发动机电子控制技术-汽油机.ppt

1,发动机电控技术汽油机,汽车电控技术,2,本章学习目标,汽油机的电子控制系统了解电控汽油喷射系统的组成和工作原理。了解电控汽油喷射系统的控制功能。了解电控汽油机的发展趋势,3,学习方法指导,汽油机的电子控制系统本章由概述、工作原理、控制功能和发展趋势四部分组成。重点是工作原理和控制功能两部分内容。此两部分必须顺序学习。若要了解更详细的内容，请查阅参考资料。,4,2.1 学习内容汽油机的电子控制系统,影响汽油发动机排放的最主要因素是混合气的空燃比，理论上一公斤燃料完全燃烧时需要14.7公斤的空气。这种空气和燃料的比例称为化学当量比。空燃比小于化学当量比时供给浓混合气，此时发动机发出的功率大，但燃烧不完全，生成的CO、HC多；当混合气略大于化学当量比时，燃烧效率最高，燃油消耗量低，但生成的NOx也最多；供给稀混合气时，燃烧速度变慢，燃烧不稳定，使得HC增多。,5,学习内容（续）,在电控汽油喷射系统中采用闭环控制的方式，将空燃比控制在化学当量比附近，并在排气系统中消声器前安装一个三元催化转化器，对发动机进行后处理，是当前减少汽车排气污染物的最有效方法。在化学当量比附近，转化器的净化效率最高。,6,一、电控汽油喷射系统概述,电控汽油喷射系统（Electronic Fuel Injection System）简称为EFI。它利用各种传感器检测发动机的各种状态，经微处理器的判断、计算，使发动机在不同工况下均能获得合适空燃比的混合气。汽油喷射是用喷油器将一定数量和压力的汽油直接喷射到气缸或进气歧管中，与进入的空气混合而形成可燃混合气。,7,概述（续）,8,（1）电控汽油喷射系统发展史,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（EFI）。,9,电控汽油喷射系统发展史(续),10,（2）电控汽油喷射系统优点,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；,11,5.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。,12,二、电控汽油喷射系统工作原理,电控汽油喷射系统主要由下列四部分组成：进气系统供油系统控制系统点火系统,13,（1）电控汽油喷射系统组成（Flash）,14,功用：为发动机可燃混合气的形成提供必要的空气，并测量和控制空气量。,组成：,1.空气供给系统,15,电控汽油喷射系统进气系统（Flash）,怠速时节气门全关，由怠速执行器根据冷却水温、空调和动力转向等工况调节进气量,16,功用：向气缸内供给供给燃烧时所需一定量的燃油.,组成：,2.燃油供给系统,17,电控汽油喷射系统供油系统（Flash）,供油系统主要由油压调节器、喷油器和喷油泵组成。,18,1）供油系统燃油泵（Flash）,燃油泵装在油箱内，涡轮泵由电机驱动。当泵内油压超过一定值时，燃油顶开单向阀向油路供油。当油路堵塞时，卸压阀开启，泄出的燃油返回油箱。,19,2）供油系统喷油器,喷油器是电磁式的。当喷油器不工作时，针阀在回位弹簧作用下将喷油孔封住。当ECU的喷油控制信号将喷油器的电磁线圈与电源回路接通时，针阀才在电磁力的吸引下克服弹簧压力、摩擦力和自身重量，从静止位置往上升起，燃油喷出。,20,供油系统喷油器,21,喷油器多点喷射与单点喷射,多点喷油系统中喷油器通过绝缘垫圈安装 在进气歧管或进气道附近的缸盖上，并用输油管将其固定。多点喷油系统每缸有一个喷油器。英文称为 Multi Point Injection.简称 为MPI。单点喷油系统的喷油器安装在节气门体上，各缸共用一个喷油器。英文为Single Point Injection.简称为SPI。,22,每一个气缸有一个喷油器。,多点喷射SPI,23,几个缸共用一个喷油器，又称节气门体喷射TBI。,将燃料直接喷入气缸内，需较高的喷射压力。,（3）气缸内喷射,单点喷射SPI,24,作用：,在恒定压力下定时、定量地喷油并使之雾化。,电插,电磁线圈,滤网,衔铁,针阀,结构：,喷油器,25,作用：,冷起动时，额外加大喷油量，使混合气瞬时加浓，便于着火起动。,电插头,电磁线圈,阀门弹簧,阀 门,喷 嘴,结构：,冷起动喷油器,26,供油系统喷油器（录像）,喷油器（录像）,27,供油系统喷油器（Flash）,喷油器（录像）,28,3）供油系统油压调节器,油压力调节器的功能是调节喷油压力。喷油器喷出的油量是用改变喷油信号持续时间来进行控制的。由于进气歧管内真空度是随发动机工况而变化的，即使喷油信号的持续时间和喷油压力保持不变，工况变化时喷油量也会发生少量的变化，为了得到精确的喷油量，必须使油压A和进气歧管真空度B的总和保持不变。,29,作用：调节喷油器的燃油压力，使燃油压力与进气管压力之差保持常数。,3.燃油压力调节器,30,油压调节器压力调节示意图,31,油压调节器（录像）,32,三、电控汽油喷射系统控制系统,33,电控汽油喷射系统控制系统（Flash）,控制系统由传感器、执行器和电子控制单元三部分组成。,34,1、同时喷射：所有喷油器并联，同时喷油。两次喷完一个循环的供油量。,1,3,4,2,180,360,540,720,0,喷油,喷油,（1）喷油时刻的控制,35,将气缸分为两组，所需燃油一次喷完。,1,3,4,2,180,360,540,0,喷油,喷油,2、分组喷射,36,按各缸的进气顺序间 歇喷油。,1,3,4,2,180,360,540,0,喷油,喷油,3、顺序喷射,37,控制喷油器的喷射持续时间实际上是控制喷油量，即喷油脉宽。,（1）对于质量流量式的电控燃油喷射系统,（2）采用热式空气流量传感器：,输出反映就是质量流量，直接用上式求得基本燃油喷射时间。,（3）采用叶片式和卡门涡流式空气流量传感器：,测得是进气的体积流量，需要进行密度修正。,1）基本喷油量,（2）喷油持续时间的控制,38,（4）对于速度密度方式的电子控制燃油喷射系统,采用三维图形将数据按一定形式存储在电子控制单元中，根据发动机转速和进气管绝对压力确定吸入的空气质量，确定基本燃油喷射时间。,39,四、控制系统传感器（1）,传感器是感知信息的部件，负责向ECU提供发动机和汽车运行状况。,40,传感器氧传感器,41,传感器氧传感器（录像）,42,传感器负荷传感器,43,传感器空气流量传感器（录像）,卡门涡流式空气流量传感器,44,传感器进气绝对压力传感器（录像）,45,传感器转速、曲轴位置传感器,46,传感器曲轴转角传感器（录像）,47,传感器温度传感器,48,传感器温度传感器（录像）,冷却水与进气温度传感器,49,传感器热敏时间开关（录像）,热敏时间开关,50,传感器节气门位置传感器,51,传感器节气门位置传感器（录像）,节气门位置传感器-电位计,52,传感器爆震传感器,53,传感器爆震传感器（Flash）,54,电控单元：接受来自各个传感器传来的信号，并完成对这些信息的处理 和发出指令控制执行器的动作,组成：,各种传感器：把各种反映发动机工况和汽车运行状况的参数（非电量参 数）转变为电信号（电压或电流）提供给电控单元，使电 控单元正确地控制发动机运转或汽车运行。,执行器：用来完成电控单元发出的各种指令，是电控单元指令的执行 者。,控制系统 ECU（2）,55,控制系统 ECU,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。,56,ECU,CPU：中央处理器ROM：只读存储器PRAM：可编程的只读存储器RAM：运行数据存储器I/O：输入/输出接口,电控单元（ECU）,57,控制系统 ECU,中间的金属方盒为电子控制单元，箭头指向电子控制单元的部件为传感器，箭头从电子控制单元出去的部件为执行器。,58,控制系统 ECU 框图,在电控发动机中最主要的输入接口是传感器接口（例如转速、负荷、温度、压力等）。最主要的输出接口是控制接口，它控制外部执行机构的动作（例如：喷油器、点火模块、喷油泵、怠速执行器等）。,59,控制系统执行器（3）,60,电控汽油喷射系统点火控制系统,点火控制系统由传感器、电子控制单元和执行器组成。,61,点火控制系统电路图,执行器为点火模块和点火线圈。最常见的为无分电器点火系统，它是两个气缸共用一个点火线圈。目前也有采用每个气缸一个点火线圈的。,62,电控汽油喷射系统控制功能,为了满足发动机各种工况的要求，混合气的空燃比不能都采用闭环控制，而是采用闭环和开环相结合的策略。主要分为三种控制方式：,63,空燃比控制策略,若为了获得最佳经济性，可采用开环控制方式，将空燃比控制在比化学计量比大的稀混合气状态下工作。为了获得低的排放，并有较好的燃油经济性，必须采用电控汽油喷射系统加三元催化转化器，进行空燃比闭环控制。,冷起动和冷却水温度低时通常采用开环控制方式。,由于起动转速低、冷却水温度低、燃油挥发性差，需对燃油进行一定的补偿。混合气空燃比与冷却水温度有关，随着温度增加，空燃比逐渐变大。,部分负荷和怠速运行时此时 可分为两种情况：,64,节气门全开（WOT）时：,为了获得最大的发动机功率和防止发动机过热，采用开环控制，将混合气空燃比控制在12.513.5范围内。此时发动机内混合气燃烧速度最快，燃烧压力最高，因而输出功率也就越大。,图中虚线部分为未加三元催化转化器时，CO、HC和NOx排放浓度与空燃比的关系。实线部分采用三元催化转化器后CO、HC和NOx与空燃比的关系。从图中可看出采用三元催化转化器时只有当空燃比在化学计量比附近很窄范围内HC、CO和NOx排出浓度均较小。装有电控汽油喷射发动机采用闭环控制方式，才能使混合气空燃比严格控制在化学计量比附近很窄的范围内，使三元催化转化器净化效率最高。,三元催化闭环控制,65,空燃比控制方法（Flash）,66,点火控制系统控制功能,点火提前角控制,为了使发动机发出最大功率，应使最高燃烧压力出现在上止点后 1015左右，点火时刻用点火提前角来表示。它是指火花塞电极间跳火开始到活塞运行至上止点时这段时间内曲轴所转过的角度。,67,点火控制系统控制功能（续）,点火过迟：使发动机功率下降，油耗增加。点火过早：使功率下降，还容易产生爆震。发动机的最佳点火提前角，不仅要使发动机的动力性、经济性最佳，还应使有害排放物最少。,68,控制功能最佳点火提前角控制,起动期间:固定值起动后,基本点火提前角的控制：由转速和负荷确定点火提前角的修正：,部分负荷工况根据冷却水温、进气温度和节气门位置等信号进行修正。满负荷工况要特别小心控制点火提前角，以免产生爆震最大和最小提前角的控制：微处理器计算的点火提前角必须控制在一定范围内，否则 发动机很难正常运转。,69,控制功能闭合角控制,闭合角是沿用了传统点火系的概念。在电子控制的点火系统中是指初级电路接通的时间。点火线圈的次级电压是和初级电路断开时的初级电流成正比。通电时间短时，初级电流小，会使感应的次级电压偏低，容易造成失火。初级电流大，对点火有利；,但通电时间过长，会使点火线圈发热，甚至烧坏，还会使能耗增大。因此要控制一个最佳通电时间。蓄电池电压下降时，在相同的通电时间里初级电流能达到的值会变小。因此必须对通电时间修正。,70,控制功能爆震控制,汽车发动机利用电火花将混合气点燃，并以火焰传播方式使混合气燃烧。如果在传播过程中，火焰还未到达时，局部地区混合气自行着火燃烧，使气流运动速度加快，缸内压力、温度迅速增加，造成瞬时爆燃，这种现象称为爆震。,71,控制功能爆震控制（续）,爆震会使气体强烈振动，产生噪音；也会使火花塞、燃烧室、活塞等机件过热，严重情况会使发动机损坏。在发动机结构参数已确定的情况下，采用推迟点火提前角是消除爆震既有效又简单的措施之一。装有爆震传感器的发动机能检测爆震界限，通过电子控制单元将点火时刻调到接近爆震极限的位置，从而改善了发动机的性能。,72,控制功能爆震控制（续2）,当发动机出现爆震时，ECU根据爆震程度，推迟点火时刻，爆震程度大的，不仅推迟的角度大，而且是先快后慢，直到爆震消失为止。为了保证良好的发动机性能，爆震消失后，又将点火提前角逐步加大，增加的速率也分为快、慢两种。当发动机再次出现爆震时，点火提前角再次推迟。通常点火提前角推迟的速率要大于点火提前角增加的速率。,73,控制功能爆震控制（续3）,74,控制功能废气再循环（Flash）,75,废气再循环EGR率,通常用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要求进行控制。,76,废气再循环EGR率（续）,77,废气再循环EGR阀及控制,EGR控制系统中，EGR阀是关键部件。不同的EGR率是通过EGR阀的调节来实现的。电控发动机中广泛采用电子控制EGR阀方法。直线型EGR阀是由ECU控制针阀位置，调节从排气进入进气歧管孔口的大小，精确地控制EGR率。EGR工作期间通过监测针阀位置反馈信号控制针阀位置。并根据冷却水温度、节气门位置和进气流量控制EGR针阀的位置。,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。,78,EGR阀及控制（续）,试验结果说明：当EGR率小于10%时，燃油消耗量基本上不增加，当EGR率大于20%时，发动机燃烧不稳定，工作粗暴，HC排放物将增加10%。因此通常将EGR率控制在10%20%范围内较合适。随着负荷增加EGR率允许值也增加（阴影部分）。,79,EGR阀及控制（续2）,怠速和低负荷时，NOx排放浓度低，为了保证稳定燃烧，不进行EGR。只有热态下进行EGR。发动机温度低时，NOx排放浓度也较低，为了保证正常燃烧，冷机时不进行EGR。大负荷、高速时，为了保证发动机有较好的动力性，此时混合气较浓，NOx排放生成物较少，可不进行EGR或减少EGR率。废气再循环量对NOx排放和油耗的影响还受到空燃比、点火提前角等因素的影响。因此在EGR率进行控制时，同时对点火等进行综合控制，就能得到较好的发动机性能。,80,控制功能燃油蒸发,为了控制燃油箱逸出的燃油蒸汽，电控发动机普遍采用了碳罐，油箱中的燃油蒸汽在发动机不运转时被碳罐中的活性碳所吸附，当发动机运转时，依靠进气管中的真空度将燃油蒸汽吸入发动机中。电子控制单元根据发动机的工况通过电磁阀控制真空度的通或断达到燃油蒸汽的控制。采用燃油蒸汽的控制可减少大气中的碳氢化合物和节约燃料。,燃油气-碳氢,81,控制功能燃油蒸发（续）,82,2.1.4 电控汽油喷射系统发展趋势,缸内直喷汽油发动机减少排放物的新手段 采用集成诊断系统 CAN总线 气门系统,83,发展趋势缸内直喷汽油发动机,采用电控缸内直接喷射方法，在火花塞附近供给浓混合气，以利着火；在其它区域供给稀混合气，进行分段喷油。达到分层燃烧的目的。据报导空燃比为30时，仍可燃烧。此种方法可节约燃料三分之一以上。为了减少稀燃时的NOx,在排气系统中安装了两只温度传感器、两只氧传感器和两级催化转化器。,84,缸内直喷汽油发动机（续）,85,缸内直喷汽油发动机（续2）,86,发展趋势减少排放物的新手段,试验结果表明：CO、HC和NOx三种排放物占总排放量的70-80%，因此今后解决排放的重点在：,降低HC排放；改善怠速和暖机期间的排放；尽可能地缩短催化器的加热时间，在催化器达到起燃温度之前，最大程度地降低发动机排出的废气。,87,减少排放物的新手段（续）,88,减少排放物的新手段（续2）,满足美国及欧洲共同体排放法规要求的途径：,89,发展趋势采用集成诊断系统,系统监测：监测所有与排放相关的部件和系统；部件保护：防止关键部件的损坏(如三元催化器)；应急反应：设置故障时传感器的代用值或“跛行回家”方式信息存储：存储故障发生时的有关信息超标显示：当废气排放超过限定标准时给出显示；信息读取：在维修时利用检测设备读取故障；,此系统的要求：,90,采用集成诊断系统（续）,催化器监测氧传感器监测失火监测燃油系统监测二次空气系统监测废气再循环系统监测燃油蒸汽系统监测其他系统监测,重点要求为：,催化器监测检测装置标准化发动机相关信息的存储“多功能指示灯”显示标准化故障代码的预定义电控系统抗干扰保护,91,采用集成诊断系统（续2）,92,发展趋势CAN总线,由于车内电控发动机系统、底盘电子控制系统、车身电子控制系统和音响、娱乐等广泛应用。车内开始采用CAN总线。,93,发展趋势气门系统,配气机构精确地控制发动机的工作正时和性能输出。双变位或连续可变相位凸轮轴调整装置精确地控制着凸轮的定时或用电磁阀直接驱动气门的方法，可优化发动机的废气排放、性能和燃油经济性。,94,小结,概述本节介绍电控汽油喷射系统特点及发展历史。工作原理本节介绍电控汽油喷射系统的工作原理及其组成。重点掌握供油系统中喷油泵、喷油器以及油压调节器的结构和工作原理。控制系统中ECU、传感器和执行器的工作原理。,控制功能主要控制功能有：空燃比控制、点火控制、废气再循环和燃油蒸汽的控制等。发展趋势缸内直喷、电控配气正时、整车及发动机的CAN总线控制是当前的发展趋势。,95,思考题,电控汽油喷射系统有几部分组成？什么是SPI和MPI？试对他们进行比较？简述喷油泵结构及其功用。简述喷油器的工作原理。油压调节器的作用是什么？ECU有几部分组成？负荷传感器有几种型式？起什么作用？转速传感器有几种型式？说明其工作原理。氧传感器的作用是什么？说明其工作原理。,96,思考题2,电控汽油喷射系统中怠速是怎样控制的？发动机在各种工况下，空燃比是怎样控制的？点火控制主要包括哪些内容？爆震控制的基本原理是什么？为什么要采用废气再循环控制？控制策略是什么？当前采用什么措施控制燃油蒸汽的逸出？当前电控汽油机的发展趋势是什么？简述缸内直喷汽油机的工作原理,