现代轿车发动机电控技术

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        随着现代电子技术的飞速发展,特别是微机技术在汽车上的广泛应用,使得汽车的内涵和功能不断拓展和延伸,汽车机电一体化—汽车电子化正逐渐成为现代汽车(特别是轿车)的基本特征。

        发动机电控作为汽车电控中的重要一环,为适应日趋严格的排放、安全法规,已受到国内外汽车厂商的高度重视,并得到了空前发展。

  一、概述

  现代轿车电控技术的理论基础就是现代控制理论。从早期的经典控制到目前的智能控制,控制理论在汽车电控中得到了广泛的应用。主要有PID控制、最优控制、自适应控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制以及预测控制等。现代控制理论的发展使得电控系统更能适应复杂的多变量系统、时变系统和非线性系统,甚至对于数学模型不甚精确的系统也能实施精确有效的控制。而这正是发动机电控得以实现的前提。就其结构而言,电控系统主要由传感器、电子控制组件(ECU)、执行器 3个部分组成。传感器作为输入部分,用于测量物理信号(温度、压力等),将其转换为电信号;ECU的作用是接收传感器的输入信号,并按设定的程序进行计算处理,输出处理结果;执行器则根据 ECU输出的电信号驱动执行机构,使之按要求变化。

  (一)电子控制组件(ECU)

  ECU以微机为中心。还包括前置的A/D转换器、数字信号缓冲器以及后置的信号放大器等。微机运算速度快、精度高,能实时控制,并具备多中断响应等功能。目前除了8位、16位微机外,32位特别是64位微机已开始逐步使用。而且,不仅有通用型微机和单片机,专用的汽车微机也已研制出来。正是微机技术突飞猛进的发展促进了汽车电控技术的不断完善。可以说,当前 ECU的发展总趋势是从单系统单机控制向多系统集中控制过渡。不久以后,汽车电控系统将采用计算机网络技术,把发动机电控系统、车身电控系统、底盘电控系统及信息与通信系统等各系统的ECU相联结,形成机内分布式计算机网络,实现汽车电子综合控制。

  (二)传感器

  汽车传感器的工作条件极为恶劣,因此,传感器能否精确可*地工作至关重要。近年来在该领域中,理论研究及材料应用发展较为迅速,半导体和金属膜技术、陶瓷烧结技术等迅猛发展。毋庸置疑,智能化、集成化和数字化将是传感器的未来发展趋势。

  (三)执行器

  执行器用来精确无误地执行 ECU发出的命令信号。因此,执行器工作的精确与否将最终影响电控的成败,正因如此,其工作可靠性和精确性一直作为研究重点而倍受关注。目前,汽车电控系统的执行器类型繁多,有电磁阀、电动机、压电元件、点火器、电磁继电器、热电偶等,结构与功能不尽相同。执行器的发展方向是智能化执行器和固态智能动力装置。

  二、发动机电控技术及应用

  发动机电控技术可分为电控汽油喷射、电子点火、怠速控制、排气再循环控制、增压控制、故障自诊断、故障保险、备用控制以及其它控制技术。

  (一)电控汽油喷射(EFI)系统

  电控汽油喷射系统(简称电喷系统)是60年代末开始发展起来的,较之早期普遍使用的化油器供油系统,其突出优点在于空燃比的控制更为精确,可实现最佳空燃比;而且电喷技术提高了汽油的雾化、蒸发性能 ,加速性能更好 ,发动机功率和扭矩显著升高。

  目前,电喷系统主要采用开环与闭环控制(反馈控制)相结合的方式。对诸如暖机、怠速等需要供给浓混合气的工况采取开环控制,此外则通过排气管中设置的氧传感器,测量实际空燃比来进行反馈控制。由空气流量计或进气歧管绝对压力传感器和转速传感器测量进气空气量,由ECU根据冷却水温、进气温度、氧传感器信号等确定合适的空燃比,计算所需喷油量,进而对执行器(喷油器和电路断开继电器)进行控制。按照喷油器的安装位置的不同,电喷系统可分为3种型式:单点喷射(SPI)、多点喷射(MPI)和缸内直接喷射。单点喷射用 1~2个喷油器安装在进气管节气门处。多点喷射将各个喷油器分别安装在各缸的进气歧管中,使各缸混合气分配较均匀,故而在轿车中应用较广。并且,按照其喷油时序的不同,多点喷射又可细分为同时喷射、分组喷射和顺序喷射 3种,其中顺序喷射使喷油器能按各缸的点火顺序进行喷油,每循环喷一次,该种方式较前两种应用效果更好。缸内直喷特别是四冲程汽油机缸内直喷是当前轿车汽油喷射中的前沿技术,最早由日本三菱公司研制开发,其喷油器安装在气缸盖上,工作时直接将汽油喷入气缸内进行混合燃烧。直喷技术的实现大大降低了汽油机的油耗,动力性能也较多点喷射更为优越;同时,配合其他机构,使得高空燃比稀燃技术得以实现。

  (二)电子点火控制系统

  早在 2 0世纪初 ,点火系统在汽车发动机上已开始应用,从有触点式、普通无触点式、集成电路式,发展到现今的微机控制电子点火系统。微机控制电子点火系统可控制并维持发动机点火提前角(ESA)在最佳范围以内,使汽油机的点火时刻更接近于理想状态,进一步 挖掘发动机的潜能。

        在微机控制点火系统中,目前出现了一种无分电器点火(DLI)系统,它取消了普通微机控制点火系统中的分电器,改由 ECU内部控制各缸配电。这样点火线圈产生的高压电,不需经过分电器分配,直接就送至火花塞发生点火。无分电器点火系统可消除分火头与分电器盖边电极的火花放电现象,减少电磁干扰。无分电器点火系统根据点火顺序的不同,有两缸同时点火和各缸独立点火两种。在两缸同时点火方式中,每两缸一组,合用一个点火线圈,所有缸体分成若干组按组依次进行点火;在各缸独立点火方式中,每缸的火花塞都设有单独的点火线圈(特别是随着超小型塑料包装的点火线圈的出现,使之与火花塞合为一体),这样各缸可依次轮流点火。

  在发动机的点火控制中,同样采用了开环和闭环相结合的控制形式。起动阶段的点火时刻由ECU中的专门信号进行开环控制;正常运行期间,则通过增设爆震传感器进行爆震反馈控制,根据爆震传感器的反馈信号调整点火时刻使发动机在临界爆震状态。

  (三)怠速控制(ISC)系统

  怠速性能的好坏是评价发动机性能优越与否的重要指标,怠速性能差将导致油耗增加,排污严重,因此,需进行必要的控制。现代轿车中一般都设有怠速控制系统,由ECU控制并维持发动机怠速在某一稳定转速范围内。因此,怠速控制通常是指怠速转速控制,其实质就是对怠速工况时的进气量进行调节(同时配合喷油量及点火提前角的控制)。 怠速控制的基本原理是 ECU根据冷却水温、空调负荷、空档信号等计算目标转速,并与实际转速相比较,同时检测节气门全关信号及车速信号,判断是否处于怠速状态,确认后则按目标转速与实际转速之间的差值来驱动执行器调整控制进气量。

  目前,除了怠速转速的稳定性控制之外,怠速控制还可以实现起动控制、暖机控制以及负荷变化控制等功能,这样多种功能的集中,不仅简化了机构,而且也提高了怠速控制的精确性。

  怠速控制系统根据进气量控制方式的不同可分为节气门直动式和旁通空气式两种,后者的应用较广,其中的执行器—怠速控制阀的发展较快,相应有步进电机型、旋转电磁阀型、占空比型和开关控制型等,各自在怠速控制中有不同程度的应用。

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