发动机系统控制

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1、第 3 章 发 动 机 系 统 控 制 3.1 汽 油 发 动 机 燃 料 供 给 系 统3.2 电 子 控 制 燃 料 喷 射 (EFI)系 统 (简 介 )3.3 发 动 机 集 中 控 制 (简 介 )3.4 EFI系 统 控 制 (第 四 章 讲 述 ) 3.1汽 油 发 动 机 燃 料 供 给 系 统3.1.1汽 油 发 动 机 燃 料 供 给 与 功 率 调 节燃 料 供 给 系 统 功 用1 将 空 气 与 汽 油 充 分 混 合 后 ， 形 成 可 燃 混 合气 提 供 给 发 动 机 ；2 并 对 可 燃 混 合 气 的 供 给 量 及 其 浓 度 进 行 有效 的 控 制

2、， 使 发 动 机 在 各 种 工 况 下 都 能 连 续 、稳 定 运 转 。 1.化 油 器 式 燃 料 供 给 系 统汽 油 供 给 系 示 意 图 空 气 滤 清 器 油 管 油 箱汽 油 滤 清 器化 油 器 汽 油 泵轿 车 汽 油 机 供 给 系 示 意 图 简 单 化 油 器 的 结 构 喉 管 ： 空 气 流 通 面 积 的改 变 ， 产 生 真 空 度 ， 吸出 喷 管 中 的 燃 油 。 节 气 门 ： 控 制 混 合气 流 量 的 开 关 。浮 子 室 ： 汽 油 容 器， 液 面 通 大 气 压 。 空 气 滤 清 器 ： 滤去 空 气 中 的 微 小固 体 物 。浮

3、 子 ： 调 节 浮 子 室汽 油 液 面 高 度 。 进 气 阀 排 气 阀 简 单 化 油 器 的 工 作 原 理喷 雾 器 的 喷 雾 原 理液 体 汽 油 气 态 汽 油 油 气 混 和飞 机 飞 行 简 单 原 理雾 化 蒸 发 混 合 气 形 成 过 程 化 油 器 式 燃 料 供 给 路 线 图油 箱 汽 油 滤 清 器 汽 油 泵空 气 滤 清 器 化 油 器排 气 歧 管排 气 消 声 器 各 气 缸汽 油 通 路空 气 通 路混 合 可 燃 气 通 路废 气 通 路 进 气 阀 门排 气 阀 门 进 气 歧 管浮 子 室节 气 门 发 动 机 进 气 歧 管 理 论 上 完

4、 全 燃 烧 时 相 应 的 A/F值 (约 为 14.7)称为 理 论 空 燃 比 ， 亦 称 为 化 学 当 量 比 。 汽 油 发 动 机 燃 料 配 给 系 统 是 通 过 汽 油 供 给 和 空气 供 给 两 个 子 系 统 组 成 ， 向 发 动 机 提 供 特 定 浓 度 和数 量 的 可 燃 混 合 气 。A/F = 可 燃 混 合 气 中 的 燃 油 质 量可 燃 混 合 气 中 的 空 气 质 量空 燃 比 ： 进 入 发 动 机 的 可 燃 混 合 气 中 的 空 气 与 燃油 的 质 量 之 比 ， 其 数 值 用 A/F值 表 示 。2.空 燃 比 （ A/F值 ）

5、a = 完 全 燃 烧 1kg 燃 料 所 需 的 理 论 空 气 质 量燃 烧 1kg燃 料 实 际 供 给 的 空 气 量 我 国 和 前 苏 联 等 国 用 过 量 空 气 系 数 表 示 可 燃混 合 气 的 成 分 。 过 量 空 气 系 数 记 为 aA/F = 14.7 或 a = 1 为 标 准 混 合 气 ； A/F 14.7 或 a 14.7 或 a 1 为 稀 混 合 气 。 3.发 动 机 功 率 调 节 方 式1） 量 调 方 式 ： 进 入 发 动 机 的 可 燃 混 合 气 的 浓 度 (A/F值 ) 和质 量 均 是 变 化 的 。 化 油 器 式 燃 料 供

6、给 系 统 是 按 量调 方 式 原 理 设 计 的 。2） 质 调 方 式 ： 进 入 发 动 机 气 缸 的 空 气 数 量 基 本 不 变 ， 可 燃混 合 气 是 在 气 缸 内 完 成 的 。 进 入 发 动 机 气 缸 的 燃料 取 决 于 混 合 气 的 浓 度 要 求 。 柴 油 机 燃 料 供 给 系统 是 按 质 调 方 式 原 理 设 计 的 。 转 速 一 定 时 ， 节 气门 开 度 越 大 ， 喉 部 空 气流 速 越 高 、 真 空 度 越 大， 吸 出 油 量 越 多 ， 产 生功 率 越 大 。 节 气 门 开 度 一 定 时， 发 动 机 转 速 越 高 ，

7、 喉部 空 气 流 速 越 高 、 真 空度 越 大 ， 吸 出 油 量 越 多， 产 生 功 率 也 越 大 。 可 燃 混 合 气 中 汽 油 量 调 节 1.空 燃 比 对 发 动 机 性 能 的 影 响3.1.2 汽 油 发 动 机 工 作 过 程 对 可 燃 混 合 气 的 要 求1 理 论 空 燃 比 ： A/F 14.7， 理 论 上 完 全 燃 烧 。4 火 焰 传 播 上 限 ： A/F 5.9， 混 合 气 浓 到 燃 烧 过 程 严 重 缺 氧 ， 火 焰 无 法 传 播 。2 功 率 空 燃 比 ： A/F 12.5， 发 动 机 产 生 的 功 率 和 转 矩 最 大

8、 ， 动 力 性 最 好 。3 经 济 空 燃 比 ： A/F 16， 可 降 低 发 动 机 的 油 耗 。5 火 焰 传 播 下 限 ： A/F 20.6， 混 合 气 稀 到 燃 料 分 子 之 间 的 距 离 过 大 ， 火 焰 无 法 传 播 。 混 合 气种 类 A/F 发 动 机功 率 耗 油 率 发 动 机 性 能过 浓混 合 气 612.8 减 小 激 增 燃 烧 室 积 炭 、 排 气 管冒 黑 烟 。功 率混 合 气 12.5 最 大 增 大10-15% 功 率 和 转 矩 最 大 ， 动力 性 最 好 。标 准混 合 气 14.7 减 小2% 增 大4% 介 于 功 率

9、 混 合 气 和 经济 准 混 合 气 之 间 。经 济混 合 气 16 减 小8% 最 小 发 动 机 的 油 耗 最 小 。过 稀混 合 气 16.619.6 显 著减 小 显 著增 大 回 火 、 发 动 机 过 热 、加 速 性 变 差 。1） 空 燃 比 对 发 动 机 动 力 性 、 经 济 性 的 影 响 2） 空 燃 比 对 发 动 机 排 放 性 的 影 响 影 响 汽 油 发 动 机 排 放 的 主 要 因 素 是 混 合 气 的空 燃 比 。1 A/F值 减 少 (浓 度 增 加 )， 此 时 发 动 机 发 出 的 功 率 大 ， 但 燃 烧 不 完 全 ， 生 成 的

10、 CO 、 HC增 加 。2 A/F值 约 为 16附 近 ， 燃 烧 效 率 最 高 ， 燃 油 消 耗 量 低 ， 但 生 成 的 NO x也 最 多 。3 A/F值 增 大 (浓 度 减 少 )， 减 少 供 给 稀 混 合 气 时 ， 燃 烧 速 度 变 慢 ， 燃 烧 不 稳 定 ， 使 得 HC增 多 。 2. 发 动 机 工 况 对 混 合 气 空 燃 比 的 要 求1） 发 动 机 定 工 况中 等 负 荷 ： 轿 车 为 全 负 荷 的 40-60% 货 车 为 全 负 荷 的 40-60%稳 定 工 况 ： 发 动 机 已 完 成 预 热 ， 转 入 正 常 运 转 ， 且

11、 在 一段 时 间 内 无 转 速 和 负 荷 的 突 然 变 化 。 有 怠 速 和 小 负 荷 、 中 等 负 荷 、 大 负 荷 和 全 负 荷怠 速 ： 对 外 无 输 出 功 率 ， 汽 油 机 怠 速 转 速 一 般 为 300-800r/min。小 负 荷 ： 对 外 输 出 功 率 极 小 。 冷 启 动 ： 汽 油 机 冷 启 动 时 ， 燃 料 和 空 气 的 温 度 均 很 低 。暖 机 ： 发 动 机 逐 渐 升 温 为 暖 机 过 程 。 加 速 ： 所 需 功 率 增 加 ， 节 气 门 开 度 加 大 ， 进 气 管 产 生 燃 油 “ 附 壁 ” 现 象 。急

12、减 速 ： 节 气 门 开 度 突 然 减 小 ， 进 气 管 真 空 度 增 加 ， 进 气 管 附 壁 的 燃 油 蒸 发 ， 。过 渡 工 况 ： 发 动 机 过 渡 工 况 有 冷 启 动 、 暖 机 、 加 速 、 急 减 速 稳 定 工 况 工 况 特 点 A/F怠 速 节 气 门 近 乎 全 闭 ， 发 动 机 转 速 低 ， 汽油 雾 化 不 良 。 约 为9-12小 负 荷 节 气 门 开 度 仍 很 小 ， 发 动 机 转 速 仍 较低 。 约 为10-13中 等 负 荷 节 气 门 有 足 够 的 开 度 。 约 为16-17大 负 荷全 负 荷 节 气 门 全 开 ，

13、发 动 机 发 出 最 大 功 率 。 约 为12.52） 稳 定 工 况 对 混 合 气 空 燃 比 的 要 求 3） 过 渡 工 况 对 混 合 气 空 燃 比 的 要 求过 渡 工 况 工 况 特 点 A/F冷 启 动 燃 料 和 空 气 的 温 度 均 很 低 ， 汽 油 雾化 极 不 良 。 约 为6-9暖 机 燃 料 和 空 气 的 温 度 较 低 ， 汽 油 雾 化不 良 。 逐 渐 加 大到 9-12加 速 产 生 燃 油 “ 附 壁 ” 现 象 ， 混 合 气 浓度 瞬 间 稀 释 。 附 加 燃 油急 减 速 进 气 管 附 壁 的 燃 油 蒸 发 ， 当 空 气 进气 量

14、 不 足 时 ， 混 合 气 变 浓 ， 严 重 时会 熄 火 。 减 缓进 气 不 足 3.2 电 子 控 制 燃 料 喷 射 (EFI)系 统年 份 系 统 名 称 主 要 控 制 功 能 汽 车 公 司1967 D -jetronic 燃 油 喷 射 BO SCH1973 L - jetronic 燃 油 喷 射1979 Motronic 燃 油 喷 射 、 点 火1981 LH - jetronic 燃 油 喷 射1982 KE - jetronic 燃 油 喷 射1977 EEC 点 火 、 废 气 再 循 环 FO RD1978 EEC - 燃 油 喷 射 、 点 火1979 EE

15、C - 燃 油 喷 射 、 点 火1980 EEC - 燃 油 喷 射 、 点 火世 界 主 要 汽 车 公 司 发 动 机 EFI系 统 年 份 系 统 名 称 主 要 控 制 功 能 汽 车 公 司1978 C - 4 燃 油 喷 射 、 点 火 GENERAL1979 ECCS 燃 油 喷 射 、 点 火 NISSAN1980 TCCS 燃 油 喷 射 、 点 火 TO YO TA1981 1-TEC 燃 油 喷 射 、 点 火 IZUZU1982 EMS 燃 油 喷 射 、 点 火 LUCAS世 界 主 要 汽 车 公 司 发 动 机 EFI系 统 1)基 本 原 理 EFI利 用 各

16、 种 传 感 器 检 测 发 动 机 和 环 境 的 各种 状 态 ， 经 ECU判 断 、 计 算 ， 使 发 动 机 在 不 同 工况 下 均 能 获 得 合 适 空 燃 比 的 混 合 气 。3.2.1 电 子 控 制 燃 料 喷 射 系 统 的 基 本 原 理 电 控 燃 料 喷 射 系 统 Electronic Fuel Injection System EFI2)需 实 现 的 控 制 1. 喷 油 正 时 控 制 2. 喷 油 量 控 制 3. 断 油 控 制 4. 氧 传 感 器 反 馈 燃 油 修 正 控 制 3.2.2 电 子 控 制 燃 料 喷 射 特 性 1） 可 直

17、接 测 量 发 动 机 进 气 量 ， 精 确 控 制 A/F值 ；2） 无 需 喉 管 进 行 节 流 、 形 成 高 速 气 流 ， 提 高 发 动 机 的 充 气 和 排 气 效 率 ；3） 提 高 各 个 气 缸 混 合 气 的 均 匀 性 ， 提 高 发 动 机 的 燃 烧 质 量 和 稳 定 性 ；4） 提 高 燃 料 的 雾 化 质 量 ， 提 高 发 动 机 的 低 温 启 动 性 能 和 抗 爆 性 ；5） 提 高 系 统 动 态 响 应 性 ， 提 高 发 动 机 的 加 速 性 能 ；6） 与 化 油 器 式 发 动 机 相 比 ， 功 率 提 高 5 10 ， 油 耗

18、降 低 515 ， 排 放 减 少 约 20 。7） 并 且 能 为 车 辆 的 综 合 控 制 提 供 平 台 。EFI系 统 的 优 点 ： 3.3.1发 动 机 集 中 控 制 系 统 1） 发 动 机 控 制 系 统 的 主 要 子 系 统 有 ： 燃 料 喷 射 系 统 、 点 火 系 统 、 排 放 系 统 。 2） 运 行 控 制 参 数 有 ： 负 荷 、 转 速 、 A/F值 、 点 火 时 刻 、 点 火 电 压 等 。 3） 发 动 机 集 中 控 制 目 的 ： 统 一 监 测 、 协 调 控 制 、 整 体 优 化 。3.3 发 动 机 集 中 控 制 环 境 信 息

19、发 动 机 工 况 信 息控 制 参 数 信 息车 辆 工 况 信 息 车辆传感器 ECU 燃 料 供 给 系 统点 火 系 统其 它 系 统图 3-3 发 动 机 集 中 控 制 系 统 示 意 图3.3.2发 动 机 集 中 控 制 系 统 基 本 组 成信 息 传 感 器 中 央 处 理 器 1.信 息 传 感 器 模 块 检 测 与 发 动 机 相 关 的 各 种 信 息 ， 并 输 送 给 ECU。环 境 信 息 大 气 温 度 、 压 力 、 湿 度 、 海 拔 高 度 等 。发 动 机工 况 信 息 工 作 温 度 、 负 荷 、 转 速 、 功 率 等 。控 制参 数 信 息

20、工 作 循 环 、 进 气 压 力 、 进 气 温 度 、 排 气 压 力 、排 气 温 度 、 点 火 电 压 、 点 火 时 刻 、 发 电 机 工 作电 压 电 流 、 机 油 压 力 等 。车 辆工 况 信 息 车 辆 速 度 、 传 动 系 统 工 况 、 制 动 与 驱 动 系 统 工况 、 辅 助 系 统 工 况 等 。 2.中 央 处 理 模 块 集 成 化 中 央 处 理 模 块 作 为 主 控 装 置 ， 采 用 多 输入 、 多 输 出 的 数 学 模 型 、 将 控 制 算 法 和 试 验 运 行 数据 形 成 预 编 程 序 存 放 在 ECU中 。 对 发 动 机

21、实 施 整 体决 策 。 实 现 分 层 控 制 、 交 叉 控 制 集 中 控 制 系 统 只 有 在 网 络 数 据 总 线 技 术 的 支 撑下 才 能 实 现 。 网 络 数 据 总 线 在 13章 有 介 绍 。3.网 络 数 据 总 线 1） 分 层 控 制 发 动 机 整 体 控 制 目 标传 感 系 统 控 制功 能 子 系 统 控 制执 行 机 构 控 制预 期 动 力 输 出 第 一 层 ： 发 动 机 整 体 控 制 目 标 ，包 括 动 力 性 、 经 济 性 、 工 况 。 第 二 层 ： 监 测 、 获 取 发 动 机 控制 所 需 的 信 息 。 第 三 层 :功

22、 能 子 系 统 控 制 ， 确 定子 系 统 的 目 标 。 第 四 层 ： 使 发 动 机 产 生 预 期 的动 力 输 出 。 传 统 的 发 动 机 控 制 技 术 是 对 其 各 子 系 统 进 行单 独 控 制 ， 使 其 工 作 性 能 达 到 理 想 状 态 。 现 代 ECU预 存 模 式 在 统 一 信 息 集 成 的 基 础 上 ，视 情 况 采 用 并 行 方 式 对 发 动 机 其 各 子 系 统 实 施 交叉 控 制 2)交 叉 控 制 车 辆 环 境信 息 中 央 处 理ECU 发 动 机 环 境信 息点 火 控 制燃 料 供 给 控 制 排 放 控 制协 调 发

23、 动 机信 息 协 调 发 动 机与 车 辆 环 境 协 调 车 辆与 大 环 境其 它 控 制图 3-5 发 动 机 集 中 系 统 控 制3.3.3发 动 机 集 中 控 制 系 统 基 本 控 制 方 式控 制 方 式 ： 整 体 、 开 放 、 动 态 ；控 制 原 则 ： 自 上 而 下 、 先 整 体 再 局 部 、 先 宏 观 再 微 观 。 发 动 机 系 统 功 能整 体 功 能过 程 集 成 工 作 循 环 和 热 功 转 换 等 功 能 的 控 制 ：燃 料 供 应 ， 可 燃 混 合 气 形 成 ， 点 火 燃 烧 ， 以 及冷 却 、 润 滑 等 过 程 的 控 制

24、。工 作 过 程集 成 工 作 过 程 及 其 变 化 的 跟 踪 和 监 控 ：监 测 ： 环 境 信 息 、 车 辆 信 息 、 子 系 统 信 息 等 。控 制 ： A/F值 、 点 火 时 刻 、 排 放 等 。与 环 境协 调 性外 部 集 成 发 动 机 本 身 的 工 作 环 境 协 调 ；发 动 机 与 车 辆 其 它 系 统 之 间 的 环 境 协 调 ；车 辆 与 外 界 大 环 境 之 间 的 协 调 。发 动 机 集 中 控 制 系 统 特 点1） 集 成 特 点 管 理 层 次 越 高 ， 监 控 与 协 调 功 能 越 多 ， 具 体 执 行 越 少 。模 块 功

25、能功 能控 制 模 块 基 本 运 行 模 块 ， 传 统 发 动 机 各 个 机 构 的 控 制模 块 。基 本控 制 模 块 对 基 本 运 行 功 能 实 施 控 制 的 模 块 ， 发 动 机 控制 系 统 的 子 系 统 。管 理控 制 模 块 实 现 对 基 本 模 块 进 行 协 调 ， 监 控 的 模 块 。最 终控 制 模 块 实 现 集 中 决 策 、 管 理 、 监 控 与 协 调 功 能 的 模块 。2） 分 层 特 点 3） 性 能 特 点 特 点设 计规 范 性 简 化 车 辆 设 计 过 程 ： 设 计 规 范 化 、 程 序 化 ， 实现 一 致 界 面 和 一 致 性 功 能 设 置 。功 能扩 展 性 功 能 扩 展 方 便 迅 速 ： 可 方 便 地 实 现 “ 即 插 即 用” 的 功 能 扩 展 方 式 。系 统可 靠 性 系 统 的 可 靠 性 强 ： 分 层 控 制 方 式 ， 上 层 对 下 层的 监 控 提 高 了 系 统 的 容 错 能 力 。软 件复 杂 性 控 制 算 法 与 模 型 ， 网 络 计 算 机 技 术 地 支 撑 ， 增加 了 软 件 的 复 杂 性