汽车电子控制技术第二章课件.pptx
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1、汽车电子控制技术汽车电子控制技术机械工业出版社汽车电子控制技术发动机电子控制第二章02目 录汽油机电子控制柴油机高压共轨系统电子控制汽车发动机控制新技术010203第二章、发动机电子控制汽油机电子控制第一节第一节 汽油机电子控制随着汽车数量的日益增多,汽车尾气排放量与燃油消耗量的不断上升困扰着人们,迫使人们去寻找一种能使汽车排气净化、节约燃料的新技术装置以取代化油器,汽油喷射技术的发明和应用,使人们的这一理想得以实现。传统化油器发动机面临的主要困难包括:化油器不能实时提供最佳空燃比,无法很好地满足发动机的统一性能指标;化油器不能实现各缸汽油的均匀喷射;化油器加速性能不良,特别是在夏天气温较高时
2、容易发生气阻现象;化油器起动、暖机性能不良,充气效率低;化油器在减速、减油时易发生断油现象。一、概述第一节 汽油机电子控制电喷汽油机的特点包括:各气缸混合气分配均匀在任何情况下都能得到精确的空燃比、点火提前角、怠速和排放的位置控制加速性能好起动性能和减速减油或断油性能优良发动机充气效率高。第一节 汽油机电子控制汽油机电子控制系统主要通过对空燃比、点火时刻、废气排放等实施精确控制,来实现对发动机动力性、经济性、排放净化等方面的最佳要求。汽车排放的尾气组成包括NOx、CO、HC、微粒等。汽油机采取机内净化和机外净化措施。机内净化措施包括改进燃油供应系统和点火系统、改进燃油室结构、改进气缸体设计、采
3、用电控燃油喷射、电控电子点火等技术。机外净化措施包括采用燃油蒸发排放控制装置、曲轴箱强制通风装置、废气再循环装置等。另外,还可使有害气体在排放过程中被氧化、还原,将其变成无害气体后再排出车外。第一节 汽油机电子控制1.可燃混合气可燃混合气是指空气与燃料的混合物,其成分对发动机的动力性与经济性有很大影响。可燃混合气成分的表示方法如下。(1)空燃比可燃混合气中空气(A)和燃料(F)的质量比。(2)过量空气系数=(2-1)理论上1kg汽油完全燃烧需要空气14.7kg。1)空燃比=14.7,=1,为标准混合气;2)空燃比14.7,14.7,1,为稀混合气。二、汽油发动机与可燃混合气燃烧1kg汽油实际消
4、耗的空气量完全燃烧1kg汽油理论上消耗的空气量第一节 汽油机电子控制发动机的功率和燃油消耗率都是随着过量空气系数变化而变化的。理论上,对于=1的标准混合气而言,所含空气中的氧正好足以使汽油完全燃烧,但实际上,由于时间和空间条件的限制,汽油细粒和蒸气不可能及时地与空气绝对均匀地混合,因此,即使=1,汽油也不可能完全燃烧,混合气1才有可能完全燃烧。因为1时,混合气中有适量较多的空气,正好满足完全燃烧的条件,此混合气称为经济混合气,对于不同的汽油机经济混合气成分不同,一般在=1.051.15范围内。当不在1.051.15范围内时,经济性变坏。2.可燃混合气浓度对发动机性能的影响第一节 汽油机电子控制
5、当=0.88时,发动机功率Pe最大,因为这种混合气中汽油含量较多,汽油分子密集,致使燃烧速度最高,热量损失最小,因而使得缸内平均压力最高,功率最大,此混合气称为功率混合气。对不同的汽油机来说,功率混合气一般在=0.850.95范围内。1.11的混合气称为过稀混合气,0.88的混合气称为过浓混合气。混合气无论过稀过浓都会使发动机功率Pe降低,燃油消耗率ge增加。第一节 汽油机电子控制混合气过稀时,由于燃烧速度太低,损失热量很多,往往造成发动机温度过高,严重过稀时,燃烧可延续到进气行程的开始,进气门已经开启时还在进行,火焰将传到进气管。当混合气稀到=1.4以上时,混合气虽然能着火,但火焰无法传播,
6、导致发动机熄火,所以=1.4称为火焰传播下限。混合气过浓时,由于燃烧很不完全,产生大量的CO,造成气缸盖、活塞顶和火花塞积炭,排气管冒黑烟,甚至废气中的CO可能在排气管中被高温废气引燃,产生排气管“放炮”现象。混合气浓度达到=0.4以下时,可燃混合气虽然能着火,但火焰无法传播,发动机熄火,所以=0.4称为火焰传播上限。第一节 汽油机电子控制从以上分析可知,发动机正常工作时,所用的可燃混合气值,应该在获得最大功率和获得最低燃油消耗率之间,在节气门全开时,值的最佳范围为0.851.15。一般在节气门全开条件下,=0.850.95时,发动机可得到较大的功率;当=1.051.15时,发动机可得到较好的
7、燃料经济性。所以,当在0.851.15范围内时,动力性和经济性都比较好,即发动机功率Pe较大,燃油消耗率ge较小。第一节 汽油机电子控制发动机功率Pe、燃油消耗率ge与过量空气系数的关系曲线如图2-1所示。图2-1发动机功率、燃油消耗率与过量空气系数的关系曲线1Pe与的关系曲线2ge与的关系曲线第一节 汽油机电子控制作为车用汽油机,其工况(负荷和转速)是复杂的。例如,超车、制动、高速行驶、汽车在红灯信号下起步或怠速运转、汽车满载爬坡等,工况变化范围很大,负荷可以从0变化至100%,转速可以从最低变化至最高。不同工况对可燃混合气成分的要求见表2-1。3.不同工况下发动机对可燃混合气的要求表2-1
8、不同工况对可燃混合气成分的要求工况节气门开度混合气气缸内性能怠速接近于关闭0.60.8废气含量大小负荷逐渐开启0.70.9废气作用减弱中等负荷足够的开度0.91.1追求经济性大负荷和全负荷最大开度0.850.95要求供给最大功率第一节 汽油机电子控制发动机的运转情况是复杂的,各种运转情况对可燃混合气的成分要求不同。起动、怠速、全负荷、加速运转时,要求供给浓混合气(1)。中负荷运转时,随着节气门开度由小变大,要求供给由浓逐渐变稀的混合气(=0.91.1)。(1)怠速和小负荷怠速时节气门处于关闭状态,混合气燃烧后做的功只用于克服发动机内部阻力,使发动机保持最低转速稳定运转。由于吸入气缸内的混合气数
9、量少,且汽油雾化不良,缸内压力高于进气管压力,为保证混合气能正常燃烧,就必须提高其浓度。在小负荷时,也要提供浓混合气,但加浓程度随负荷增加而减小。第一节 汽油机电子控制(2)中等负荷此时,节气门开度已足够大,可提供较稀的混合气,以获得最佳燃油经济性。发动机大部分工作时间都处于中等负荷状态。(3)大负荷和全负荷大负荷时,节气门开度已超过75%,此时应随着节气门开度的加大逐渐加浓混合气,满足发动机的功率要求。实际上,在节气门未全开前如需更大的转矩,只要把节气门进一步开大就能实现,不需使用功率空燃比来提高功率,应继续使用经济空燃比来达到省油的目的。因此,在节气门全开之前,所有的部分负荷工况都应按经济
10、混合气配制。只有在全负荷时,节气门已全开,才需提供功率混合气以获得最大功率。第一节 汽油机电子控制三、电喷汽油机可燃混合气的形成1.D型EFI系统(Speed Density Control Type,速度密度控制型)可燃混合气的形成最早的电控燃油喷射系统,即传统D型系统,它的空燃比和点火提前角采用开环控制,现在已改进为开环与闭环联合控制。D型EFI系统组成框图如图2-2所示。图2-2D型EFI系统组成框图第一节 汽油机电子控制通过进入气缸空气的压强p0、进气温度T0、发动机转速n计算得到进气流量为 (2-2)(2-3)式中,Qm为发动机进气流量;发动机的充气效率0(n)1;F0为实际喷油量;
11、k=,其中,x为发动机气缸数,V0为每缸燃烧室容积,为摩尔质量,R为摩尔气体常数。00mnpQknT0/mQA FF第一节 汽油机电子控制2.L型EFI系统(Mass-flow Control Type,质量流量控制型)可燃混合气的形成利用空气流量计直接测量发动机的进气量,ECU不必进行推算,可根据空气流量计信号计算与该空气量相应的喷油量。L型EFI系统组成框图如图2-3所示。图2-3L型EFI系统组成框图第一节 汽油机电子控制空气流量计的功用是测量进入发动机的空气流量,并将测量的结果转换为电信号传输给ECU。空气流量计有多种形式,包括翼片式、热线式、热膜式和涡流式等。不同形式的空气流量计的性
12、能对比见表2-2。种类特性种类特性热膜式热膜式线式线式翼片式翼片式涡流式涡流式响应特性良良差良怠速稳定性良良良良废气再循环适用性良良良良发动机性能随时间的变化优优优优海拔修正无无有有进气温度修正无无有有安装性良良良良成本低较高较高较高表2-2不同形式的空气流量计的性能对比第一节 汽油机电子控制种类特性种类特性D型型L型型空气流量获取方式间接直接精度差优动态响应慢快价格便宜贵表2-3D型和L型EFI系统的性能对比D型和L型EFI系统的性能对比见表2-3。第一节 汽油机电子控制电控汽油喷射系统概括起来可分为两大类和六小类。两大类即D型和L型EFI系统。六小类具体如下。1.按喷油器的喷射位置分类(1
13、)缸内喷射缸内喷射是将喷油器安装在气缸盖上直接向气缸内喷油。(2)进气管喷射进气管喷射是将喷油器安装在进气总管或进气歧管上,汽油由喷油器喷入进气总管(或进气歧管的进气门前)。它按照喷油器的安装部位又可分为单点喷射(SPI)和多点喷射(MPI)。四、电喷汽油机控制系统的种类与控制内容第一节 汽油机电子控制1)单点喷射。在节气门体上只装12个喷油器,向进气总管内喷油,形成可燃混合气。单点喷射系统如图2-4所示。在节气门上方装一个中央喷射装置,由12个喷油器集中喷油。其采用单点喷射方式,结构简单、故障少、维修调整方便,广泛应用于普通轿车和货车。图2-4单点喷射系统第一节 汽油机电子控制2)多点喷射。
14、又可分为单节气门和多节气门两种。在每一气缸的进气门前均安装一个喷油器,汽油直接喷射到各缸的进气门附近并与空气混合形成混合气。多点喷射系统如图2-5所示。每缸进气门处装有一个喷射装置,由ECU控制喷射。其燃油分配均匀性好,但控制系统复杂、成本高,主要用于中、高级轿车。图2-5单节气门多点喷射系统第一节 汽油机电子控制2.按控制方式分类(1)机械式汽油喷射系统(2)机电混合式汽油喷射系统(3)电子控制式汽油喷射系统3.按喷射方式分类(1)间歇喷射(脉冲喷射)汽油的喷射以脉冲方式在某一时间段内喷入进气管。(2)连续喷射(稳定喷射)其特点是在发动机运转期间汽油连续不断地喷射到进气歧管内,与发动机的工作
15、顺序没有关系,大多应用于机械式或机电混合式汽油喷射系统中,如博世公司的机械式(K型)和机电式(KE型)喷射系统。第一节 汽油机电子控制4.按空气流量测量方式分类(1)质量流量方式利用空气流量计直接测出吸入的空气量(L型)。(2)速度密度方式根据进气管压力、温度和发动机转速,推算吸入的空气量,并计算燃油流量(D型)。(3)节流速度方式根据节气门开度和发动机转速,推算吸入的空气量并计算燃油流量。第一节 汽油机电子控制5.按控制系统有无反馈信号分类(1)开环控制开环控制系统如图2-6所示。通过试验确定的发动机各工况最佳供油参数预先存入ECU,在发动机运行时,ECU根据系统中各传感器的输入信号,判断发
16、动机自身所处的运行工况,从内部存储器中查出相应的控制参数,并计算出最佳喷油量,输出信号对执行机构进行控制。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。当使用工况超出预定范围时,不能实现最佳控制。图2-6开环控制系统第一节 汽油机电子控制(2)闭环控制闭环控制是指ECU以事先设定的控制参数控制发动机工作,同时还不断地检测发动机相关工作参数,根据检测到的信号对控制参数进行修正。闭环控制系统如图2-7所示。在系统中,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,通过ECU与设定的目标空燃比进行比较,并根据误差修正喷油量,空燃比控制精度较高。图2-7
17、闭环控制系统第一节 汽油机电子控制6.按喷油正时不同分类(1)同时喷射电控汽油喷射系统的同时喷射如图2-8所示。将各气缸的喷油器并联,所有喷油器由ECU的同一个指令控制,同时喷油,同时断油。其缺点是,由于各缸对应的喷射时间不可能最佳,有可能造成各缸混合气组成不一样。但这种喷射方式,不需要气缸判别信号,而且喷射驱动回路通用性好,其电路结构与软件都较简单。图2-8同时喷射第一节 汽油机电子控制(2)分组喷射电控汽油喷射系统的分组喷射如图2-9所示。将喷油器分成2组(或3组)交替喷射,ECU发出两路喷油指令,每路指令控制一组喷油器,这种结构较同时喷射系统更精细、更先进一些。图2-9分组喷射第一节 汽
18、油机电子控制(3)顺序喷射电控汽油喷射系统的顺序喷射如图2-10所示。喷油器由ECU分别控制,按发动机各气缸的工作顺序喷油。顺序喷射也称独立喷射,其喷油器按发动机各缸进气行程的顺序轮流喷射,由ECU根据曲轴位置传感器提供的信号判别各缸的进气行程,适时发出各缸的喷油脉冲信号,以实现顺序喷射的功能。顺序喷射是目前电喷系统中最先进、最精细的结构形式。图2-10顺序喷射第一节 汽油机电子控制电喷汽油机控制系统的主控内容包括汽油喷射控制和点火控制。其中,汽油喷射控制包括喷油量、喷油正时、断油、闭缸、电动燃油泵控制;点火控制包括点火时刻、点火闭合角、防止爆燃控制。电喷汽油机控制系统的辅控内容包括怠速控制、
19、排放控制、可变进气机构控制、进气增压控制、自动变速器控制、自诊断功能测试控制、故障保护和备用系统控制、其他功能扩展控制。其中,排放控制包括燃油蒸发回收、废气再循环、二次空气喷射、三元催化转化器净化控制等;其他功能扩展控制包括巡航控制、冷却风扇控制、空调压缩机控制和发电机控制等。第一节 汽油机电子控制五、电喷汽油机控制系统的组成与工作原理电喷汽油机是在曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统等传统发动机结构的基础上,增加传感器、执行器、电子控制器和电器开关等组成的。电控燃油喷射系统的组成如图2-11所示。电喷汽油机主要由空气供给系统(供气系统)、燃油供给系统(
20、供油系统)和电子控制系统组成。电子控制燃油喷射装置是ECU控制发动机所需燃油量。ECU综合各种不同传感器送来的信息进行判断,控制喷油器以一定的压力,正确、迅速地把燃油喷射到发动机进气歧管里,与吸入的空气混合后,进入气缸内。第一节 汽油机电子控制图2-11电控燃油喷射系统的组成1喷油器2油压调节器3空气流量计4怠速空气调节器5节气门位置开关 6冷却液温度传感器7氧传感器8电子控制器9电动燃油泵 10燃油滤清器11燃油箱第一节 汽油机电子控制1.功用和组成空气供给系统的功用是为电喷发动机提供计量实时准确、进气量动态范围宽的空气。空气供给系统的组成如图2-12所示,它由空气滤清器、进气管、节气门体、
21、怠速控制阀等组成,其作用包括滤清、调节和分配等。(一)空气供给系统图2-12空气供给系统的组成a)L型b)D型第一节 汽油机电子控制2.节气门体节气门体安装在进气管中,用来控制发动机正常工况下的进气量。节气门体实物如图2-13所示。节气门体置于空气流量计和发动机之间的进气管上,节气门与加速踏板联动,通过改变进气通路截面积,控制发动机运转工况。节气门体包括节气门及壳体等一系列部件。图2-13节气门体实物第一节 汽油机电子控制(1)MPI节气门体MPI节气门体的主要起控制进气量的作用。MPI节气门体的结构组成如图2-14所示。体内有节气门、节气门开度传感器、通气道和节气门缓冲器等。图2-14MPI
22、节气门体的结构组成1旁通螺钉2旁通气道3节气门4轴 5稳压箱6加速踏板7加速踏板拉索 8操纵臂9回位弹簧第一节 汽油机电子控制(2)SPI节气门体SPI节气门体较MPI节气门体结构复杂,主要是因其内还装有集中供油用的主喷油器、压力调节器和节气门位置传感器。主喷油器只有一个,它装在节气门壳体的上部,所喷出的燃油要供给发动机各缸使用。SPI节气门体的结构组成如图2-15所示。图2-15SPI节气门体的结构组成1空气阀2压力调节器3接燃油箱 4来自空气滤清器的空气5主喷油器6来自燃油泵的燃油7怠速调整螺钉 8节气门9通往发动机的混合气第一节 汽油机电子控制空气阀的作用是在发动机低温起动时,为发动机提
23、供额外的空气(此部分空气也由空气流量计计量),保持发动机怠速稳定运转,使发动机起动后迅速暖车,从而缩短暖车时间。空气阀一打开,发动机吸入的空气量就能被空气流量计测出,把该信号传给ECU,从而使喷油器的喷油量增加,从而在低温下顺利起动发动机。发动机完成暖机运转之后,流经空气阀的空气即被切断,发动机吸入的空气改由节气门体的旁通气道供给,使发动机在正常怠速工况下稳定运转。第一节 汽油机电子控制 1.功和组合燃油供给系统的作用是为电喷发动机提供计量实时准确、喷油量动态范围宽的可燃混合气并使其顺利、均匀地进入每个燃烧室。它需要具有抗堵塞、抗污染、抗气阻的综合能力。燃油供给系统的组成如图2-16所示。(二
24、)燃油供给系统图2-16燃油供给系统的组成1燃油箱2燃油泵3燃油滤清器4油压脉动阻尼器5冷起动喷油器6喷油器7油压调节器第一节 汽油机电子控制燃油供给系统在汽车上的安装示意图如图2-17所示。燃油供给系统由燃油箱、油管、燃油泵、燃油滤清器、油压脉动阻尼器、油压调节器、喷油器等组成,其作用包括供油、滤清、调压和喷油等。图2-17燃油供给系统在汽车上的安装示意图1燃油滤清器2燃油泵3输油管4冷起动喷油器5油压调节器6喷油器7油压脉动阻尼器第一节 汽油机电子控制2.电动燃油泵(1)电动燃油泵的分类及结构与原理电动燃油泵按安装位置的不同分为内置式和外置式。其中,内置式电动燃油泵安装在油箱中,具有噪声小
25、、不易产生气阻、不易泄漏、管路安装简单等优点;外置式电动燃油泵串接在油箱外部的输油管路中,易布置、安装自由度大,但噪声大,易产生气阻。按电动燃油泵常见结构包括滚柱式和涡轮式。第一节 汽油机电子控制1)滚柱式电动燃油泵的结构与原理。滚柱式电动燃油泵主要由燃油泵电动机、滚柱式燃油泵、出油阀、卸压阀等组成。滚柱式电动燃油泵的结构如图2-18所示。图2-18滚柱式电动燃油泵的结构第一节 汽油机电子控制当转子旋转时,位于转子槽内的滚柱在离心力的作用下,紧压在泵体内表面上,对周围起密封作用,在相邻两个滚柱之间形成工作腔。在燃油泵运转过程中,工作腔转过出油口后,其容积不断增大,形成一定的真空度,当转到与进油
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