发动机电子控制原理揭秘

benben5555

发动机电子控制原理揭秘


尽管中国尚未进入家家户户拥有私家车的时代，但汽车数量的逐年攀升给城市道路施加的压力是有目共睹的。随着用户需求的提升，宽带无线连接、GPS导航系统、数字影音娱乐等电子系统已经悄然渗入钢筋铁骨的汽车之中，成为各大厂商实现产品差异化、标榜汽车档次的手段。为协助读者及时洞悉汽车电子即将引爆的商机，本刊特辟专栏，请来业内人士逐一开讲。  汽车技术已经与电子技术结下了不解之缘，以致形成了“汽车电子”这门新兴学科和同名的产业。这个新兴学科和产业的从业人员有两个来源：汽车行业和电子行业。在为新的“汽车电子”专栏撰稿时，笔者首先考虑的是：这个专栏的读者究竟是上述两者中的哪一种呢？如果是后者，正准备跨进汽车行业，对汽车还不熟悉，那么他们在刚介入汽车电子方面的工作时自然会有困难。因此，笔者认为这些文章应当写在汽车与电子的结合点上，并以最简洁的方式首先介绍一下汽车构造。又因笔者从事汽车发动机方面的工作，所以本文内容只限于发动机电子控制。但是，发动机涉及的学科特别多，如要将发动机电子控制在一篇文章中讲清楚，那简直是不可能的，所以本文只能算是概论。

发动机构造及原理简析 目前市场上的汽车发动机基本都是往复活塞式内燃机，其工作过程是循环式的。尽管发动机的工作循环有四冲程和两冲程之分，但目前几乎都采用四冲程方式。

四冲程发动机工作原理  如图1所示，四冲程发动机的工作过程由吸气、压缩、膨胀和排气四个冲程组成，参阅表1可以看出，无论汽油机还是柴油机，都是通过燃油在气缸内燃烧推动活塞而产生动力的。所谓气缸其实是一个圆柱形的空间，它的四周由气缸筒（属于气缸体）所包围，顶部是固定的气缸盖，底部是往复运动的活塞。活塞的最高极限位置称为上止点，最低极限位置称为下止点。活塞在上、下止点之间完成的一次行程称为“冲程”。活塞的往复运动通过连杆和曲柄转变成曲轴的旋转运动，进而通过变速器和传动轴驱动汽车车轮。

　　需要注意的是，四冲程发动机的一个工作循环内曲轴实际旋转两周。

理论当量空燃比  1Kg燃油大约需要14.7Kg空气方能完全燃烧，这个比例叫做“理论当量空燃比”。如果空燃比大于14.7，那么便是空气过量；反之则称为燃油过量。为了描述空气过量的程度，将实际空燃比与理论当量空燃比14.7的比值定义为过量空气系数，用符号λ表示。λ大于1则空气过量，λ小于1则燃油过量。

　汽油机和柴油机的工作原理有本质的区别：汽油机吸入气缸的是汽油和空气的混合气，柴油机吸入气缸的是纯空气；汽油机压缩后期需要利用火花塞点火，而柴油机压缩后期通过往气缸内的纯空气中喷入柴油，使缸内空气因受到压缩而升温，柴油得以燃烧，因此无需火花塞，由此带来一系列其他区别可参考表2。本文将首先介绍汽油机的电子控制。

四冲程发动机基本构造  发动机的基本构造可以分成若干个系统，简略地说，这些系统包括：曲柄连杆机构和燃油、空气、废气、机油、水、电系统以及辅助装置。其中：

◆ 曲柄连杆机构包括活塞、连杆和曲轴，与电子控制无关

◆ 燃油系统包括燃油箱、燃油输送泵、燃油滤清器、高压喷油泵、喷油器等，除了燃油箱和燃油滤清器以外都是电子控制的对象

◆ 空气系统包括空气滤清器、进气管、节气门、进气门及其传动系统以及增压器等，除了空气滤清器以外都可能成为电子控制的对象。空气系统中还有测定空气流量的传感器

◆ 废气系统包括排气门及其传动系统、排气管、增压器和催化转化器等，也与电子控制有关。目前的进气、排气门由凸轮轴驱动，而凸轮轴是由曲轴通过正时齿轮、正时链轮或正时皮带传动的。凸轮轴转速是曲轴转速的一半，这是因为发动机一个工作循环中气门只启闭一次。目前有人正在开发不需要凸轮轴的发动机

◆ 机油系统包括机油泵、机油滤清器和机油压力传感器等，机油泵将成为电子控制的对象

◆ 冷却水系统包括冷却水泵和冷却液温度传感器等，冷却水泵也将成为电子控制的对象

◆ 电气系统包括发动机电子控制系统、蓄电池和其他电气设备。与其他装置的电子控制系统一样，发动机管理系统由传感器、电子控制单元和执行器组成

◆ 辅助装置包括发电机、起动电机、冷却风扇、空调压缩机、动力转向液压泵、机油泵和冷却水泵等

发动机的核心问题  发动机是一种将燃料的化学能转变成机械能的装置，其效率涉及节能问题，这不仅是经济和政治问题，而且也与环保有关，因为燃料燃烧产生的温室气体危害全球气候。所以说，发动机的核心问题是节能和环保，而燃油燃烧产生的废气中含有会污染环境的碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物和碳烟微粒等，世界各国对发动机的排放都制定了严格的法规。汽车能耗约占全球能耗的四分之一，解决发动机节能和环保问题，必须依*电子控制技术。

汽油机燃油系统电子控制  汽车的电子控制始于发动机电子控制，而发动机电子控制始于汽油机燃油喷射电子控制。关于用汽油喷射代替化油器的研究工作可以追溯到1925年甚至更早，当时的汽油喷射是机械控制的。1957年发表了最早的汽油喷射电子控制的研究成果，1967年实现了汽油喷射电子控制的商品化。从上世纪80年代开始，汽油机电子控制成了排放控制必需的工具。发动机电子控制系统又称发动机管理系统，英文缩写EMS。汽油机电子控制系统示例见图2，其中包括了汽油机燃油电子控制系统，但又不限于此。该系统的“头脑”就是电子控制单元，英文缩写ECU，有公司也称其为PCM等。

电子传感器获取负荷信息  目前绝大多数汽油机是由驾车人踩下油门踏板通过钢索牵动节气门来控制吸气量的；ECU根据吸气量确定所需的燃油量，以达到一定的空燃比。后者是根据发动机工况选定的。 汽车加速时，为了提高汽油机的功率，必须采用空燃比小于14.7、较浓的混合气，即采用略小于1的过量空气系数。汽油机起动或冷却液温度偏低的时候也要采用较浓的混合气。汽车匀速行驶时，为了提高燃油经济性，最好采用空燃比大于14.7、较稀的混合气，即略大于1的过量空气系数。由此可见，汽油机对空燃比有严格的要求。发动机管理系统首先利用传感器探知每个循环进入每个气缸的空气量，这个信息一般称为负荷信息。为了获取这个信息，有两种可能的途径：直接的和间接的。

直接传感方法  直接传感方法就是利用空气流量传感器（安装在空气滤清器和节气门之间，图2中未标示）测出流入发动机的总空气流量，除以气缸数，再除以发动机转速的一半，就可以得到每循环进入气缸的空气量。请注意：我们需要的是空气质量，这个数量除以14.7就是每循环需要喷入的汽油量。

　　可见，燃油定量电子控制至少需要两个传感器：空气流量传感器和发动机转速传感器。

间接传感方法  显然，改变节气门开度就能改变进入气缸的空气量，所以节气门位置传感器提供的节气门开度信息加上转速信息也能提供空气量信息。不过这种方法的误差较大，通常只用作备用信息。为了节省成本，在一些低档的车型中可以采用进气压力传感器代替空气流量传感器来确定进入气缸的空气量，见图2。这是因为，进气压力传感器安装在节气门和进气门之间的进气管内，当节气门开度减小的时候，进气管内的空间会受到活塞更为强烈的抽吸作用，使得进气管内的压力降低。所以对于一台确定的发动机而言，在确定的转速下，进气压力与节气门开度之间存在一一对应的关系。利用节气门开度或进气压力传感器确定空气吸入量的方法称为间接传感方法。当然，无论哪种方法都离不开发动机转速信息。此外，发动机温度（即冷却液温度）对燃油定量有着举足轻重的影响，所以冷却液温度传感器是一种重要的传感器，通常采用负温度系数（NTC）的半导体热敏电阻制成。

电动节气门替代手动方式  由驾驶员操纵节气门的方式在许多应用场合已不能满足要求，于是出现了电动节气门。此时，在油门踏板上装一个位移传感器，其信号表明驾驶员对发动机扭矩的需求。ECU根据这个信号以及其他传感器信号确定节气门应有的开度，并命令电动机使节气门到位，如图3所示。采用电子油门的系统，其ECU中的软件应当以扭矩，而不是以吸气量为基础编制。

传感器结构和原理  上面提到的空气流量传感器、节气门位置传感器、进气压力传感器和发动机转速传感器的构造和原理是电子工程师所关心的。简单地说，目前通常使用的空气流量传感器是热膜式空气质量流量传感器，是目前车用空气流量传感器中精度最高的一种(图4)，其工作原理基于传热学。作为传感元件的热膜电阻具有很高的正温度系数。热膜电阻传感元件和空气温度补偿电阻、测量电阻等组成电桥，该电路具有自动趋于平衡的特点。加热元件通电后热膜电阻受热升温，流过的空气将热量带走，同时热膜电阻的阻值增大，很快达到热膜电阻的热平衡和电桥的电平衡，一旦空气流量变动，便会在新的平衡点形成新的热平衡和电平衡。所以，测量电阻输出的电压与空气质量流量之间存在一一对应的关系。　　节气门位置传感器是一个转角式电位计，原理比较简单。

感应式转速传感器是一个由永久磁铁、软铁芯和线圈组成的电磁感应脉冲发生器。它需要一个安装在曲轴飞轮端的齿盘与之配合工作，该齿盘称为脉冲盘，用薄钢板制成。曲轴旋转，每逢脉冲盘的一个齿顶转到与转速传感器相对应的位置时，其间的距离小于1毫米，通过切割转速传感器中永久磁铁的磁力线，在线圈中产生感应电势。随着曲轴的转动，转速传感器输出一系列电脉冲信号，ECU根据单位时间内的脉冲数测出转速，如图5所示。为了识别曲轴上止点，故意在齿盘上去除两个齿，这样安装齿盘使得在第1缸活塞到达上止点时，齿盘上的缺齿位置恰好对准感应式转速传感器，形成异常的脉冲信号作为识别。一个工作循环中，活塞两次抵达上止点，其中压缩冲程结束时抵达的那次叫做压缩上止点，排气冲程结束时的那个叫做排气上止点。若要区分这两个上止点，则须在凸轮轴上安装一个相位传感器。

喷油器实现燃油定量 在知道发动机每循环每缸吸入的空气量以及应当喷入的汽油量之后，通过什么样的执行器实现燃油定量呢？这个执行器就是喷油器，如图6所示。 汽油机喷油器安装在燃油分配管（俗称“油轨”）上，并从中获取持续的汽油供应。喷油器的喷嘴针正常状态下在回位弹簧和燃油的压力下将喷油器封闭，一旦ECU对它施加电脉冲，电磁线圈的电磁力将衔铁和喷嘴针吸起，喷油器就开启了。衔铁的行程是固定的，为0.06～0.10毫米。利用燃油压力调节器使得喷油器内外的压力差恒定，这样就能使单位时间内喷入的燃油量恒定，那么ECU只需控制喷油时间，即电脉冲的宽度，便能实现汽油机燃油定量电子控制了。

shengcaitian

很实用,就是复杂了一点,俺们初学有一点难度

chenxiang1982

太一般了，看有没有起亚悦达发达机的全车电控线路图。

gaolihua12345

如果再有点火时刻的控制原理就更加的完美！不知为什么不加上呢？期待中！！！！！！！！！！

gaolihua12345

刚打了一遍，不知为什么没有传上去。我想说刚才我又看了一遍，把不同的 喷油量，确定的几种方式都说了。只是有几点不明白，还请赐教！1、发动机的喷油量中空然比是根据放动机工况确定的，但发动机的工况是什么参数传递给发动机ECM的呢？2、具体的控制逻辑是怎样的呢？期待大虾的恢复！

三点水

发动机的工况已节气门的位置、发动机的转速，电子油门发动机还有节气门的开启快慢，几个信号传给ECU

DJ---Tuning

发动机电控方面有没有涉及单片机方面的知识的，我想学习学习。谢谢了。那位高手给介绍一下！

2160906

其实很简单，如果你不去追求复杂的ECU，那才是难的，传感器无非是送出一个电压信号

李国平

好．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

lucidmask

真是的，还有时间限制，发个贴也要耐心呀。

发动机电子控制 不是几句话能说明白的，国内还是很落后呀

mjwlg2009

虽然比较简单 但是总结得蛮好 比较全面  谢谢~