工学车辆工程毕业论文.doc

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摘要

电子技术的飞速发展和汽车相关法规（节能、安全、排放）的建立，促进了汽车控制技术的形成与发展，作为汽车重要组成部分的发动机已进入了电子控制化的时代。

汽车发动机电控技术在给发动机带来了控制的精确性、系统的稳定性、燃油消耗的经济性和排放的环保性等优点的同时，也给发动机故障检测诊断带来了困难。

本文就是针对这一问题深入探讨汽油发动机电子控制系统结构，功能，工作原理，以及相应系统的检测诊断方法，流程。

本文阐述了汽油发动机电子控制系统的基本组成、工作原理及其发展趋势，分析了汽油发动机电子控制系统出现故障以后，如何利用人工和各种仪器对其进行检测诊断。

重点研究了汽油电控发动机各种常见故障（发动机不能起动、发动机起动困难、怠速不良、加速不良、动力不足、减速不良、油耗过大、点火不正常、发动机进气管回火、排气管放炮、发动机喘抖、发动机间歇熄火、温度异常、排气管冒黑烟）的故障现象、故障原因、故障的诊断排除方法，最后根据分析研究和实际工作经验概括总结出了汽油发动机电子控制系统故障检测诊断的技巧和基本原则，检测诊断的一般程序。

关键词：

发动机，电子控制系统，故障，检测，诊断

Abstract

Therapiddevelopmentofelectronictechnologyandtheconstructionofvehiclelaws（saveonenergy、safety、emissions）ispromotingthedevelopmentofvehiclecontroltechnology．Asanimportantpartofvehicle，theenginewasenteredintoaneraofelectroniccontrol．Theelectronictechnologyofenginebringsmanyadvantagesthatareaccuracyofcontrol，stabilityofsystem，economizationoffuelconsumptionandenvironmentalprotectionofemissions?

MeanwhilebringsdisadvantageThatthecheckanddiagnosisofbreakdown．ThearticleresearchedmainlyThecheckanddiagnosisofelectroniccontrolsystemofpetrolengine．

Thearticlestatedthebasiccompositionandprincipleanddevelopmenttrendofelectroniccontrolsystemofpetrolengine，analyzedhowtogettingoncheckanddiagnosisbyusingmanpowerandallkindsofinstrumentswhenthesystembrokedown．Itresearchedmainlyphenomenonandreasonsandmethodsofdifferentialcommonlybreakdownofpetrolengine．Itcomposedthatenginecannotrun,runningisdifficult，idleisn’tgood，increasepowerisn’tenough，reductionnotnormal，fuelconsumptionistoomore，ignitionisn’tnormal，backfiringinintakemanifold，exhaustexplosion．Engineshake，intermittentignition，temperatureisn’tnormal，exhaustmanifoldbelchsmoke．Finallythearticlesummarizedtheskillsandbasicprinciplesandgeneralsequenceofcheckanddiagnosisofelectroniccontrolsystemofpetrolengine．

KEYWORDS：

engine,theelectroniccontrolsystem,breakdown,inspectiondiagnosis

目录

1绪论 -1-

1.1题目背景及目的 -1-

1.2国内外研究现状 -2-

1.3研究内容与研究方法 -3-

2发动机电控系统概述 -4-

2.1发动机电控系统的结构与功能 -4-

2.1.1传感器 -4-

2.1.2电子控制单元（ECU） -5-

2.1.3执行器 -5-

2.2发动机电控系统的种类 -6-

2.2.1电控燃油喷射（EFI）系统 -6-

2.2.2电子点火控制系统（ESA） -8-

2.2.3怠速控制（ISC）系统 -9-

2.2.4排气再循环（EGR）电控系统 -10-

2.2.5增压电控系统 -11-

2.2.6故障自诊断系统 -12-

3发动机电控系统传感器 -15-

3.1温度传感器 -15-

3.1.1水温传感器结构与功能 -15-

3.1.2进排气温度传感器结构与功能 -16-

3.2压力传感器（水压，油压，气压等） -18-

3.2.1压力传感器结构与种类 -18-

3.2.2发动机用压力传感器及工作原理 -20-

3.3转速传感器 -21-

3.3.1转速传感器结构与种类 -21-

3.4其它传感器 -25-

4发动机电控系统电子控制模块 -28-

4.1ECU的功用 -28-

4.2ECU的结构 -28-

4.2.1输入回路 -28-

4.2.2单片机（电脑） -29-

4.2.3输出回路 -31-

4.3ECU的工作原理 -31-

5发动机电控系统执行器 -33-

5.1发动机电控系统执行器种类与功能 -33-

5.1.1气动执行器 -33-

5.1.2电动执行器 -34-

5.1.3液动执行器 -35-

5.2发动机电控系统执行器的结构和工作原理 -35-

5.2.1电动燃油泵 -35-

5.2.2电磁喷油器 -37-

5.2.3怠速空气调整器 -40-

6发动机电控系统故障诊断与检测 -46-

6.1发动机电控系统故障类型及原因 -46-

6.2发动机电控系统故障诊断方法 -48-

6.3发动机电控系统检测工具及使用方法 -50-

参考文献 -52-

结论 -53-

致谢 -54-

-54-

1绪论

1.1题目背景及目的

自1897年第一台汽车发动机问世以来，在近一个世纪的发展过程中，汽车发动机技术水平出现过三次质的飞跃：

第一次是在本世纪二十年代用机械式喷油系统代替了蓄压式喷油系统；第二次为五十年代采用增压技术；第三次则是八十年代出现的汽车发动机电子控制技术‘”。

电控技术自从七十年代首先应用在汽油机上开始就一直存在着如何保障电控系统的可靠性与安全性的问题。

传统的机械式控制汽车发动机系统具有很高的可靠性，当汽车发动机采用电控系统，使用了电控单元（ECU）、传感器和执行器时，仍应具备同样高的可靠性与安全性。

虽然系统的可靠性可以通过提高元件的可靠性和进行系统可靠性设计来改善，但是，不论如何提高可靠性设计，故障的发生是不可避免的，这时，系统电控单元就成为系统可靠性的最后一道防线。

当电控系统出现故障时，维修工作变得相当困难，靠传统维修方法如询诊、视诊、听诊、嗅诊以及试验等来解决电控系统的故障是相当困难的。

配合电控系统的专用电控系统的研究及应用成为电控系统产品化的必然要求。

因此，电控单元的研究是汽车发动机电控系统可靠性的保障，是汽车发动机电控技术的一个重要组成部分；电控系统作为汽车发动机电控系统的专用维修仪器，是电控系统与用户进行沟通的界面，是便于用户使用电控系统的可靠保障。

电控单元的研究涉及了电控系统控制部分的工作原理及硬件电路部分的工作原理、汽车发动机工作原理及智能仪器仪表的设计等多方面综合知识，是机电一体化的具体应用。

本文在国家科委重点项目“汽车发动机电控技术”处于起步研究阶段情况下，初步进行了方案设计的理论分析，提出了方案设计的方案和方案设计的发展方向。

方案设计的深入具体研究要随“汽车发动机电控技术”的发展而逐步实施。

本文的重点在于离线电控系统的研究和设计应用。

分析了电控系统的功能、工作原理、硬件组成设计及软件设计，最后进行了电控系统的产品试制和应用试验。

1.2国内外研究现状

1）国外发展状况

国外汽车发动机电控喷油系统从开发模式和系统结构分析，经历了三代发展。

第一代电控喷射系统保留了传统喷射系统的基本结构，通过在油泵上增设由传感器、执行器和微处理器所组成的两个位置控制系统，分别对喷油量和喷油定时进行调节，燃油量的计量按位置控制方式，即以柱塞压送燃油的供油始点和供油终点之间的物理长度——有效行程（位置）决定。

因此，第一代系统也称为位置控制式电控喷射系统。

本课题的研究就是基于第一代电控系统之上进行的。

第二代电控喷油系统改变了传统喷射系统的一些机械结构，利用柱塞泵可承载高压的特性提供高的供油压力。

用高速电磁旁通阀泄流控制代替传统的机械式泄流控制，从而对喷油量、喷油定时、喷射压力和喷油速度等进行直接数字式高频控制。

泵油机构和控制机构完全分开，燃油的计量按时问控制方式，喷油量以产生和解除高压的电磁阀的开闭时刻控制。

因此，第二代系统也称为时间控制式电控喷射系统。

这种系统机械结构简单，控制反映快。

时间控制式电控系统分为三种类型：

电控泵一喷嘴系统、电控分配泵系统和电控单体泵或直列泵系统。

第三代系统共轨式电控喷油系统具有公共控制油道（共轨），高压油泵并不是直接控制喷油，而是向公共油道供油以维持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力／时间式燃油计量公式，因此这类系统也称为压力控制式电控喷射系统。

这类系统可分为三种：

蓄压式电控高压喷射系统、电控液压泵一喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系。

2）国内发展状况

随着改革开放的深入发展，汽车发动机电控技术这一新的技术革命浪潮也涌进了国内，特别是近年来我国排放法规的新出台，更严的排放要求也需要我国汽车发动机拥有自己的电控技术。

许多科研院校已投入人力物力积极开展汽车发动机电控系统的研制工作，并积累一定的经验成果。

国内汽车发动机电控喷油系统仍处于起步阶段，第一汽车集团公司长春汽车研究所于1992年完成吉林省科委“单缸汽车发动机电控喷油系统研制”课题，并获“国内首创”鉴定。

为汽车发动机电控技术发展奠定了技术基础和经验。

在国外发达国家电控技术的不断普及和取得的经济效益、社会效益，国内排放法规日趋严格的情况下，汽车发动机电控喷油系统的应用已经成为必然趋势了。

为提高国内汽车发动机电控技术的应用，国家科委将“汽车发动机电控喷油技术”立为“九五”攻关项目，希望在本世纪末我国汽车发动机将有自己的电控系统。

1.3研究内容与研究方法

本文的研究内容是汽油发动机电子控制系统的检测诊断，所做的主要工作如下：

1）深入了解汽油发动机电子控制系统的发展过程、发展趋势和方向，汽油发动机电子控制系统的基本组成、工作原理，为后续工作打下基础。

2）分析汽油发动机电子控制系统出现故障以后，如何利用人工和仪器的方法进行检测诊断。

3）重点研究汽油电控发动机十二种常见故障（发动机不能起动、发动机起动困难、怠速不良、加速不良、动力不足、减速不良、油耗过大、点火不正常、发动机进气管回火、排气管放炮、发动机喘抖、发动机间歇熄火）的故障现象，故障发生的原因，故障的检测诊断及排除方法。

4）通过分析研究，并结合实际工作经验，总结概括汽油发动机电子控制系统故障检测诊断的基本原则和常用技巧，检测诊断的基本程序。

2发动机电控系统概述

2.1发动机电控系统的结构与功能

ECU根据发动机输出电压的变化，调节发动机的励磁电流，使发动机输出的电压保持稳定。

电控发动机,使可燃混合气的空燃比浓度能控制在所需要的范围内。

化油器式发动机油路和电路划分的非常清楚，互相影响不大。

而电控发动机燃油供给系统增加了电子控制部分，这就使得油路和电路相互联系，它不仅影响发动机燃油系的工作，而且还影响发动机的正常运行。

由于电控发动机电子控制装置的增加，这就使发动机的整个结构（包括电控系）更为复杂。

电控发动机与化油器式发动机最大的不同在燃油供给系。

电控发动机的燃油供给系取消了化油器，却增加了不少电子自动控制装置。

其中包括许多传感器，执行元件和ECU。

如图2.1所示。

2.1.1传感器

传感器是一种信号检测与传递装置，安装在发动机的各个部位，其功用是检测发动机运行状态的各种电量参数，物理量和化学量等等，并将这些参数转换成计算机能够识别的电量信号输入电子控制单元。

国标GB7665--1987中对传感器的定义是：

能感受规定的被测量，并按一定的规律转换成输出信号的器件或装臀，通常由敏感元件或转换元件组成。

敏感元件是指传感器中直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适宜传输和测量的信号部分。

汽车用各种传感器在本质上都是一样的，都是将非电量的信号转换成电信号，再传给汽车电控系统的控制器进行处理㈣。

而且这些被转换成的电信号都表现为电压信号，且这些电压信号又以三种方式表现出来：

一是电压幅值的大小：

二是频率的高低；三是高低电位的跳变。

2.1.2电子控制单元（ECU）

电子控制单元又成为电子控制器（ECU），俗称电脑，是发动机电子控制系统的核心。

它完成发动机各种参数的采集和喷油量、喷油定时的控制，决定整个电控系统的功能。

ECU是一种电子综合控制装景，它所具备的基本功能如下：

1）接受传感器或其他装置输入的的信息，给传感器提供参考（基准）电压：

2v（伏）、9V、12V；将输入信息转变为微机所能接受的信号。

2）存储、计算、分析处理信息；计算输出值所用的程序；存储该车型的参数；存储运算中的数据（随存随取）、存储故障信息。

3）运算分析。

根据信息参数求出执行命令数值；将输出的信息与标准值对比，查出故障。

4）输出执行命令。

把弱信号变为强的执行命令；输出故障信息。

5）自我修正功能（自适应功能）。

ECU主要由输入回路、AID转换器（模／数转换器）、微型计算机（微机）和输出回路四部分组成。

2.1.3执行器

执行器是控制系统的执行机构，其功用是接受电控单元的控制指令，使发动机处于最挂状态。

执行器的主要任务是根据电子控制器（ECU）输出的控制信号完成所需的机械动作（如调整怠速空气通道的开度）或一定的任务（如点火线圈在适当的时刻向火花塞提供高电压），以实现某一系统的调整和控制。

将电信号转换为机械运动的方式有多种，若按其实现机械运动的形式来分类，执行器大致可分为直行式执行器和旋转式执行器两大类；若从具体的功能与工作原理来看，可分为：

电磁铁式执行器、旋转电机、电磁线圈、压电元件、热敏元件等。

电子控制器ECU使用执行器装置对系统作出调整，以达到改变汽车电控系统工作状态的目的。

对执行装置的要求一般是工作可靠，反应速度快、控制精度高。

在发动机控制系统中，执行器主要有下列各种形式：

电磁式喷油器；点火控制器（点火模块）；息速控制阀、怠速电机；EGR阀：

进气控制阀；二次空气喷射阀；活性碳罐排泄电磁阀；车速控制电磁阀：

燃油泵继电器：

冷却风扇继电器；空调压缩机继电器；自诊断显示与报警装置：

故障备用程序启动装置：

仪表显示器。

图2.1发动机电子控制系统组成

2.2发动机电控系统的种类

发动机电控系统：

可分为电控燃油喷射（ElectronicFuelInjector,简称EFI）、电子点火（（Electronicignitionsystem,简称ESA）、怠速控制（Idlespeedcontrol,简称ISC）、排气再循环控制（Exhaustgasrecirculationcontrol，简称EGR）、增压控制（Superchargercontrolsystem）、故障自诊断（Faultselfdiagnosis,简称FSD）、故障保险（Failsafesystem）、备用控制以及其它控制技术。

2.2.1电控燃油喷射（EFI）系统

电控燃油喷射系统（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。

优点有：

一，能实现空燃比高精度控制。

二，充气效率高。

三，瞬时响应快。

四，起动容易，暖机性能好。

五，节能和排放净化效果明显。

六，减速、限速断油功能，能降低废气排放量，节省燃油。

七，便于安装。

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。

系统控制的原理框图如图1.2所示:

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。

如图1.2所示。

图2.2电控燃油喷射系统的组成

2.2.2电子点火控制系统（ESA）

早在20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态。

如图2.3所示。

图2.3微机控制点火系统原理图

2.2.3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。

如图2.4所示。

图2.4怠速控制系统结构图

2.2.4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。

如图2.5所示。

图2.5排气再循环（EGR）电控系统

2.2.5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