汽車(chē)電子控制技術(shù)課件 -汽油機(jī)輔助控制系統(tǒng)

汽油機(jī)輔助控制系統(tǒng)一、電控怠速控制系統(tǒng)二、排氣凈化與排放控制系統(tǒng)三、進(jìn)氣控制系統(tǒng)課題一電控怠速控制系統(tǒng)一、怠速控制系統(tǒng)概述1．怠速控制系統(tǒng)的功能怠速控制(ISC)系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)輔助控制系統(tǒng)之一，其功能是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、空調(diào)壓縮機(jī)是否工作、自動(dòng)變速器是否掛人擋位等實(shí)際情況，通過(guò)怠速控制閥對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)以最佳怠速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。2．怠速控制方式一類(lèi)是以控制怠速旁通空氣通道截面的大小為基本特征，對(duì)怠速空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的旁通氣道控制方式；另一類(lèi)是以直接控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度為基本特征，對(duì)怠速空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的節(jié)氣門(mén)直動(dòng)控制方式，如圖4-1所示。（a)（b)圖4-1怠速控制方式（a）節(jié)氣門(mén)直動(dòng)式；（b)旁通氣道式3．怠速控制系統(tǒng)的組成旁通空氣式怠速控制系統(tǒng)的組成如圖4-2所示，由各種傳感器、信號(hào)控制開(kāi)關(guān)、電子控制器、怠速控制閥和節(jié)氣門(mén)旁通空氕道等組成。冷卻液溫度信號(hào)用于修正怠速轉(zhuǎn)速。在ECU內(nèi)部，存儲(chǔ)有不同水溫對(duì)應(yīng)的最佳怠速轉(zhuǎn)速，如圖4-3所示。圖4-2怠速控制系統(tǒng)組成框圖圖4-3不同溫度下的怠速轉(zhuǎn)速4．怠速控制原理怠速控制的實(shí)質(zhì)是控制怠速時(shí)的進(jìn)氣量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速負(fù)荷增大時(shí)，ECU控制怠速控制閥使進(jìn)氣量增大，從而使怠速轉(zhuǎn)速提高，防止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)或熄火；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速負(fù)荷減小時(shí)，ECU控制怠速控制閥使進(jìn)氣量減少，從而使怠速轉(zhuǎn)速降低，以免怠速轉(zhuǎn)速過(guò)高。

5．怠速控制過(guò)程怠速轉(zhuǎn)速控制過(guò)程如圖4-4所示。圖4-4怠速轉(zhuǎn)速控制過(guò)程二、怠速控制裝置1．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式怠速控制裝置目前，大部分汽車(chē)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制怠速轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同怠速工況下都處于最佳怠速轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖4-5所示。圖4-5步進(jìn)電機(jī)式怠速控制裝置1-定子線(xiàn)圈；2-軸承；3-進(jìn)給絲桿；4-轉(zhuǎn)子；5-旁通空氣通道；6-閥門(mén)；7-閥座；8-閥軸1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理不同汽車(chē)公司所采用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式怠速控制閥結(jié)構(gòu)形式略有差異。但其基本工作原理相同。如圖4-6所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由N極和S極在圓周上相間排列的永久磁鐵組成，共有8對(duì)磁極。每個(gè)定子各有8對(duì)爪極，每個(gè)爪極（N極與S極）之間保持一個(gè)爪寬度的間距，A、B兩個(gè)定子的爪極相差一個(gè)爪的位差，兩個(gè)定子組成一體安裝在外殼內(nèi)，如圖4-7所示。圖4-6定子爪極的位置圖4-7定子結(jié)構(gòu)1-轉(zhuǎn)子；2-線(xiàn)圈A；3-線(xiàn)圈B；4-爪極；5-定子A；6-定子B相線(xiàn)繞組的控制電路如圖4-8所示，A、B兩個(gè)定子繞組分別由1、3相繞組和2、4相繞組組成，ECU通過(guò)晶體三極管控制各相繞組的搭鐵，交替變換定子爪極的極性，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-8相線(xiàn)繞組控制電路欲使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，相線(xiàn)控制脈沖按1234相序依次滯后90°相位角，使定子上的N極向右移動(dòng)，則轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)，如圖4-9、圖4-10所示。如欲使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，相線(xiàn)控制脈沖按1234相序依次超前90°相位角，使定子上的N極向左向移動(dòng)，則轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。圖4-9相線(xiàn)控制脈沖圖4-10步進(jìn)原理3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)式怠速控制裝置的控制內(nèi)容（1）起動(dòng)初始位置的設(shè)定為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的再起動(dòng)性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉(OFF)后，ECU控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使怠速控制閥開(kāi)至最大位置（即125步級(jí)），以便為下次起動(dòng)做好準(zhǔn)備。ECU內(nèi)部主繼電器控制電路對(duì)主繼電器進(jìn)行控制，如圖4-11所示。圖4-11步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路（2）起動(dòng)控制當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到500r/min時(shí)，微機(jī)將控制怠速控制閥從全開(kāi)位置（125步）的A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)位置，如圖4-12所示。（3）暖機(jī)控制當(dāng)冷卻水溫達(dá)到70℃時(shí)，暖機(jī)控制結(jié)束，怠速控制閥達(dá)到正常怠速開(kāi)度，如圖4-13所示。（4）反饋控制（5）發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化的預(yù)控制（6）電器負(fù)載增多時(shí)的怠速控制（7）學(xué)習(xí)控制圖4-13暖機(jī)控制特性圖4-12起動(dòng)控制特性2)旋轉(zhuǎn)滑閥式怠速控制裝置旋轉(zhuǎn)滑閥式怠速控制系統(tǒng)主要由電磁控制的旋轉(zhuǎn)滑閥式怠速調(diào)整裝置、傳感器及ECU組成。如圖4-14所示，旋轉(zhuǎn)滑閥式怠速控制裝置由永久磁鐵轉(zhuǎn)子3、電樞4、旋轉(zhuǎn)滑閥6、螺旋回位彈簧和電刷等組成，其接線(xiàn)圖如圖4-15所示，永久磁鐵固定在外殼上。圖4-14旋轉(zhuǎn)滑閥式怠速控制裝置1-電接頭；2-外殼；3-永久磁鐵轉(zhuǎn)子；4-電樞；5-旁通氣道；6-旋轉(zhuǎn)滑閥圖4-15旋轉(zhuǎn)滑閥式怠速控制裝置連接電路圖課題二排氣凈化與排放控制系統(tǒng)一、三元催化轉(zhuǎn)化器與空燃比反饋控制系統(tǒng)1．三元催化轉(zhuǎn)換器如圖4-16是三元催化轉(zhuǎn)化器工作原理示意圖。三元催化轉(zhuǎn)化器是利用催化劑的作用，使排氣中的有害成分CO、HC和NOX盡量進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為對(duì)人體無(wú)害的CO2、H2O和N2的一種排氣凈化裝置，也稱(chēng)為催化轉(zhuǎn)換凈化器。圖4-16三元催化轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖三元催化轉(zhuǎn)換器（如圖4-17所示）的外形如大型消聲器，用耐高溫耐腐蝕的不謗鋼制成，安裝在排氣管上，消聲器之前，殼體內(nèi)的催化劑是直徑為2～4mm的氧化鋁顆復(fù)，在其多孔性的表面上涂有鉑。由圖4-18可知，只有在理論空燃比附近，對(duì)廢氣中的三種有害氣體(C0、HC和NOX)的轉(zhuǎn)換效率均比較高。圖4-17三元催化轉(zhuǎn)換器1-支承環(huán)；2-波紋網(wǎng)眼環(huán)；3-支承環(huán)；4-密封墊5-整體式催化反應(yīng)器載體；6-溫度傳感器圖4-18TWC的轉(zhuǎn)換率與混合氣濃度的關(guān)系2．氧傳感器氧傳感器的其功用是通過(guò)檢測(cè)排氣中氧離子的含量來(lái)獲得混合氣的空燃比信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸入ECU。（1）氧化鋯型氧傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理氧化鋯型氧傳感器也稱(chēng)二氧化鋯型氧傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4-19所示，它由鋼質(zhì)保護(hù)套管、鋯管、加熱器、電極、線(xiàn)束插頭和防水護(hù)套等組成。圖4-19氧化鋯型氧傳感器1-鋼質(zhì)保護(hù)套管；2-廢氣；3-鋯管；4-電極；5-彈簧；6-絕緣體；7-信號(hào)輸出導(dǎo)線(xiàn)；8-空氣；9-接地端；10-加熱器接線(xiàn)端；11-信號(hào)輸出端；l2-加熱器；13線(xiàn)束插頭；14--防水護(hù)套(a)不帶加熱器(b)帶加熱器鋯管的陶瓷體是多孔的，滲入其中的氧氣在高溫時(shí)發(fā)生電離。U型鋯管的內(nèi)、外側(cè)存在氧離子濃度差，因而氧離子從濃度高的內(nèi)側(cè)向濃度低外側(cè)擴(kuò)散，從而使鋯管成為一個(gè)微電池，在兩鉑極間產(chǎn)生電壓，如圖4-20所示。而鋯管內(nèi)側(cè)大氣中的氧離子可認(rèn)為基本不變，因此，鋯管內(nèi)、外側(cè)氧離子濃度差急劇變化，傳感器產(chǎn)生的電壓發(fā)生突變：從0.9V左右急劇變化為0.1V左右，其產(chǎn)生的電壓與空燃比的變化關(guān)系如4-21所示。圖4-21氧化鋯型氧傳感器輸出特性圖4-20氧化鋯型氧傳感器的工作原理（2）氧化鈦型氧傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理氧化鈦型氧傳感器是利用二氧化鈦材料的電阻值隨排氣中氧含量的變化而變化的特性制成的，氧化鈦型氧傳感器又稱(chēng)為發(fā)生電阻變化的氧傳感器，如圖4-22所示。圖4-22氧化鈦型氧傳感器1-保護(hù)套管；2-連接線(xiàn)；3-氧化鈦厚膜元件3．空燃比反饋控制系統(tǒng)空燃比反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理如圖4-25所示。在空燃比反饋控制過(guò)程中，空燃比、氧傳感器輸出的電壓信號(hào)和空燃比反饋控制信號(hào)三者之間的變化關(guān)系如圖4-26所示。圖4-25空燃比反饋控制系統(tǒng)工作原理A-氧傳感器反饋；B-轉(zhuǎn)速；C-空氣流量計(jì)；D-水溫傳感器；E-噴油量控制l-空氣流量計(jì)；2-發(fā)動(dòng)機(jī)；3-三元催化轉(zhuǎn)換器；4-氧傳感器；5-噴油器圖4-26空燃比控制過(guò)程在理論空燃比附近，氧化鈦式氧傳感器的電阻發(fā)生突變，其阻值隨空燃比變化情況如圖4-23所示。氧化鈦型氧傳感器的工作原理如圖4-24所示，氧化鈦型氧傳感器的電阻隨空燃比的變化最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，通過(guò)3端子輸入ECU,當(dāng)排氣中氧濃度隨發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣濃度變化時(shí)，氧傳感器的電阻隨之改變，3號(hào)端子上的電壓信號(hào)也隨著變化。圖4-24氧化鈦型氧傳感器的工作原理1-氧化鈦型氧傳感器；2-1V電源電壓端子；3-傳感器信號(hào)輸出端子圖4-23氧化鈦型氧傳感器輸出特性二、廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)為EGR系統(tǒng)，它是指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)將一部分廢氣引入進(jìn)氣管，并與新鮮空氣混合后吸入汽缸內(nèi)以降低燃燒溫度，從而降低低NOX排放的目的，它是目前用于降低NOX排放的一種有效措施。對(duì)于廢氣再循環(huán)過(guò)程引入的廢氣量，一般用EGR率來(lái)表示，EGR率的定義為：對(duì)于大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，廢氣再循環(huán)的EGR率控制在6%～15%范圍內(nèi)較適宜。1．開(kāi)環(huán)控制EGR系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制EGR系統(tǒng)（日本公爵3.OE轎車(chē)）如圖4-27所示，主要由EGR閥和EGR電磁閥等組成。圖4-27開(kāi)環(huán)控制EGR系統(tǒng)2．閉環(huán)控制EGR系統(tǒng)日本三菱公司開(kāi)發(fā)了一種閉環(huán)控制式廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其控制原理如圖4-28所示，新鮮空氣經(jīng)節(jié)氣門(mén)進(jìn)入穩(wěn)壓箱，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的一部分（回流廢氣）經(jīng)控制閥進(jìn)入穩(wěn)壓箱，穩(wěn)壓箱中設(shè)置有EGR率傳感器，它對(duì)穩(wěn)壓箱中新鮮空氣與廢氣所形成的混合氣中的氧氣濃度不斷地進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果輸入ECU。圖4-28閉環(huán)控制EGR系統(tǒng)三、二次空氣供給系統(tǒng)二次空氣供給系統(tǒng)是在一定工況下，將新鮮空氣送入排氣管，促使廢氣中的CO和HC進(jìn)一步氧化，從而降低CO和HC的排放量，同時(shí)也加快了三元催化轉(zhuǎn)換器的升溫過(guò)程，電控二次空氣供給系統(tǒng)（韓國(guó)現(xiàn)代轎車(chē)）如圖4-29所示。下列情況下ECU不給二次空氣電磁閥通電。(1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷超過(guò)規(guī)定值。(2)冷卻液溫度超過(guò)規(guī)定范圍。(3)電控燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制。(4)ECU有故障。圖4-29二次空氣供給系統(tǒng)四、燃油蒸氣排放控制系統(tǒng)汽車(chē)排放的HC有20%來(lái)自于燃油蒸發(fā)，燃油蒸氣排放系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)EVAP系統(tǒng)，其功能是收集燃油箱內(nèi)蒸發(fā)的燃油蒸氣，并將燃油蒸氣導(dǎo)入汽缸參加燃燒，防止燃油蒸氣直接排人大氣而造成污染。EVAP系統(tǒng)的組成如圖4-30所示，在裝有EVAP控制系統(tǒng)的汽車(chē)上，燃油箱蓋上只有空氣閥，而不設(shè)蒸氣放出閥。圖4-30EVAP控制系統(tǒng)的組成l-燃油箱蓋；2-燃油箱；3-單向閥；4-排氣管，5-炭罐電磁閥；6-節(jié)氣閥；7-進(jìn)氣閥；8-真空室；9-真空控制閥；10-定量排放；11-活性炭罐課題三進(jìn)氣控制系統(tǒng)為了提高進(jìn)氣量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，可變技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。一、諧波進(jìn)氣增壓系統(tǒng)1．諧波進(jìn)氣增壓系統(tǒng)的功能諧波進(jìn)氣增壓控制系統(tǒng)的功能就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，改變進(jìn)氣管內(nèi)壓力波傳播距離，以提高充氣效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。2．諧波進(jìn)氣增壓系統(tǒng)的工作原理進(jìn)氣管長(zhǎng)度可變化，那么進(jìn)氣增壓就可兼顧高、低兩個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域的增大功率和增大轉(zhuǎn)矩，從而兼顧低速和高速的進(jìn)氣增壓效果。如圖4-30所示。圖4-30諧波進(jìn)氣增壓系統(tǒng)工作原理圖發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，真空罐是靠電磁真空通道閥（簡(jiǎn)稱(chēng)電磁閥）與真空馬達(dá)（膜片式驅(qū)動(dòng)裝置）相通，而電磁閥受發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制。發(fā)動(dòng)機(jī)是在ECU、電磁閥、真空罐和真空馬達(dá)的共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)最佳的進(jìn)氣增壓效果，其控制原理如圖4-31所示。圖4-32諧波進(jìn)氣增壓系統(tǒng)控制原理圖二、動(dòng)力閥控制系統(tǒng)1．動(dòng)力閥控制系統(tǒng)的功能動(dòng)力閥控制系統(tǒng)的功能是控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的空氣截面大小，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)的進(jìn)氣量要求，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。2．動(dòng)力閥控制系統(tǒng)的工作原理ECU控制的動(dòng)力閥控制系統(tǒng)的工作原理如圖4-33所示，控制進(jìn)氣道空氣流通截面大小的動(dòng)力閥安裝在進(jìn)氣管上，動(dòng)力閥的開(kāi)閉由膜片真空室控制，ECU根據(jù)各傳感器信號(hào)通過(guò)真空電磁閥（VSV閥）控制真空罐與真空室的真空通道。(a)(b)圖4-33動(dòng)力閥控制系統(tǒng)工作原理(a)發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)；(b)發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)l-真空罐；2一真空電磁閥；3-ECU；4-膜片真空氣室；5-動(dòng)力閥采用可變氣門(mén)正時(shí)(VVT)技術(shù)，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)在低、中轉(zhuǎn)速下的扭矩輸出，大大增強(qiáng)駕駛的操縱靈活性，這樣的系統(tǒng)又稱(chēng)智能可變氣門(mén)正時(shí)(VVT-i)，如圖4-34所示。1）智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的組成智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)主要包括VVT-i控制器、凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥、凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器。圖4-34豐田進(jìn)氣門(mén)智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)如圖4-35所示為螺旋齒輪式VVT-i控制器。螺旋齒輪式VVT-i控制器由螺旋齒輪、直齒輪（內(nèi)齒為螺旋齒輪）、活塞、回位彈簧、齒轂（外殼）等組成，螺旋齒輪與凸輪軸固連。圖4-35螺旋齒輪式VVT-i控制器的結(jié)構(gòu)（3)凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥的結(jié)構(gòu)如圖4-36所示，它是由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行占空比控制的，用于控制滑閥位置和分配VVT-i控制器加到提前側(cè)或滯后側(cè)的油壓。發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)，進(jìn)氣門(mén)正時(shí)是處于最大延遲度位置。圖4-36凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥1-彈簧；2-線(xiàn)圈；3-柱塞；4插接器；5-滑閥；6-套管2）智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的工作原理以豐田車(chē)系進(jìn)氣門(mén)智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)為例，說(shuō)明智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的控制原理，豐田車(chē)系進(jìn)氣門(mén)智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的控制原理如圖4-37所示。圖4-37豐田進(jìn)氣門(mén)智能可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)控制原理圖2．可變氣門(mén)升程1）可變氣門(mén)升程系統(tǒng)概述發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)升程是受凸輪軸轉(zhuǎn)角長(zhǎng)度控制的，在普通的發(fā)動(dòng)機(jī)上，凸輪軸的轉(zhuǎn)角度固定，氣門(mén)升程也是固定不變的。2）可變氣門(mén)升程系統(tǒng)的組成與控制原理VVTL-i的組成與VVT-i相似，控制系統(tǒng)也包括曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、冷卻液溫度傳感器和空氣流量傳感器，而驅(qū)動(dòng)部件則瓤毛機(jī)油控制閥(OCV)，特殊的凸輪軸和搖臂組件如圖4-39、圖4-40和圖4-41所示，VVTL-i系統(tǒng)的控制原理如圖4-42所示。圖4-38智能可變氣門(mén)升程系統(tǒng)圖4-39機(jī)油壓力控制閥1-彈簧；2-