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1、政府采购培训讲义从电控发动机的角度对现代轿车进行比较主讲张葵葵 副教授2006年10月前言一.现代轿车的分类按照中国大陆标准划分为：微型轿车（排量1L以下）普通级轿车（排量为1.01.6L) 中级轿车（排量为1.62.5L）中高级轿车（排量为2.54.0L）高级（排量为4.0L以上） 政府按级别配车主要为中级轿车（排量为1.62.5L）、中高级轿车（排量为2.54.0L），价格为2030万左右。引出问题：例1： 2006款本田雅阁 2.4L/直列四缸/程序控制燃油喷射/DOHC双顶置凸轮轴/i-VTEC智能可变气门正时及升程电子控制系统如何从宣传词中了解汽车配置状况？二.电控汽油机的发展历程
2、以德国BOSCH公司汽油机燃油喷射系统及点火系统发展历程为例 汽油机的燃油喷射和点火使发动机得以运转。汽油喷射到发动机进气门上方的进气管内，当活塞下行时，空气燃油混合气被吸人燃烧室内，而当活塞再次上行时，空气燃油混合气被压缩，并由火花塞产生的电火花点燃。燃烧产生的能量推动活塞下行，并通过连杆把活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动。起先，汽油喷射系统和点火系统是两个独立的系统，它们分别由各自的参数，如喷油量、点火时刻进行单独的控制。这两个系统要么不交换信息，要么只有极少量的信息交换。Bosch公司将汽油喷射和电子点火集成为一个单元，联合控制的Motronic发动机管理系统能够根据燃烧过程中的各种工
3、况要求，对喷射和点火的控制参数进行优化。1汽油喷射系统 汽油喷射系统根据发动机的运转速度、负荷水平、环境影响等因素，精确地计量供给发动机的燃油量，从而控制混合气的空燃比，使发动机废气排放中的有害物质含量保持在一个较低的水平。运用连续喷射原理的多点喷射系统19731995年，K-Jetronic机械液压汽油喷射系统。 19821996年间为满足更高的性能要求，包括为达到更高的排气质量，在K-Jetronic系统中，添加了一个ECU、一个主压力调节器、一个用于控制混合气成分的压力调节器，发展形成了KE-Jetronic系统。 间歇式燃油喷射系统 L-Jetronic系统是运用模拟技术的电子燃油喷射
4、系统 (19731986年使用)，它根据进入发动机的空气量、发动机转速及其他一些运行参数间歇喷射燃油，L3-Jetronic是运用数字技术的控制系统，增加了一些在模拟技术系统中无法实现的控制功能，从而使喷油量能更好的适应发动机各种变工况的使用要求。 LH-Jetronic系统(19811998年)用热线空气流计，使空气燃油混合气的计量不受环境状况的影响。 单点喷射间歇式燃油喷射系统Mono-Jetronic电子喷射系统(19871997年)应用于中小型乘用车，单点喷油器直接装在节气门上部阀体的中心部位。这种系统也称作节气门喷射系统（TBI），发动机转速和节气门的位置是计量燃油喷射量的控制参数。
5、2.点火系统点火系的功能是在正确的点火时刻点燃已压缩的混合气，引发混合气燃烧。在火花点火发动机(SI)中，点火是由穿透火花塞电极间的、瞬时放电产生的电火花来完成的。要使催化转化器有效发挥作用，绝对需要正确的点火时刻。混合气燃烧滞后会使燃烧不完全，从而使催化剂有中毒损坏的危险。随着时间的推移，电子元件逐渐取代了点火系中的机械部件。 点火时刻由发动机的速度和负荷状况计算得来。传统的线圈点火(19341986年)和晶体管式线圈点火(19651993年)运用机械控制点火时刻，半导体点火系统和半导体五分电器电子点火系统(1981998年)运用点火特性脉谱图确定点火时刻。 3.Motronic发动机管理系
6、统上述汽油喷射系统和点火系统的组合并非一成不变，不同型式的点火系统可以与各种喷射系统组合。Motronic将燃油喷射系统和点火系统组合在一起，形成发动机管理系统。在该系统中，一个基本的燃油喷射系统和一个电子点火系统一起构成了Motronic点火和燃油喷射系统的基础。KEMotronic是以连续喷射KE-Jetroric系统为基础的MonoMotronic是以间歇喷射Mono-Jetronic系统为基础的MMotronic则是以间歇式进气管燃油喷射L-Jetronic系统为基础的MEMotronic是M-Motronic系统加入电子节气门控制(ETC)的形成的。MED-Jetronic系统把汽油
7、直接喷射、电子点火和ETC结合成一个单独的系统。4.电控汽油发动机的分类比较 主要从空气供给、燃油供给、点火控制、排放控制、辅助装置五个方面进行比较简介电控发动机一.电控汽油机的空气供给系统以丰田发动机为例进行讲解1.进气系统的组成发动机工作时，空气经空气滤清器过滤后，由空气流量传感器（通常被称为空气质量传感器）检测进气量，通过节气门体进入进气总管，再通过进气歧管分配给各缸。节气门体中设有节气门，用以控制进入发动机的空气量，从而控制发动机的输出功率( 负荷)。在节气门体的外部或内部设有与主进气道并联的旁通进气道，并由怠速控制阀控制怠速时的进气量，见图1所示。图 1 进气系统的组成目前进气系统有
8、很多改进，如声控进气系统（进气谐振，ACIS）、涡轮增压系统、可变气门正时机构等可大大提高进气效率。 2.电控汽油机按每循环充气量的传感方法分类汽油机的负荷(转矩)与每循环充气量有关，在一定的转速下即与进气的质量流量有关。每循环充气量的传感方法可以分为间接法和直接法两种。空气密度法（直接检测方法）：采用该种方法直接利用空气流量（MAF）传感器所提供的信号来代表进气量。但由于MAF传感器无法检测进气压力(海拔高度）的变化，因此该系统还必须加装一个大气压力传感器（BARO），以避免无法判断海拔高低时的差异。目前BARO传感器多安装在ECU电脑盒内。 采用这种方法检测进气量的发动机称为L型电控发动机
9、。 L型 D型图2 L型和D型发动机的结构示意速度密度法（间接检测方法）：由于空气的密度直接与压力大小成正比关系，因此该系统利用装在进气歧管上的进气歧管绝对压力（MAP）传感器所提供的压力信号，再结合进气温度信号、发动机转速信号（RPM）、估算的容积效率和废气再循环量一起，来表示进入发动机的空气量。采用这种方法检测进气量的发动机称为D型电控发动机。电控发动机利用空气流量的信号进行喷油和点火控制。3.进气系统主要传感器空气流量计的类型 进气歧管绝对压力传感器进气岐管绝对压力传感器（简称MAP）用于感知发动机负荷，并转换成电信号传输给计算机，主要用于参与点火正时和喷油控制，这是D型电控发动机中最重
10、要的传感器之一。对于有些L型电控发动机用MAP传感器检测发动机起动时的进气量，而发动机起动后的进气量则由MAF传感器检测。节气门位置传感器节气门位置传感器（简称TPS）。在汽油机性能的试验研究中，常用节气门开度来表示负荷率，这种表示不能用于控制，因为节气门转角与循环充气量没有线性关系，也没有确定的对应关系(在节气门由小开大和由大减小时不重复)。控制系统之所以要有节气门开度信号，是为了下列用途：用来判断发动机的工况处于怠速控制区、部分负荷区还是节气门接近全开的加浓区 (或催化转化器的高温保护区)，即用来界定开环、闭环控制区。对于有自动变速器控制功能 的电子管理系统来说，节气门开度和车速是决定换挡
11、时刻的条件参数。用节气门转角变化率的大小作为加速、减速过程中修正喷油量的条件。它直接反映驾驶员的意图，比其他负荷传热的响应更快。可与空气流量计的信号对照互检，提供后者发生损坏的信息，并代替后者与转速 配合，作为ECU控制喷油量的条件参数。还用于点火正时修正、废气再循环控制、空调系统控制、燃油蒸发控制、车辆动态稳定性控制、巡航控制、牵引力控制等。节气门位置传感器安装在节气门体上，其主要类型有：开关触点式节气门位置传感器、线性式节气门位置传感器、冷却液温度传感器当出现因汽车负载过大、缺水、点火时间不对、风扇出现故障等原因，造成冷却液温度过高时，会使发动机机体温度上升，从而使发动机不能工作。所以在仪
12、表系统内设计了冷却液温度表，利用冷却液温度传感器检测发动机冷却液温度，让驾驶员能够直观地看出发动机冷却液在任何工况时的温度，并且及时作出相应的处理。在电控系统中也安有一个冷却液温度传感器，用于喷油量修正信号。冷却液温度传感器安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却液直接接触，用于测量发动机的冷却液温度，其内部装有负温度特性的热敏电阻。进气温度传感器在装有进气歧管绝对压力传感器的D型电控燃油喷射的发动机上，进气温度传感器安装在进气管上，而在装有空气流量计的L型电控燃油喷射的发动机上，进气温度传感器就是空气流量计的一部分。进气温度传感器用于检测发动机冷起动时进气道空气温度，电控单元这时对进气温度和冷
13、却水温度进行对比，如果两者之差在8内，电控单元就确定发动机处于冷起动工况。这为发动机是否进行闭环控制、燃油蒸发控制等提供了判断依据。4.电控节气门系统(ETCS)电控节气门是一种柔性控制系统，通过节气门体上的电机驱动节气门，取消了传统节气门与加速踏板之间的直接机械连接，在电控单元的控制下，可实现节气门开度的快速精确控制。ETCS的优点：可以根据驾驶员愿望以及排放、油耗和安全需求确定节气门的最佳开度；可设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性，含括了牵引力控制、巡航控制、怠速控制等，从而使发动机控制更加理想；解决了传统节气门难以根据汽车的不同工况相应地做出精确调整，特别是在冷起动、低负荷和怠速工况
14、下会导致经济性下降、有害物质排放量增加等问题；装备此系统的发动机具有低转速高扭矩输出、起步反应快、加速灵敏，节油低耗的特点。国外对电控节气门的研发已开展了多年，并已实现了商品化。国内目前虽然已在BORA、POLO、COROLLA等轿车上安装了引进的电控节气门。 图4 加速踏板位置传感示意图3 电控节气门系统的结构示意5.怠速控制系统怠速控制系统的功能 怠速是指节气门关闭，油门踏板完全松开，且保持最低转速稳定运转的工况。目前汽油机一般都有节气门，怠速时节气门的回位弹簧促使节气门有全闭的倾向。在汽车使用中，发动机怠速运转的时间约占30，怠速转速的高低直接影响燃油消耗和排放污染。怠速转速过高，燃油消
15、耗增加，但怠速转速过低，又会增加排放污染。此外，怠速转速过低，发动机冷车运转、空调打开、电气负荷增大、自动变速器挂入挡位、动力转向时，由于运行条件较差或负载增加，容易导致发动机怠速运转不稳甚至熄火。在以上有一个或几个情况出现时，需要及时调整发动机怠转速。怠速控制的实质就是控制怠速时的空气吸入量，所以也将怠速控制系统称为怠速空气控制系统（IAC）。ECU根据发动机工作温度和负载，自动控制怠速工况下的空气供给量，维持发动机以稳定怠速运转。怠速空气提供方式旁通空气式 采用这种方式的系统在怠速时节气门完全关闭。怠速空气通过一条跨接在节气门两端的怠速通道流入气缸。怠速通道中装有一个不同类型的怠速空气控制
16、阀，见图 (a)所示。节气门直动式 采用这种方式的系统没有跨接在节气门两端的怠速通道。怠速时，油门踏板虽然完全松开，但节气门并不完全关闭，而是仍通过它提供怠速空气，见图17（b）所示。 （a） (b) 图 5 怠速空气提供方式下面也是以旁通式怠速控制系统为例，该种怠速控制系统目前主要有两种基本类型：步进电机型和旋转电磁阀型（又分为双驱动和单驱动）。 二.电控汽油燃油喷射系统1.电控燃油喷射系统的分类电控燃油喷射系统的分类如下：按喷射方式分类图 6喷油器按喷射相位不同的分类 按喷射位置分类图7 缸内喷射图8 进气管喷射（a） (b)图9多点喷射和单点喷射示意图 （a）多点喷射 （b）单点喷射1-
17、汽油；2-空气；3-节气门；4-进气管；5-喷油器；6-燃油总管图10多点喷射系统喷油器安装位置按有无反馈信号分类电控燃油喷射系统按有无反馈信号可分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统(无氧传感器)：它是将通过实验确定的发动机各工况的最佳供油参数，预先存入电脑。在发动机工作时，电脑根据系统中各传感器的输入信号，判断自身所处的运行工况，并计算出最佳喷油量。通过对喷油器喷射时间的控制，来控制混合气的浓度，使发动机优化运行。 开环控制系统按预先设定在电脑中的控制规律工作，只受发动机运行工况参数变化的控制，简单易行。但其精度直接依赖于所设定的基准数据和喷油器调整标定的精度。喷油器及发动机的产品
18、性能存在差异，或由于磨损等引起性能参数变化时，就不能使混合气准确地保持在预定的浓度(空燃比)上。因此，开环控制系统对发动机及控制系统各组成部分的精度要求高，抗干扰能力差，当使用工况超出预定范围时，不能实现最佳控制。 闭环控制系统(有氧传感器)：在该系统中，发动机排气管上加装了氧传感器，根据排气中含氧量的变化，判断实际进入气缸的混合气空燃比，再通过电脑与设定的目标空燃比值进行比较，并根据误差修正喷油器喷油量，使空燃比保持在设定的目标值附近。闭环控制系统可达到较高的空燃比控制精度，并可消除因产品差异和磨损等引起的性能 变化，工作稳定性好，抗干扰能力强：但是，为了使排气净化达到最佳效果，只能运行在理
19、论空燃比14.7：1附近。对起动、暖机、加速、怠速、满负荷等特殊工况，仍需采用开环控制，使喷油器按预先设定的加浓混合气配比工作，以满足发动机特殊工况的工作要求。所以，目前普遍采用开环和闭环相结合的控制方案。2.燃油供给系统的组成 图11燃油供给系统油路的组成图12燃油供给系统各元件的安装位置 三.电控汽油机的点火系统电控点火系统可分为有分电器和无分电器两种类型。高压分电功能通常由高压分电器完成，以解决由一个点火线圈向不同气缸提供点火能量的问题。现在已开始采用多个点火线圈实施点火的方式，此时便不存在高压分电的问题，就不需要高压分电器了，这就是无分电器点火。电控点火系统基本由电源、传感器、ECU、
20、点火器、点火线圈、（分电器）、火花塞等组成。1.有分电器电控点火系统图13有分电器点火系统电路 2.无分电器电控点火系统无分电器电控点火（DLI）系统又简称直接点火或全电子化点火系统。主要特点是：利用电子分火控制技术将点火线圈产生的高压电直接送给火花塞进行点火，点火线圈的数量比有分电器电控点火系统多。根据点火线圈的数量和高压电分配方式的不同，无分电器电控点火系统又可分为独立点火方式、同时点火方式和二极管配电点火方式三种类型。独立点火方式无分电器独立点火方式是每缸一个点火线圈，点火线圈的数量与气缸数相等，无需分电器就能将高压电适时地分配给各个火花塞。该点火系统的优点是：由于每缸都有各自独立的点火
21、线圈，即使发动机转速很高，点火线圈也有较长的通电时间（大的闭合角），可提供足够高的点火能量；由于去除了高压分电器中的电火花，要求的点火电压会降低一些，单位时间内通过点火线圈初级电路的电流要小得多，点火线圈不易发热，且点火线圈的体积又可以非常小，点火线圈可直接装在火花塞上面；由于该种点火系统有的已不需要分高压线了，避免了对计算机信号的电磁干扰，消除了干扰源；发动机ECU可一缸接一缸地改变点火正时，对爆震传感器发出的信号能及时做出响应。无分电器独立点火方式有两种类型：一种是点火线圈共用一个点火器的；另一种是每个点火线圈都有一个单独的点火器，并且点火器和点火线圈集成一体。 （a） (b)图14丰田1
22、MZ-FE电控独立点火系统(a) 独立点火系统的外部形式 （b）集成点火线圈（内装火花塞盖）剖面图 同时点火无分电器同时点火方式电控点火系统如图30所示。其特点是用一个点火线圈给两个火花塞提供电压，点火线圈的数量等于气缸数的一半。每个点火线圈有两个高压输出端，通过将两个火花塞接地点串联成一个闭合回路。 图15 同时点火系统 3. 凸轮轴/曲轴位置传感器凸轮轴位置（CMP）传感器给ECU提供第一缸压缩上止点信号，作为喷油和点火控制的主要信号，该传感器信号也称为G信号、判缸信号。曲轴位置（CKP）传感器，用于检测曲轴转角位移，给ECU提供发动机转速和曲轴转角信号，也是喷油和点火控制的主要信号，该传
23、感器有时称为转速传感器，其信号也被称为NE信号。当出现失速、加速迟缓、停机、转速不变等故障时，可考虑是否是曲轴位置传感器损坏了。图16 凸轮轴/曲轴位置传感器共同安装分电器内图17 分开独立安装的凸轮轴/曲轴位置传感器4. 爆震传感器当发动机温度过高、或使用辛烷值低的汽油有爆震倾向时，ECU会根据爆震（KNK）传感器的信号对点火提前角实行反馈控制(工作过程见本章第一节相关内容)，以避免爆震。图18爆震传感器的安装位置爆震传感器一般安装在发动机缸体上，如图18所示。爆震传感器的类型：一般采用检测发动机振动的方法来判断有无爆震及爆震的强度。有电感式和压电式。压电式又有共振型、非共振型和火花塞型三种
24、。四、排放控制1.三元催化传换器的功能为了达到排放法规的要求，国外1996年以后生产的车辆必须配置OBD II系统，也就必须安装三元催化传换器 (Three-Way Catalytic converter，简称为TWC)。所谓“三元”，是指能同时处理CO、HC和NOx三种有害气体，而早期的二元式，仅能针对CO和HC做转换。三元催化转换器安装在排气管中部，其功能是利用转换器中的三元催化剂，将发动机排出废气中的有害气体HC、CO和NOx转变为无害气体H2O、CO2和N2。采用OBD II系统的车辆相对OBDI来说，采用双氧传感器以监测三元催化传换器的转换效率及其他与排放相关元件的工作情况，见图19
25、所示。图19奔驰车系三元催化转化器的安装情况2.闭环控制概念三元催化传换器的转换效率与发动机的空燃比也有关系。根据实验发现，当空燃比维持在14.7：1上下0.3%时，三元催化传换的效率几乎可达到90以上，如图23所示。因混合气浓时，HC、CO含量将增多，使转换的效率降低；但若混合气稀的话，NOx排量也会增加，如此亦将使转换的效率下降。图20 TWC的转换效率与混合气浓度的关系空燃比由发动机计算机控制，即控制喷油量，喷油量的大小取决于氧传感器送给计算机废气之中氧含量的多少。发动机计算机根据氧传感器的信号调节喷油量，这就是所谓的发动机闭环控制。计算机将发动机空燃比尽可能地控制在理想值附近，此时发动
26、机燃烧完全，工作效率最高，催化转换装置转换效率也最高，即发动机工作时最省油，动力性最佳，污染排放量最少。用空燃比氧传感器参与闭环控制，则喷油脉宽修正将更加精确。在采用双氧传感器的排放系统中，上游氧传感器采用空燃比传感器，下游氧传感器采用加热型的氧化锆氧传感器。3.燃油蒸发排放控制要知道从汽车上排放的HC有20%来自于汽油蒸发。EVAP系统的功能是收集汽油箱和浮子室(化油器式汽油机)内蒸发的汽油蒸汽，并将汽油蒸汽导入气缸参加燃烧，从而防止汽油蒸汽直接排入大气而造成污染。汽油蒸汽应在发动机处于闭环控制时导入燃烧室燃烧，只有在闭环控制时才能对因额外蒸汽作用导致混合气变浓的情况下调节喷油量。同时，还必须根据发动机工况，控制导人气缸内参加燃烧的汽油蒸汽量。EVAP系统不正确的操作会造成因混合气浓而出现驱动性下降、怠速不稳或排放不合格等问题。图21 加强型EVAP系统基本工作原理五、辅助控制智能可变气门正时和升程 谐振控制进气系统14