第8章發動機綜合控制系統

8.1 發動機電子控制系統概述一、 汽車電控技術發展

第一階段，從20世紀60年代中期到70年代中期，主要是為了改善部分性能而對汽車產品進行的技術改造，如在車上裝了晶體管收音機。第二階段，從20世紀70年代末期到90年代中期，為解決安全、污染、和節能三大問題，研制出電控汽油噴射系統、電子控制防滑制動裝置和電控點火系統。第三階段，20世紀90年代中期以后，電子技術廣泛的應用在底盤、車身、和車用柴油發動機多個領域。

二、電控技術對發動機性能的影響1．提高發動機的動力性2．提高發動機燃油經濟性3．降低排放污染4．改善發動機的加速和減速性能5．改善發動機的起動性能三、應用發動機上的電子控制系統1. 電子燃油噴射系統（EFI）2. 電控點火系統（ESA）3. 怠速控制系統（ISC）4. 排放控制系統5. 進氣控制系統6. 增壓控制系統7. 巡航控制系統8. 警告提示9. 自診斷與報告系統10. 失效保護系統11. 應急備用系統四、發動機電控系統的基本組成1. 電控系統的基本組成與類型基本組成

任何一種電子控制系統，其主要組成都可分為信號輸入裝置、電子控制單元（ECU）和執行元件三部分。信號輸入裝置（各種傳感器）電子控制單元（ECU）執行元件電控系統的基本組成電控燃油噴射系統的電子控制類型：開環控制——ECU根據傳感器的信號對執行器進行控制，但不去檢測控制結果；閉環控制——也叫反饋控制，在開環的基礎上，它對控制結果進行檢測，并反饋給ECU。2.傳感器的類型及功用1)空氣流量計2)進氣絕對壓力傳感器3)節氣門位置傳感器4)凸輪軸位置傳感器5)曲軸位置傳感器6)進氣溫度傳感器7)冷卻液溫度傳感器8)車速傳感器9)氧傳感器10)爆燃傳感器11)空調開關12)檔位開關13)啟動開關14)制動燈開關15)動力轉向開關16)巡航控制開關3.電子控制單元（ECU）的基本功能給傳感器提供電壓，接受傳感器和其他裝置的輸入信號，并轉換成數字信號；儲存該車型的特征參數和運算所需的有關數據信號確定計算輸出指令所需的程序，并根據輸入信號和相關程序計算輸出指令數值；將輸入信號和輸出指令信號與標準值進行比較，確定并存儲故障信息。向執行元件輸出指令，或根據指令輸出自身已儲存的信息；自我修正功能（學習功能）。4.執行元件的類型噴油器、點火器、怠速控制閥、巡航控制電磁閥、節氣門控制電動機、EGR閥、進氣控制閥、二次空氣噴射閥、活性炭罐排泄電磁閥、油泵繼電器、風扇繼電器、空調壓縮繼電器、自診斷顯示與報警裝置、儀表顯示器等8.2發動機電控汽油噴射系統組成和工作原理一、汽油噴射系統概述1、汽油噴射系統的發展20世紀30年代由于軍用飛機上，1954年德國奔馳公司在奔馳300SL上裝了機械式汽油噴射系統（K型）；20世紀60年代在K型的基礎上發展了機電組合式汽油噴射系統（KE型）；20世紀60年代后期，隨著電子技術的發展，德國BOSCH公司研制出電控燃油噴射系統（EFIBosch公司燃油噴射系統的發展過程2、電控燃油噴射系統的優點（視頻）1.能提供發動機在各種工況下最合適的混合氣濃度；2.用排放物控制系統后，降低了HC、CO和NOX三種有害氣體的排放；3.增大了燃油的噴射壓力，因此霧化比較好；4.在不同地區行駛時，發動機控制ECU能及時準確地作出補償；5.在汽車加減速行駛的過渡運轉階段，燃油控制系統能迅速的作出反應；6.具有減速斷油功能，既能降低排放，也能節省燃油；7.在進氣系統中，由于沒有像化油器那樣的喉管部位，因而進氣阻力小；8.發動機起動容易，暖機性能提高。3、電控噴射系統的類型1.

按噴射方式分類

同時噴射

分組噴射

順序噴射

2.按空氣量的計量方式分類

D型電控燃油噴射系統

L型電控燃油噴射系統

3.按噴射位置分類（見視頻）

多點噴射系統

單點噴射系統4.按有無信號分類

開環控制系統

閉環控制系統同時噴射將各氣缸的噴油器并聯，所有噴油器有電腦的同一個指令控制，同時噴油，同時斷油。分組噴射將各氣缸的噴油器分成幾組，同一組噴油器同時噴油或斷油。噴油器由電腦分別控制，按發動機各氣缸的工作順序噴油。順序噴射D型電控燃油噴射系統——在根據進氣量和發動機轉速確定基本噴油量。——利用空氣流量計直接測量發動機的進氣量，電腦不必進行推算，可根據空氣流量計信號計算與該空氣量相應的噴油量。L型電控燃油噴射系統多點噴射系統每缸進氣門處裝有一個中央噴射裝置，由ECU控制噴射。其燃油分配均勻性好，但控制系統復雜，成本高。主要用于中、高級轎車。氣門噴油器輸油管進氣支管單點噴射系統在節氣門上方裝一個中央噴射裝置，由1～2個噴油器集中噴油。采用順序噴射方式。結構簡單，故障少、維修調整方便。廣泛的應用于普通轎車和貨車。調壓器噴油器節氣門體位置傳感器節氣門開環控制系統ECU根據傳感器的信號對執行器進行控制，但不去檢測控制結果；傳感器電子控制單元執行器發動機閉環控制氧傳感器閉環控制系統也叫反饋控制，在開環的基礎上，它對控制結果進行檢測，并反饋給ECU。傳感器電子控制單元執行器發動機電控燃油噴射系統的組成空氣供給系統燃油供給系控制系統二、空氣供給系統（視頻1

2）功用：為發動機提供清潔的空氣并控制發動機正常工作時的供氣量。D型EFI空氣供給系L型EFI空氣供給系1、空氣流量計1）葉片式空氣流量計（視頻）工作原理來自空氣濾清器的空氣通過空氣流量計時，空氣推力使測量板打開一個角度，當吸入空氣推開測量板的里與彈簧變形后的回位力相平衡時，葉片停止轉動。與測量扳同軸轉動的電位計檢測出葉片轉動的角度，將進氣量轉換成電壓信號VS送給ECU。1、電位計滑臂2、可變電阻3、接進氣管4、測量葉片5、旁通空氣道6、接空氣濾清器（2）熱式空氣流量計（見視頻）20世紀80年代后生產的日本日產公爵轎車和美國福特車系轎車多數采用熱式空氣流量計，熱式空氣流量計的主要元件是熱線電阻，可分為熱線式和熱膜式兩種類型。控制電路熱膜溫度傳感器防護網工作原理熱線電阻RH以鉑絲制成，RH和溫度補償電阻RK均置于空氣通道中的取氣管內，與RA、RB共同構成橋式電路。RH

、RK阻值均隨溫度變化。當空氣流經RH時，使熱線溫度發生變化，電阻減小或增大，使電橋失去平衡，若要保持電橋平衡，就必須使流經熱線電阻的電流改變，以恢復其溫度與阻值，精密電阻RA兩端的電壓也相應變化，并且該電壓信號作為熱式空氣流量計輸出的電壓信號送往ECU。

A：集成電路；RH：熱線電阻RK：溫度補償電阻RA：精密電阻RB：電橋電阻（3）卡門旋渦式空氣流量計（見視頻）在氣流通道中放一個柱體，氣體通過時在柱體后產生許多渦旋。按檢測分為：超聲波檢測法和反光鏡檢測法2、進氣管絕對壓力傳感器（MAP）在D型電控燃油噴射系統中，由進氣管絕對壓力傳感器測量進氣管壓力，并將信號輸入ECU，作為燃油噴射和點火控制的主控制信號。（見視頻）3、節氣門體功能：節氣門體安裝在進氣管中，來控制發動機正常工況下的進氣量。組成：主要由節氣門和怠速空氣道等組成。節氣門位置傳感器裝在節氣門軸上，來檢測節氣門的開度。有的車上還設有副節氣門和副節氣門位置傳感器4、節氣門位置傳感器（見視頻）作用：檢測節氣門的開度及開度變化，此信號輸入ECU，控制燃油噴射及其他輔助控制。三、燃油供給系統（見視頻）功用：供給噴油器一定壓力的燃油，噴油器則根據電腦指令噴油。油箱電動燃油泵燃油濾清器壓力調節器噴油器燃油壓力調節器燃油供給系統元件位置組成：由油箱、電動燃油泵、汽油濾清器、噴油器、壓力調節器及燃油分配管等組成。壓力調節器汽油濾清器油箱燃油分配管1、電動燃油泵（見視頻）

按電動燃油泵的結構不同分為：渦輪式、滾柱式、轉子式和側槽式。渦輪式電動燃油泵結構：主要由燃油泵電動機、渦輪泵、出油閥、卸壓閥組成。2、壓力調節器（見視頻）

作用：穩定燃油管的壓力，使它與進氣歧管之間的壓力差保持恒定的250～300kPa.組成：主要由閥片、膜片、膜片彈簧和外殼組成。3、噴油器工作原理噴油器不噴油時，回位彈簧通過銜鐵使針閥緊壓在閥座上，防止滴油。當電磁線圈通電時，產生電磁吸力，將銜鐵吸起并帶動針閥離開閥座，同時回位彈簧被壓縮，燃油經

過針閥并由軸針與噴口的環

隙或噴孔中噴出。當電磁線

圈斷電時，電磁吸力消失。

回位彈簧迅速使針閥關閉，

噴油器停止噴油。

（見視頻）4、冷起動噴油器功用：在發動機冷起動時噴油，以加濃混合氣，改善發動機的冷起動性能。原理：發動機起動時，起動繼電器線圈通電，觸電閉合使蓄電池電壓送至冷起動噴油器，正時開關控制冷起動搭鐵回路接通，冷起動噴油器噴油。若冷卻水溫度較高，正時開關則斷開，冷起動噴油器不噴油。四、控制系統（見視頻）

ECU根據空氣流量計信號和發動機轉速信號確定基本噴油時間，在根據其他傳感器對噴油時間進行修正，并按最后確定的總噴油時間向噴油器發出指令，使噴油器噴油或斷油。空氣流量計或進氣管絕對壓力傳感器發動機轉速傳感器其他傳感器基本噴油量修正噴油量噴油器1、傳感器1、傳感器1）溫度傳感器（見視頻）

進氣溫度傳感器（IATS）

功用：給ECU提供進氣溫度信號，作為燃油噴射和點火正時控制的修正信號。冷卻水溫度傳感器（ECTS）

功用：給ECU提供發動機冷卻液溫度信號，作為燃油噴射和點火正時控制修正信號。2）發動機轉速和曲軸位置傳感器（見視頻）

檢測發動機轉速和曲軸轉角的位置可分為：電磁式、光電式、霍爾式3）爆燃傳感器（見動畫）

檢測發動機有無爆燃現象，并將信號傳送給發動機電控單元檢測爆燃使用的方法有檢測氣缸壓力、發動機機體振動及燃燒噪聲等，最常用的方法根據發動機機體振動來判斷發動機是否產生了爆燃。爆燃傳感器安裝在發動機機體上，將發動機振動頻率轉換成電壓信號，以檢測爆燃強度。2、執行器1）主繼電器 采用滑閥型，當接通點火開關時，電流通過主繼電器線圈，滑閥被吸引，觸點閉合，于是電源向EFI供電。當斷開點火開關，主繼電器斷開，EFI的供電被切斷2）斷路繼電器 控制電動汽油泵電源的繼電器，通常僅在發動機運轉時接通電路。3、電子控制單元（ECU）

（視頻）ECU的功用是采集和處理各種傳感器的輸入信號，根據發動機工作的要求（噴油脈寬、點火提前角等），進行控制決策的運算，并輸出相應的控制信號。當前電控發動機中除了控制噴油外，還控制點火、EGR、怠速和增壓發動機的廢氣閥等，由于共用一個ECU對發動機進行綜合控制，所以也被稱為發動機管理系統。ECU基本功能：1）接收傳感器及其他裝置輸入的信息2）存儲、計算和分析處理信息3）運算分析 4）輸出執行命令 5）自我修正功能（自適應功能）五、汽油噴射控制一、噴射正時控制視頻（燃油噴射方式）在采用間歇噴射方式的電控燃油噴射系統中，電腦必須控制噴油器噴油的開始時刻，這就是噴油正時控制。其控制目標一般是在進氣行程開始前，噴油結束。1）順序噴射正時控制2）分組噴射正時控制3）同時噴射正時控制（1）順序噴射正時控制工作原理：ECU根據凸輪軸位置傳感器（G信號）、曲軸位置傳感器（Ne信號）和發動機的作功順序，確定各氣缸工作位置。當確定各缸活塞運行至排氣行程上止點某一位置時，ECU輸出噴油控制信號，接通噴油器電磁線圈電路，該缸開始噴油。特點：噴油器驅動回路數與氣缸數目相等。（2）分組噴射正時控制特點：把所有噴油器分成2～4組，由ECU分組控制噴油器。工作原理：以各組最先進入作功的缸為基準，在該氣缸排氣行程上止點前某一位置，ECU輸出指令信號，接通該組噴油器電磁線圈電路，該組噴油器開始噴油。（3）同時噴射正時控制特點：所有各缸噴油器由ECU控制同時噴油和停油。工作原理：噴油正時控制是以發動機最先進入作功行程的缸為基準，在該缸排氣行程上止點前某一位置，ECU輸出指令信號，接通該組噴油器電磁線圈電路，該組噴油器開始噴油。2、噴油持續時間（噴油量）控制目的：使發動機在各種運行工況下，都能獲得最佳的噴油量，以提高發動機的經濟性和降低排放污染。1）起動時的同步噴油量控制2）起動后的同步噴油量控制3）異步噴油量控制1）起動時的同步噴油量控制在發動機轉速低于規定值或點火開關接通位于STA（起動）檔時，噴油時間的確定見右圖，ECU根據冷卻液傳感器信號和冷卻液溫度——噴油時間確定基本噴油時間，根據進氣溫度傳感器對噴油時間作修正（延長或縮短）。然后在根據蓄電池電壓適當延長噴油時間，以實現噴油量的進一步的修正，即電壓修正。2）起動后的同步噴油量控制噴油持續時間=基本噴油持續時間×噴油修正系數+電壓修正D型根據發動機轉速信號和進氣管絕對壓力信號確定基本噴油時間；L型根據發動機轉速信號和空氣流量計信號確定基本噴油時間。同時,還必須根據各種傳感器輸送來的各種運行工況信息，對基本噴油量時間進行修正。3）異步噴油量控制起動后異步噴射是指與曲軸轉動角度不同步的噴射，例如急加速時的燃油量修正。發動機起動和加速時的異步噴油量是固定，各氣缸噴油器以一個固定的噴油持續時間，同時向各氣缸增加一次噴油。3、斷油控制減速斷油控制——當汽車減速時，ECU將會切斷燃油噴射控制電路，停止噴油，以降低碳氫化合物及一氧化碳的排放量。限速斷油控制——加速時，發動機超過安全轉速或汽車車速超過設定的最高車速時，ECU將切斷燃油噴射控制電路，停止噴油，防止超速。8.3 發動機怠速控制一、怠速控制系統的功能與組成（見視頻）

1.怠速控制系統的功能：用高怠速實現發動機起動后的快速暖機過程；自動維持發動機怠速在目標轉速下穩定運轉。2.怠速控制系統的組成：如圖，主要由傳感器、ECU和執行元件三部分組成。1、冷卻液溫度信號2、A/C開關信號3、空擋位置開關信號4、轉速信號5、節氣門位置信號6、車速信號7、執行元件1、節氣門2、進氣管3、節氣門操縱臂4、執行元件5、怠速空氣道a）節氣門直動式b）旁通空氣式3.怠速控制的方法怠速控制也就是對怠速工況下的進氣量進行控制。控制基本類型有節氣門直動式和旁通空氣式。節氣門直動式怠速控制器（見視頻）

主要由直流電動機、減速齒輪機構、絲杠機構和傳動軸等組成1、節氣門操縱臂2、怠速控制器3、節氣門體4、噴油器5、燃油壓力調節器6、節氣門7、防轉六角孔8、彈簧9、直流電動機10、11、13、齒輪12、傳動軸14、絲杠原理當直流電動機通電轉動時，經減速齒輪機構減速增扭后，再由絲杠機構將其旋轉運動轉換為傳動軸的直線運動。傳動軸頂靠在節氣門最小開度限制器上，發動機怠速運轉時，ECU根據各傳感器的信號，控制直流電動機的正反轉和轉動量，以改變節氣門最小開度限制器的位置，從而控制節氣門的最小開度，實現對怠速進氣量進行控制的目的。2、步進電動機型怠速控制閥3、旋轉電磁閥型怠速控制閥4、占空比控制電磁閥型怠速控制閥控制閥的控制內容起動初始位置的設定起動控制暖機控制發動機負荷變化的預控制電器負載增大時的怠速控制學習控制反饋控制發動機轉速變化預測控制固定占空比控制8.4 發動機排放控制一、三元催化轉換器、氧傳感器與閉環控制二、廢氣再循環控制三、活性炭罐蒸發污染控制1、三元催化轉換器（TWC）（見視頻）

影響最大的是混合氣的濃度和排氣溫度。只有在理論空燃比14.7附近，三元催化轉化器的轉化效率最佳，一般都裝有氧傳感器檢測廢氣中的氧的濃度，氧傳感器信號輸送給ECU，用來對空燃比進行反饋控制。發動機的排氣溫度過高（815℃以上），TWC轉換效率將明顯下降。

功能：利用轉換器中的三元催化劑，將發動機排出廢氣中的有害氣體轉變為無害氣體。2、氧傳感器（見視頻）

1）氧化鋯式傳感器2）氧化鈦式傳感器3）氧傳感器控制電路（閉環控制）當實際空燃比比理論空燃比小時，氧傳感器向ECU輸入的高電壓信號（0.75～0.9V）。此時ECU減小噴油量，空燃比增大。當空燃比增大到理論空燃比時，氧傳感器輸出電壓信號將突變下降至0.1V左右，ECU立即控制增加噴油量，空燃比減小。如此反復，就能將空燃比精確地控制在理論空燃比附近一個極小的范圍內。二、廢氣再循環控制EGR功能：將適當的廢氣重新引入氣缸參加燃燒，從而降低氣缸的最高溫度，以減少NOx的排放量。種類：開環控制EGR系統閉環控制EGR系統（見視頻）開環控制EGR系統主要由EGR閥和EGR電磁閥等組成閉環控制EGR系統檢測實際的EGR率或EGR閥開度作為反饋控制信號，其控制精度更高。常用EGR率表示EGR的控制量。它用進入氣缸的混合氣中廢氣的比例表示。EGR率與發動機動力性、經濟性和排放性能有關。EGR率增加過大時，使燃燒速度太慢，燃燒變得不穩定，失火率增加，使HC也會增加；EGR率過小，NOx排放達不到法規要求，易產生爆震，發動機過熱等現象。因此EGR率必須根據發動機工況進行控制。EGR的控制策略：增加EGR率可以使NOx排出物降低，但同時會HC排出物和燃油消耗增加。因此在各種工況采用的EGR率必須是對動力性、經濟性和排放性能的綜合考慮。三、活性炭罐蒸發污染控制也叫汽油蒸氣排放（EVAP）控制系統功能收集汽油箱和浮子室內蒸氣的汽油蒸氣，并將汽油蒸氣導入氣缸參加燃燒，從而防止氣油蒸氣直接排出大氣而防止造成污染。同時，根據發動機工況，控制導入氣缸參加燃燒的汽油蒸氣量。（見視頻）

EVAP控制系統的組成與工作原理油箱的燃油蒸氣通過單向閥進入活性碳罐上部，空氣從碳罐下部進入清洗活性碳，在碳罐右上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制閥，排放控制閥上部的真空度由碳罐控制電磁閥控制，電磁閥受控制。1、油箱蓋2、油箱3、單向閥4、排氣管5、電磁閥6、節氣門7、進氣門8、真空閥9、真空控制閥10、定量排放孔11、活性碳罐EVAP控制系統的工作原理發動機工作時，ECU根據發動機轉速、溫度、空氣流量等信號，控制碳罐電磁閥的開閉來控制排放控制閥上部的真空度，從而控制排放控制閥的開度。當排放控制閥打開時，燃油蒸氣通過排放控制閥被吸入進氣歧管。8.5 燃油噴射系統實例一、故障自診斷系統1、故障自診斷系統的功能1）通過自診斷測試判斷電控系有無故障，有故障時，指示燈發出警報，并將故障碼存儲。2）在維修時，通過一定操作程序可將故障碼調出，進行有針對性的檢查；3）當傳感器或其電路發生故障時，自動啟動失效保護功能；4）當發生故障導致車輛無法行駛時，自動啟動應急備用系統，以保證汽車可以繼續行駛。二、自診斷系統工作原理

1.傳感器故障自診斷原理

2.執行元件故障自診斷原理

1.傳感器故障自診斷原理若傳感器輸入ECU的信號超出正常范圍，或在一定時間內ECU收不到該傳感器信號，或該傳感器輸入ECU的信號在一定時間內不發生變化，自診斷系統均判斷定為“故障信號”。例如水溫傳感器，當傳感器向ECU輸送的信號電壓低于0.3V或高于4.7V，自診斷系統會判斷為故障信號。2.執行元件故障自診斷原理

在沒有反饋信號的開環控制中，執行元件如有故障，自診斷系統只能根據ECU輸出的執行信號來判斷。原理與傳感器類似。帶有反饋信號的閉環控制工作時，自診斷系統還可根據反饋信號判別故障。三、自診斷系統的使用故障指示燈當檢測到有故障時，儀表盤上的故障指示燈“CHECKENGINE”電亮，以警告駕駛員或維修人員。在使用中，點火開關接通，發動機沒有起動或起動后的短時間內，“故障指示燈”點亮是正常現象，當起動后幾秒鐘內或發動機達到一定轉速（一般為500r/min）后，“故障指示燈”應熄滅。四、OBD—Ⅱ簡介（車載診斷系統）

OBD是“ON—BOARDDINGOSITICS”的縮寫，是由美國汽車工程學會（SEA）提出的，經環保機構（EPA）和加州資源協會（CARB）認證通過的。20世紀70年代，汽車電控系統中開始采用了第一代隨車診斷系統（OBD－I）；1994年以后，美國、日本和歐洲的主要汽車制造廠家生產的電控汽車逐步開始采用第二代隨車診斷系統（OBD—Ⅱ）。OBD一Ⅱ的主要特點：l）汽車按標準裝用統一的16端子診斷座，并將診斷座統一安裝在駕駛