汽车电子技术电子教案--CHAPTER3.1and3.2Word

　　第 3章

　　汽油发动机的电子控制CHAPTER3.1 概述

　　一、汽油机的燃油供给 1、空燃比与发动机性能的关系 (1)理论空燃比(质量比14.7:1) (2)经济空燃比(16~18:1) (3)功率空燃比(12~13:1) (4)空燃比和汽油排放物的关系

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　　CHAPTER 3.1二、传统的化油器式燃油供给系统 燃油在真空度作用下被吸出，为被动式供油系统 五大供油装置： 启动装置 怠速装置 主供油装置 加浓装置 加速装置 只能把空燃比控制在一个大致的范围内，无法满足 高精度空燃比控制的要求化油器工作原理北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳

　　CHAPTER 3.1三、汽油喷射式燃油供给系统 采用喷油器将燃油喷入进气管或汽缸内的供油方 式，为主动式供油系统。 机械控制式进气系统

　　电子控制式

　　燃油系统电子控制系统

　　空燃比控制采用空气和燃油分开计量的方式，用传 感器测量空气流量，用喷油器控制喷油量

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　　CHAPTER 3.1

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　　CHAPTER 3.1 电子控制汽油喷射系统优点：(1)各种工况下,精确控制空燃比 (2)雾化性能好，油气混合更均匀 (3)对气温和海拔高度变化适应性好 (4)多点喷射，各缸混合气分配均匀 (5)进气系统可实现最大充气效率优化设计，改 善汽车动力性 (6)系统部件安装适应性好，发动机总体设计和 整车布置方便

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　　CHAPTER 3.1

　　四、汽油机的点火系统1、点火能量、点火时刻与发动机性能的关系 点火能量 点火时刻 点火提前角 最佳点火提前角 2、传统的汽油机点火系统 构成 工作原理： 初级、次级回路， 机械触点式

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　　CHAPTER 3.1传统点火系统缺点： (1)初级回路的通断由机械触点控制，触点间放电，触 点易烧蚀，断电不彻底，损失点火能量。触点过流能力有限， 影响点火能量的提高 (2)点火提前角控制仅由离心(转速)和真空(负荷) 两种调节方式，难以实现最佳点火时刻控制和避免爆震控制 (3)一个点火周期内初级回路通断时间比例是固定不变 的，使高速能量存储不足，低速易发热烧毁 (4)分电器轴高速转动时，触点抖动严重，造成点火能 量下降，限制了汽油机的最高转速 (5)白金触点和分火头存在火花放电现象，损失点火能 量 (6)存在机械磨损，需定期维护和保养北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳

　　CHAPTER 3.13、电子点火系统 (1)晶体管辅助触点点火系统(TAC) 结构与原理：如图 特点：用三极管断开和接通初级回路， 白金触点只用作三极管的

　　触发控制器。 触点通过电流很少，可用低电感低电 阻线圈，提高点火能力，点火性能提 高 点火开关

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　　CHAPTER 3.13、电子点火系统(2)无触点电子点火系统 结构与原理：如图 特点：无白金触点，电子点火器的触发靠点火脉冲发生 器的信号。没有了高速时触点的抖动，提高了点火系 统最高工作转速。无触点机械磨损，减少维护保养

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　　CHAPTER 3.13、电子点火系统(3)微处理器控制的点火系统 结构与原理： 特点：点火时刻控制抛 弃了真空调节和离心调 节。点火时刻根据工况 信号查表控制。

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　　CHAPTER 3.1 五、微处理器控制时代的汽油机福特公司EEC-Ⅰ~EEC-Ⅴ

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　　4.汽油 滤清器

　　5.燃油泵

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　　CHAPTER 3.2 点火系统的电子控制一、电子控制点火系统的信号输入电子点火系统点火信号的产 生依靠传感器信号，而不是分电 器上的凸轮控制白金触点的断开。 无微处理器的点火系统只有一个 传感器信号输入，高压电火花由 此信号产生。有微处理器的点火 系统，有多个传感器信号输入： 基准位置、曲轴转角、转速、水 温、进气压力(或进气量)、节 气门位置等。其中基准位置、曲 轴转角、转速，决定高压电火花 的产生时刻，并使之与活塞运动 同步。这些信号都是脉冲式信号， 称为脉冲信号传感器(发生器)北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳

　　CHAPTER 3.2

　　1、常见脉冲信号发生器(1)磁脉冲发生器 一个触发轮(变磁阻转子)和一个线圈组成。触发 轮齿转过传感线圈，磁场和感应电压发生变化。当电 压信号由正向转为负向时，点火器使点火线圈初级回 路断开。 特点：结构简单，传感线圈的输出电压随汽油机转速变 化，点火时刻和闭合角受发动机转速影响 6

　　磁脉冲发生器 工作原理

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　　CHAPTER 3.21、常见脉冲信号发生器(2)金属探测传感器 结构与磁脉冲发生器相类似，但线圈用的是电磁铁，当 齿轮进出线圈磁场时，磁场被增强或削弱，在线圈中产生 相应的电压变化，输出一个脉冲信号，触发点火器将初级 电路接通或断开 特点：和磁脉冲信号相似，应用较少。

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　　CHAPTER 3.21、常见脉冲信号发生器(3)霍尔效应传感器 霍尔效应传感器中装有半导体基片和永久磁铁，利用霍尔 效应产生电压脉冲。 霍尔效应原理 特点：霍尔电压不受发动机转速的影响，且从传感器输出的信 号是高电

　　平的信号，不易受分电器内火花放电的干扰

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　　CHAPTER 3.21、常见脉冲信号发生器(4)光电传感器 光电传感器由一个发光二极管(LED)和一个光敏晶体管 和光束阻断器(带槽的圆盘),利用光电效应原理工作 特点：信号传递非常可靠，特别是在汽油机低速运转时，目前 应用越来越广泛。

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　　CHAPTER 3.22、基准位置、曲轴转角和转速 传感器的设置(1)只设置一个传感器 传感器每个工作循环生成与汽 缸数目相同的等间隔脉冲，脉冲一 般产生于各缸压缩上止点前某一角 度，作为输出点火信号的参考基准。 转速通过测量两脉冲间的时间间隔 计算。点火相对于基准信号的曲轴 转角则由微处理器控制。 特点：每循环脉冲数少，转速变化时 计算转速和曲轴转角的精度和实时 性差。控制系统

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　　CHAPTER 3.2 2、基准位置、曲轴转角和转速传感器的设置(2)同时设置基准位置和曲轴转角传感器 基准位置传感器每循环只产生一个信号(基准信号或同步信号), 确立信号和汽缸间的关系，使ECU与发动机工作同步。曲轴转角信号间 所对应的角度很少，保证了曲轴转角的测量精度。 特点：测量精度高，可同时作为转速传感器

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　　CHAPTER 3.2 2、基准位置、曲轴转角和转速传感器的设置(3)利用脉冲宽度的差别建立信号与汽缸间的确定关系

　　要求同时给ECU输入基准位置信号和曲轴转角信号，前 者在分电器或凸轮轴上产生，后者可在分电器上产生，也 可在曲轴上产生。基准信号每循环产生和汽缸数相同的脉 冲信号，但是脉冲的宽度不同，不同的脉冲宽度对应不同 的汽缸，从而保证了ECU与发动机工作的同步。

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　　二、电子控制点火系统的信号输入1、无微处理器点火系统的电子点火器

　　CHAPTER 3.2

　　在无微处理器的点火控制系统中，电子点火器是控制单元，是一个关键 部件。基本功能：脉冲整形、初级电路闭合时间控制及信号放大等功能。 电路包括四部分： 稳压部分(A) 脉冲整形部分(B) 闭合时间控制部分(C) 和复合管输出部分(D)

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　　CHAPTER 3.2 二、电子控制点火系统的信号输入2、电子点火器的附加电路在微处理器的点火控制系统中，电子点火器是一个执行机构， 结构和功能随微处理器控制内容的不同而不同，从安全角度 附加了一些电路。 (1)点火系统的“安全回家”(LEAP HOME)电路 点火控制系统工作失常时，给点火系统提供

　　基本的点火 信号，使汽车开到修理厂。如GM NORTH STAR的点火控制模块 (ICM),一方面受动力控制模块(PCM)控制，另一方面可 单独完成以下功能： 检测两个曲轴位置传感器和一个凸轮位置传感器的信号，建立控制系统与 发动机工作的同步关系 产生一个24X、4X和1/2X信号给PCM,用于点火和燃油喷射顺序控制 当BYPASS线(模式控制线)电平为低时，脱离PCM,对点火做有限调节 当BYPASS线电压为高时，将PCM输出的点火信号按发动机工作顺序分配到 各点火线圈。北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳

　　CHAPTER 3.2(2)初级电路最大电流控制电路 用于高能点火系统，在点火系统转为由“安全回家”电路控制时， 控制最大电流。 (3)点火监视电路 监视点火系统是否故障，一旦出现故障，把信号输出给ECU,停止喷 油并记录故障。

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　　CHAPTER 3.2 三、电子控制点火系统的控制策略1、点火提前角的控制方法发动机转速进气压力(量) 查表得 基本点火提前角 其他传感器信号 初始点火提前角 实际 点火提前角 点火定时 控制方法

　　修正

　　实际 点火提前角

　　基本点火提前角 修正点火提前角 启动点火时刻控制 在固定的曲轴转角位置点火 与工况无关 运行点火时刻控制 转速+压力得基本提前角再修正

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　　CHAPTER 3.2(1)启动点火时刻控制 启动期间，在规定转速下(一般为500r/min),进气歧管 压力或进气量信号不稳定，点火时刻固定为初始点火提前角， 一般由ECU中的备用电路进行控制，不需计算。

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　　CHAPTER 3.2(2)基本点火提前角 ECU根据汽油机转速信号和进气压力(量)信号，在存储器 中查表得到该工况下的基本点火提前角。 怠速触点断开 ECU信号：进气压力(量)、转速、节气门位置、 燃油选择开关、爆震信号 怠速触点闭合 ECU信号：转速、节气门位置、空调信号

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　　CHAPTER 3.2(3)点火提前角的修正 暖机修正 依据：冷却水温度、进气压力(量)、节气门位置

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　　过热修正

　　依据：节气门位置、冷却水温度 依据：氧传感器、节气门位置、冷却水温度、 发动机转速

　　空燃比反馈修正

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　　CHAPTER 3.2(3)点火提前角的修正怠速稳定性修正 依据：发动机转速、节气门位置、空调信号 爆震修正 依据：爆震传感器，出现爆震推迟点火提前角 最大和最小提前角控制 把实际点火提前角控制在某范围内，范围由实验决定

　　2、闭合角的控制方

　　法闭合角 点火线圈初级电路通电时间所对应的曲轴转角。 传统点火系统 闭合角由凸轮形状决定，闭合时间受转速影响 微处理器控制点火系统 闭合角高速时大，保证点火能量，低速时小，保证线圈不会过热烧坏。闭合角并可随蓄电池电压调节北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳

　　CHAPTER 3.2 四、曲轴位置的测量方法三种：计数器延时记数法、1曲轴转角记数法、脉冲记数和延时 记数综合法 1、计数器延时记数法向ECU输入一个180CA信号(基准信号G),脉冲位置出现在点火上止点 前某一角度(如90度)。相临两个脉冲之间的时间等于计数器的时钟周期与 记数值(N)的乘积。若ECU算出点火提前角为30 CA,则当G信号出现后只 要再过60 CA就该点火，该角度称为点火延迟角Ad,则对应的计数器的记数 值为Nd=Ad*N/180。 另外，转速一定时，点火周期一定，控制断电时间就控制了通电时间。为 此，ECU同时要计算点火线圈的断电时间Dn 当G信号出现时，ECU首先启动计数器工作，进行延时记数。当延时记数等 于Nd时，输出点火信号，将初级电路切断。接着ECU启动记数进行断电时间控 制，当记数值等于Dn时，将点火信号取消，使初级电路接通。

　　G信号的产生：分电器或曲轴特点：结构简单，易实现，过度工况转速变化，Nd和Dn计算存在误差，控制 精度不很好。北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳

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　　CHAPTER 3.22、1曲轴转角记数法ECU接受180CA信号(基准信号G)和1CA信号，工作时，ECU不断根据 最新信息计算延迟角度和初级线圈断开角。 当G信号出现后，ECU就启动计数器工作，对1CA信号记数，数过与延迟 角相等的数值后，ECU就输出点火信号切断初级电路，同时启动计数器重新对 1CA信号记数，计到与断开角相等的数值后，将点火信号取消，使初级回路 闭合，让点火线圈以磁场的形式蓄积能量为下次点火做准备。 特点：转速波动不影响测量精度，过度工况控制性能好，产生1CA信号相对较 难

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　　CHAPTER 3.23、脉冲记数和延时记数综合法ECU接受一个G信号(每180CA信号产生一个基准脉冲)和一个Ne信号 (每转18个脉冲，每个脉冲间隔20CA)。若G信号在压缩行程上止点前80 CA出现，点火提前角为35 CA,则延迟角为45 CA。当G信号出现时， 计数器先数2个Ne信号(对应40 CA ),剩下5 CA对应的记数值根据采 集的Ne信号记数值按比例关系求出。初级线圈断电时间计量方法与此相同 特点：结构复杂程度和控制精度介于前两种之间

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　　五、爆震控制

　　1、爆震及其控制原理

　　CHAPTER 3.2

　　爆震定义：末端混合气不等到火焰传到，自行着火燃烧，造成瞬时爆发燃烧 的现象，称为爆震。 轻微爆震有利于提高输出功和热效率，剧烈爆震，造成发动机过热 输出功率下降，活塞烧结或气门烧蚀等。 爆震与点火时刻的关系：点火过早易发生爆震 爆震与发动机扭矩的关系：发动机发出最大扭矩的点火时刻接近开始产生爆 震的点火时刻

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　　CHAPTER 3.22、爆震信号的检测三种方法：检测汽缸压力(精度高，传感器耐久性差，安装困难) 检测燃烧噪声(非接触式，耐久性高，精度和灵敏性低) 检测机体震动(目前使用的方法) (1)爆震传感器的构造 磁致伸缩式爆震传感器 利用磁致伸缩效应的加速度计，传感器在特定的频 率区产生异常高的输出电压，分离该信号作为爆震信号

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　　CHAPTER 3.2压电式爆震传感器 利用结晶和陶瓷多晶体的压电效应或掺硅压敏电阻效应 等原理制成。共振型(由自振频率与爆震频率相同的振子和能够检测震动 压力并将其转换为电信号的压电元件构成)和非共振型(利用压电元件直 接检测爆震信号)两种。另外，也有在火花塞的垫圈部位直接装上压电元 件，根据燃烧压力检测爆震信号的。

　　共振型压电式 爆震传感器

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　　CHAPTER 3.2(2)爆震的判断 两种方法：用一个燃烧循环内爆震传感器输出信号的最大幅值表示 用爆震循环的百分比表示(统计法，实时性差，很少用) 爆震检测原理：爆震传感器的输出信号经过放大、滤波处理后，由峰值检测 电路将爆震传感器信号的最大幅值记录下来，然后与爆震检测基准信号 比较，如果峰值信号大于基准信号则说明发生了爆震。

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　　CHAPTER 3.23、点火提前角的调整方法

　　当检测到爆震信号后，对点火时刻的调整可用硬件或软件实现。 (1)硬件调整 三种方法：慢慢地推迟点火，一步步地减少修正量(爆燃会持续一段时间) 迅速大幅度推迟点火，再慢慢地恢复到原点火时刻(立即停止爆燃， 但推迟点火持续时间较长，油耗增加) 大幅度推迟点火，且快速复原 (立即停止爆震，点火时刻变 动大，有时会引起扭矩波动)

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　　CHAPTER 3.2(2)软件调整 利用ECU点火时刻公式中的一个修正项。当检测到爆震时，立即把 点火时刻修正项变为滞后值，并以固定的角度逐步推迟点火，当爆震消 除后，又以固定的角度使点火时刻递增。当发动机再次出现爆震时，点 火提前

　　角再次推迟。 软件对爆震的控制采用反馈控制系统。为了提高软件调整的精度和 缩短调整时间，现在很多采用自学习控制

　　爆震

　　推迟点火

　　点火提前

　　爆震消失

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　　CHAPTER 3.2

　　六、无分电器点火系统的控制特点：无分电器，ECU除控制点火时刻和初级回路的闭合角外，还需进行电子 配电控制，即根据发动机工作顺序使各缸依次点火。 点火方式：两缸同时点火和每缸独立点火。点火时刻和初级回路的闭合角和有 分电器的点火系统相同，各公司的区别在于ECU与发动机工作同步方法的不 同。

　　1、两缸同时点火两缸共用一个点火线圈。发动机工作顺序1-3-4-2。1-4为一组，2-3为一 组，每组两个火花塞同时点火，其中冗余的一个是在排气行程点火。

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　　判缸方法：曲轴位置传感器产生2个信号：判缸信号G和曲轴转角信号Ne,

　　CHAPTER 3.2

　　ECU根据这两个信号产生出点火信号IGt(每180CA一个脉冲)和点火判别信号 IGd(每360CA一个脉冲)。在点火器中，点火判别信号IGd将点火信号IGt 分为2路，分别去控制相应的点火线圈。

　　GM公司北极星V8发动机：点火顺序1-2-7-3-4-5-6-8,1-4,2-5,7-6,3-8四 组。产生同步信号的传感器是曲轴转角传感器 A与B和凸轮轴位置传感器，信号输入到ICM, 经处理产生曲轴转角和同步信号。控制系统与 发动机建立同步的方法有两种，一是用两个 曲 轴转角传感器，二是用任一曲轴传感器与凸轮 轴位置传感器配合。

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　　CHAPTER 3.22、每缸独立点火每缸一个点火线圈，并与火 花塞和为一体。系统中曲轴位 置传感器产生两个信号：一个 是1CA信号，另一个120 CA信号。1 CA作为ECU 进行曲轴转角控制的背景信号， 120 CA信号则既是点火系统 的基准信号，又是判缸信号。 120 CA信号的脉宽不同，一 个循环的六个脉宽，依次为32、 16、8、24、16、8 CA。 ECU以1CA 信号为背景，测 量120 CA信号的脉冲，设发 动机的点火顺序为1-5-3-6-2-4, 则120 CA中的6个不同的脉 宽分别代表不同的缸，从而建 立起点火系统和发动机同步北京航空航天大学 汽车工程系 徐向阳