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汽车传感器
第七章发动机点火及其它控制
第一节发动机点火控制系统
一、点火控制系统的发展
点火系统最基本的原理是通过断电开关控制点火线圈一次电流的大小和断电时间,从而控制点火的能量和时刻,保证发动机汽缸内的混合气彻底燃烧。
在传统的化油器式汽油机中,点火控制系统经过了传统式(触点式)向无触点式发展的过程。
在这一过程中,系统的分电器仍一直采用机械式离心和真空提前机构来控制发动机的点火提前角。
随着EFI系统的出现和发展,点火控制系统开始采用电控点火装置(ESA)。
它可以使发动机在任何工况下均处于最佳点火提前状态,并实现3方面的功能:
通电时间控制,点火提前角控制和爆震控制。
二、电子点火控制系统
现代点火控制系统都是计算机控制的电子控制系统。
它可以分为两大类,一类是有分电器的,一类是没有分电器的。
但是它们的主要组成及控制原理是相同的。
组成:
(1)点火器:
包括点火控制电路等、闭合角控制电路、点火器信号电路、功率晶体管及其驱动电路等。
(2)点火线圈及分电器点火线圈采用一次线圈电阻值很小的高能点火线圈。
在有分电器的系统中,各汽缸共用一个点火线圈;在无分电器的系统中,将气缸分组,每组共用一个点火线圈,或者是每个气缸独立用一个线圈。
电子点火控制系统的组成如图
(1)ECU的输入信号
ECU的输入信号,除了节气门位置传感器、输入信号,除了节气门位置传感器、空气流量计、水温传感器等送来的信号外,还有曲轴位置传感器送来的以下信号:
1)G信号
所谓G信号,即上止点参考位置信号。
它的周期对应的曲轴转角等于发动机各缸工作间隔所对应的曲轴转角(四缸发动机为180度,六缸发动机为120度),G信号的相位所对应的曲轴位置与各组活塞的上止点位置有一定的角度,一般为上止点前10度。
根据G信号,ECU可能准确地计算出曲轴每转1度及一周所用时间和发动机转速。
由转速和其它传感器输入的参数,ECU可查表得到点火提前角和点火线圈通电时间。
根据计算的1度信号所用时间,可计算出G信号后点火器的通电和断电时刻,最后输出点火控制信号。
在无分电器的点火控制系统中,有的将上止点位置G信号分为G1和G2,两信号相隔180度(曲轴转角360度)。
在丰田皇冠汽车无分电器点火控制系统中,G1设定在第六缸上止点附近,G2设定在第一缸上止点附近。
2)Ne信号。
所谓Ne信号,即发动机曲轴转速信号。
Ne信号的每一个脉冲,表示发动机曲轴转过一个固定的角度。
一般的系统中,Ne信号周期为转轴转过30度所对应的时间,在较精密的系统中,Ne信号周期为曲轴转过1度所对应的时间。
(2)ECU的输出信号
1)点火控制信号IGt
IGt实际上就是点火器中功率晶体管的通断控制信号。
它是ECU输出到点火组件的点火命令信号,也是点火组件计算闭合角的基准信号。
IGt信号输出后,在活塞位置达到存储器所记忆的最佳点火时间时,IGt信号消失,也就是发出了点火指令。
2)辨缸信号IGdA、IGdB
曲轴每转一周将产生多个G信号,而每个G信号与点火气缸的对应关系应该是确定不变的。
在有分电器的系统中,由于点火气缸是由分火头的指向决定的,所以不会出现问题。
但是在无分电器的系统中,仅有G信号不能决定具体的点火气缸,所以ECU输出信号中增加了辨缸信号IGd,以便与G信号一同决定需要点火的气缸。
在无分电器同时点火方式中,又把IGd分为IGdA和IGdB。
3、无分电器点火控制系统(DIL)
无分电器点火控制系统是一种全电子化的点火系统。
优点:
(1)由于没有机械传动,减少了分火头与旁电极这一中间跳火间隙的能量损耗和干扰;
2)由于无分电器,也使发动机各部件的布置更容易、更合理。
分类:
(1)每缸一个点火线圈的独立点火方式;
(2)两个活塞位置同步缸(两个缸的活塞同时到达上止点位置,但一个缸为压缩行程的上止点,另一个缸为排气行程的上止点)共用一个点火线圈的同时点火式。
1)无分电器同时点火方式
1、6缸,2、5缸及3、4缸分别为同步缸,两同步缸共用一个线圈,其方法是两同步缸的火花塞与共用的点火线圈二次线圈串联。
当点火线圈一次线圈断电时,一个气缸处于压缩行程的上止点,所以为有效点火;而另一个气缸处于排气行程的上止点,为无效点火。
由于处于排气行程中气缸内的压力很低,加之废气中导电离子较多,其火花塞很容易被高压击穿,消耗的能量非常少,不会对压缩行程气缸点火产生影响。
2)无分电器独立点火方式控制系统
由于每缸都有独立的点火线圈,所以即使发动机的转速高达9000r/min,线圈也有较长的通电时间(大的闭合角),可以提供足够高的点火能量。
与分电器系统相比,在相同的转速和相同点火能量下,单位时间内点火线圈的电流要小的多,因此,线圈不宜发热而体积又可以非常小巧,一般是将点火线圈压装在火花塞上,这种点火方式控制系统特别适合于多气门发动机。
三、最佳点火提前角及影响点火提前角的因素
1、最佳点火提前角
定义:
能保证发动机的动力性、经济性和排放都达到最佳值的点火提前角称为最佳点火提角。
一般来说,混合气在气缸内燃烧时,其最高燃烧压力(也可以说是发动机的最大输出功率)出现在曲轴转角的上止点后10度左右。
如图3-4,图中曲线A是气缸内不燃烧的压力波形,它是以上止点(TDC)为中心的左右对称波形。
曲线B、C、D分别表示点火时刻在上止点第10度以前,10度左右和10度以后三种点火提前角时的燃烧压力波形。
由图可知,Ⅱ时刻点火可以获得最佳的燃烧压力(作功也是最多的,作功的多少可以看阴影部分所示)且无爆震发生;而在Ⅰ时刻点火,虽然燃烧压力最高,但有爆震发生(曲轴B上部的的锯齿波形)。
可见,最佳点火提前角在上止点前10度左右。
但最佳点火提前角也不是一成不变的。
2、影响点火提前角的因素
1)发动机转速对点火提前角的影响
如图3-5知,发动机转速升高,点火提前角应该增大。
在普通EFI系统中,由于采用的是机械式离心调节器,所以调节曲线与理想点火调节曲线相差较大。
当采用ESA时,可以使发动机的实际点火提前角接近与理想的点火提前角。
如图3-6知,
(真空度高,负荷小)时,要求点火提前角大。
在普通EFI系统中,由于采用真空调节器,所以调节曲线与理想曲线相差较大。
当采用ESA控制系统时,可以使发动机的实际点火提前角接近于理想的点火提前角。
3)辛烷值对点火提前角的影响发动机在一定条件下,会出现爆震现象
对发动机极为有害。
发动机的爆震的辛烷值越高,抗爆性越好,点火提前角可以加大;反之,汽油的辛烷值越低,抗爆性越差,点火提前角应减少。
在无电控的普通点火系统中,是靠人工分电器初始位置进行调节来实现的。
在EFI中,为了适应不同辛烷值的汽油的需要,,在实际运用时,可以根据不同的汽油品种进行选择。
在出厂时,一般开关设定在无铅汽油的位置上。
3、点火提前角的控制方式在ESA控制系统中,根据有关传感器送来的信号,ECU计算出最
IGt),控制点火器点火。
在
制一个固定的初始点火提前角。
当发动机转速超过一定值时,自动转换为由ECU的点火正时信号IGt控制。
1.初始点火提前角为了确定
在有些发动机中,E
点定为压缩行程上止点前10度,ECU计算点火正时时,就把这一点作为参考点。
这个角度就称作初始点火提前角,其大小随发动机而异。
2.点火提前角的计算发动机工作时,ECU
机转速,从存储器存储
正,得出实际点火提前角。
实际点火提前角=初始点火提前角个基本点火提前角十修正点火提前角(或延迟角)点
点火时间由进气歧管压力信号(或进气量信号)和发动机转速确定的基本点火提前角和修正量决定。
修正项目随发动机而异,并根据发动机各自的特性曲线进行修正。
震是汽油机运行中最有害的一种故障现象。
发动机工作如果持续产或者是活塞就可
爆震与点火时刻有密切关系,同时还与汽油的辛烷值有关。
如图3-16可知,在传统的点火系统和无爆震控制的点火系统中,为防止爆震的发生,刻的设定往往远离爆震边缘。
这样势必就会降低发
效率,增加燃油消耗。
而具有爆震控制的点火系统,点火时刻到爆震边缘只留一个较小的余量
在爆震界面上工作,这样即控制了爆震的发生,又能更有效地得到发动机的输出功率。
1、爆震控制系统组成:
感器和ECU两大部分。
从硬件上看,爆震控制系统实际上
的点火控制系统。
2、爆震控制方法
工作原理:
爆震传感器安装在发动机的缸体上,利用压电晶体的
输入EC
滤波处理,同时判定有无爆震以及爆震强度的强弱,进而推迟点火时间。
当ECU有爆震信号输入时,点火控制系统采用闭环控制方式,爆震强,推迟点火角度大;爆震弱,推迟点火角度小,并在原点火提前角的基础上推迟点火提前角,直到一段时间内维持当前的点火时间角。
如果没有爆直到爆震发生,当发动机再次出现爆震时ECU又如此反复进行。
传感器的应用现状及发展趋势
作者:
国外传感器网时间:
2006-8-17
随着电子技术的发展,汽车电子化程度不断提高,通常的机械系统已经难以解决某些与汽车功能要求有关的问题,而被电子控制系统代替。
传感器的作用就是根据规定的被测量的大小,定量提供有用的电输出信号的部件,亦即传感器把光、时间、电、温度、压力及气体等的物理、化学量转换成信号的变换器。
传感器作为汽车电控系统的关键部件,它直接影响汽车的技术性能的发挥。
目前,普通汽车上大约装有10-20只传感器,高级豪华轿车则更多,这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。
一、发动机控制用传感器
发动机控制用传感器有许多种,其中包括温度传感器、压力传感器、转速和角度传感器、流量传感器、位置传感器、气体浓度传感器、爆震传感器等。
这类传感器是整个发动机的核心,利用它们可提高发动机动力性、降低油耗、减少废气、反映故障等,由于其工作在发动机振动、汽油蒸气、污泥和泥水等恶劣环境中,因此它们耐恶劣环境技术指标要高于一般的传感器。
对于它们的性能指标要求有很多种,其中最关键的是测量精度与可靠性,否则由传感器检测带来的误差最终将导致发动机控制系统失灵或故障。
1.温度传感器:
主要检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度、机油温度、催化温度等。
实际应用的温度传感器主要有线绕电阻式、热敏电阻式和热电偶式。
线绕电阻式温度传感器精度较高,但响应特性差;热敏电阻式传感器灵敏度高,响应特性较好,但线性差,适用温度较低;热电偶式精度高,测温范围宽,但需考虑放大器和冷端处理问题。
2.压力传感器:
主要检测进气歧管绝对压力、真空度、大气压力、发动机油压、制动器油压、轮胎压力等。
车用压力传感器目前已有若干种,应用较多的有电容式、压敏电阻式、膜盒传动的可变电感式(LVDT)、表面弹性波式(SAW)。
电容式传感器具有输入能量高,动态响应好、环境适应性好等特点;压敏电阻式受温度影响大,需另设温度补偿电路,但适用于大量生产;LVDT式有较大输出,易于数字输出,但抗振性较差;SAW式具有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、灵敏度高、分辨率高、数字量输出等特点,是一种较为理想的传感器。
3.转速、角度和车速传感器:
主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等。
主要有发电机式、磁阻式、霍尔效应式、光学式、振动式等。
4.氧传感器:
氧传感器安装在排气管内,测量排气管中的含氧量,确定发动机的实际空燃比与理论值的偏差,控制系统根据反馈信号,调节可燃混合气的浓度,使空燃比接近于理论值,从而提高经济性,降低排气污染。
实际应用的是氧化锆和氧化钛传感器。
5.流量传感器:
测定进气量和燃油流量以控制空燃比,主要有空气流量传感器和燃料流量传感器。
空气流量传感器检测进入发动机的空气量从而控制喷油器的喷油量,以得到较准确的空燃比,实际应用的有卡门旋涡式、叶片式、热线式。
卡门式无可动部件、反应灵敏、精度较高;热线式易受吸入气体脉动影响,且易断丝;燃料流量传感器用于判定燃油消耗量。
主要有水车式、球循环式。
6.爆震传感器:
它能把爆震信号传给控制系统,抑制爆震的发生。
主要有磁致伸缩式和非共振型压电式。
二、底盘控制用传感器
底盘控制用传感器是指分布在变速器控制系统、悬架控制系统、动力转向系统、防抱制动系统中的传感器,在不同系统中作用不同,但工作原理与发动机中传感器是相同的,主要有以下几种形式传感器:
1.变速器控制传感器:
多用于电控自动变速器的控制。
它是根据车速传感器、加速度传感器、发动机负荷传感器、发动机转速传感器、水温传感器、油温传感器检测所获得的信息经处理使电控装置控制换档点和液力变矩器锁止,实现最大动力和最大燃油经济性。
2.悬架系统控制传感器:
主要有车速传感器、节气门开度传感器、加速度传感器、车身高度传感器、转向盘转角传感器等。
根据检测到的信息自动调整车高,抑制车辆姿势的变化等,实现对车辆舒适性、操纵稳定性和行车稳定性的控制。
3.动力转向系统传感器:
它是根据车速传感器、发动机转速传感器、转矩传感器等使动力转向电控系统实现转向操纵轻便,提高响应特性,减少发动机损耗,增大输出功率,节省燃油等。
4.防抱制动传感器:
它是根据车轮角速度传感器,检测车轮转速,在各车轮的滑移率为20%时,控制制动油压、改善制动性能,确保车辆的操纵性和稳定性。
三、车身控制用传感器
采用这类传感器的主要目的是提高汽车安全性、可靠性、舒适性等,主要有应用于自动空调系统中的多种温度传感器、风量传感器、日照传感器等;安全气囊系统中加速度传感器;亮度自控中光传感器;死角报警系统中超声波传感器;图像传感器等。
四、车用传感器研究开发趋势
由于传感器在电控系统中的重要作用,所以世界各国对其理论研究、新材料应用、产品开发都非常重视。
金刚石的耐热性好、热稳定性高,在真空中1200℃以上表面才开始出现炭化,在大气中也要在600℃以上才开始炭化,利用这一特性,制作适用于高温的热敏传感器,从常温到600℃范围内进行温度监测与控制,并且适用在高温且有腐蚀气体的恶劣环境下使用,性能稳定,使用寿命长,可用于发动机中高温测量。
此外金刚石在高温下形变率很高,利用这一特性可制作高温环境下使用的振动传感器和加速度传感器。
与其它材料振动膜相结合可作为高温、耐腐蚀、灵敏度高的压力传感器,用于振动检测以及发动机气缸压力等测量。
光导纤维型传感器由于抗干扰性强、灵敏度高、重量轻、体积小,适于遥测等特点正受到人们的普遍重视。
目前已有不少成熟的产品问世,如光纤转矩传感器,温度、振动、压力、流量等传感器。
在开发利用新材料同时,由于微电子技术和微机械加工技术发展,传感器正向微型化、多功能化,智能化方向发展。
微型化传感器利用微机械的加工技术将微米级的敏感元件、信号调理器、数据处理装置集成封装在一块芯片上。
由于体积小、价格便宜、便于集成等特点,可以提高系统测试精度,例如把微型压力传感器和微型温度传感器集成在一起,同时测出压力和温度,便可通过芯片内运算消去压力测量中的温度影响。
目前已有不少微型传感器面世,如压力传感器、加速度传感器、用于防撞的硅加速度传感器等。
在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器可以保持适当充气,避免充气过量或不足,从而节约燃油10%。
多功能化使传感器能够同时检测2个或2个以上的特性参数。
而智能传感器由于带有专用计算机,因而具有智能特点。
此外,传感器响应时间、输出与计算机的接口等问题也是重要的研究课题。
随着电子技术的发展,车用传感器的技术必将趋于完善。
电子控制技术在汽车发动机中的应用
1.引言
1)汽车发动机基本原理和构造
当今世界上的汽车发动机工作过程基本上都由四个冲程组成,即进气、压缩、膨胀和排气。
利用燃料和空气的混合气在气缸内燃烧产生的高温高压气体的膨胀,发动机借助于曲柄连杆机构通过曲轴对外输出扭矩而作功。
发动机按照所用燃料可分成汽油机、柴油机和燃气发动机;按照点火方式可分成点燃式和压燃式;汽油机按照空气和燃油的比例可分成理论当量燃烧和稀薄燃烧;按照汽油喷射地点可分成中央喷射、进气口喷射和缸内喷射。
发动机的各个部分按其功能可分成燃油供应系统、进气排气系统、点火系统、曲柄连杆传动机构、润滑系统、冷却系统和辅助系统如发电机、起动机、空调压缩机和各种泵等。
发动机工况可分成冷起动、起动后、暖机、怠速、部分负荷、全负荷、加速、减速和倒拖滑行等。
这些工况主要根据负荷与转速,结合发动机温度(即冷却液温度)来区分。
2)电子控制在发动机中的重要意义
汽车电子控制始于发动机电子控制。
电子控制之于1957年引入发动机以及于1967年商品化,其初衷是为了满足越来越严格的排放法规要求,同时提高汽车的动力性、燃油经济性和舒适性。
现代汽车和发动机技术离开了电子控制是不可思议的。
电子产品的产值在整个汽车中所占的比例随着汽车级别的提升而升高,可达30%以上。
3)发动机电子控制的核心问题
汽油机电子控制的核心问题是燃油定量和点火定时。
柴油机电子控制的核心问题是燃油定量和喷油定时。
2.汽车和发动机电子控制系统的组成
汽车和发动机电子控制系统跟其它电子控制系统一样,也是由传感器、电子控制单元(ECU)和执行器组成。
1)传感器
(1)目前汽油机电子控制系统常用的传感器有:
l 进气岐管绝对压力传感器(提供进气岐管绝对压力信息供计算负荷等)
l 燃油压力传感器(提供油轨燃油压力信息)
l 燃油箱压力传感器(提供燃油箱压力信息)
l 机油压力传感器(提供机油压力信息)
l 冷却液温度传感器提供(提供发动机温度信息)
l 进气温度传感器(提供进气温度信息供计算空气密度等)
l 空调蒸发器温度传感器(提供空调蒸发器温度信息)
l 空调冷凝器温度传感器(提供空调冷凝器温度信息)
l 空气流量传感器(提供空气流量信息供计算负荷等)
l 节气门位置传感器(提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息)
l 油门踏板位置传感器(提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息等)
l 霍尔传感器(提供转速信息、曲轴位置和相位信息)
l 感应式转速传感器(提供转速信息和曲轴位置信息)
l 燃油箱液面位置传感器(提供燃油箱液面位置信息)
l 爆震传感器(提供发动机机体接收到的振动信息)
l 排气再循环阀阀杆位移传感器(提供排气再循环阀开度信息)
l 氧传感器(提供过量空气系数l是大于1还是小于1的信息)
(2)目前柴油机电子控制系统常用的传感器有:
l 增压压力传感器(提供增压压力信息)
l 燃油压力传感器(提供共轨燃油压力信息)
l 机油压力传感器(提供机油压力信息)
l 冷却液温度传感器(提供发动机温度信息)
l 燃油温度传感器(提供燃油温度信息)
l 进气温度传感器(提供进气温度信息)
l 排气温度传感器(提供排气口和排气管的温度信息)
l 空调蒸发器温度传感器(提供空调蒸发器温度信息)
l 空调冷凝器温度传感器(提供空调冷凝器温度信息)
l 空气流量传感器(提供空气流量信息)
l 节气门位置传感器(提供节气门位置信息用于排气再循环控制)
l 转角传感器(提供分配泵轴转角信息)
l 油门踏板位置传感器(提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息)
l 霍尔传感器(提供转速和曲轴相位信息)
l 海拔高度传感器(提供海拔高度信息)
l 车速传感器(提供车速信息)
l 感应式转速传感器(提供转速信息和曲轴位置信息)
l 燃油箱液面位置传感器(提供燃油箱液面位置信息)
l 排气再循环阀阀杆位移传感器(提供排气再循环阀开度信息)
l 氧传感器(提供过量空气系数l的具体数值)
l 压差传感器(提供微粒物捕集器的压差信息)
l NOX传感器(提供排气后处理系统的NOX浓度信息)
2)电子控制单元
电子控制单元(ECU)接受传感器提供的各种信息并加以处理,根据处理向执行器发出指令给,对发动机实施控制。
电子控制单元由微型计算机和模拟电路组成。
随着发动机技术的不断发展,电子控制单元的信息处理量越来越大,现在所用的芯片已经达到32位,晶体管数量可超过700万个,匹配参数可超过6000个,针脚数目可超过150个。
3)执行器
(1)目前汽油机电子控制系统常用的执行器有:
l 电动燃油泵
l 电磁喷油器
l 点火线圈
l 各种怠速执行器
l 炭罐控制阀
l 排气再循环控制阀
l 电动节气门(又称电子油门)
l 液压回路电磁阀(用于可变气门定时控制等)
l 气动回路电磁阀(用于可变进气管长度控制等)
l 全可变气门电子控制执行器
l 涡轮增压废气放空控制阀
l 电动二次空气泵
l 三效催化转化器加热执行元件
l 冷却风扇
l 空调压缩机电磁离合器
l 发动机上的其他辅助设备
(2)目前柴油机电子控制系统常用的执行器有:
l 电动输油泵
l 各种燃油喷射泵
l 喷油量执行器(集成于燃油喷射泵内)
l 喷油提前角执行器(集成于燃油喷射泵内)
l 燃油切断阀(集成于燃油喷射泵内)
l 共轨高压泵
l 共轨压力控制阀
l 各种共轨喷油器
l 单元喷嘴系统和单元泵系统的高压燃油电磁阀
l 炽热塞
l 排气再循环控制阀
l 电动节气门(又称电子油门)
l 可变气门控制执行器
l 可变进气管长度执行器
l 涡轮增压废气放空控制阀
l 冷却风扇
l 空调压缩机电磁离合器
l 发动机上的其他辅助设备
一部分柴油机传感器和执行器集成于燃油喷射设备之内,因所用的柴油喷射设备而异。
3.汽油机基本的电子控制项目
1)燃油定量。
这是汽油机最重要的电子控制项目。
控制对象是进入发动机的空气与燃油的质量比例,由ECU根据发动机的负荷、转速和冷却液温度等参数决定。
负荷就是驾车人对发动机的扭矩要求,通过吸入空气量或油门踏板位置传递给ECU。
执行器是电动燃油泵和电磁喷油器。
燃油定量影响汽车的动力性、燃油经济性、舒适性、排放和零部件的安全。
2)点火定时。
点火定时通常用点火发生时活塞在压缩冲程上止点之前多少度曲轴转角,即点火提前角来表征,也要根据发动机的负荷、转速和冷却液温度等工况参数决定。
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