電子控制技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機中的應用

1. 引言

1)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機基本原理和構造

當今世界上的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程基本上都由四個(gè)沖程組成，即進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣。利用燃料和空氣的混合氣在氣缸內燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體的膨脹，發(fā)動(dòng)機借助于曲柄連桿機構通過(guò)曲軸對外輸出扭矩而作功。發(fā)動(dòng)機按照所用燃料可分成汽油機、柴油機和燃氣發(fā)動(dòng)機;按照點(diǎn)火方式可分成點(diǎn)燃式和壓燃式;汽油機按照空氣和燃油的比例可分成理論當量燃燒和稀薄燃燒;按照汽油噴射地點(diǎn)可分成中央噴射、進(jìn)氣口噴射和缸內噴射。

發(fā)動(dòng)機的各個(gè)部分按其功能可分成燃油供應系統、進(jìn)氣排氣系統、點(diǎn)火系統、曲柄連桿傳動(dòng)機構、潤滑系統、冷卻系統和輔助系統如發(fā)電機、起動(dòng)機、空調壓縮機和各種泵等。

發(fā)動(dòng)機工況可分成冷起動(dòng)、起動(dòng)后、暖機、怠速、部分負荷、全負荷、加速、減速和倒拖滑行等。這些工況主要根據負荷與轉速，結合發(fā)動(dòng)機溫度(即冷卻液溫度)來(lái)區分。

2)電子控制在發(fā)動(dòng)機中的重要意義

汽車(chē)電子控制始于發(fā)動(dòng)機電子控制。電子控制之于1957年引入發(fā)動(dòng)機以及于1967年商品化，其初衷是為了滿(mǎn)足越來(lái)越嚴格的排放法規要求，同時(shí)提高汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性和舒適性?，F代汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機技術(shù)離開(kāi)了電子控制是不可思議的。電子產(chǎn)品的產(chǎn)值在整個(gè)汽車(chē)中所占的比例隨著(zhù)汽車(chē)級別的提升而升高，可達30%以上。

3)發(fā)動(dòng)機電子控制的核心問(wèn)題

汽油機電子控制的核心問(wèn)題是燃油定量和點(diǎn)火定時(shí)。柴油機電子控制的核心問(wèn)題是燃油定量和噴油定時(shí)。

2. 汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機電子控制系統的組成

汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機電子控制系統跟其它電子控制系統一樣，也是由傳感器、電子控制單元(ECU)和執行器組成。

1)傳感器

(1)目前汽油機電子控制系統常用的傳感器有：

l 進(jìn)氣岐管絕對壓力傳感器(提供進(jìn)氣岐管絕對壓力信息供計算負荷等)

l 燃油壓力傳感器(提供油軌燃油壓力信息)

l 燃油箱壓力傳感器(提供燃油箱壓力信息)

l 機油壓力傳感器(提供機油壓力信息)

l 冷卻液溫度傳感器提供(提供發(fā)動(dòng)機溫度信息)

l 進(jìn)氣溫度傳感器(提供進(jìn)氣溫度信息供計算空氣密度等)

l 空調蒸發(fā)器溫度傳感器(提供空調蒸發(fā)器溫度信息)

l 空調冷凝器溫度傳感器(提供空調冷凝器溫度信息)

l 空氣流量傳感器(提供空氣流量信息供計算負荷等)

l 節氣門(mén)位置傳感器(提供負荷信息、負荷范圍信息、加速減速信息)

l 油門(mén)踏板位置傳感器(提供負荷信息、負荷范圍信息、加速減速信息等)

l 霍爾傳感器(提供轉速信息、曲軸位置和相位信息)

l 感應式轉速傳感器(提供轉速信息和曲軸位置信息)

l 燃油箱液面位置傳感器(提供燃油箱液面位置信息)

l 爆震傳感器(提供發(fā)動(dòng)機機體接收到的振動(dòng)信息)

l 排氣再循環(huán)閥閥桿位移傳感器(提供排氣再循環(huán)閥開(kāi)度信息)

l 氧傳感器(提供過(guò)量空氣系數l是大于1還是小于1的信息)

(2)目前柴油機電子控制系統常用的傳感器有：

l 增壓壓力傳感器(提供增壓壓力信息)

l 燃油壓力傳感器(提供共軌燃油壓力信息)

l 機油壓力傳感器(提供機油壓力信息)

l 冷卻液溫度傳感器(提供發(fā)動(dòng)機溫度信息)

l 燃油溫度傳感器(提供燃油溫度信息)

l 進(jìn)氣溫度傳感器(提供進(jìn)氣溫度信息)

l 排氣溫度傳感器(提供排氣口和排氣管的溫度信息)

l 空調蒸發(fā)器溫度傳感器(提供空調蒸發(fā)器溫度信息)

l 空調冷凝器溫度傳感器(提供空調冷凝器溫度信息)

l 空氣流量傳感器(提供空氣流量信息)

l 節氣門(mén)位置傳感器(提供節氣門(mén)位置信息用于排氣再循環(huán)控制)

l 轉角傳感器(提供分配泵軸轉角信息)

l 油門(mén)踏板位置傳感器(提供負荷信息、負荷范圍信息、加速減速信息)

l 霍爾傳感器(提供轉速和曲軸相位信息)

l 海拔高度傳感器(提供海拔高度信息)

l 車(chē)速傳感器(提供車(chē)速信息)

l 感應式轉速傳感器(提供轉速信息和曲軸位置信息)

l 燃油箱液面位置傳感器(提供燃油箱液面位置信息)

l 排氣再循環(huán)閥閥桿位移傳感器(提供排氣再循環(huán)閥開(kāi)度信息)

l 氧傳感器(提供過(guò)量空氣系數l的具體數值)

l 壓差傳感器(提供微粒物捕集器的壓差信息)

l NOX傳感器(提供排氣后處理系統的NOX濃度信息)

2)電子控制單元

電子控制單元(ECU)接受傳感器提供的各種信息并加以處理，根據處理向執行器發(fā)出指令給，對發(fā)動(dòng)機實(shí)施控制。電子控制單元由微型計算機和模擬電路組成。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機技術(shù)的不斷發(fā)展，電子控制單元的信息處理量越來(lái)越大，現在所用的芯片已經(jīng)達到32位，晶體管數量可超過(guò)700萬(wàn)個(gè)，匹配參數可超過(guò)6000個(gè)，針腳數目可超過(guò)150個(gè)。

3)執行器

(1)目前汽油機電子控制系統常用的執行器有：

l 電動(dòng)燃油泵

l 電磁噴油器

l 點(diǎn)火線(xiàn)圈

l 各種怠速執行器

l 炭罐控制閥

l 排氣再循環(huán)控制閥

l 電動(dòng)節氣門(mén)(又稱(chēng)電子油門(mén))

l 液壓回路電磁閥(用于可變氣門(mén)定時(shí)控制等)

l 氣動(dòng)回路電磁閥(用于可變進(jìn)氣管長(cháng)度控制等)

l 全可變氣門(mén)電子控制執行器

l 渦輪增壓廢氣放空控制閥

l 電動(dòng)二次空氣泵

l 三效催化轉化器加熱執行元件

l 冷卻風(fēng)扇

l 空調壓縮機電磁離合器

l 發(fā)動(dòng)機上的其他輔助設備

(2)目前柴油機電子控制系統常用的執行器有：

l 電動(dòng)輸油泵

l 各種燃油噴射泵

l 噴油量執行器(集成于燃油噴射泵內)

l 噴油提前角執行器(集成于燃油噴射泵內)

l 燃油切斷閥(集成于燃油噴射泵內)

l 共軌高壓泵

l 共軌壓力控制閥

l 各種共軌噴油器

l 單元噴嘴系統和單元泵系統的高壓燃油電磁閥

l 熾熱塞

l 排氣再循環(huán)控制閥

l 電動(dòng)節氣門(mén)(又稱(chēng)電子油門(mén))

l 可變氣門(mén)控制執行器

l 可變進(jìn)氣管長(cháng)度執行器

l 渦輪增壓廢氣放空控制閥

l 冷卻風(fēng)扇

l 空調壓縮機電磁離合器

l 發(fā)動(dòng)機上的其他輔助設備

一部分柴油機傳感器和執行器集成于燃油噴射設備之內，因所用的柴油噴射設備而異。

3. 汽油機基本的電子控制項目

1)燃油定量。這是汽油機最重要的電子控制項目?？刂茖ο笫沁M(jìn)入發(fā)動(dòng)機的空氣與燃油的質(zhì)量比例，由ECU根據發(fā)動(dòng)機的負荷、轉速和冷卻液溫度等參數決定。負荷就是駕車(chē)人對發(fā)動(dòng)機的扭矩要求，通過(guò)吸入空氣量或油門(mén)踏板位置傳遞給ECU。執行器是電動(dòng)燃油泵和電磁噴油器。燃油定量影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性、舒適性、排放和零部件的安全。

2)點(diǎn)火定時(shí)。點(diǎn)火定時(shí)通常用點(diǎn)火發(fā)生時(shí)活塞在壓縮沖程上止點(diǎn)之前多少度曲軸轉角，即點(diǎn)火提前角來(lái)表征，也要根據發(fā)動(dòng)機的負荷、轉速和冷卻液溫度等工況參數決定。執行器是點(diǎn)火線(xiàn)圈。點(diǎn)火定時(shí)同樣影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟性、舒適性、排放和零部件的安全。

3)爆震控制。汽油機爆震會(huì )損壞發(fā)動(dòng)機，惡化排放和燃油經(jīng)濟性。通過(guò)電子控制避免爆震的主要途徑是減小點(diǎn)火提前角。所以爆震控制通過(guò)點(diǎn)火定時(shí)控制實(shí)施。但是過(guò)小的點(diǎn)火提前角會(huì )影響燃油經(jīng)濟性。爆震控制的目的就是使點(diǎn)火提前角保持在恰好不發(fā)生爆震的臨界點(diǎn)。

4)油箱蒸發(fā)排放物控制。油箱蒸發(fā)排放物都是碳氫化合物，是有害物質(zhì)，必須利用活性炭罐加以吸附，并在適當的時(shí)候用新鮮空氣清洗活性炭罐。清洗氣流通過(guò)進(jìn)氣管送入氣缸燃燒。并不是任何工況下都可以進(jìn)行清洗，所以要利用炭罐控制閥對清洗氣流加以控制。

4. 柴油機基本的電子控制項目

柴油機基本的電子控制項目就是燃油定量和噴油定時(shí)。這兩者都由噴射設備根據轉速、負荷和冷卻液溫度等信息控制。這里，負荷信息由油門(mén)踏板傳感器提供。如果說(shuō)汽油機可以采用，也可以不采用油門(mén)踏板位置傳感器的話(huà)，那么柴油機必須采用。

5. 擴展的發(fā)動(dòng)機電子控制項目

1)擴展的汽油機電子控制項目

l 可變進(jìn)氣管長(cháng)度電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性。

l 可變氣門(mén)電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性、經(jīng)濟性和舒適性，降低有害物質(zhì)排放。

l 增壓壓力電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)排放。

l 排氣再循環(huán)電子控制。用于降低發(fā)動(dòng)機氮氧化物排放。

l 二次空氣電子控制。用于滿(mǎn)足歐4以上法規對碳氫化合物和一氧化碳排放的要求。

l 三效催化轉化器燃油加熱或電加熱電子控制。用于滿(mǎn)足歐4以上法規對排放的要求。

l 停車(chē)-起動(dòng)運行電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性和滿(mǎn)足歐4以上法規對排放的要求。

l 氣缸封閉和氣門(mén)封閉電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)排放。

l 噴油壓力和噴油定時(shí)控制。用于汽油直噴，提高動(dòng)力性和經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)排放。

2)擴展的柴油機電子控制項目

l 噴油壓力電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)排放。

l 噴油規律電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)和噪聲排放。

l 多次噴油電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)和噪聲排放。

l 可變進(jìn)氣管長(cháng)度電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性。

l 可變氣門(mén)電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性、經(jīng)濟性和舒適性，降低有害物質(zhì)排放。

l 增壓壓力電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)排放。

l 排氣再循環(huán)電子控制。用于降低發(fā)動(dòng)機氮氧化物排放。

l 停車(chē)-起動(dòng)運行電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性和滿(mǎn)足歐4以上法規對排放的要求。

l 氣缸封閉和氣門(mén)封閉電子控制。用于提高發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性，降低有害物質(zhì)排放。

l 微粒物捕集器再生電子控制。用于降低發(fā)動(dòng)機微粒物排放。

6. 展望和結語(yǔ)

1)發(fā)動(dòng)機電子控制系統是一個(gè)非常有潛力的市場(chǎng)。隨著(zhù)排放法規的逐步趨嚴和燃油經(jīng)濟性要求的逐步提高，發(fā)動(dòng)機技術(shù)正在飛速發(fā)展，新的電子控制技術(shù)還在不斷涌現。

2)都說(shuō)世界制造業(yè)的重心正在向中國轉移。汽車(chē)行業(yè)，包括汽車(chē)電子行業(yè)，也在一定程度上出現了這種趨勢。但是，目前中國發(fā)動(dòng)機電子控制系統的原配套產(chǎn)品基本上都出自外資企業(yè)。這些企業(yè)組裝產(chǎn)品用的元件幾乎都不是在中國生產(chǎn)的。由此我國喪失了許多GDP和就業(yè)崗位。國營(yíng)和民營(yíng)企業(yè)技術(shù)水平低下，只能仿造外資企業(yè)的產(chǎn)品，跟在外資企業(yè)后面從維修備件市場(chǎng)分一點(diǎn)殘羹冷飯。有的甚至還偷偷摸摸地打著(zhù)外資企業(yè)的招牌，干著(zhù)生產(chǎn)假冒偽劣產(chǎn)品的勾當。這種局面應當扭轉。政府應當看到，這個(gè)行業(yè)的發(fā)展將會(huì )帶來(lái)巨大的GDP增長(cháng)，并創(chuàng )造大量的就業(yè)機會(huì )。所以政府應當做出規劃，對這一行業(yè)加以扶植和整頓。

3)若要振興中國自己的發(fā)動(dòng)機電子控制工業(yè)，首先必須具備一個(gè)先決條件：汽車(chē)廠(chǎng)和發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)要與發(fā)動(dòng)機電子控制零部件生產(chǎn)商攜手合作，共擔風(fēng)險，并承諾：一旦實(shí)踐證明國產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機電子控制系統能夠滿(mǎn)足要求，就在自己生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機上采用國產(chǎn)產(chǎn)品。

4)企業(yè)的生命力在于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。發(fā)動(dòng)機電子控制技術(shù)是伴隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機技術(shù)一起發(fā)展的。我國轎車(chē)行業(yè)一貫放棄發(fā)動(dòng)機技術(shù)的獨立開(kāi)發(fā)，他們無(wú)從知曉下一代的發(fā)動(dòng)機會(huì )是怎樣的。零部件行業(yè)，包括發(fā)動(dòng)機電子控制行業(yè)，也就無(wú)從開(kāi)發(fā)自己的新產(chǎn)品，所以永遠落后于國外同行，永遠依靠引進(jìn)技術(shù)。若要改變這種局面，首先要發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)摒棄一貫的所謂“拿來(lái)主義”，逐步從引進(jìn)技術(shù)過(guò)渡到自行開(kāi)發(fā)，并吸收零部件生產(chǎn)商參與產(chǎn)品的系統開(kāi)發(fā)和同步開(kāi)發(fā)，這樣才能共同有所創(chuàng )新。舍此別無(wú)它路可循。政府應當進(jìn)行引導和制定鼓勵政策。