汽车电子控制技术-第2版-教学课件-作者-周云山-第三章-电子点火及发动机的其他控制系统.ppt

1、第三章电子点火及发动机的其他控制系统第一节 数字点火控制系统第二节 怠速控制第三节 废气再循环控制第四节 燃油蒸发排放物控制第五节 发动机管理系统发展的新技术第一节 数字点火控制系统微机控制的点火系统可以根据发动机工况对点火提前角进行实时控制，可获得混合气的最佳燃烧，提高发动机动力性、燃油经济性，减少排气污染。一、数字点火控制系统综述1.数字点火控制系统的特点数字点火控制系统的特点数字点火控制系统中，点火控制包括点火提前角控制、通电时间控制和爆燃控制。数字点火控制系统有以下特点：数字点火控制系统有以下特点：1）在各种工况及环境条件下，均可获得最佳点火提前角。2）在工作范围内，可对点火线圈导通时

2、间进行控制，使点火线圈中储存的点火能量保持恒定不变。3）采用闭环控制技术，使点火提前角控制在不发生爆燃的临界状态。2.数字点火控制系统的组成数字点火控制系统的组成数字点火控制系统一般由电源、传感器、电子控制单元（ECU）、点火控制模块、分电器和火花塞等组成。如下图所示：图3-13.数字点火控制系统的工作原理数字点火控制系统的工作原理1）发动机运行时，ECU不断采集各传感器的信号，根据存储的相关程序和数据，确定最佳点火提前角和初级电路最佳导通角，并对点火控制模块发出控制指令。2）点火控制模块根据ECU指令，控制点火线圈初级电路的导通和截止。电路导通时，点火线圈储存点火能量；电路截断时，次级线圈产

3、生感应电动势（1520kV），经分电器送至工作气缸的火花塞，点燃可燃混合气，发动机做工完成。3）在带有爆燃传感器的系统中，ECU可根据传感器信号将点火提前角控制在轻微爆燃范围内，以获得较高燃烧效率。二、点火提前角的控制影响点火提前角的主要因素：发动机转速和负荷。目前普遍采用实验的方法，获得发动机在不同转速、不同负荷下的最佳点火提前角，采集数据制二维表，根据转速和节气门信号，查找点火提前角最佳值，修正后对点火系统适时、精确控制。图3-2丰田公司发动机集中控制系统的点火提前角控制式：实际点火提前角实际点火提前角=初始点火提前角初始点火提前角+基本点火提前角基本点火提前角 +修正点火提前角修正点火提

4、前角点火提前角控制的基本情况：启动期间：在固定曲轴转角位置点火，与发动机工况无关。启动后正常运行期间：基本点火提前角由进气信号和转速信号确定；修正量有暖机修正量、稳定怠速修正量、空燃比反馈修正量、过热修正量等。1.初始点火提前角初始点火提前角初始点火提前角是原始设定的，在以下情况下，实际点火提前角等于初始点火提前角：1）发动机启动或发动机转速在400r/min以下时；2）T端头短路或节气门位置传感器怠速触点闭合，车速在2km/h时；3）发动机ECU的后备系统工作时。2.基本点火提前角基本点火提前角基本点火提前角分为怠速和正常行驶两种情况，通常以二维表行驶存储在计算机中。1）怠速时：节气门位置传

5、感器怠速触点闭合时对应的基本点火提前角，根据怠速转速和空调开/关不同。2）正常行驶时：节气门位置传感器怠速触点打开时对应的基本点火提前角，ECU根据传感器信号查表可得。3.点火提前角的修正点火提前角的修正点火提前角的修正一般分为暖机修正、怠速稳定修正、过热修正、空燃比反馈修正。1）暖机修正如下图暖机修正特性曲线，冷却液温度较低时，混合气燃烧速度较慢，增大点火提前角以尽快暖机。图3-42）怠速稳定修正发动机怠速时，空调、动力转向系统等引起负载变化时，会导致发动机转速不稳定。如下图怠速稳定修正特性曲线，ECU根据实际转速与目标转速的差值进行修正，若实际转速低于目标转速，则相应增大点火提前角，反之，

6、则相应减小点火提前角。图3-53）过热修正发动机正常行驶，非怠速工况时，若发动机冷却液温度过高，为避免发生爆燃，应适当减小点火提前角；怠速工况时，若冷却液温度过高，为避免发动机长时间过热，应适当增大点火提前角。如下图过热修正特性曲线：图3-64）空燃比反馈修正装有氧传感器的燃油系统，ECU会在闭环控制时对空燃比进行修正，修正喷油量使发动机转速有一定波动。如下图空燃比反馈修正特性曲线，为稳定发动机转速，当修正喷油量减小时，适当增大点火提前角，反之则减小。图3-7三、通电时间的控制通电时间的控制就是闭合角的控制。对电感储能式电子点火系统，通电时间达到一定值，初级电流才能饱和，以保证次级电压值。但若

7、通电时间过长，点火线圈会发热且电能消耗增大，不利于点火系统正常工作。蓄电池电压会影响初级电流，因此电压变化时，要对通电时间进行修正，如下图：图3-8四、爆燃控制1.爆燃与点火时刻的关系爆燃与点火时刻的关系如下图气功压力与点火时刻的关系曲线中，A曲线是气缸内不燃烧时的压力波形，B、C、D曲线为从大到小不同点火提前角下的燃烧压力波形。图3-10如B曲线的点火提前角较大，容易产生爆燃。如D曲线的点火提前角较小，发动机功率较小。曲线C对应的点火提前角保证一定功率输出的同时不产生爆燃。2.爆燃控制系统爆燃控制系统（1）爆燃的检测爆燃传感器用于爆燃的检测，爆燃传感器大多安装在发动机气缸体上，利用压电元件的

8、压电效应，将爆燃传到气缸体上的机构振动状态转换成电信号，通过ECU识别和处理，进而控制发动机点火提前角。（2）爆燃的控制方法ECU通过下图爆燃信号识别电路判断是否产生爆燃，当ECU判断产生爆燃，控制系统以某一固定值（1.52曲轴转角）逐渐减小点火提前角，直到判断无爆燃。保持此点火提前角，若又有爆燃，则继续前面控制过程；若无爆燃，则以相同固定值逐渐增大点火提前角，直到爆燃重新发生。图3-13五、DLI系统DLI是Distributor-Less Ignition的简称，即无分电器点火。它利用电子分火控制技术将点火线圈产生的高压直接传给火花塞进行点火。DLI系统组成如下图：图3-16DLI系统根据

9、电子配电方式可分为单独点火和双缸同时点火两种类型。如下图，单独点火配电方式可将点火线圈直接安装在火花塞顶部取消了分电器和高压线，分火性较好，其结构和控制电路较复杂。图3-17单独点火方式根据使用点火器数目多少可分为单点火器和多点火器两类，如下图：图3-18双缸同时点火配电方式采用两个火花塞共用点火线圈同时点火的方式，因此只能用于气缸数为双数的发动机。图3-19要求共用点火线圈的 两个气缸工作相位相差360曲轴转角。无分电器点火系统可采用点火提前角自动控制方式。下图为丰田公司的双缸同时点火DLI系统。图3-221.来自曲轴位置传感器的信号来自曲轴位置传感器的信号曲轴位置传感器由G1、G2和Ne三

10、个线圈组成。G1和G2用于提供各缸点火时刻基准和判缸信号，Ne提供用于计量的1曲轴转角信号和发动机转速信号，以此来确定点火提前角和导通角。2.微机的输出信号微机的输出信号ECU计算出点火提前角后向控制模块发出IGd1、IGd2及IGt信号，IGt为点火信号，用于各缸点火提前角的控制；IGd1和IGd2为判缸信号，点火控制模块依据判缸信号判断发动机气缸的点火次序。图3-231、6缸缸2、5缸缸3、4缸缸IGd1001IGd2100动作点火点火点火第二节 怠速控制一、怠速控制的基本方法发动机怠速工况：发动机维持空转，不对外输出功率的运行工况。一般将节气门小于一定阈值作为进入怠速控制的主要条件，怠速

11、控制主要是调整进气量和点火提前角，使发动机输出适当功率，保持目标转速，保证工况改变时的平顺过渡。怠速电子控制单元比较目标转速与实际转速，通过执行机构调整发动机进气量，使实际转速达到目标转速，这种方法响应较慢，点火提前角对发动机机转速变化影响较快，但变化范围较小，通常以点火提前角修正怠速稳定性。怠速突变时通过喷油量和进气量的改变进行怠速控制。图3-24二、怠速控制装置怠速控制阀（Idle Speed Control Valve,ISCV）装在进气管内，用以控制流过节气门旁通通道的空气量，从而可以控制发动机怠速转速，图3-25第三节 废气再循环控制一、工作原理废气再循环（EGR）能单独或者与三元催

12、化转化器结合使用，减少NOx的排放。EGR率一般控制在10%20%。图3-27二、EGR阀不同EGR率是通过EGR来调节的，现在广泛采用的电控EGR阀主要有以下几种：1.负背压负背压EGR阀阀由进气歧管真空度和排气背压的变化决定EGR率。图3-292.真空电磁阀控制真空电磁阀控制EGR阀阀通过脉宽调制器控制电磁阀，改变作用在EGR阀上的真空度，从而调整EGR率。图3-303.线性线性EGR阀阀ECU根据冷却液温度、节气门位置和进气流量等参数计算EGR针阀目标位置，同时监测针阀位置，通过闭环控制系统控制针阀位置。图3-314.数字式数字式EGR阀阀由废弃进入进气歧管的三个孔口来精确控制EGR率，

13、三个孔口大小不同，可组成八种组合通道截面积。图3-32三、EGR的控制策略1）在冷机或怠、小负荷时，NOx排放小，为使发动机稳定运行，此时EGR阀关闭。2）在轻微加速或低速巡航时，可以使用少量EGR，减少NOx浓度，保持良好驱动性。3）中等发动机负荷时，NOx的排放量较高，应最大可能使用EGR，大量减少NOx 排放，随负荷增加，EGR率也增加。4）要求发动机大功率、高转速时，为保证发动机的动力性，混合气较浓，NOx排放小，可不用EGR或少于EGR。5）EGR率对排放和油耗的影响还受到空燃比和点火提前角等因素限制。三、内部废气再循环外部废气再循环：废气经废气再循环阀进入进气歧管，与新鲜混合气混合

14、的方式。内部废气再循环：配气相位重叠角时，进、排气门同时开启，部分废气滞留在气缸内，稀释新鲜混合气的方式。滞留在气缸内的废气量决定于重叠角大小，重叠角大，内部废气再循环量也大。现代发动机中采用可变配气相位(Variable Valve Timing,VVT)，内部废气再循环可取代外部废气再循环。第四节 燃油蒸发排放物控制蒸发排放物控制系统用于避免燃油箱内燃油蒸发至大气中。蒸发排放物控制系统中，碳罐连接到燃油箱通风口以储存燃油蒸气，条件允许时，电磁阀打开，利用进气歧管真空度吸取碳罐中的蒸汽，将它送入发动机进行燃烧。图3-36第五节 发动机管理系统发展的新技术一、可变进气流量控制发动机转速低时，进

15、气速度需较高以克服气缸内气体压力，需要长而窄的进气道；发动机转速高时，进气速度较高，为减小流动阻力，需要短而宽的进气道。进气量控制方法一：每缸使用主副两个进气道，在通过副进气通道中装圆盘阀，以圆盘阀开度控制进气量。进气量控制方法二：进气路径不同，控制阀可决定进气管长度。二、可变配气相位配气相位是指凸轮型线与凸轮轴相对于曲轴的角度；气流通过能力与气门直径、升程和气门开启延续角的大小有关。配气相位和气流通过能力会影响发动机充气效率、残余废气量和泵气损失，从而影响发动机性能。可变气门驱动可改变气门升程、气门的开启和关闭时刻及气门开启延续角等参数，可兼顾各种工况提高发动机性能。采用VVT技术的优点：1

16、）重叠角控制。低速、低负荷时，采用小重叠角，减少残余废气，提高怠速稳定性；高速、高负荷时，采用大重叠角，多进气、多排气，提高输出转矩，增加动力性。2）进气门开、关时刻控制，取消节气门或与节气门配合控制负荷，减少节流损失，改善部分负荷工况的燃油经济性。3）降低有害物排放。大负荷时，控制重叠角实现废气再循环，可降低NOx排放量。合理控制进气开启角和排气晚关角，实现扫气，可降低HC排放量。常见VVT形式：1）利用两组凸轮分别控制高、低速时的配气相位。下图为本田公司开发的VVT结构简图：图3-402）VVT-i技术：利用机油控制阀，通过机油压力使凸轮轴相对于曲轴位置连续改变。图3-413）理想VVT：

17、电磁阀控制气门，既可改变气门升程曲线，又可改变气门最大升程。三、稀燃发动机控制稀燃发动机通过在混合气空燃比大于其化学计量比的工况下运行实现低排放。图3-44当空燃比为16:125:1时，CO和NOx排放降至非常低，改善燃油消耗量，减少CO2排放。但稀燃发动机运行接近燃烧极限，HC排放急剧上升，导致不完全或不规则燃烧，因此需要氧化催化转换器净化排气。四、缸内直喷汽油机缸内直喷（Gasoline Direct Injection,GDI）汽油机主要目标是实现高的燃烧效果和超低燃油消耗。1.缸内直喷汽油机的结构特点缸内直喷汽油机的结构特点1）直型进气道，比普通MPI发动机的水平进气道有更好充气效果。

18、2）在压缩行程后期喷入燃油，活塞顶部形状可控制混合气形状和燃烧室气流，在混合气扩散前将其引至火花塞附近，利于着火。3）高压油泵提供缸内直喷所需高压油，使直喷燃油颗粒细化，直径达到2025 m。4）高压旋流式喷油器，可提高油粒雾化细度，喷孔较大，不易堵塞，减小了贯穿度。图3-452.缸内直喷汽油机的工作原理缸内直喷汽油机的工作原理中、小负荷时：在压缩行程后期气缸内喷油，利用活塞形状和气缸内的滚流，在火花塞附近形成浓混合气；采用层状充气，实现稀燃，可使A/F达3040（采用废气再循环技术可达到3555）。大负荷时：在进气行程喷射均匀混合气，由于汽油蒸发使气缸内充气温度降低，爆燃倾向减少，可提高发动机压缩比，以提高发动机热效率。3.GDI发动机优点：发动机优点：1）小负荷时燃油消耗明显下降。2）动力性提高。3）加速性能明显提高。4）排放性能优化。4.GDI发动机存在的问题发动机存在的问题GDI发动机在中、小负荷未燃的HC较多。这是由于油雾会碰到活塞顶部汽缸壁，分层燃烧使局部混合气过稀，气缸内燃油蒸发造成温度过低，不利于未然HC进行后燃。GDI发动机微粒排放增加。由于分层燃烧局部混合气过浓，液态油滴扩散燃烧，气缸温度低，氧气不完全形成的。在不同转速工况下，气缸内气流强度不同，如何保证各工况的混合气形成是GDI的关键技术。