发动机电子控制原理

mizhongquan

发动机电子控制原理


发动机采用电子控制的目的

对于汽车发动机而言，设计者所要追求的目标是，尽可能降低汽车尾气中有害物质的排放量，尽可能改善发动机运行的经济性，尽可能提高发动机的动力性。但采用机械控制的发动机，要同时满足以上三项目标是不可能的，只有采用电子控制技术才能同时达到这三项目标。
车尾气中有害物质的排放量与进入发动机的空气／燃料比（空燃比）的大小有直接关系（见图 2 ． 1 ）。从图中可见，当混合气图 2 ． 1 发动机有害物质排放与空燃比的关系曲线浓度较低时，有害物质的排放量大为减少。而采用低浓度混合气就必须采用特殊的混合方式和燃烧方式。否则燃烧将会不稳定，发动机动力性下降，排放及油耗反而上升，特别是采用稀薄混合气燃烧实现起来比较困难。而随着排放法规的严格化，即便采用稀薄燃烧方式，也不能满足发动机所有工况下的排放要求。于是采用一种三元催化转换器来净化排气已成为净化汽车尾气的重要手段。但催化剂的转换效率与混合气的空燃比有很大的关系，图 2 ． 2 是空燃比与催化转换效率的关系曲线，图 2 ． 3 是空燃比与发动机比油耗之间的关系。从这两图中可见，空燃比只有在理论空燃比附近时，三元催化转换器才有较高的转换效率，而这时发动机运行的经济性并不是最好，二者相互矛盾。但采用电子控制技术后，发动机电子控制单元根据各传感器传送来的信息，分析发动机运行中的各种参数，并予以综合处理，以达到较为满意的效果。

发动机运行中另一个重要参数是点火提前角，它直接影响发动机的动力性能和经济性。通常气缸内达到最大爆发压力点处于上止点后 10 °～ 15 °时，发动机的动力性和经济性均处于最佳值范围。所以控制发动机的最佳点火时间，就可以降低发动机的比油耗，然而燃油喷射量和点火时间与发动机的运行参数有很大的关系，而且这种关系不是简单的函数关系。靠离心与真空调节的机械式点火系统只能在发动机运行时的个别点能达到最佳状态，而在大部分工况下，均不能达到最佳值。进入发动机气缸内的空燃比在发动机运行的各个阶段，各种工况下要求均不相同。如果通过采用微电脑的电子控制系统，就能很容易地满足发动机在各种不同工况下均能达到最佳值的要求。


电子控制的实现

1 ．输人信号的采集

电子控制单元要对发动机进行有效地控制就必须对其输入诸如：发动机进气流量，进气温度，转速，负荷率，冷却水温度等信息。而这些信息需要通过各种传感器来采集。如空气流量必须通过空气流量计或进气管绝对压力来测定。发动机电子控制单元根据来自发动机转速传感器和空气流量传感器的信息，确定每一工作循环喷入各气缸的基本油量，并确定一个基本的点火提前角。为了精确地控制点火提前角，电子控制单元还需采集有关曲柄位置及上止点信号，这样就需设置曲柄位置和上止点传感器。同样为了精确地控制喷油量，改善发动机的启动性能和动力性能，电子控制单元还需采集有关节气门位置、进气温度、冷却水温度等信息。电子控制单元根据节气门位置传感器送来的信号，判断发动机的过渡工况，如汽车的加速和减速。根据进气温度和冷却水温度传感器送来的信号对基本喷油量进行补偿，以保证发动机运行的稳定性、动力响应性和经济性要求。同时为了避免发动机爆燃的产生及净化排气，还需设置爆燃传感器和氧传感器。发动机电子控制单元根据这两个传感器所采集的信号对发动机的点火和喷油量进行反馈控制，以达到最佳的运行工况。

2 ．控制信号的输出

电子燃油喷射控制与常规的机械化油器控制相比，具有供油精确、响应快、动力性好及各缸油量分配均匀等优点。对进入发动机气缸内油气比和点火时间的精密控制以及与催化排气净化装置的配合使用，使得排气中的有害物质含量下降到最低的程度，同时使发动机处于最佳经济性的运行状态。电子燃油喷射控制的趋势是采用微电脑控制的多点喷射（ MPI ）方式，分别控制各缸的喷油量。电子点火具有点火能量高、控制精确等优点，因而得到普遍应用。其它诸如怠速控制、废气再循环控制、二次空气控制等只是在供油、点火基础上的辅助控制，用以进一步提高发动机的性能，特别是废气再循环和二次空气辅助燃烧仅在某些车型的发动机中采用。发动机电子控制系统的框图如图 2.4 所示。各传感器送来的信号通过输入电路转换成微电脑可以接受的数字信号，微电脑通过对各种输入信号的计算、判断后发出各种控制信号，但这种信号是比较微弱的数字信号，不足以直接驱动各种控制动作的执行器，必须通过输出电路把信号放大后去控制燃油喷射过程和点火过程等。

汽油机控制

　

当前对汽油机的控制是由一个集成控制系统来完成的。该集成控制系统不仅将燃油喷射控制，而且还将点火时间控制、爆燃控制、怠速控制和系统故障诊断通过一台微电脑有机地集成在一起。采用这种集成控制系统可使汽车发动机始终处于最佳的工作性能状态，因而有助于改善发动机的动力性能，净化排气，降低油耗等。

汽油机集成控制系统如图   所示，控制系统的指挥中枢是电子控制单元（ ECU ）。
电子燃油喷射控制系统的功能

大部分电子燃油喷射控制是采用同步控制方式，即每一气缸中的喷油器随发动机转速进行同步控制。同步喷射可改善汽车的加速性能。

①发动机启动后的油气加浓补偿      该补偿是在一固定的期间内，通过增加喷入气缸的燃油量来稳定发动机的转速。所要求的补偿系数是由发动机启动后的冷却水温度所决定。

②发动机升温期间的油气加浓补偿      在发动机启动后，为了改善发动机的动力性能，当发动机冷却水温度较低时，通过增加喷人发动机气缸内的燃油量来使发动机的冷却水温度升高，其油气加浓补偿一直到发动机升温终止才结束。这一期间所需的补偿系数是由发动机冷却水温度决定。


③发动机升温期间汽车加速过程时油气加浓补偿      为在发动机升温期间改善汽车的加速性能，需要向发动机气缸内喷入比正常加速时多的燃油，因此需对喷射持续时间进行补偿，其补偿系数仍由发动机的冷却水温度所决定。

④防止发动机过热的油气减浓补偿      当汽车处于满负荷行驶时，发动机自身及尾气催化转换器会处于过热状态，为了防止过热，必须给发动机提供比正常运转时较为稀薄的油气混合物。对油气混合物的补偿是根据发动机进气量、转速和节气门位置等因素所决定的发动机负荷条件来确定。

⑤海拔高度变化补偿      在海拔较高的地区，当发动机负荷增加时，进气管内的真空度增加，单位体积空气中的含氧量下降。为了使发动机内燃油能正常燃烧，必须对不同海拔高度下的油气混合浓度加以补偿。随着海拔高度的增加，应对油气混合物进行加浓补偿。
空燃比反馈补偿      采用催化转换器可使汽车废气中的 CO ， HC 和 NO x   ，物质含量明显降低，具有较高的尾气净化率。但要使经过催化转换器后的汽车尾气的净化率保持在一个最高的水平，就必须对进入气缸的空燃比进行精确的控制，使其保持在最接近以化学计量比计算所得的一个狭窄的范围内。为了达到这一目的，需要控制汽车排气中的含氧量。通过对排气含氧量的检测实现喷射时间的反馈补偿控制，从而使排气中的氧浓度不至于升得太高或降得太低。这就要求进入发动机气缸的油气浓度维持在理论空燃比附近。

完成这一控制需要氧量传感器（即氧传感器），氧传感器具有这样的一种特性，当进入气缸的油气浓度达到化学计量比附近时，传感器的输出电压急速变化，由氧传感器的特性所构成的反馈回路用于油气混合比的反馈控制.
电子控制单元接收来自氧传感器的电压信号，并判断油气混合物是否处于适当的空燃比状态。当氧传感器检测到油气混合物的浓度太高时， ECU 作出减少燃油喷射量的指示。当情况相反时，控制系统执行反馈补偿控制，增加喷射量。当氧传感器的输出电压降至参考电压以下时，补偿系数大幅度阶跃变化，以提高反馈补偿的响应能力。

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发动机的电子控制原理是现代汽车技术的重要组成部分。其主要通过电子控制单元（ECU）对各种传感器输入的信号进行接收、处理，并控制发动机的执行机构，以达到优化发动机性能的目的。这一原理包括燃油喷射控制、点火控制、进气系统控制等多个方面。通过精确控制燃油喷射量、点火时间以及气门开度等参数，电子控制系统能够改善发动机的动力性、经济性及排放性能，同时提供更佳的驾驶体验。