《汽车发动机电控技术》电子教案.docx

1、汽车发动机电控技术电子教案汽车发动机电控技术电子教案模块一 概述课题一 发动机电子控制技术发展史一、汽油机电子控制技术发展史为适应降低汽油机燃油消耗和有害物排放量的要求，汽油机燃油供给技术经历了从机械控制汽油喷射到现在的发动机集中管理系统，以及目前正在迅猛发展的缸直喷技术。1934年，德国怀特（Wright）兄弟发明了向发动机进气管连续喷射汽油来配制混合气的技术。1952年，德国Bosch公司研制成功了第一台机械控制缸喷射汽油机。1958年，Bosch公司研制成功了机械控制进气管喷射汽油机。1953年美国本迪克斯公司（Bendix）开始研制由真空管电子控制系统控制的汽油喷射装置，并在1957年

2、研制成功。1967年，德国博世（Bosch）公司根据美国本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）。1973年，德国Bosch公司在D型燃油喷射系统（D-Jetronic）的基础上，改进发展成为L型燃油喷射系统（L-Jetronic）。19731974年，美国通用（General）汽车公司生产的汽车装上了集成电路IC点火控制器。1976年，美国克莱斯勒（Chrysler）汽车公司研制成功微机控制点火系统，取名为“电子式稀混合气燃烧系统ELBS”。1977年，美国通用汽车公司研制成功了数字式点火控制

3、系统。1979年，德国Bosch公司开发出了MMotronic系统，即发动机集中管理系统。1979年，日本日产（Nissan）汽车公司研制成功了集点火时刻控制、空燃比控制、废气再循环控制和怠速转速控制与一体的发动机集中控制系统ECCS。1980年，日本丰田（TOYOTA）公司开发出了具有汽油喷射控制、点火控制、怠速转速和故障自诊断功能的丰田计算机控制系统TCCS。1981年，Bosch公司开发出了LH-Jetronic系统。19871989年，Bosch公司开发出电控单点汽油喷射系统。1995年，日本三菱（MITSUBISHl）汽车公司公布了电控缸直喷汽油机（即GDI系统）。2001年，Vol

4、kswagen/Audi集团研制出独有的FSI（FuelStratifiedInjection）缸直喷系统。1994年大众推出采用D-Jetronic电控汽油喷射系统的桑塔纳2000型轿车。2000年，我国政府规定：5人座以下的化油器式发动机汽车自2001年1月1日起停止生产。二、柴油机电子控制技术发展史20世纪70年代典型的产品有德国Bosch公司电控VE分配泵，日本Zexel公司的电控系统。20世纪80年代基于时间控制方式的新型电控喷油泵和高压喷射系统的开发取得了巨大成功。典型产品有第二代电控VE分配泵的ECD；德国Bosch公司可变预行程直列柱塞式电控喷油泵。三、发动机电控技术发展趋势喷

5、油规律的控制混合气浓度分布控制输出扭矩控制可变EGR控制课题二 发动机电子控制系统的组成就总体结构而言，发动机电子控制系统都是由传感器、电子控制单元（Electronic Control Unit，简称ECU）和执行器3部分组成。桑塔纳2000GSi、3000型轿车发动机电子控制系统的传感器有空气流量传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、怠速节气门位置传感器和节气门位置传感器（两只传感器与节气门控制组件J338制作成一体）、冷却液温度传感器、进气温度传感器、氧传感器、爆震传感器和车速传感器。发动机电控单元（ECU）除了接收上述传感器输送的信号外，还要接收点火启动开关、空调开关、怠速开关F6

6、0、电源电压以及空挡安全开关（对装有自动变速器的汽车而言）信号，以便判断汽车运行状态并采取相应的控制措施。桑塔纳2000GSi、3000型轿车发动机电子控制系统的执行器有电动燃油泵、电磁喷油器、怠速控制电动机（在节气门控制组件J338），活性炭罐电磁阀、点火控制器和点火线圈。发动机上不同的执行器完成不同的控制功能。一个执行器和若干个传感器组合起来，构成了发动机电子控制系统中一个子系统，有的子系统同时具有多种控制功能。这些子系统有燃油喷射控制系统、微机控制点火系统、空燃比反馈控制系统、怠速控制系统、燃油蒸气回收系统、发动机爆震控制系统、超速断油控制系统、减速断油控制系统、溢流清除控制系统、故障自

7、诊断系统等。课题三 汽油机燃油喷射系统的分类一、按喷油器的喷射部位分类按喷油器喷射燃油的部位不同，汽油机燃油喷射系统可分为进气管喷射系统和缸喷射系统两种类型。其中进气管喷射又可分为单点喷射（SPI、TBI或CFI）和多点喷射（MPI）两种类型，多点喷射又可分为压力型（即D型）和流量型（即L型）多点喷射系统两种类型。1进气管喷射系统对于进气管喷射系统，按喷油器的安装部位不同，又分为单点喷射系统和多点喷射系统。 （1）单点喷射系统单点喷射系统（Single Point Fuel Injection System，缩写为SPFI或SPI）也称节气门体喷射或集中喷射系统，是指在多缸发动机节流阀体（即节

8、气门体）的节气门上方安装一只或并列安装两只喷油器的燃油喷射系统。 （2）多点喷射系统多点喷射系统（Multi-Point Fuel Injection System，缩写为MPFI或MPI）是指在发动机每个汽缸进气门前方的进气歧管上均设计安装一只喷油器的燃油喷射系统。发动机工作时，燃油适时喷在进气门附近的进气歧管，空气与燃油在进气门附近混合，使各个汽缸都能得到混合均匀的混合气。2缸喷射系统缸喷射系统又称为缸直接喷射系统，其主要特点是：喷油器安装在汽缸盖上，喷油器以较高的燃油压力（约34MPa）把汽油直接喷入发动机汽缸，并与空气混合形成可燃混合气，如图1-7所示。目前，大众（VAG）、宝马（BM

9、W）、奔驰（Mercedes-Benz）、通用（GM）以及丰田（Toyota Lexus）等公司已经开始使用缸喷射系统。二、按喷油器喷射方式分类 按喷油器喷射方式分类，汽油机燃油喷射系统可以分为连续喷射系统和间歇喷射系统两种类型。 1连续喷射系统 连续喷射系统是指在发动机运行期间，喷油器连续不断地喷射燃油的燃油喷射系统。 2间歇喷射系统 间歇喷射系统是指在发动机运转期间，喷油器间歇喷射燃油的燃油喷射系统。间歇喷射系统按照各缸喷油器的喷油时序不同，分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射三种方式。 （1）同时喷射同时喷射是指各缸喷油器开始喷油和停止喷油的时刻完全相同。一般发动机曲轴每转一圈，各缸喷油器同

10、时喷油一次，发动机一个工作循环所需的油量，分二次喷入进气管。 （2）分组喷射分组喷射是指把发动机所有汽缸分成2组（四缸机）或3组（六缸机），ECU用两个或三个控制电路控制各组喷油器。发动机工作期间，各组喷油器依次交替喷射，每个工作循环各组喷油器都喷射一次(或两次)。（3）顺序喷射顺序喷射又称次序喷射，是指在发动机运行期间，喷油器按各缸的工作顺序，依次把汽油喷入各缸的进气歧管。发动机曲轴每转二圈，各缸喷油器轮流喷油一次。三、按喷射系统的控制方式分类 按汽油喷射系统的控制方式不同，汽油机燃油喷射系统可分成机械控制式汽油喷射系统、机电结合式汽油喷射系统和电子控制式汽油喷射系统。 1机械控制式汽油喷射

11、系统机械控制式汽油喷射系统是指利用机械机构实现燃油连续喷射的汽油喷射系统。2机电结合式汽油喷射系统3电子控制式汽油喷射系统电子控制式汽油喷射系统是指由电控单元直接控制燃油喷射的系统。现代电喷汽油机已全部采用电子控制式汽油喷射系统，但汽油机电控系统发展的初期，都是仅具有单一电控汽油喷射控制功能，现已全部被发动机集中管理系统所代替。发动机集中管理系统由德国Bosch公司于1979年首先推出，称为Motronic系统，该系统是一个集汽油喷射控制、点火控制和空燃比反馈控制等多项控制功能于一体的电控系统。现代汽油机发动机集中管理系统的基本控制除了以上三项外，还增加了怠速控制、活性炭罐清洗控制、故障自诊断

12、和带故障运行等基本控制功能。此外，根据需要配置相关的装置和系统，还能增加废气再循环控制、二次空气喷射控制、进气谐振增压控制、进气涡流控制、配气定时控制等控制容和功能。四、按进气量测量方式分类按空气量测量方式分类，可分为间接测量方式汽油喷射系统和直接测量方式汽油喷射系统两类。1间接测量方式汽油喷射系统 ECU通过测量发动机转速、节气门开度或进气歧管压力，计算出发动机吸入的空气量。按所需测量的参数分类，可分为节流-速度方式和速度-密度方式两种。（1）节流-速度方式节流-速度方式是指ECU通过测量节气门开度和发动机转速，根据节气门开度、发动机转速和发动机进气量的关系，计算出每一循环进入汽缸的空气量，

13、从而确定循环基本喷油量。（2）速度-密度方式速度-密度方式是指ECU通过测量进气歧管压力和发动机转速，根据进气歧管压力、发动机转速和发动机进气量的关系，计算出每一循环进入汽缸的空气量，从而确定循环基本喷油量。Bosch公司的D-Jetronic系统。2直接测量方式汽油喷射系统直接测量方式采用空气流量传感器直接测量发动机单位时间吸入的空气量，ECU根据流量传感器测出的空气流量和发动机的转速，计算出每一工作循环发动机吸入的空气量，从而确定循环基本喷油量。对于直接测量方式，按测出的是空气的体积流量，还是质量流量，可分为体积流量方式和质量流量方式。 （1）体积流量方式体积流量方式采用翼片式空气流量传感

14、器或卡门旋涡式空气流量传感器，测量发动机单位时间吸入的空气体积。（2）质量流量方式质量流量方式利用热线式或热膜式空气流量传感器，测量发动机单位时间吸入的空气质量。 模块二 传感器及检测课题一 空气流量传感器根据检测进气量的方式不同，空气流量传感器分为D型（即压力型）和L型（即空气流量型）两种类型。“D”型来源于德文“Druck（压力）”的第一个字母，是利用压力传感器检测进气歧管的绝对压力，测量方法属于间接测量法。装备“D”型传感器的系统称为“D”型燃油喷射系统，控制系统利用该绝对压力和发动机转速来计算吸入汽缸的空气量。“L”型来源于德文“Luftmengen（空气流量）”的第一个字母，是利用流

15、量传感器直接测量吸入进气管的空气流量。汽车采用的“L”型传感器分为体积流量型（如翼片式、涡流式）传感器和质量流量型（如热丝式和热膜式）传感器。一、翼片式空气流量传感器翼片式空气流量传感器是一种体积式空气流量传感器。结构简单、工作可靠、价格便宜，但体积大、进气阻力大、急加速反应迟缓。1翼片式空气流量传感器的结构翼片式空气流量传感器（又称叶片式空气流量传感器）安装在空气滤清器与节气门之间的进气管路上。翼片式空气流量传感器主要由翼片组件和电位计组件两部分组成。翼片组件和电位计组件是同轴结构，轴端有盘形回位弹簧。翼片组件主要由计量翼片和缓冲翼片构成。调整齿轮用来调整回位弹簧的预紧力矩，对流量传感器的输

16、出特性进行调整。旁通气道的流通截面积可由一个CO调整螺钉进行调整。汽油泵开关设置在空气流量传感器，由滑臂控制。在空气流量传感器还设有进气温度传感器。2翼片式空气流量传感器的测量原理电阻转变成ECU接收的电压信号的方法有两种（即空气流量信号的选择方法有两种）：方法一：蓄电池通过VB端子向传感器提供电源电压；VC端子是两电阻之间的一个电压输出端，在两电阻值不变时，其电压值仅与VB端子的蓄电池电压有关；VS是滑臂在电阻膜片滑动时得到的电压，该电压随节气门开度的增大而增大，同时当蓄电池电压变化时，该电压值也变化。在这种电路中，一般用（VCVS）/VB作为传感器的输出信号，该信号与空气流量成反比而且线性

17、下降。采用（VCVS）/VB作为传感器的输出信号可以消除蓄电池电压VB的波动对测量结果的影响。方法二：在该传感器电路中，直接用传感器滑臂上的输出电压作为传感器的输出信号电压。该电路中的电源电压由ECU的稳压电路提供。3翼片式空气流量传感器的工作电路4翼片式空气流量传感器的检测翼片式空气流量传感器的常见故障有：翼片轴卡滞、气道脏污、插接器松动、导线断开、无工作电压、油泵触点接触不良、电位计滑臂与电阻片接触不良等。（1）检查空气流量传感器的工作电压（2）检查空气流量传感器二、卡尔曼涡流式空气流量传感器1涡流式空气流量传感器的测量原理在稳定的流体中放置一圆柱状物体后，在其下游的流体就会产生相互平行的

18、两列涡旋，而且涡旋交替出现，这种物理现象叫卡尔曼涡流。2涡流式空气流量传感器的结构根据涡流频率的检测方法不同，汽车用涡流式空气流量传感器分为光电式和超声波式两种类型。（1）光电式空气流量传感器光电式空气流量传感器主要由整流栅、涡流发生器、发光二极管、光敏晶体管、反射镜等组成。（2）超声波式空气流量传感器超声波式空气流量传感器主要由涡流发生器、超声波发生器、超声波接收器、集成电路、进气温度传感器、大气压力传感器等组成。当发动机工作时，超声波发生器就不断地向超声波接收器发出一定频率的（40Hz）的超声波。与此同时，进气流通过涡流发生器，并在其后产生涡流，涡流使进气流的移动速度和压力（其实就是进气流

19、的密度）发生变化。当由发射器发射的超声波通过进气流到达到超声波接收器时，由于涡流的影响，使接收器接收到超声波信号的时间（即单个波的相位）和时间之差（即相邻波之间的相位差）发生变化，而且此时间和时间之差的变化与涡流频率成正比。集成电路据此可计算出涡流的频率。整流栅的作用是使吸入空气在涡流发生器上游形成稳定的气流，减小外界气流的干扰。卡尔曼涡流式传感器输出的信号是与涡流频率同步的脉冲数字信号，其响应速度是空气流量传感器中最快的，几乎能同步反映空气流速的变化，因此特别适用于数字式计算机处理。3涡流式空气流量传感器的工作电路图2-11所示为丰田凌志轿车1UZ-FE型发动机采用的光电涡流式空气流量传感器

20、与ECU的连接电路图。4. 涡流式空气流量传感器的检测（1）检查空气流量传感器的电阻（2）检查整流栅（蜂窝状零件）（3）检查空气流量传感器电压三、热线及热膜式空气流量传感器热线和热膜式空气流量传感器属质量式流量计，响应速度快、进气阻力小，但测量精度不够稳定。1热线式空气流量传感器的结构热线式空气流量传感器主要由热线铂丝电阻RH、温度补偿电阻RK（又叫冷线）、控制电路板（包括RA、RB两个固定电阻）、防护网以及空气流量传感器外壳等组成。传感器工作时控制电路将热线铂丝加热到高于进气温度100120，这也是将铂丝称为热线的原因。RA为一精密电阻，产生热线式空气流量传感器输出电压信号；RB为电桥调整电

21、阻，用于调整空气流量传感器的输出特性。2热线式空气流量传感器的工作原理铂丝热线和其他几个电阻组成惠斯通桥形电路。铂丝热线的电阻值与其本身的温度成正比。在环境温度一定时，给惠斯通桥形电路供电，电桥会达到平衡。当有空气流过取样管中的铂丝热线时，进气会带走热线的热量，使其温度降低，热线的电阻值随即也降低，桥形电路的平衡被破坏。为重新达到平衡，使热线电阻恢复到原来数值，就必须增大电流，使热线温度提高。当空气流量大时，带走的热量就越多，热线电阻的变化就越大，为重新达到平衡所需增加的电流值也就越大。这样，就把空气流量的变化转换为电流的变化。电流的变化又使固定电阻RA两端的电压Uo发生变化，此变化的电压就是

22、热线式空气流量传感器的传感信号。这就是热线式空气流量传感器的基本工作原理。为消除环境温度的影响，设置了一根温度补偿电阻RK（也叫冷线），也安装在取样管，其电阻值也随进气温度的变化而变化，从而抵消了环境温度对桥形电路平衡的影响。3热线式空气流量传感器的工作电路4热线式空气流量传感器的自清洁两种方法：一种方法是提高热线的保持温度（一般使保持温度升高到200以上），以防止灰尘沾附；另一种方法是在ECU中设有自清洁功能，通过加热热线来清除污垢。空气流量传感器的自清洁功能是指当发动机停转后，ECU控制自清洁电路接通，将热线加热到约1000，烧掉沾附在热线上的灰尘。5热线式空气流量传感器的检测（1）检查工

23、作电路（2） 检查外观（3）检查热线式空气流量传感器的输出信号（4）检查热线式空气流量传感器的热线自清洁电路课题二 进气歧管绝对压力传感器进气歧管绝对压力传感器的作用是把进气歧管节气门后方的进气压力转换成电信号。进气歧管绝对压力传感器按工作原理可分为压阻效应式、电容式和电感式三种。一、进气歧管绝对压力传感器的结构与工作原理1压阻效应式进气歧管绝对压力传感器图2-17所示为压阻效应式进气歧管绝对压力传感器，主要由压力转换元件、混合集成电路、真空室、壳体和线束插接器组成。图2-18所示为压阻效应式进气歧管压力传感器的部结构，主要由硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线电极等组成。通过特殊加工

24、，使4个电阻应变片处于特殊的位置，即在受到膜片拉应力的作用下，应变电阻R2、R4增加（即产生正向增量R），应变电阻R1、R3减小（即产生负向增量R）。如图2-19所示，当惠斯通桥形电路的电源电压为UCC时，电桥的输出电压U0为：U0=（R+R）UCC/（R+R）+（RR）（RR）UCC/（R+R）+（RR）= UCC（R/R） 式中：R应变电阻的初始值（一般为100m）；R应变电阻R的阻值变化量。2电容式进气歧管绝对压力传感器通常，以空气为介质，用两个金属平板做电极组成的平板电容器，就构成一个电容式变换器（即传感器）。平板电容器的电容量为：式中：S两平行极板的工作面积（cm2）；d两极板间的距

25、离（cm）；r极板间介质的介电常数；0真空或空气的介电常数。由上式可以看出，影响电容器电容量的因素是S和d。改变S和d，即可改变电容，这是电容式变换器（传感器）的基本工作原理。将电容变换器与传感器混合集成电路的振荡电路相连接，通过振荡电路输出与电容变化一致的电信号，从而将进气歧管的压力转变成电信号。3电感式进气歧管绝对压力传感器电感式进气歧管绝对压力传感器的主要由膜盒、铁心、感应线圈、电子电路等组成，如图2-22所示。二、进气歧管绝对压力传感器的检测1压阻效应式进气歧管压力传感器的检测检查进气歧管压力传感器的电源电压。检查进气歧管压力传感器的输出信号电压。2电感式进气歧管压力传感器的检测检查传

26、感器的输出信号。检查传感器线圈有无断路。课题三 曲轴与凸轮轴位置传感器曲轴位置传感器又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号。曲轴转动角度信号用于确定点火时刻和喷油时刻，发动机转速信号用于确定喷油量和点火提前角。凸轮轴位置传感器又称为汽缸判别传感器CIS(Cylinder Identification Sensor)和相位传感器。凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，识别1缸压缩上止点。曲轴与凸轮轴位置传感器常见的安装位置有曲轴前端、凸轮轴前端、飞轮上、分电器部等。常见的曲轴与凸轮轴位置传感器根据其工作原理的不同可分为电磁感应式、霍尔式和光电式三种

27、。一、曲轴与凸轮轴位置传感器的结构与工作原理1电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器主要结构有转子（即触发齿轮）、永久磁铁、铁心、感应线圈（如图2-25所示）。2霍尔式曲轴与凸轮轴位置传感器把一个通有电流的霍尔半导体基片（即霍尔元件）放置在与电流方向垂直的磁场中时，在垂直于电流和磁场的方向上就会产生一个微量电压，我们把该电压称为霍尔电压。霍尔电压UH与通过的电流I和外加磁场的强度B成正比。式中：RH霍尔系数； d霍尔基片的厚度。霍尔式传感器有两个突出优点：一是输出电压信号近似于方波信号；二是输出电压高低与被测物体的转速无关。霍尔效应式传感器与电磁感应式传感器不同的是需

28、要外加电源。部分汽车（如切诺基（Cherokee）吉普车等）采用差动霍尔式传感器。差动霍尔式传感器又称双霍尔式传感器，其基本工作原理与霍尔式传感器相同，传感器的输出电压由两个霍尔信号叠加而成。3光电式曲轴与凸轮轴位置传感器光电式传感器主要由带有叶片的信号转子和包括发光二极管、光敏晶体管及放大整形电路的信号发生器所组成。光电式传感器具有分度精度高、输出数字脉冲信号的优点，但也存在对使用环境要求较高的不足。二、典型的曲轴与凸轮轴位置传感器1丰田轿车电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器2桑塔纳轿车电磁感应式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器（1）桑塔纳轿车电磁感应式曲轴位置传感器（2）桑塔纳轿车霍尔

29、式凸轮轴位置传感器3切诺基轿车差动霍尔式曲轴位置传感器和霍尔式凸轮轴位置传感器切诺基吉普车采用了差动霍尔式曲轴位置传感器，凸轮轴位置传感器为普通霍尔式传感器。（1）切诺基吉普车差动霍尔式曲轴位置传感器（2）切诺基吉普车霍尔式凸轮轴位置传感器4日产轿车光电式曲轴与凸轮轴位置传感器三、曲轴与凸轮轴位置传感器的工作电路1 电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器的工作电路2差动霍尔式曲轴位置传感器与霍尔式同步信号传感器的工作电路3光电式曲轴与凸轮轴位置传感器的工作电路四、曲轴与凸轮轴位置传感器的检测1电磁感应式曲轴与凸轮轴位置传感器及其工作电路的检测检查传感器线圈电阻。检查传感器的输出信号。检查磁隙。检查传

30、感器连接导线。2差动霍尔式曲轴位置传感器和霍尔式同步信号传感器及其工作电路的检测检查曲轴位置传感器的信号电压。检查曲轴位置传感器的电源电压。检查传感器的连接导线。3光电式曲轴与凸轮轴位置传感器及其工作电路的检测拆下分电器（曲轴与凸轮轴位置传感器线束插接器应保持连接，无需拆开）。断开点火线，然后将点火开关置于ON位置。用手缓慢地转动分电器轴并用万用表检查信号输出端子与车身搭铁之间的电压，数值应在5V0V之间摆动。若不符合，则应更换分电器总成（连同凸轮轴位置传感器一同更换）。目视检查曲轴与凸轮轴位置传感器信号转子盘是否积尘或损坏，必要时清洗或更换。课题四 节气门位置传感器节气门位置传感器的作用是把

31、汽油机运转过程中节气门开度转换成电压信号。用于判别发动机工况（怠速工况、加速工况、减速工况、小负荷工况、大负荷工况等）。一、节气门位置传感器的结构与工作原理常见的节气门位置传感器有触点式、可变电阻式、触点与可变电阻结合式三种。1触点式节气门位置传感器触点式节气门位置传感器由转盘、活动触点、怠速触点、全开触点（功率触点）等组成。在某些装备自动变速器的轿车上，采用多触点式节气门位置传感器（如图2-49所示），触点数目多，能更精确地反映发动机负荷的变化，以便于更加准确地控制自动变速器的换挡时刻和变矩器锁止离合器的锁止时刻。2可变电阻式节气门位置传感器可变电阻式节气门位置传感器由滑动电刷、电阻片组成。3触点与可变电阻结合式节气门位置传感器为使ECU更准确地得到节气门怠速位置信号，在可变电阻式节气门位置传感器的基础上增设了一个怠速触点，形成触点与可变电阻结合式节气门位置传感器。二、节气门位置传感器的工作电路节气门位置传感器的型式不同，其工作电路也有所不