現(xiàn)代汽車發(fā)動機電控技術 - 全文

　　汽車機電一體化—汽車電子化正逐漸成為現(xiàn)代汽車(特別是轎車)的基本特征。發(fā)動機電控作為汽車電控中的重要一環(huán)，為適應日趨嚴格的排放、安全法規(guī)，已受到國內(nèi)外汽車廠商的高度重視，并得到了空前發(fā)展。

　　一、概述

　　現(xiàn)代轎車電控技術的理論基礎就是現(xiàn)代控制理論。從早期的經(jīng)典控制到目前的智能控制，控制理論在汽車電控中得到了廣泛的應用。主要有PID控制、最優(yōu)控制、自適應控制、滑模控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及預測控制等?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展使得電控系統(tǒng)更能適應復雜的多變量系統(tǒng)、時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，甚至對于數(shù)學模型不甚精確的系統(tǒng)也能實施精確有效的控制。而這正是發(fā)動機電控得以實現(xiàn)的前提。就其結構而言，電控系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制組件(ECU)、執(zhí)行器 3個部分組成。傳感器作為輸入部分，用于測量物理信號(溫度、壓力等)，將其轉換為電信號;ECU的作用是接收傳感器的輸入信號，并按設定的程序進行計算處理，輸出處理結果;執(zhí)行器則根據(jù) ECU輸出的電信號驅動執(zhí)行機構，使之按要求變化。

　　(一)電子控制組件(ECU)

　　ECU以微機為中心。還包括前置的A/D轉換器、數(shù)字信號緩沖器以及后置的信號放大器等。微機運算速度快、精度高，能實時控制，并具備多中斷響應等功能。目前除了8位、16位微機外，32位特別是64位微機已開始逐步使用。而且，不僅有通用型微機和單片機，專用的汽車微機也已研制出來。正是微機技術突飛猛進的發(fā)展促進了汽車電控技術的不斷完善?？梢哉f，當前 ECU的發(fā)展總趨勢是從單系統(tǒng)單機控制向多系統(tǒng)集中控制過渡。不久以后，汽車電控系統(tǒng)將采用計算機網(wǎng)絡技術，把發(fā)動機電控系統(tǒng)、車身電控系統(tǒng)、底盤電控系統(tǒng)及信息與通信系統(tǒng)等各系統(tǒng)的ECU相聯(lián)結，形成機內(nèi)分布式計算機網(wǎng)絡，實現(xiàn)汽車電子綜合控制。

　　(二)傳感器

　　汽車傳感器的工作條件極為惡劣，因此，傳感器能否精確可*地工作至關重要。近年來在該領域中，理論研究及材料應用發(fā)展較為迅速，半導體和金屬膜技術、陶瓷燒結技術等迅猛發(fā)展。毋庸置疑，智能化、集成化和數(shù)字化將是傳感器的未來發(fā)展趨勢。

　　(三)執(zhí)行器

　　執(zhí)行器用來精確無誤地執(zhí)行 ECU發(fā)出的命令信號。因此，執(zhí)行器工作的精確與否將最終影響電控的成敗，正因如此，其工作可靠性和精確性一直作為研究重點而倍受關注。目前，汽車電控系統(tǒng)的執(zhí)行器類型繁多，有電磁閥、電動機、壓電元件、點火器、電磁繼電器、熱電偶等，結構與功能不盡相同。執(zhí)行器的發(fā)展方向是智能化執(zhí)行器和固態(tài)智能動力裝置。

　　二、發(fā)動機電控技術及應用

　　發(fā)動機電控技術可分為電控汽油噴射、電子點火、怠速控制、排氣再循環(huán)控制、增壓控制、故障自診斷、故障保險、備用控制以及其它控制技術。

　　(一)電控汽油噴射(EFI)系統(tǒng)

　　電控汽油噴射系統(tǒng)(簡稱電噴系統(tǒng))是60年代末開始發(fā)展起來的，較之早期普遍使用的化油器供油系統(tǒng)，其突出優(yōu)點在于空燃比的控制更為精確，可實現(xiàn)最佳空燃比;而且電噴技術提高了汽油的霧化、蒸發(fā)性能 ,加速性能更好 ,發(fā)動機功率和扭矩顯著升高。

　　目前，電噴系統(tǒng)主要采用開環(huán)與閉環(huán)控制(反饋控制)相結合的方式。對諸如暖機、怠速等需要供給濃混合氣的工況采取開環(huán)控制，此外則通過排氣管中設置的氧傳感器，測量實際空燃比來進行反饋控制。由空氣流量計或進氣歧管絕對壓力傳感器和轉速傳感器測量進氣空氣量，由ECU根據(jù)冷卻水溫、進氣溫度、氧傳感器信號等確定合適的空燃比，計算所需噴油量，進而對執(zhí)行器(噴油器和電路斷開繼電器)進行控制。按照噴油器的安裝位置的不同，電噴系統(tǒng)可分為3種型式：單點噴射(SPI)、多點噴射(MPI)和缸內(nèi)直接噴射。單點噴射用 1～2個噴油器安裝在進氣管節(jié)氣門處。多點噴射將各個噴油器分別安裝在各缸的進氣歧管中，使各缸混合氣分配較均勻，故而在轎車中應用較廣。并且，按照其噴油時序的不同，多點噴射又可細分為同時噴射、分組噴射和順序噴射 3種，其中順序噴射使噴油器能按各缸的點火順序進行噴油，每循環(huán)噴一次，該種方式較前兩種應用效果更好。缸內(nèi)直噴特別是四沖程汽油機缸內(nèi)直噴是當前轎車汽油噴射中的前沿技術，最早由日本三菱公司研制開發(fā)，其噴油器安裝在氣缸蓋上，工作時直接將汽油噴入氣缸內(nèi)進行混合燃燒。直噴技術的實現(xiàn)大大降低了汽油機的油耗，動力性能也較多點噴射更為優(yōu)越;同時，配合其他機構，使得高空燃比稀燃技術得以實現(xiàn)。

　　(二)電子點火控制系統(tǒng)

　　早在 2 0世紀初 ,點火系統(tǒng)在汽車發(fā)動機上已開始應用，從有觸點式、普通無觸點式、集成電路式，發(fā)展到現(xiàn)今的微機控制電子點火系統(tǒng)。微機控制電子點火系統(tǒng)可控制并維持發(fā)動機點火提前角(ESA)在最佳范圍以內(nèi)，使汽油機的點火時刻更接近于理想狀態(tài)，進一步 挖掘發(fā)動機的潛能。

　　在微機控制點火系統(tǒng)中，目前出現(xiàn)了一種無分電器點火(DLI)系統(tǒng)，它取消了普通微機控制點火系統(tǒng)中的分電器，改由 ECU內(nèi)部控制各缸配電。這樣點火線圈產(chǎn)生的高壓電，不需經(jīng)過分電器分配，直接就送至火花塞發(fā)生點火。無分電器點火系統(tǒng)可消除分火頭與分電器蓋邊電極的火花放電現(xiàn)象，減少電磁干擾。無分電器點火系統(tǒng)根據(jù)點火順序的不同，有兩缸同時點火和各缸獨立點火兩種。在兩缸同時點火方式中，每兩缸一組，合用一個點火線圈，所有缸體分成若干組按組依次進行點火;在各缸獨立點火方式中，每缸的火花塞都設有單獨的點火線圈(特別是隨著超小型塑料包裝的點火線圈的出現(xiàn)，使之與火花塞合為一體)，這樣各缸可依次輪流點火。

　　在發(fā)動機的點火控制中，同樣采用了開環(huán)和閉環(huán)相結合的控制形式。起動階段的點火時刻由ECU中的專門信號進行開環(huán)控制;正常運行期間，則通過增設爆震傳感器進行爆震反饋控制，根據(jù)爆震傳感器的反饋信號調(diào)整點火時刻使發(fā)動機在臨界爆震狀態(tài)。

　　(三)怠速控制(ISC)系統(tǒng)

　　怠速性能的好壞是評價發(fā)動機性能優(yōu)越與否的重要指標，怠速性能差將導致油耗增加，排污嚴重，因此，需進行必要的控制?，F(xiàn)代轎車中一般都設有怠速控制系統(tǒng)，由ECU控制并維持發(fā)動機怠速在某一穩(wěn)定轉速范圍內(nèi)。因此，怠速控制通常是指怠速轉速控制，其實質(zhì)就是對怠速工況時的進氣量進行調(diào)節(jié)(同時配合噴油量及點火提前角的控制)。 怠速控制的基本原理是 ECU根據(jù)冷卻水溫、空調(diào)負荷、空檔信號等計算目標轉速，并與實際轉速相比較，同時檢測節(jié)氣門全關信號及車速信號，判斷是否處于怠速狀態(tài)，確認后則按目標轉速與實際轉速之間的差值來驅動執(zhí)行器調(diào)整控制進氣量。

　　目前，除了怠速轉速的穩(wěn)定性控制之外，怠速控制還可以實現(xiàn)起動控制、暖機控制以及負荷變化控制等功能，這樣多種功能的集中，不僅簡化了機構，而且也提高了怠速控制的精確性。

　　怠速控制系統(tǒng)根據(jù)進氣量控制方式的不同可分為節(jié)氣門直動式和旁通空氣式兩種，后者的應用較廣，其中的執(zhí)行器—怠速控制閥的發(fā)展較快，相應有步進電機型、旋轉電磁閥型、占空比型和開關控制型等，各自在怠速控制中有不同程度的應用。

　　(四)排氣再循環(huán)(EGR)電控系統(tǒng)

　　國外的早期研究發(fā)現(xiàn)，將少量的排氣(5%～20 %)再次循環(huán)進入氣缸與新鮮可燃混合氣混合后燃燒，可有效抑制 NOx 的產(chǎn)生。事實上，除了可采用氣門重疊產(chǎn)生排氣回流的內(nèi)部EGR方式外，更常用的措施是用專門的管道將部分排氣引至進氣管，由ECU控制EGR閥改變流通截面來調(diào)節(jié)排氣量，實現(xiàn)再循環(huán)排氣率的變化。通常在發(fā)動機暖機、怠速、低負荷、高負荷等工況不需進行EGR控制。

　　EGR控制的一般過程是：ECU根據(jù)發(fā)動機的轉速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，計算最佳再循環(huán)排氣率，再通過控制 EGR閥的開度來實現(xiàn)EGR控制。而ECU對EGR閥的控制，實質(zhì)上是通過對真空調(diào)節(jié)閥的控制來實現(xiàn)的。真空調(diào)節(jié)閥一般是電磁式的，用于將ECU輸出的電信號轉換為氣壓變化，從而實現(xiàn)對氣動式EGR閥的控制。并且，ECU還通過壓力傳感器測量再循環(huán)排氣率信號來進行反饋控制。在實施反饋控制時，最初使用的是獨立式壓力或壓差傳感器，而今又出現(xiàn)了與EGR閥共為一體的EGR位置傳感器，提高了控制精度。

　　(五)增壓電控系統(tǒng)

　　發(fā)動機中增壓系統(tǒng)的安裝日漸增多，其目的是為了提高進氣效率。電控增壓系統(tǒng)的研制開發(fā)使增壓技術又跨上了一個新臺階。目前，應用較普遍的是電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。通常增壓器是為與發(fā)動機低速小負荷工況相匹配而設計的，當發(fā)動機大負荷運行時容易導致增壓器超速運行而損壞，為此，電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)專門在排氣管中廢氣渦輪室處增加了一旁通氣道，由ECU控制切換閥的開度大小進行調(diào)整。通常情況下切換閥閉合，廢氣通過渦輪氣室排出;一旦發(fā)動機大負荷運行將導致廢氣渦輪轉速升高，當進氣壓力超過限值，ECU便會通過相應機構開啟切換閥，使旁通氣道導通，廢氣不經(jīng)渦輪室而直接由旁通氣道排出，增壓器停止工作。

　　(六)故障自診斷系統(tǒng)

　　現(xiàn)代轎車發(fā)動機的電控系統(tǒng)中，ECU一般都帶有故障自診斷系統(tǒng)，自行監(jiān)測、診斷發(fā)動機控制系統(tǒng)各部分的故障。對于傳感器，可通過檢測其信號是否超出規(guī)定范圍來直接進行判斷;對于執(zhí)行器，則在其初始電路中增設專門回路來實現(xiàn)監(jiān)測，對于ECU本身，也有專用程序進行診斷。

　　故障自診斷系統(tǒng)時刻監(jiān)測各控制系統(tǒng)的工作情況，當出現(xiàn)故障時，一般轎車儀表板上的故障指示燈可閃爍報警，同時將故障信息以代碼的形式保存在微機的存儲器中，維修時不僅可以通過故障指示燈間斷閃爍來顯示，也可以通過專用的檢測儀器以數(shù)字的形式顯示故障代碼，以便進一步通過手冊查出故障原因。自診斷系統(tǒng)很好地解決了復雜電控系統(tǒng)難以判斷故障的問題。

　　(七)故障保險系統(tǒng)及故障備用控制系統(tǒng)

　　當自診 斷系統(tǒng)檢測出傳感器及其電路故障后，ECU中的故障保險系統(tǒng)隨之自動啟動發(fā)揮作用。故障保險系統(tǒng)會用程序設定的數(shù)據(jù)取代故障部分輸入的非正常信號，進行直接控制。故障保險系統(tǒng)一般通過軟件編程來實現(xiàn)。

　　而當微機或主要傳感器(如進氣歧管壓力傳感器)出現(xiàn)故障時，ECU立即將主控權由微機切換至故障備用系統(tǒng)中，由其代替微機工作。故障備用系統(tǒng)作為 ECU的一個集成電路模塊，根據(jù)起動信號和怠速觸點狀態(tài)信號，一般只能確定維持汽車運行的最簡單的控制方案，保證轎車“緩慢回家”以便修理，而不能達到微機控制時的最佳性能。

　　(八)其他電控系統(tǒng)

　　1.進氣渦流電控系統(tǒng)進氣渦流可以促進汽油蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合，提高燃燒效率。電控進氣渦流在某些轎車(特別是采用稀燃技術的轎車)上應用較多。其結構是在進氣口附近增設一渦流控制閥，通過ECU采集轉速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，并加以處理后控制其旋轉角度，引導氣流偏轉產(chǎn)生渦流，調(diào)節(jié)渦流比，實現(xiàn)渦流控制。

　　2.可變進氣控制系統(tǒng)可變進氣控制系統(tǒng)是從增加進氣量、提高進氣效率的角度出發(fā)來改善發(fā)動機動力性能的，該系統(tǒng)有兩種類型：一種是可變流通面積控制方式，它通過ECU控制安裝在進氣管道中的控制閥的旋轉角度來改變其進氣流通截面，滿足不同工況對進氣量的需求;另一種是可變流通長度控制方式，由ECU控制進氣管道中的控制閥來調(diào)整進氣管的長度。實踐證明，可變進氣控制系統(tǒng)可增強發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。

　　3.進氣溫度預熱控制系統(tǒng) 進氣溫度預熱控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)低溫起動時的進氣溫度來促進汽油蒸發(fā)，改善排放性能。預熱方式主要有排氣管預熱、水溫預熱和正溫度元件(PTC)預熱3種型式。

　　4.燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)用來降低燃油箱中汽油蒸氣排向大氣所造成的污染。目前，活性炭罐蒸發(fā)電控裝置得到了廣泛應用。停車期間，利用活性炭罐吸收汽油蒸氣，防止向大氣擴散;發(fā)動機運行后，ECU控制活性炭罐與進氣管之間的導通，利用進氣真空度將活性炭罐中吸附的汽油蒸氣吸入進氣管，這樣可有效防止汽油蒸氣的外逸，降低 HC的排放污染。

　　5.曲軸箱強制通風電控系統(tǒng)曲軸箱強制通風電控系統(tǒng)的目的是將氣缸中經(jīng)活塞環(huán)間隙滲入曲軸箱內(nèi)的氣體再次循環(huán)進入進氣管中，以減少該部分氣體直接排向大氣造成的污染?，F(xiàn)代電控系統(tǒng)中，由ECU根據(jù)節(jié)氣門位置信號、轉速信號等控制強制通風閥，從而實現(xiàn)曲軸箱內(nèi)氣體與進氣管之間的導通，再利用曲軸箱內(nèi)氣體。

　　6.二次空氣噴射系統(tǒng)二次空氣噴射作為早期控制污染物排放的措施之一，目前與催化轉換器配合使用。它同樣由ECU控制二次空氣噴射氣道的導通，將空氣引入催化轉換器中，實現(xiàn)對 NOx、CO、HC的轉變。在將空氣引入排氣管的方式中，除了空氣泵控制外，還可用排氣脈沖波來實現(xiàn)。另外，隨著研究的進一步深入，又出現(xiàn)了許多新技術。如停缸控制，它可根據(jù)負荷的不同要求，停止部分氣缸的燃油供給與點火控制，減少浪費，提高發(fā)動機效率;再如加速踏板電控系統(tǒng)，可避免機械式加速踏板因為磨損而產(chǎn)生的誤差，增加控制精度。

　　三、結束語

　　隨著微機、電子技術的日臻完善以及材料工藝的蓬勃發(fā)展，再加上控制理論的不斷成熟完善，發(fā)動機電控技術有望取得更大的突破。