用。事实上,有一个辅助电路负责始终不停地监测氧传感器的工作状况。当氧传感器过冷或已损坏（短路或开路）时，它发出的信号是不真实的，会被ECU拒绝。依据各自设计和安装位置的不同，现在的加热型传感器在绝大多数系统中的启动反应时间在15秒到30秒之间。为了平滑地运行，冷的发动机需要较浓的混合气（1），这也是为什么只有当发动机达到一定温度后，才能启动的闭环控制的原因。,的闭环控制,一旦启动闭环控制，ECU将利用一个比较器将传感器信号转换成二进制的形式。的闭环控制通过修正一系列的控制变量来响应氧传感器送来的信号(1，混合气稀1，混合气浓)，并以此产生控制因子，该控制因子被用作修正喷油时间的相乘因子。 喷油时间被调整(延长或缩短)，而控制因子的响应则设置成一种稳定的振荡状态。,的闭环控制,对于采用双态型传感器的系统来说，以1为中心持续不断地作振荡性调整是获得最优控制的唯一方法。闭环控制的精度取决于为了抵销空气过量系数变化而对控制因子进行调整的速度。 由于当燃料不断地进入燃烧室的时候，氧传感器还安装在排气管后面，这样就必然造成从空气变化到控制电路响应之间存在着滞后，这个滞后时间的长短取决于发动机的负荷和转速。,的闭环控制,的闭环控制,只有等过了这段时间之后，才能确定如何调节混合气成分，这样，在控制因子的循环性的变化中必然会存在一个最小周期。此外，信号的处理时间和传感器的响应延迟又进一步地加剧了这段滞后时间。 尽管振荡周期的长短由气体的传送速度决定，但是在整个发动机的负荷和转速范围内，即使气体传送速度有变化，这种倾斜变化的控制因子振荡的幅度基本为常数。在混合气成分调整过程中，控制因子的阶跃式的变化加快了控制速度，从而有可能缩短振荡周期。,3）的变化由于传感器的响应模式取决于当前混合气是由稀变到浓还是由浓变到稀，因此采用对称的控制方法将会得到略微稀的混合气。由于只有在0.991的范围内，三元催化器的效率才是最高的，因此必须采用一种非对称的控制方法使得混合气的成分处于最优转化范围。,的闭环控制,4）自适应的闭环预置控制 闭环控制系统总是在基于先前的氧传感器测量信号来修正随后的喷油，因此，不可避免地要考虑气体传送的时间。 采用这种主动适应性差的控制方法来获得新的运行点将会导致偏离1的位置，并且这种情况还会持续下去，直到系统的循环性控制重新建立平衡为止。 针对这种情况，为了符合排放要求，需要采用一种特殊的缺省预置控制的方式。 这种预置控制是在发动机管理系统和发动机匹配的时候完成编程的，对应的控制MAP图储存在程序存储区中。 当然，考虑到车辆运行寿命期间的变化和燃油质量、密度等的影响，还需要对这些缺省值进行修正。,的闭环控制,当发动机运行在一特定的转速和负荷范围时，若控制单元一直采用的是一套固定的修正措施，那么的自适应单元将记录这些修正，把它们存到非暂存的存储区中（RAM或稳定电流供电的EEPROM）。 然后，修正后的预置控制又立即开始准备紧接着的下一个控制循环，预设占空比，直到闭环控制有效为止。 若非暂存的存储区出现电源中断，的自适应学习功能将用一个未修正的预置值重新开始自适应学习。,的闭环控制,5）双氧传感器的闭环控制 将一个氧传感器安装在三元催化器的尾部（催化器后方）可以减轻废气对其的污染和热应力影响。 这种类型的辅助传感器可以产生第二个与主氧传感器（安装在催化器前，靠近发动机方向）生成信号相重叠并增强它的信号，从而确保混合气成分在更长一段时间内稳定。 基于单个主氧传感器的闭环控制的振荡模式具有非对称性，采用双重控制系统将修正此不对称性，从而对的漂移进行补偿。 如果控制策略是基于催化器尾部的氧传感器的测量，这样就会造成气体传输时间的加长，进而导致控制延迟的增加。 催化器尾部传感器不仅可以帮助控制系统在更长的时间内维持混合气成分的稳定，还可以用作评价三元催化器效率的工具。,的闭环控制,宽带氧传感器的闭环控制 双态氧传感器电压阶跃变化的方式只能描述混合气的两种状态：稀和浓。而宽带氧传感器可以用连续信号的形式监测出混合气偏离1时的情况。 换句话说，宽带传感器使基于连续信号而不是双态信号的控制策略成为可能。 采用此策略的优点在于： 定量地给出测量出来的混合气成分和指定混合气成分之间的差距, 从而更好地响应动力变化； 可以把的调节设定值设定在不等于1的任何值。 对于利用稀混合气来进行省油的策略，第二条优点极为重要。,的闭环控制,1）燃油蒸汽来源 油箱内燃料受到下列方式加热： 外围部件的热辐射 来自燃油系统回油管的溢出燃油，该燃油已经在流过发动机的时候 被加热。 油箱受热将导致碳氢化合物主要以蒸汽的形式从油箱挥发出去。,蒸发排放控制,蒸发排放控制,2）对碳氢化合物挥发的限制 法律强制要求碳氢化合物的挥发必须在一定限度范围内。 蒸发排放控制系统配备了一个安装在油箱通气导管尾部的利用活性炭过滤的炭罐，利用该控制系统实现碳氢化合物挥发的限制。,蒸发排放控制,炭罐内的活性炭吸附燃油蒸汽，只允许空气进入大气，同时也起到了油箱释压的作用。为了保证炭罐内的活性炭的再生，在炭罐内还有一根管子和进气管相通。 发动机一运行就要在进气歧管内产生真空度，就要形成吸气气流；当空气经过活性炭进入进气歧管时，气流将带走吸附在活性炭上的油蒸汽，并将它们带到发动机烧掉 在连接炭罐和进气歧管之间的管子上有一个阀门炭罐阀，该阀门用于控制清洗炭罐阀的气流。,蒸发排放控制,活性炭再生（清洗）气流活性炭再生气流是组成成分未知的油气混合气，它不仅含有新鲜空气，还有从活性炭吸取的高浓度燃油蒸汽，因而是影响闭环控制的主要因素。再生气流的流量要占整个进气流量的1，若其完全是新鲜混合气，那么进气浓度将降低1。若其含有丰富的油气，那么以理论空燃比14.7计算的话，它将使进气浓度升高30。此外，气流中的油气密度是空气的两倍。,蒸发排放控制,炭罐阀 炭罐阀在保证的波动为最小值的同时还要确保炭罐精确的通气量。 炭罐阀结构示意图如右图所示。,蒸发排放控制,ECU相关的控制功能 为了保证混合气适应过程能在不受到炭罐清洗气流干扰的情况下进行，ECU以一定有规律的时间间隔关闭炭罐吸气阀。 当需产生清洗气流的时候，ECU将根据当前的瞬时工况向炭罐阀发出控制信号，打开炭罐阀从而获得最优的气流流量。 由上一次再生循环的情况决定了一定的气态的“燃油负荷”，进而被随后的清洗气流吸入。同时，系统将根据清洗气流可能吸入的燃油量缩短喷油时间。 由于混合气成分的自适应过程是一个相对独立的过程，因而系统会将的变化视为燃油负荷变化的结果，进而采取正确措施对的初始设定进行修正。,蒸发排放控制,对于这种“对负荷敏感”的炭罐清洗气流控制方式，ME-Motronic采用的是类似进气歧管模型之类的参数，例如管子的内部压力和温度等。这样有利于炭罐清洗气流的精确计算。根据设计，系统具备了可由炭罐清洗气流提供多达40的进气燃油量的能力。当闭环控制没有启动的时候，只允许最少量的炭罐清洗气流进入进气系统，因为直到进入控制前系统无法抑制由于清洗气流造成的混合气成分的变化。为了防止未燃的燃油蒸汽进入三元催化器，当出现节气门全开而燃油供应须切断（飞车断油）的时候，炭罐吸气阀必须立即关闭。,蒸发排放控制,电子点火控制可以做到根据发动机的转速、温度和负荷精确地控制点火正时。尽管有这个精确度，传统系统在实际运行的时候点火时刻和保证阈值之间还是存在着较大的裕量。考虑到一些有风险的因素如发动机的公差、发动机的老化、环境和温度的影响将会导致爆震的可能性增大，因此这个裕量是必要的。 但是若考虑到这些因素，在设计发动机的时候就会以牺牲耗油率和扭矩输出为代价来推迟点火提前角，从而避免爆震。 可分别对各缸点火正时进行精确控制的ME7系统采用了爆震控制，可以有效地克服这些缺点。,爆震控制,爆震控制,下图展示了4缸发动机爆震控制的过程。,爆震控制,实践证明，若系统允许采用更高的压缩比将会在耗油率和扭矩输出上获得改进。利用爆震控制系统，就没有必要设定可能出现恶劣情况的点火提前角。 相反，理想的条件（如发动机最大可能的压缩比、最好的燃油质量、最不可能发生爆燃的气缸）将作为计算点火提前角的基础参数。 这样就有可能在各种发动机和发动机的整个使用寿命期间，使各个气缸工作在接近爆燃的极限值的区域，从而获得最优的燃烧效率。 要让该种爆震控制系统工作，首要的先决条件是系统能可靠地探测出任何一个或所有超过指定烈度的爆燃。 这个要求不仅是针对每一个气缸，还要求在所有的发动机运行可能工况内都实