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车用发动机电子控制技术 教学课件 ppt 作者 林学东 6.ppt.ppt

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第六章〓电控汽油喷射的辅助控制车用汽油机的控制系统以电子控制汽油喷射为主还包括点火控制、爆燃控制、怠速控制、废气再循环控制等多项辅助控制由此改善发动机的综合性能以适应不断严格的排放法规和经济性、驾驶舒适性等的要求。第一节〓点火时间控制一、概述点燃式发动机是采用高压点火方式通过火花塞点燃压缩行程中被压缩的可燃混合气使之燃烧做功的。施加在火花塞上的高压电是由点火系统供给。为了可靠点燃而且保证发动机的性能要求点火系统将V的低压电升到~kV的高压电并按一定的时刻(曲轴转角位置)使火花塞跳火点燃混合气。图〖KG*〗〓点火装置的工作原理二、电控点火系统组成点火系统的主要作用就是根据发动机不同工况的要求按一定时间以足够的点火能量可靠点燃可燃混合气。所以其主要控制内容就是点火能量和点火时间。由于电控点火系统可以自由地控制点火定时和具有足够的点火能量所以与只能实现简单点火特性的机械式点火系统相比可以提高发动机输出功率〖KG*〗~而且有利于改善燃料经济性和排放特性。图〖KG*〗〓电控点火系统的组成及其工作原理图三、点火能量的控制车用汽油机的点火系统主要以蓄电池〖KG*〗点火线圈的点火方式为主。根据一次电流的控制方式不同分为传统的(触点式)点火方式和晶体管点火方式。传统的点火方式是通过触点周期性地切断一次电流来获得二次线圈的高压感应电。晶体管点火方式则是靠功率管的导通和截止控制一次电流并由此获得二次线圈的感应电压。蓄电池〖KG*〗点火线圈方式的点火能量一般与在一次电流切断前一次线圈所储存的能量E成正比。线圈储存的能量E由下式表示。图〖KG*〗〓不同控制方式的一次电流控制波形图〖KG*〗〓定电流、闭合角控制电路图〖KG*〗〓三种控制方式的EB比较图〖KG*〗〓通电时间的修正图〖KG*〗〓基本点火特征四、点火时间的控制()最佳点火时间图〖KG*〗〓根据冷却液温度修正点火时间a)低温修正〓b)高温修正图〖KG*〗〓各种曲轴位置传感器和点火控制方式()过渡工况下对点火时间的控制)起动时点火时间的控制)怠速暖车时点火时间的控制)加速过渡工况时点火时间的控制图〖KG*〗〓点火模块的控制信号图〖KG*〗〓点火模块控制框图图〖KG*〗〓怠速时点火提前角的控制图〖KG*〗〓怠速增量随冷却液温度的变化图〖KG*〗〓不同冷却液温度下起动时的增量比较图〖KG*〗〓怠速过渡时点火时间的控制方法a)怠速计数器计数程序〓b)过渡点火时间控制开始条件的设定c)怠速过渡状态判定及控制图〖KG*〗〓加速时点火时间的控制程序流程图图〖KG*〗〓加速时点火时间修正控制效果图〖KG*〗〓稳定行驶时点火时间的控制()稳定工况下点火时间的控制在车辆稳定运行时发动机转速往往有变动造成不适的振动。为了减小车辆稳定运行时的这种发动机转速不稳定的现象根据发动机转速的变动量相应地控制点火提前角以控制发动机输出功降低发动机转速的波动量。图〖KG*〗所示为在车辆稳定运行时以降低发动机转速波动量为目的的点火时间的控制程序流程图。图〖KG*〗〓对应Deltan控制thetaign的实例五、爆燃控制所谓爆燃就是发动机点火之后在火焰前锋面到达之前离火花塞火焰传播距离最远的末端气体自行燃烧的现象。其特征是缸内产生急剧的高频压力冲击波在气缸内振动产生金属敲击声。严重爆燃不仅降低发动机动力性、经济性和排放特性而且破坏气缸壁内表面上形成的附面层促进传热使活塞、火花塞等零件过热而烧损是汽油机应避免的有危害的不正常燃烧现象。图〖KG*〗〓气缸压力与点火时间的关系图〖KG*〗〓点火时间与爆燃的关系()爆燃控制系统爆燃控制系统主要由爆燃传感器、ECU以及点火模块等组成。当发动机爆燃时气缸内产生~kHz的高频振动。爆燃传感器的作用就是检测发动机爆燃时所产生的高频振动信号并使之转换成电信号传送到ECU。ECU内设置专门检测爆燃的电路用来比较来自爆燃传感器的信号电平的大小由此判断是否发生爆燃。图〖KG*〗〓各种爆燃传感器〖HTSS〗a)共振型〓b)非共振型〓c)气缸压力型mdash接线头〓mdash压电元件〓mdash外壳〓mdash安装螺纹mdash重块〓mdash火花塞〓mdash爆燃传感器(各缸一个)图〖KG*〗〓爆燃传感器输出特性()爆燃判定图〖KG*〗〓爆燃传感器输出信号处理定时图图〖KG*〗〓ECU中的爆燃判定电路()爆燃控制方法爆燃控制实质上就是根据图〖KG*〗所示的爆燃判定电路判定爆燃状态之后由ECU控制点火时刻如图〖KG*〗所示。即当判定为发生爆燃时按爆燃控制程序以设定的步长迅速推迟点火时刻否则在规定的时间内没有发生爆燃时就按一定的步长缓慢地提前点火时刻。爆燃控制就是通过采用这种点火时间的反馈控制方法使点火提前角常控制在以适当频度发生轻微爆燃(~次s)的爆燃限上。图〖KG*〗〓爆燃时点火时期控制定时图图〖KG*〗〓含爆燃控制的发动机控制单元示意图图〖KG*〗〓爆燃控制流程图图〖KG*〗〓爆燃判定方法及其效果〖HTSS〗a)无Nk、ND修正时〓b)Nk、ND修正时第二节〓怠速转速控制发动机在怠速工况下运行时由于其内部摩擦阻力的变化或由于节气门间隙处或怠速空气系内部附着的沉积物的影响使怠速空气量发生变化时引起怠速转速的变化。当怠速转速降低时怠速不稳造成不适的感觉或刚起动后起步时易熄火如果怠速转速过高造成油耗增加。所以需要控制怠速转速以适应不同状态使怠速转速稳定在所设定的目标转速下。目标怠速转速是根据发动机冷却液温度、空调负荷以及变速器负荷等状态来确定的。一、怠速控制系统发动机怠速控制系统主要由怠速开关、怠速控制阀以及发动机控制单元ECU等组成。怠速控制时将怠速开关设定在节气门全关闭位置处。图〖KG*〗所示为怠速转速的控制框图。ECU根据节气门位置传感器(全关)的信号和发动机转速来判断怠速状态。图〖KG*〗〓怠速转速控制框图二、怠速进气量的控制方式怠速转速的控制方法根据怠速空气量的控制方式不同可分为自动空气门式、电控怠速控制阀式以及电控节气门控制式等三种。()自动空气门式自动空气门式怠速控制系统主要是与节气门怠速空气道并联设置专用空气门并根据发动机冷却液温度状态自动控制流经空气门的空气流量。其控制目的就是配合怠速控制系统实现快怠速控制。快怠速进入气缸的空气量的控制方法如第三章节所述通过专用的双金属片式或蜡式旁通空气门直接利用冷却液温度的变化自动调节空气门的开度控制快怠速所需的空气流量以达到控制快怠速的目的。()电控怠速控制阀式在现代集中控制的电控汽油喷射发动机上都采用电控怠速控制阀式怠速控制系统完全由ECU根据发动机怠速运行状态信息控制怠速控制阀以调节怠速进气量实现对怠速工况的全面反馈控制。图〖KG*〗〓ISC控制系统构成框图图〖KG*〗〓步进电动机式怠速控制阀及其原理mdash阀〓mdash转子〓mdash蜗杆〓mdash轴承〓mdash励磁线圈〓mdash阀轴〓mdash阀座图〖KG*〗〓定子爪极布置图〖KG*〗〓相线绕组控制电路图〖KG*〗〓相线控制脉冲图〖KG*〗〓旋转滑阀式电磁阀a)结构〓b)驱动电路mdash线圈〓mdash永久磁铁〓mdash轴〓mdash双金属片〓mdash阀体〓mdash阀图〖KG*〗〓线性位移式电磁阀〖HTSS〗mdash波纹筒(消除负压)〓mdash阀〓mdash线圈〓mdash推杆mdash阀体〓mdash进气口〓mdash弹簧()电控节气门控制式图〖KG*〗〓节气门直接控制式怠速控制装置〖HTSS〗mdash喷油器〓mdash节气门体〓mdashISC执行器〓mdash节气门控制杆〓mdash节气门〓mdash调压器mdash直流电动机〓mdash弹簧〓mdash防旋内六角〓mdash蜗轮蜗杆〓mdash减速齿轮③mdash驱动轴〓mdash减速齿轮②〓mdash减速齿轮①三、怠速控制如前所述怠速控制主要就是控制与发动机运行状态相适应的最佳怠速进气量ECU根据该进气量的信息控制怠速喷射量和相应的点火时刻。图〖KG*〗所示为怠速控制流程图。图〖KG*〗〓怠速控制流程图()起动时怠速控制阀的控制图〖KG*〗〓怠速进气量控制流程图图〖KG*〗〓起动时怠速控制阀的开度控制图〖KG*〗〓润滑油温度的推算流程图)怠速时燃料喷射时期的学习控制为了改善怠速稳定性和怠速排放特性以及起步加速性根据发动机怠速转速变动量的大小调整怠速燃料喷射时间并由冷却液温度或进气温度改变喷射时间的学习领域以修正怠速燃料喷射时间。ECU根据发动机转速以及进气量等信息判断运算对应实际怠速工况的目标喷射时间后通过各缸喷油器控制燃料喷射时间。第三节〓进气系统控制进、排气系统对发动机性能的影响主要体现在充气效率而配气相位对充气效率的影响很大。以往发动机配气机构的配气相位是固定的因此不能兼顾高低速的充气效率特性。也就是当配气相位按低速设定时只能满足设定的低转速下充气效率达到最佳值。但随着转速的提高进气流动惯性增大而配气相位不变因此从气流角度考虑即使是能实现惯性充气却由于进气门提早关闭而使充气效率降低。一、可变进气管长度的控制图〖KG*〗〓进气管长度对充气效率的影响()压力脉动增压式进气系统ACIS(AcousticControlInductionSystem)图〖KG*〗〓脉动增压式进气管a)ACIS系统〓b)ACIS〖KG*〗Ⅲ系统mdash进气控制杆〓、mdash进气控制阀〓mdash进气支管mdash谐振管〓mdash负压切换阀〓mdash真空室〓mdash控制机构()可变惯性增压进气系统VICS(VariableInertiaChargingSystem)图〖KG*〗〓可变惯性增压进气系统结构mdash谐振管〓mdash真空室〓mdash密封板〓mdash控制阀mdash连接通道()流线动力型进气系统AD(Aerodynamic)图〖KG*〗〓VICS的工作原理图〖KG*〗〓VICS的控制效果图〖KG*〗〓AD型进气管结构〖HTSS〗mdash进气总管〓mdash进气支管〓mdash气缸盖二、多气门控制在发动机工作时不同工况下的进气量直接通过进气门来控制。TICS系统就是采用三个气道(个气门)结构即对应两个进气门的个主副进气道和对应一个排气门的个排气道。〖JP〗如图〖KG*〗所示在个进气道中的主进气道内设置控制阀副进气道则负责形成进气涡流。图〖KG*〗〓TICS型进气系统〖HTSS〗mdash主进气道〓mdash控制阀〓mdash辅助进气道图〖KG*〗〓气门进气系统图〖KG*〗〓气门控制系统mdash进气控制阀〓mdash节气门体〓mdash节气门〓mdash调节阀mdash真空室〓mdash长管〓mdash短管〓mdash执行器图〖KG*〗〓气门和气门发动机性能对比〖HTSS〗a)流量系数对比〓b)HC排放对比〓c)经济性对比三、可变配气相位的控制如前所述发动机的输出转矩特性直接与进气过程中的充气效率有关而充气效率除了进气管长度以外还与进气门开启时的面积及其配气相位有关。一般所有发动机的追求目标是高速、大功率而又不牺牲低速转矩特性并改善燃油消耗率。可变进气配气相位的控制技术是实现这一目标很重要的技术措施之一所以被广泛地应用。目前具有代表性的可变配气相位的控制方法根据其配气相位的控制方式不同分为MIVEC方式和VVT〖KG*〗i方式两种。()MIVEC方式图〖KG*〗〓MIVEC结构及其原理〖HTSS〗a)结构〓b)工作原理mdash高速摇臂〓mdash高速凸轮〓mdash低速凸轮〓mdash低速摇臂〓mdashT形传动杆图〖KG*〗〓高低速凸轮的配气相位及气门升程特性图〖KG*〗〓MIVEC机构的控制系统〖HTSS〗mdash蓄电池〓mdash油压控制阀线圈〓mdash继电器〓mdashECU图〖KG*〗〓采用MIVEC机构时的发动机输出转矩特性图〖KG*〗〓MD控制时经济性的改善效果〖HTSS〗a)采用MD工况时〓b)正常工况()VVT〖KG*〗i方式图〖KG*〗〓VVT〖KG*〗i系统结构〖HTSS〗mdash油压控制阀〓mdashVVT〖KG*〗i带轮〓mdash齿轮〓mdash曲轴位置传感器mdash机油泵〓mdash凸轮轴及其位置传感器图〖KG*〗〓VVT〖KG*〗i带轮结构原理〖HTSS〗mdash迟后侧油压室〓mdash进角侧油压室〓mdash内齿轮mdash柱塞齿轮〓mdash外齿轮〓mdash带轮图〖KG*〗〓气门重叠角的控制四、可变进气涡流的控制进气涡流是指进入气缸的混合气绕气缸中心旋转的气流运动其强度取决于发动机转速、进气道的结构形状以及气门的布置等。当进气涡流强度适当加强时可以改善混合气的形成条件所以能减轻燃烧变动减小爆燃倾向。图〖KG*〗〓气门机构进气涡流控制原理示意图图〖KG*〗〓进气涡流控制阀的控制流程图第四节〓EGR的控制一、概述能源危机和环境污染问题是世纪所面临的重要问题。为了防止大气污染保护地球环境必须对流动污染源的汽车尾气有害气体的排放进行更严格的法规控制。汽油机的有害排放物主要包括CO、HC和NOx。其中CO是空燃比不足的情况下所产生的不完全燃烧的产物,所以CO的排放量基本上受空燃比的支配。二、电控式EGR控制系统电控式EGR控制系统主要由EGR阀及其控制系统组成。EGR阀的结构如图〖KG*〗所示基本上与机械式EGR控制系统相同只是EGR阀的负压控制系统改成电控式即用专门的电磁阀控制负压室的真空度而控制用真空度由安装在发电机上的真空泵来提供。根据EGR的控制方式不同电控式EGR控制系统分为EGR开环控制系统和EGR闭环控制系统。图〖KG*〗〓EGR阀〖HTSS〗mdash大气压力室〓mdash进气压力室〓mdash排气压力室()EGR开环控制系统图〖KG*〗〓开关式电控EGR控制系统〖HTSS〗mdash发动机〓mdash真空泵〓mdash进气管〓mdash真空管〓mdashECUmdashEGR电磁阀〓mdashEGR阀〓mdashEGR回流管〓mdash排气管图〖KG*〗〓可变EGR率电控EGR控制系统〖HTSS〗mdash电磁阀〓mdashVCM阀〓mdash定压阀〓mdashEGR阀〓mdashEGR回路mdash节气门位置传感器〓mdashECU〓mdash控制信号线图〖KG*〗〓VCM阀的结构mdash弹簧〓mdash膜片〓mdash定压阀〓mdash负压室〓mdash电磁阀图〖KG*〗〓脉冲占空比()EGR闭环控制系统图〖KG*〗〓以EGR阀开度为反馈信号的EGR闭环控制系统〖HTSS〗mdashEGR阀开度传感器〓mdashEGR阀〓mdash节气门〓mdash空气滤清器〓mdashECU〓mdash电磁阀图〖KG*〗〓以EGR率为反馈信号的EGR闭环控制系统第五节〓稀薄燃烧系统近年来由于能源问题和CO引起的地球温室效应问题对发动机燃油经济性的要求越来越高。为了适应这种要求已开发应用将空燃比控制在稀薄区的稀薄燃烧技术。如通过采用气缸内直接喷射方式将高压的燃料(供给燃油压力为MPa)直接喷入设置在活塞顶部的深坑型燃烧室内配合进气涡流及燃烧室内的气流运动形成分层燃烧同时精密控制缸内的燃料喷射量和喷射时间实现空燃比为∶〖KG*〗等的超稀薄燃烧过程。结合提高压缩比和EGR技术不仅有效地改善燃油消耗率而且有效地控制其排放特性。汽油机缸内直喷(GDI:GasolineDirectInjection)及稀薄燃烧技术已成为汽油机的发展方向。一、稀薄燃烧系统概述图〖KG*〗〓空燃比特性二、稀薄燃烧方式及特点稀薄燃烧技术是建立在混合气分层燃烧的基础上。所谓分层燃烧是在着火时刻火花塞周围分布适合于着火的浓混合气而燃烧室其他地方为稀混合气。因此稀薄燃烧的关键技术是在气缸内如何形成适合的混合气浓度梯度分布。到目前为止根据混合气浓度梯度分布方式的不同分层稀薄燃烧方式有如下几种。图〖KG*〗〓GDI与PFI燃烧过程比较图〖KG*〗〓不同工况下混合气特征()进气管喷射(PFI)式稀薄燃烧技术图〖KG*〗〓气门稀燃系统〖HTSS〗mdash喷油器〓mdash进气控制阀〓mdash连接通道〓mdash直气道〓mdash火花塞〓mdash螺旋气道〓mdash进气系统mdash凸起壁面〓mdash进气门〓mdash排气门图〖KG*〗〓轴向分层原理〖HTSS〗a)进气过程早期〓b)进气过程后期〓c)压缩过程mdash活塞〓mdash气缸〓mdash火花塞〓mdash导气屏进气门图〖KG*〗〓利用滚流形成横向浓度分层〖HTSS〗mdash喷油器〓mdash进气口隔板mdash滚流控制活塞〓mdash中心火花塞()缸内直喷式(GDI)图〖KG*〗〓GDI与PFI比较a)缸内直接喷射(GDI)〓b)进气道喷射(PFI)mdash进气阀〓mdash喷油器图〖KG*〗〓分层混合气的实现方式图〖KG*〗〓TCCS燃烧室〖HTSS〗〖DK〗、〖DK〗、mdash喷油器〓〖DK〗、mdash火花塞〓mdash空气流动方向〓mdash挡板阀图〖KG*〗〓GDI分层燃烧系统a)晚喷射〓b)早喷射图〖KG*〗〓TOYOTA汽车公司的GDI燃烧系统三、稀薄燃烧的控制方法()空燃比反馈控制式稀薄燃烧控制系统)空燃比传感器)空燃比的反馈控制方法图〖KG*〗〓传感器的基本原理及输出特性a)基本原理〓b)输出特性图〖KG*〗〓空燃比反馈控制流程图()燃烧压力反馈控制式稀薄燃烧系统图〖KG*〗〓示功图图〖KG*〗〓燃烧压力传感器式空燃比的控制流程图四、稀薄燃烧系统空燃比的控制图〖KG*〗〓稀薄燃烧空燃比控制系统框图图〖KG*〗〓稀燃空燃比学习修正系数的确定方法

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