現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)電控技術(shù)

　　汽車機(jī)電一體化—汽車電子化正逐漸成為現(xiàn)代汽車(特別是轎車)的基本特征。發(fā)動機(jī)電控作為汽車電控中的重要一環(huán)，為適應(yīng)日趨嚴(yán)格的排放、安全法規(guī)，已受到國內(nèi)外汽車廠商的高度重視，并得到了空前發(fā)展。

　　一、概述

　　現(xiàn)代轎車電控技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是現(xiàn)代控制理論。從早期的經(jīng)典控制到目前的智能控制，控制理論在汽車電控中得到了廣泛的應(yīng)用。主要有PID控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂?、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及預(yù)測控制等?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展使得電控系統(tǒng)更能適應(yīng)復(fù)雜的多變量系統(tǒng)、時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，甚至對于數(shù)學(xué)模型不甚精確的系統(tǒng)也能實(shí)施精確有效的控制。而這正是發(fā)動機(jī)電控得以實(shí)現(xiàn)的前提。就其結(jié)構(gòu)而言，電控系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制組件(ECU)、執(zhí)行器 3個部分組成。傳感器作為輸入部分，用于測量物理信號(溫度、壓力等)，將其轉(zhuǎn)換為電信號;ECU的作用是接收傳感器的輸入信號，并按設(shè)定的程序進(jìn)行計(jì)算處理，輸出處理結(jié)果;執(zhí)行器則根據(jù) ECU輸出的電信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使之按要求變化。

　　(一)電子控制組件(ECU)

　　ECU以微機(jī)為中心。還包括前置的A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號緩沖器以及后置的信號放大器等。微機(jī)運(yùn)算速度快、精度高，能實(shí)時控制，并具備多中斷響應(yīng)等功能。目前除了8位、16位微機(jī)外，32位特別是64位微機(jī)已開始逐步使用。而且，不僅有通用型微機(jī)和單片機(jī)，專用的汽車微機(jī)也已研制出來。正是微機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展促進(jìn)了汽車電控技術(shù)的不斷完善?？梢哉f，當(dāng)前 ECU的發(fā)展總趨勢是從單系統(tǒng)單機(jī)控制向多系統(tǒng)集中控制過渡。不久以后，汽車電控系統(tǒng)將采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)、車身電控系統(tǒng)、底盤電控系統(tǒng)及信息與通信系統(tǒng)等各系統(tǒng)的ECU相聯(lián)結(jié)，形成機(jī)內(nèi)分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)汽車電子綜合控制。

　　(二)傳感器

　　汽車傳感器的工作條件極為惡劣，因此，傳感器能否精確可*地工作至關(guān)重要。近年來在該領(lǐng)域中，理論研究及材料應(yīng)用發(fā)展較為迅速，半導(dǎo)體和金屬膜技術(shù)、陶瓷燒結(jié)技術(shù)等迅猛發(fā)展。毋庸置疑，智能化、集成化和數(shù)字化將是傳感器的未來發(fā)展趨勢。

　　(三)執(zhí)行器

　　執(zhí)行器用來精確無誤地執(zhí)行 ECU發(fā)出的命令信號。因此，執(zhí)行器工作的精確與否將最終影響電控的成敗，正因如此，其工作可靠性和精確性一直作為研究重點(diǎn)而倍受關(guān)注。目前，汽車電控系統(tǒng)的執(zhí)行器類型繁多，有電磁閥、電動機(jī)、壓電元件、點(diǎn)火器、電磁繼電器、熱電偶等，結(jié)構(gòu)與功能不盡相同。執(zhí)行器的發(fā)展方向是智能化執(zhí)行器和固態(tài)智能動力裝置。

　　二、發(fā)動機(jī)電控技術(shù)及應(yīng)用

　　發(fā)動機(jī)電控技術(shù)可分為電控汽油噴射、電子點(diǎn)火、怠速控制、排氣再循環(huán)控制、增壓控制、故障自診斷、故障保險、備用控制以及其它控制技術(shù)。

　　(一)電控汽油噴射(EFI)系統(tǒng)

　　電控汽油噴射系統(tǒng)(簡稱電噴系統(tǒng))是60年代末開始發(fā)展起來的，較之早期普遍使用的化油器供油系統(tǒng)，其突出優(yōu)點(diǎn)在于空燃比的控制更為精確，可實(shí)現(xiàn)最佳空燃比;而且電噴技術(shù)提高了汽油的霧化、蒸發(fā)性能 ,加速性能更好 ,發(fā)動機(jī)功率和扭矩顯著升高。

　　目前，電噴系統(tǒng)主要采用開環(huán)與閉環(huán)控制(反饋控制)相結(jié)合的方式。對諸如暖機(jī)、怠速等需要供給濃混合氣的工況采取開環(huán)控制，此外則通過排氣管中設(shè)置的氧傳感器，測量實(shí)際空燃比來進(jìn)行反饋控制。由空氣流量計(jì)或進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器測量進(jìn)氣空氣量，由ECU根據(jù)冷卻水溫、進(jìn)氣溫度、氧傳感器信號等確定合適的空燃比，計(jì)算所需噴油量，進(jìn)而對執(zhí)行器(噴油器和電路斷開繼電器)進(jìn)行控制。按照噴油器的安裝位置的不同，電噴系統(tǒng)可分為3種型式：單點(diǎn)噴射(SPI)、多點(diǎn)噴射(MPI)和缸內(nèi)直接噴射。單點(diǎn)噴射用 1～2個噴油器安裝在進(jìn)氣管節(jié)氣門處。多點(diǎn)噴射將各個噴油器分別安裝在各缸的進(jìn)氣歧管中，使各缸混合氣分配較均勻，故而在轎車中應(yīng)用較廣。并且，按照其噴油時序的不同，多點(diǎn)噴射又可細(xì)分為同時噴射、分組噴射和順序噴射 3種，其中順序噴射使噴油器能按各缸的點(diǎn)火順序進(jìn)行噴油，每循環(huán)噴一次，該種方式較前兩種應(yīng)用效果更好。缸內(nèi)直噴特別是四沖程汽油機(jī)缸內(nèi)直噴是當(dāng)前轎車汽油噴射中的前沿技術(shù)，最早由日本三菱公司研制開發(fā)，其噴油器安裝在氣缸蓋上，工作時直接將汽油噴入氣缸內(nèi)進(jìn)行混合燃燒。直噴技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大大降低了汽油機(jī)的油耗，動力性能也較多點(diǎn)噴射更為優(yōu)越;同時，配合其他機(jī)構(gòu)，使得高空燃比稀燃技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

　　(二)電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)

　　早在 2 0世紀(jì)初 ,點(diǎn)火系統(tǒng)在汽車發(fā)動機(jī)上已開始應(yīng)用，從有觸點(diǎn)式、普通無觸點(diǎn)式、集成電路式，發(fā)展到現(xiàn)今的微機(jī)控制電子點(diǎn)火系統(tǒng)。微機(jī)控制電子點(diǎn)火系統(tǒng)可控制并維持發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角(ESA)在最佳范圍以內(nèi)，使汽油機(jī)的點(diǎn)火時刻更接近于理想狀態(tài)，進(jìn)一步 挖掘發(fā)動機(jī)的潛能。

　　在微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)中，目前出現(xiàn)了一種無分電器點(diǎn)火(DLI)系統(tǒng)，它取消了普通微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)中的分電器，改由 ECU內(nèi)部控制各缸配電。這樣點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的高壓電，不需經(jīng)過分電器分配，直接就送至火花塞發(fā)生點(diǎn)火。無分電器點(diǎn)火系統(tǒng)可消除分火頭與分電器蓋邊電極的火花放電現(xiàn)象，減少電磁干擾。無分電器點(diǎn)火系統(tǒng)根據(jù)點(diǎn)火順序的不同，有兩缸同時點(diǎn)火和各缸獨(dú)立點(diǎn)火兩種。在兩缸同時點(diǎn)火方式中，每兩缸一組，合用一個點(diǎn)火線圈，所有缸體分成若干組按組依次進(jìn)行點(diǎn)火;在各缸獨(dú)立點(diǎn)火方式中，每缸的火花塞都設(shè)有單獨(dú)的點(diǎn)火線圈(特別是隨著超小型塑料包裝的點(diǎn)火線圈的出現(xiàn)，使之與火花塞合為一體)，這樣各缸可依次輪流點(diǎn)火。

　　在發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火控制中，同樣采用了開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的控制形式。起動階段的點(diǎn)火時刻由ECU中的專門信號進(jìn)行開環(huán)控制;正常運(yùn)行期間，則通過增設(shè)爆震傳感器進(jìn)行爆震反饋控制，根據(jù)爆震傳感器的反饋信號調(diào)整點(diǎn)火時刻使發(fā)動機(jī)在臨界爆震狀態(tài)。

　　(三)怠速控制(ISC)系統(tǒng)

　　怠速性能的好壞是評價發(fā)動機(jī)性能優(yōu)越與否的重要指標(biāo)，怠速性能差將導(dǎo)致油耗增加，排污嚴(yán)重，因此，需進(jìn)行必要的控制?，F(xiàn)代轎車中一般都設(shè)有怠速控制系統(tǒng)，由ECU控制并維持發(fā)動機(jī)怠速在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。因此，怠速控制通常是指怠速轉(zhuǎn)速控制，其實(shí)質(zhì)就是對怠速工況時的進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)(同時配合噴油量及點(diǎn)火提前角的控制)。 怠速控制的基本原理是 ECU根據(jù)冷卻水溫、空調(diào)負(fù)荷、空檔信號等計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，同時檢測節(jié)氣門全關(guān)信號及車速信號，判斷是否處于怠速狀態(tài)，確認(rèn)后則按目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差值來驅(qū)動執(zhí)行器調(diào)整控制進(jìn)氣量。

　　目前，除了怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制之外，怠速控制還可以實(shí)現(xiàn)起動控制、暖機(jī)控制以及負(fù)荷變化控制等功能，這樣多種功能的集中，不僅簡化了機(jī)構(gòu)，而且也提高了怠速控制的精確性。