控制系统.docx

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控制系统

课时授课计划

授课日期

班级组别

课题：

控制系统

课程要求及目的

1.了解电控发动机中电子控制系统的组成

2.掌握各部件的安装位置、结构、工作原理

3.了解电控单元的组成

4.了解开关信号的功用

5.汽油喷射控制的内容

参考书

《汽车电控发动机构造与维修》

《汽车发动机电控系统的万用表检测》

《丰田亚洲龙轿车维修手册》

《本田轿车维修手册》

教学重点

1、发动机曲轴位置及转速传感器的工作原理

2、汽油喷射控制的内容

教学难点

1、发动机曲轴位置及转速传感器的工作原理

2、汽油喷射控制

教学方法

讲授法、演示法

教学准备

1.教材、教案及相关教学资料

2.教学用多媒体

3.曲轴位置传感器、温度传感器、车载电脑实物

4.电控发动机两台

教学过程

课堂组织：

分钟

复习旧课：

分钟

1.燃油供给系的组成

2.内装泵的优点

3.滚柱泵的工作特点

4.油泵控制的类型

讲授新课：

分钟

控制系统

示范操作及学生练习：

分钟

1.曲轴/凸轮轴位置传感器的检测

2.温度传感器的检测

导入新课

在电控汽油机中，ECU必须利用各种传感器对发动机运行状况的反映，对喷油量、喷油时刻、点火时刻进行确定和修正。

参数包括：

发动机曲轴位置及转速、基准汽缸的活塞位置、发动机热状态、进气温度、汽车的车速、发动机是否处于起动状态等。

讲授新课

一、发动机曲轴位置及转速传感器

空气流量计测出的单位时间的空气流量，ECU需要把单位时间的空气流量换算成每一循环发动机吸入的空气量，然后用于确定基本喷油量。

一）功用

检测曲轴转角信号（转速信号），并输入ECU，作为点火和燃油喷射的主控信号。

确定各缸的喷射顺序和时刻、选择最佳点火时刻需要知道基准汽缸的活塞位置。

二）分类

电磁脉冲式、霍尔效应式、光电式

1.磁脉冲式曲轴位置及转速传感器

1）结构：

安装在曲轴前端的皮带轮之后，在皮带轮后端设置一个带有细齿的薄圆盘，称为信号盘。

信号盘和曲轴皮带轮一起装在曲轴上，随曲轴一起旋转。

信号盘的外缘，沿着圆周每隔4°加工1个齿，共90个齿。

此外，在信号盘的外缘内侧以120°间隔布置3个凸缘。

安装在信号盘边沿的传感器盒是产生电信号的信号发生器，信号发生器内有3个在永久磁铁上绕有线圈的磁头，其中磁头②产生120°信号，磁头①和磁头③共同产生曲轴1°信号。

信号发生器内有信号放大与整形电路，通过电缆与外部四孔电连接器相连。

孔“1”为120°信号输出线，孔“2”为信号放大与整形电路的电源线，孔“3”为1°信号输出线，孔“4”搭铁线。

通过该连接器将信号传送到ECU。

2）工作原理

发动机工作时，信号盘的齿和凸缘使感应线圈内磁场发生变化，从而在感应线圈内产生交变的电动势，经滤波整形后，即变为脉冲信号。

发动机旋转一周，磁头②产生3个120°脉冲信号，磁头①和③交替产生90个脉冲信号。

由于磁头①和③间隔3°曲轴转角位置安装，而磁头①和③都是每隔4°产生一个脉冲信号，将这两个脉冲信号送人信号放大与整形电路合成信号，即可产生曲轴1°转角的信号，如图所示。

产生120°信号的磁头②安装在上止点前70°的位置，故发动机运转过程中，各缸在上止点前70°时，磁头②都会产生一个脉冲信号。

2.霍尔效应式曲轴位置传感器

1）霍尔效应原理

在磁场中，当电流以垂直于磁场方向通过置于磁场中的半导体基片（称霍尔元件）时，在垂直于电流和磁场的霍尔元件的横向侧面上，即产生一个与电流和磁场强度成正比的电压（如图所示），此电压称为霍尔电压UH。

2）霍尔原理的应用

当结构一定，且电流I为定值时，霍尔电压UH与磁场强度B成正比。

霍尔效应式曲轴位置传感器就是通过触发叶片或轮齿改变霍尔元件所受的磁场强度，从而使霍尔元件产生脉冲电压信号，经放大整形后即为所需的曲轴位置信号。

3）轮齿触发霍尔式曲轴位置传感器

轮齿触发霍尔式曲轴位置传感器主要由具有触发轮齿的信号盘和霍尔传感器组成，它们为ECU提供计算曲轴转角和发动机转速所需的信息。

具有触发轮齿的信号盘安装在变速器输入端，霍尔传感器安装在变速器喇叭壳体上。

曲轴位置传感器的结构原理如图所示。

四缸发动机的信号盘有两组相隔180°的轮子齿组，每组有四个齿槽。

一组中相邻齿槽间隔角度与四缸机相同。

当信号盘上的齿槽通过霍尔传感器时，霍尔传感器输出高电位（5v）。

当轮齿中心线与传感器感应头中心成一直线时，霍尔传感器输出低电位（0.3v），当一个齿槽和一个轮齿通过霍尔传感器，霍尔传感器便产生一个高低电位脉冲信号。

信号盘上的一组轮子齿组通过霍尔传感器时，霍尔传感器将产生一组脉冲信号，每组由四个脉冲信号构成。

对于四缸发动机，曲轴每转一转产生两组脉冲信号，六缸发动机则产生三组脉冲信号。

由于信号盘或霍尔传感器安装的正时关系，ECU从接受到一组脉冲信号的第一个脉冲信号上升沿开始，就能确定现在有两个气缸的活塞正在向上止点运动，对于六缸发动机也相同。

由于第四个脉冲信号的下降沿与活塞位于上止点前4°的位置相对应，因此，ECU根据一组脉冲中第一个脉冲的下降沿，就能确定正在向上止点运动的两个活塞当前的运行位置。

另外，ECU通过对各脉冲间通过时间的计算，也能计算出1°曲轴转角和发动机的转速。

4）霍尔式同步信号传感器

在发动机运行过程中，同步信号传感器产生与曲轴位置传感器信号对应的同步信号。

ECU根据同步信号传感器输出的同步信号，能对基准气缸正在进行的工作过程及活塞所处位置作出判断。

结合曲轴位置传感器输出信号，就能保证发动机喷油和点火的正时及顺序。

对于有分电器电控点火系统，霍尔式同步信号传感器一般安装在分电器内。

对于无分电器点火系统，霍尔式同步信号传感器则安装在凸轮轴上。

霍尔式同步信号传感器安装在分电器内，由脉冲环和霍尔传感器组成。

脉冲环是一个半周环（180°），通过环座安装在分电器轴上，随分电器轴与曲轴同步旋转，当脉冲环进人霍尔传感器时，同步信号传感器输出高电位（5V），当脉冲环离开霍尔传感器时，同步信号传感器输出低电位（0v）。

分电器转一周，高低电位各占180°（各相当于360°曲轴转角）。

当脉冲环的前沿进入霍尔传感器时，同步信号传感器输出5V高电位信号，对四缸发动机，表示正在向上止点运动的是第1、第4缸活塞，其中1缸活塞为压缩行程，4缸活塞为排气行程。

对六缸发动机，表示下面将要到达上止点的是3、4缸活塞，其中3缸活塞为排气行程，4缸活塞为压缩行程。

当脉冲环的后沿离开信号发生器时，同步信号传感器输出0V低电位信号，对四缸发动机，表示下面将要到达上止点的仍是1、4缸活塞，但工作行程相反，其中1缸活塞为排气行程，4缸活塞为压缩行程。

对六缸发动机，则3缸活塞为压缩行程，4缸活塞为排气行程。

由上可知，同步信号传感器产生的高低电位信号输入ECU后，可以对l、4缸（四缸发动机）或3、4缸（六缸发动机）的活塞和正在进行的工作过程作出判定和定位。

同步信号与曲轴位置（转速）信号相配合，ECU就可以确定正确的喷油、点火正时和顺序。

如当同步信号上升沿出现时，ECU可以判定当前4缸活塞（四缸发动机）或3缸活塞（六缸发动机）处于排气行程，此时根据曲轴位置信号，当活塞行至上止点前64°时ECU发出喷油信号，使4缸或3缸的喷油器喷油。

同样，同步信号上升沿的出现，还标志着1缸活塞（四缸发动机）或4缸活塞（六缸发动机）处于压缩行程，此时ECU根据发动机的负荷和转速等输入信号，在活塞上行至压缩上止点前的适当时刻，发出点火信号，使该缸火花塞点火。

同理，同步信号的下降沿出现时，两缸活塞工作行程正好相反，ECU以此为依据对两缸进行正确的喷油和点火控制。

同样，利用同步信号提供的判缸信号，按照发动机的工作顺序（四缸机为1—3—4—2，六缸机为1—5—3—6—2—4），ECU也能对其他相应气缸喷油和点火的正时进行精确的控制。

对于无分电器的电控汽油机，同步信号传感器通常安装在凸轮轴上，位于气缸盖前端凸轮轴链轮之后。

霍尔传感器的基本构造与安装在分电器内部的相同，由一个半周（180°）的脉冲环和霍尔传感器组成，其工作原理也与安装在分电器内的相同。

3.光电式曲轴位置传感器

光电式曲轴位置传感器是应用光电原理来检测曲轴转角的一种传感器日产公司开发的一些电控汽油机采用这种形式的曲轴位置传感器。

光电式曲轴位置传感器安装在分电器内，它由信号发生器和带光孔的信号盘组成。

信号盘安装在分电器轴上，信号盘的外围刻有360条光孔，产生1°曲轴转角信号。

外围稍靠内间隔60°刻有6条光孔，产生120°信号（判缸信号），其中有一个光孔较宽，它与基准缸1缸压缩行程活塞的某一位置相对应。

信号发生器安装在分电器上，主要由两只发光二极管、两只光敏二极管和整形电路组成，如图所示。

两只发光二极管分别正对着两只光敏二极管，以光敏二极管为照射目标。

信号盘位于发光二极管和光敏二极管之间，当信号盘随分电器轴旋转时，因信号盘上有光孔，于是产生透光和遮光的交替变化。

当发光二极管的光束照射到光敏二极管上时，光敏二极管感光产生电压；当发光二极管的光束被遮挡时，光敏二极管的电压为零。

将光敏二极管产生的脉冲电压送至整形电路放大整形后，信号发生器向ECU输出表示曲轴转角和活塞位置及工作过程的1°曲轴转角信号和120°判缸信号。

因信号发生器安装正时关系，120°判缸脉冲信号出现时，活塞位于压缩上止点前70°。

发动机每转两圈，分电器轴转一圈，则1°信号发生器输出360个脉冲，每个脉冲周期的高低电位分别对应1°曲轴转角。

与此同时，120°信号发生器在各缸压缩上止点前70°产生一个脉冲，共六个脉冲信号。

ECU根据这些信号就能对各缸的喷油和点火进行正确的控制。

三）曲轴位置传感器常见故障及对发动机的影响

1.磁脉冲式曲轴位置传感器的常见故障有：

信号感应线圈短路、断路；信号盘齿圈间有脏物；磁头①、②、③位置移动，使磁头和信号盘之间的气隙不当，造成信号减弱或无信号而不能触发ECU工作，点火系统不能产生火花，点火正时、喷油正时不正确，影响发动机正常工作。

2.霍尔式曲轴位置传感器的常见故障有：

内部集成块烧坏及线路断脱等而不能产生点火电压信号或信号太弱，从而使电控喷油和电子点火系统不能正常工作。

3.光电式曲轴位置传感器的常见故障有：

发光二极管、光敏二极管沾污、损坏；信号盘上的光孔或弧形槽残缺、信号盘翘曲造成脉冲信号变形；内部电路断路或接触不良等，使信号减弱、变形或无信号产生，造成发动机不能正常工作。

二、温度传感器

为了判定发动机的热状态，计算进气质量流量以及排气净化处理，汽油机电控系统中需设置能够连续精确地测量冷却水温度、进气温度与排气温度的传感器。

一）水温传感器

水温传感器是检测发动机冷却水温度的传感器，安装在发动机冷却水通路上，传感器将冷却水的温度以电信号的形式输送到ECU。

ECU就能根据冷却水温度对汽油的喷射量进行修正。

二）进气温度传感器

进气温度传感器是检测发动机吸人空气温度的传感器，对于翼片式和卡门旋涡式空气流量计，由于吸人空气的密度随温度的变化而变化，因此需要根据进气温度对喷油量进行修正。

这时通常将进气温度传感器安装在空气流量计的空气测量部位。

常用的温度传感器有绕线电阻式、热敏电阻式、扩散电阻式、半导体晶体管式金属心式和热电偶式等。

目前应用较多的是热敏电阻式温度传感器。

热敏电阻式温度传感器是利用半导体材料的电阻随温度变化而改变的特性制成的。

按其电阻-温度特性的不同特点，有NTC（负温度系数）和PTC（正温度系数）两种。

负温度系数热敏电阻的阻值随温度的升高而降低，正温度系数热敏电阻则相反。

一般热敏电阻式温度传感器使用温度范围在300℃以内，也有像氧化锆那样的高温型热敏电阻式传感器。

热敏电阻式传感器的响应特性比绕线电阻式传感器优良，因而被广泛地应用于冷却水和进气温度的检测；热敏电阻式传感器的主要缺点是线性较差。

三）温度传感器常见故障

电路断路、温度传感器损坏等，温度传感器或其线路产生故障，会造成车辆热怠速不良、怠速不稳、燃烧不良、行驶无力等。

三、开关信号

一）起动信号

起动信号（STA）用来判断发动机是否处在起动状态。

在起动时，进气管内混合气流速慢，温度低，燃油雾化不良，为了改善起动性能，在发动机起动时必须增加喷油量以加浓混合气。

起动开关接通，ECU便检测到STA信号，确认发动机处于起动状态，即自动增加喷油量。

二）空档起动开关信号

在装有自动变速器（A／T）的汽车中，ECU利用空档起动开关信号（NSW）判定变速器的档位，识别变速器是处于“P”或“N”（停车或空档），还是处于“L”、“2”、“D”或“R”状态（行驶状态）。

NSW信号主要用于怠速系统的控制，ECU通过对NSW信号的识别，对怠速系统进行控制，在发动机处于过渡工况时，修正喷油量。

三）空调信号

空调信号（A／C）用来检测空调压缩机是否工作。

空调信号与空调压缩机电磁离合器的电源接在一起，空调压缩机工作时，向ECU输送高电平信号，ECU根据A／C信号控制发动机怠速时的点火提前角、怠速转速、断油转速及修正怠速时喷油量等。

四、电控单元

ECU主要由输入通路、A／D（模拟／数字）转换器、微型计算机和输出通路四部分组成。

1.输人通路

输人通路的作用是将系统中各传感器检测到的信号经输入／输出（I／O）接口送人微型计算机，使计算机能对汽油机运行工况进行实时检测和控制。

在控制过程中，需要检测与输入的传感器信号有模拟信号和脉冲数字信号两种。

对于这两种不同类型信号，输人ECU后的处理方法也不一样。

2.A／D转换器（模拟／数字转换器）

A／D转换器的作用是将对微机不能直接处理的模拟信号转换成数字信号，再输人微机。

3.微型计算机

微型计算机的作用是根据汽油机运行工况的需要，把各种传感器送来的信号用内存中的处理程序和数据进行运算处理，并把处理结果送往输出通路。

微型计算机由中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输人／输出接口（I／O）及总线等构成，如图所示。

4.输出通路

微机输出的是数字信号，且输出电压较低，用这种输出信号一般不能驱动执行元件进行工作。

因此需采用输出通路，将其转换成可以驱动执行元件的输出信号。

在汽油机电控系统中，由输出通路输出的控制信号有喷油器驱动信号、点火控制信号和电动汽油泵驱动信号。

五、汽油喷射控制

汽油的喷射控制包括喷油正时控制、喷油持续时间（即喷油量）控制和断油控制三个方面。

1.喷油正时控制

所谓喷油正时控制就是喷油器开始喷油时刻的控制。

多点间歇喷射汽油机的喷油时刻控制可分为同步喷射方式和异步喷射方式两种。

所谓同步喷射方式，即汽油的喷射与发动机旋转同步，ECU根据曲轴的转角位置控制开始喷射的时刻，同步顺序喷射正时控制如图所示。

发动机处于稳定工况的大部分运转时间，喷射控制系统以同步方式工作。

所谓异步喷射方式，即ECU只是根据相关传感器输入的信号，控制开始喷油时刻，而与曲轴的转角位置无关。

异步喷射方式是一种临时的补偿喷射，发动机处于起动、加速等非稳定工况时，喷射控制系统以异步喷射方式工作或增加异步喷射，对同步喷射的喷油量进行补偿。

2.喷油持续时间（即喷油量）控制

电控汽油喷射系统对喷油量控制的核心是精确地确定和控制喷油的持续时间。

根据发动机的运行特点，喷油持续时间控制分为起动时喷射持续时间的控制和起动后喷油持续时间的控制

1）发动机起动时喷油持续时间的控制

发动机起动时，ECU不能用进气量来计算喷油量，起动时油量控制的方式，视发动机的热状态而异。

（1）冷起动时喷油持续时间的控制

起动发动机时，ECU根据当时发动机的水温，从预存在的温度一喷油时间数据表中找出相应的基本喷油持续时间。

ECU再根据进气温度和蓄电池电压对基本喷油时间进行修正，得到起动过程实际的喷油持续时间，这部分喷油为同步喷射。

有些电控汽油机中的ECU还能根据发动机水温，同时进行一定量的异步喷射，以补充冷起动过程对燃油量的额外要求。

（2）高温起动时喷油量的修正

汽车高速行驶后停车再次热起动时，由于发动机对燃油的加热作用，喷油器内的汽油中含有汽油蒸气，导致混台气变稀，为此必须进行高温起动时喷油量的修正。

2）起动后发动机喷油持续时间的控制

起动后喷油持续时间由根据循环空气质量确定的基本喷油持续时间和由发动机运行状态参数决定的修正喷油持续时间构成。

其计算公式表示如下：

T=Tp*Fe+Tv

式中：

T——喷油持续时间（ｍs）；

Tp——基本喷油持续时间（ms）；

Fe——与发动机运行状态有关的综合修正系数；

Tv——喷油器无效喷射持续时间（ms）。

（1）基本喷油持续时间Tp的确定：

　基本喷油持续时间Tp是ECU为了达到目标空燃比，由计算求得的喷油持续时间。

目标空燃比（A/F）目标一般取14.7。

（2）基本喷油持续时间综合修正系数Fe

基本喷油持续时间综合修正系数Fe包括暖机过程的喷油量修正；怠速稳定性修正；大负荷工况时的喷油量修正；加速工况时的喷油量修正；目标空燃比反馈修正系数F0；学习空燃比控制产生的修正系数FL。

（3）电源电压修正

通常把开启滞后与关闭滞后的差值称为无效喷射时间。

蓄电池电压低，修正时间长；蓄电池电压高，修正时间短。

3）起动后异步喷射控制

汽车急加速时，ECU除了对同步喷射进行加速时燃油增量修正外，还控制喷油器进行异步喷射，以提高汽车的加速性能。

3.断油控制

断油控制是指ECU停止向喷油器驱动电路发送喷射信号，喷油器暂停工作。

电控汽油机中，ECU停油控制基于两种情况：

①以降低燃油消耗，改善排气污染为目的的减速断油控制；

②以防止发动机超速损坏为目的的超速断油控制。

总结巩固新课：

分钟

1.曲轴位置传感器的类型

2.电磁脉冲式曲轴位置传感器的工作原理

3.温度传感器的功用

4.电控单元的组成

5.汽油喷射控制的内容

示范操作：

分钟

一、发动机冷却水温度传感器的检测

如果水温传感器本身或其线路故障，将导致发动机冷车或热车起动困

难、怠速不稳、耗油量和废气排放量增加。

1．万用表检测

（1）在线检测

脱开水温传感器插头，打开点火开关，但不要起动发动机。

用万用表测量THW与E2端的电压，应为5V。

若无电压，则应检查ECU连接器端子THW与E2的电压。

若无5V电压，应检查发动机ECU的电源电路和搭铁电路，若正常，则更换ECU。

将插头插回，起动发动机，测量传感器端子THW与E2之间在不同温度下的电压，其电压值应随冷却液温度的升高而逐渐降低。

对丰田车，当水温在20℃时，电压值为1-3V；80℃时电压为0．2-1.0V。

（2）元件检测

拆下水温传感器，将水温传感器置于热水中。

用万用表测量不同温度下水温传感器两端子之间的电阻值，其值应符合规定，否则应更换传感器。

如丰田汽车水温传感器在20℃时，电阻为2．2kΩ；80℃时为0．25kΩ。

2．示波器检测

在菜单中选择通用传感器，示波器黑表棒接E2，红表棒接THW，显示波形应如图所示。

信号电压随发动机温度升高而逐渐下降。

二、进气温度传感器的检测

如果进气温度传感器本身或其线路故障，将导致发动机起动困难、怠速不稳、废气污染物排放量增加，其检测方法同水温传感器。

三、电磁感应式曲传的检测

1、检查导磁转子（或齿轮）与线圈铁心（定子）之间的气隙，气隙不合适，可用与调整触点式分电器触点间隙类似的方法来调整，有的此间隙是不可调的，这时只能更换传感器总成。

1-信号盘2-传感器3-永久磁铁4-感应线圈5-电控单元

2、检查感应线圈的电阻，用万用表欧姆档测量感应线圈的电阻，电阻若为无穷大，则说明线圈断路，电阻为零，则说明线圈短路，过大或过小都需要更换总成。

3、检查传感器输出信号，用万用表电压档或示波器，在发动机转动（或用手转动分电器轴）时，测量电磁感应式发动机曲轴位置传感器的输出电压情况。

用电压表测量时，电压应在一定范围内摆动；用示波器检查时，波形应均匀无缺陷。

四、霍尔式曲传的检测

对于霍尔式传感器，可用检测其输出信号电压或波形的方法来判断其是否工作良好，方法如下：

1.点火开关置于OFF位置

2.拔开霍尔传感器的导线插头，并用导线将线束侧插头与传感器侧插头的电源端子相连；

3.将交流电压表（或示波器）的两个表笔分别搭接在传感器的信号输出端子上，对霍尔传感器的输出信号电压进行测量；

4.观察交流电压表的读数（或示波器的波形），交流电压表的读数应在7-14V的范围内（示波器输出均匀的脉冲波形）。

如果交流电压表的读数不在正常范围内，应检查相应的霍尔传感器与齿之间的间隙，标准值为0.2-0.5mm，否则进行必要调整。

北京切诺基汽车同步信号传感器电路如下图所示，维修时，拆开传感器线束连接器，将点火开关转至“ON”位置，检查传感器电源端子A与C之间电压应为8V；发动机转动时，检查信号端子B与C之间输出的信号电压应为5V和0V交替变化；若不符合规定应首先检查线路是否有故障，必要时更换传感器。

五、光电式曲传的检测

点火开关转至“ON”位置，检测电脑侧1和2端子间电压为12V，给传感器施加12V电压，正在信号输出端子3和4与1之间接上电流表，转动转子一圈，两个电流表应分别摆动1次和4次，电流应约为1mA。

安全措施：

分钟

1.讲解安全措施

2.在使用示波器时，先连接仪器再调取波形

3.在起动发动机时注意通知其他同学

4.在使用万用表时，使用电阻档和通断档时应将点火开关关闭，以防损坏电子元件。

巡回指导：

分钟

1.教育学生爱护教具，以防损坏

2.重点让学生掌握操作步骤和方法

3.发现问题及时指导

4.保持有序操作，不许大声喧哗

5.课间停止操作，关闭电源，收回点火开关钥匙

结束指导：

分钟

1.总结实习操作情况

2.讲解操作中发现的共性问题

3.讲授操作重点

布置作业

1.《汽车电控发动机构造与维修习题集》控制系统部分

2.实习报告：

电磁脉冲式曲轴位置传感器的检测

3.实习报告：

光电式曲轴位置传感器的检测

4.实习报告：

温度传感器的检测

执行情况及体会

系主任签字：

年月日