现代轿车发动机电控技术解析

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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。

　　（四）排气再循环（EGR）电控系统

　　国外的早期研究发现，将少量的排气（5%～20 %）再次循环进入气缸与新鲜可燃混合气混合后燃烧，可有效抑制 NOx 的产生。事实上，除了可采用气门重叠产生排气回流的内部EGR方式外，更常用的措施是用专门的管道将部分排气引至进气管，由ECU控制EGR阀改变流通截面来调节排气量，实现再循环排气率的变化。通常在发动机暖机、怠速、低负荷、高负荷等工况不需进行EGR控制。

　　EGR控制的一般过程是：ECU根据发动机的转速、节气门开度、冷却水温等信号，计算最佳再循环排气率，再通过控制 EGR阀的开度来实现EGR控制。而ECU对EGR阀的控制，实质上是通过对真空调节阀的控制来实现的。真空调节阀一般是电磁式的，用于将ECU输出的电信号转换为气压变化，从而实现对气动式EGR阀的控制。并且，ECU还通过压力传感器测量再循环排气率信号来进行反馈控制。在实施反馈控制时，最初使用的是独立式压力或压差传感器，而今又出现了与EGR阀共为一体的EGR位置传感器，提高了控制精度。

　　（五）增压电控系统

　　发动机中增压系统的安装日渐增多，其目的是为了提高进气效率。电控增压系统的研制开发使增压技术又跨上了一个新台阶。目前，应用较普遍的是电控废气涡轮增压系统。通常增压器是为与发动机低速小负荷工况相匹配而设计的，当发动机大负荷运行时容易导致增压器超速运行而损坏，为此，电控废气涡轮增压系统专门在排气管中废气涡轮室处增加了一旁通气道，由ECU控制切换阀的开度大小进行调整。通常情况下切换阀闭合，废气通过涡轮气室排出；一旦发动机大负荷运行将导致废气涡轮转速升高，当进气压力超过限值，ECU便会通过相应机构开启切换阀，使旁通气道导通，废气不经涡轮室而直接由旁通气道排出，增压器停止工作。

　　（六）故障自诊断系统

　　现代轿车发动机的电控系统中，ECU一般都带有故障自诊断系统，自行监测、诊断发动机控制系统各部分的故障。对于传感器，可通过检测其信号是否超出规定范围来直接进行判断；对于执行器，则在其初始电路中增设专门回路来实现监测，对于ECU本身，也有专用程序进行诊断。

　　故障自诊断系统时刻监测各控制系统的工作情况，当出现故障时，一般轿车仪表板上的故障指示灯可闪烁报警，同时将故障信息以代码的形式保存在微机的存储器中，维修时不仅可以通过故障指示灯间断闪烁来显示，也可以通过专用的检测仪器以数字的形式显示故障代码，以便进一步通过手册查出故障原因。自诊断系统很好地解决了复杂电控系统难以判断故障的问题。

　　（七）故障保险系统及故障备用控制系统

　　当自诊断系统检测出传感器及其电路故障后，ECU中的故障保险系统随之自动启动发挥作用。故障保险系统会用程序设定的数据取代故障部分输入的非正常信号，进行直接控制。故障保险系统一般通过软件编程来实现。


　　而当微机或主要传感器（如进气歧管压力传感器）出现故障时，ECU立即将主控权由微机切换至故障备用系统中，由其代替微机工作。故障备用系统作为 ECU的一个集成电路模块，根据起动信号和怠速触点状态信号，一般只能确定维持汽车运行的最简单的控制方案，保证轿车“缓慢回家”以便修理，而不能达到微机控制时的最佳性能。

　　（八）其他电控系统

　　1．进气涡流电控系统进气涡流可以促进汽油蒸发以及与空气的均匀混合，提高燃烧效率。电控进气涡流在某些轿车（特别是采用稀燃技术的轿车）上应用较多。其结构是在进气口附近增设一涡流控制阀，通过ECU采集转速、节气门开度、冷却水温等信号，并加以处理后控制其旋转角度，引导气流偏转产生涡流，调节涡流比，实现涡流控制。

　　2．可变进气控制系统可变进气控制系统是从增加进气量、提高进气效率的角度出发来改善发动机动力性能的，该系统有两种类型：一种是可变流通面积控制方式，它通过ECU控制安装在进气管道中的控制阀的旋转角度来改变其进气流通截面，满足不同工况对进气量的需求；另一种是可变流通长度控制方式，由ECU控制进气管道中的控制阀来调整进气管的长度。实践证明，可变进气控制系统可增强发动机动力性和经济性。

　　3．进气温度预热控制系统 进气温度预热控制系统通过调节低温起动时的进气温度来促进汽油蒸发，改善排放性能。预热方式主要有排气管预热、水温预热和正温度元件（PTC）预热3种型式。

　　4．燃油蒸发电控系统燃油蒸发电控系统用来降低燃油箱中汽油蒸气排向大气所造成的污染。目前，活性炭罐蒸发电控装置得到了广泛应用。停车期间，利用活性炭罐吸收汽油蒸气，防止向大气扩散；发动机运行后，ECU控制活性炭罐与进气管之间的导通，利用进气真空度将活性炭罐中吸附的汽油蒸气吸入进气管，这样可有效防止汽油蒸气的外逸，降低 HC的排放污染。

　　5．曲轴箱强制通风电控系统曲轴箱强制通风电控系统的目的是将气缸中经活塞环间隙渗入曲轴箱内的气体再次循环进入进气管中，以减少该部分气体直接排向大气造成的污染。现代电控系统中，由ECU根据节气门位置信号、转速信号等控制强制通风阀，从而实现曲轴箱内气体与进气管之间的导通，再利用曲轴箱内气体。

　　6．二次空气喷射系统二次空气喷射作为早期控制污染物排放的措施之一，目前与催化转换器配合使用。它同样由ECU控制二次空气喷射气道的导通，将空气引入催化转换器中，实现对 NOx、CO、HC的转变。在将空气引入排气管的方式中，除了空气泵控制外，还可用排气脉冲波来实现。另外，随着研究的进一步深入，又出现了许多新技术。如停缸控制，它可根据负荷的不同要求，停止部分气缸的燃油供给与点火控制，减少浪费，提高发动机效率；再如加速踏板电控系统，可避免机械式加速踏板因为磨损而产生的误差，增加控制精度。

　　三、结束语

　　从上述发动机电控系统的应用技术中不难看出，轿车汽油发动机的微机控制时代已经来临，并且，随着微机、电子技术的日臻完善以及材料工艺的蓬勃发展，再加上控制理论的不断成熟完善，发动机电控技术有望取得更大的突破。因此，可以确切地讲，发动机电控技术的开发研究仍将是2 1世纪汽车工业的重要课题。