汽油机辅助电控系统Word格式.docx

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冷却液温度传感器

检测发动机冷却液温度

起动开关信号

检测发动机正在起动中

空调开关（A／C）信号

检测空调的工作状态（ON、OFF）

车速传感器

检测车速

空挡起动开关信号（P／N）

检测换挡手柄位置

液力变矩器负荷信号

检测液力变矩器负荷变化

动力转向开关信号

检测动力转向工作状态

发电机负荷信号

检测发电机负荷的变化

执行器

怠速控制阀（ISC）

控制节气门旁通空气通道

ECU

根据从各传感器输入的信号，把发动机的实际转速与各传感器输入的信号所决定的目标转速进行比较。

根据比较得出的差值，确定相当于目标转速的控制量，去驱动控制空气量的执行机构，使怠速转速保持在目标转速上

（二）怠速控制原理

如图8-1所示，ECU根据从各传感器的输入信号所决定的目标转速与发动机的实际转速进行比较，根据比较得出的差值，确定相当于目标转速的控制量，去驱动控制空气量的执行机构，使怠速转速保持在目标转速附近。

图8-1怠速控制系统的组成

1—目标转速2—比较器3—控制量计算4—执行元件驱动器

5—执行机构6—怠速状态判别

（三）怠速控制执行机构

控制空气量的执行机构，大致可分为两种：

一种是控制节气门最小开度的节气门直动式，另一种是控制节气门旁通气道中空气流量的旁通空气式。

1．节气门直动式

节气门直动式怠速控制装置是通过控制节气门开启程度，调节空气流通的面积，达到控制进气量，实现怠速控制的（图8-2），目前常见在单点喷射系统中。

由图8-2可见，怠速执行机构由直流电动机、减速齿轮、丝杠等组成。

怠速执行机构的传动轴与节气门操纵臂的全闭限制器相接触。

当发动机ECU控制直流电动机通电时，直流电动机产生旋转转矩，通过减速齿轮，旋转转矩被增大。

然后又通过丝杠变角位移为传动轴的直线运动，通过传动轴的旋入或旋出，调节节气门全闭限制位置，达到调节节气门处空气通道面积，进而实现怠速转速的控制。

这种节气门直动式怠速控制机构，具有较强的工作能力，控制位置稳定性好。

但由于节气门直动式工作时，为了克服节气门关闭方向回位弹簧的作用力，使用了减速机构，使移位速度下降，造成响应性不太好，同时怠速执行机构的外形尺寸较大，目前使用较少。

图8-2节气门直动式执行机构

1—节气门操纵臂2—执行机构3—节气门体4—喷油器5—压力调节器6—节气门

7—防转动六角孔8—弹簧9—直流电动机10—减速齿轮111—减速齿轮2

12—传动轴13—减速齿轮314—进给丝杠

2．旁通空气式

在多点汽油喷射系统中多采用控制旁通空气通道的执行机构，本节主要介绍步进电机式、旋转电磁阀式、占空比控制式、开关控制式等装置。

（1）步进电动机式这种怠速控制阀安装在进气室或节气门阀体上。

为了控制发动机怠速运转的速度，根据来自发动机ECU的信号，怠速控制阀增加或减少流过节气门旁通通道的空气量。

如图8-3所示，这种怠速控制阀有一个内置步进电动机。

这个电动机顺时针或逆时针方向转动转子，使阀移进或移出。

这一运作又增加或减小阀心与阀座之间的间隙，以调节允许通过的空气量。

由于步进电动机式怠速控制阀气流容量很大，因此也用于控制快怠速。

步进电机式怠速空气调整的原理是：

将由永久磁铁构成的转子的旋转运动变成直线运动的进给丝杆，然后带动阀心运动，控制通道面积的大小，从而达到调节旁通空气道截面的目的。

转子可以利用步进转换控制，使转子正转或反转，以控制进或退。

不同汽车公司所采用的步进电机式怠速控制阀结构型式略有差异，但其基本工作原理相同。

以日本三菱汽车公司（MitsubishiMotorsCorporation）的产品为例，介绍其结构和工作原理。

转子由永久磁铁构成，N极和S极在圆周上相间排列，共有八对磁极。

定子由A、B两个定子组成，其内绕有A、B两组线圈，线圈由导磁材料制成的爪极包围（图8-4）。

每个定子各有八对爪极，每对爪极（N极与S极）之间的间距为一个爪的宽度，A、B两定子爪极相差一个爪的差位，构成一体安装地外壳上（图8-5）。

爪极的极性是变换的，由ECU输出的控制定子相线绕组的电压脉冲决定。

A、B两个定子绕组分别由1、3相绕组和2、4相绕组构成，由ECU内晶体三极管控制各相绕组的搭铁（图8-6）。

相线控制脉冲如图8-7所示，欲使步进电机正转时，相线控制脉冲按1-2-3-4相顺序依次迟后90°

相位角，定子上N极向右方向移动（图8-8），转子随之正转。

反之，欲使步进电机反转时，相线控制脉冲按1-2-3-4相顺序依次超前90°

相位角，定子上N极向左方向移动，转子随之反转。

图8-3步进电机式怠速控制阀

1-阀座2-阀轴3-定子4-轴承8-进给丝杆6-转子7-阀心

图8-4定子结构

图8-5定子爪极布置

图8-6相线绕组的控制电路

图8-7相线控制脉冲

图8-8步进原理

转子的转动是因为定子线圈电磁铁和转子永久磁铁的N极和S极之间的互相吸引，引力产生的转矩使N极和S极转到最近距离。

由于定子的爪极极性随相线控制脉冲的变化而改变，所以转子也随之转动，以保持转子的N极随时与定子的S极对齐。

可见阀心移动的距离和移动的方向均由相线控制脉冲决定。

转子转动一圈为32个步级，每个步级转动一个爪的转角，即11.25°

，步进电机的工作范围为0~125步级。

（2）占空比控制型（ACV）这种类型怠速控制阀的构造如图8-9所示。

由发动机ECU信号控制的电流通过占空比控制阀，线圈被励磁，怠速控制阀移动。

这就改变了阀与阀体之间的间隙，从而控制怠速的转速。

在实际运作中，流至螺旋线圈的电流是每100ms通断一次。

所以，阀的位置是由信号接通与关断时间的比值确定的，通常用占空比来描述。

所谓占空比是指一个周期内，接通信号的时间与整个周期的时间之比（图8-10）。

怠速控制阀打开得越大，线圈中有电流通过的时间越长。

需要说明的是，快怠速的转速是用其它空气阀控制的。

图8-9占空比型怠速控制阀

a）结构b）示意图c）与ECU连接

1-弹簧2-磁化线圈3-轴4-阀8-壳体6-波纹管7-传感器8-进气总管9-节气门

图8-10占空比

（3）旋转电磁阀式旋转电磁阀式怠速控制阀在实际运行时，ECU将检测到的怠速转速实际值与贮存的设定目标值相比较，并随时校正送至怠速控制阀的驱动信号，以实现稳定的怠速运行。

图8-11所示为旋转电磁式怠速控制阀的剖视图，它由永久磁铁、电枢、旋转滑阀、螺旋回位弹簧和电刷及引线等组成。

旋转滑阀固装在电枢轴上，与电枢轴一起转动，用以控制流过旁通道的空气量。

永久磁铁固装在外壳上，其间形成磁场。

电枢位于永久磁铁的磁场中，电枢铁心上缠有两组绕向相反的磁化线圈L1和L2，当线圈L1通电时，电枢带动旋转滑阀顺时针偏转，空气旁通道截面关小；

线圈L2通电时，电枢带动旋转滑阀逆时针偏转，空气旁通道截面开大。

L1和L2的两端与电刷滑环相连，经电刷引出与ECU相连接（图8-12）。

电枢轴上的电刷滑环，类似电机换向器结构，它由三段滑片围合而成，其上各有一电刷与之接触。

电枢绕组L1和L2的两端分别焊接在相应的滑片上。

当点火开关旋至“ON”时，空气调整器接线插头“2”上即有蓄电池电压，电枢绕组L1和L2是否通电，则由ECU中控制L1和L2搭铁的三极管V2和V1的通断状态决定。

由于占空比控制信号和三极管V1的基极之间接有反相器，故三极管V1和V2集电极输出相位相反。

因此，旋转滑阀式怠速空气调整器上的两个电枢绕组总是交替地通过电流，又因两组线圈绕向相反，致使电枢上交替产生方向相反的电磁转矩。

由于电磁转矩交变的频率较高（约250Hz），且电枢转动具有一定的惯性，所以旋转滑阀将根据控制信号的占空比摆到一定的角度稳定。

当占空比为50%时，L1和L2线圈的平均通电时间相等，二者产生的电磁转矩抵消，电枢轴停止偏转。

当占空比小于50%时，线圈L1的平均通电时间长，其合成电磁转矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转抵消，空气旁通道截面关小，怠速降低；

反之，当占空比大于50%时，空气旁通道截面开大，怠速升高。

如此，旋转滑阀根据控制脉冲信号的占空比偏转，占空比的范围约为18%（旋转滑阀关闭）至82%（旋转滑阀打开）之间，滑阀的偏转角度限定在90°

内。

图8-11旋转电磁阀式怠速控制阀

a）结构b）位置图c）工作原理

1-阀2-双金属带3-冷却水腔4-阀体8-线圈L1

6-永久磁铁7-线圈L28-轴9-旁通口10-固定销11-挡块12-杆

图8-12旋转电磁阀式怠速控制阀电路连接图

a）控制电路b）占空比信号c）、d）工作原理

（4）开关控制型（VSV）这种类型怠速控制阀的构造如图8-13所示。

由发动机ECU信号控制的电流通过线圈,使线圈励磁，线圈将阀打开，从而增加怠速约100r/min（快怠速转速由其它空气阀控制）。

8-13开关控制型

1-磁化线圈2-开关阀

二怠速控制过程

根据有关传感器信号，ECU控制怠速控制阀，使发动机在不同怠速工况时都处在最佳转速下稳定运转。

1．步进电动机式

步进电动机式怠速控制阀的控制线路如图7-14所示，步进电动机式怠速控制阀与发动机ECU连接。

适用于不同冷却液温度和空调器各种运行状况的目标怠速，都储存在ECU的存储器中。

ECU根据节气门开启角度和车速信号判定发动机处于怠速工况时，按一定顺序使VTl-VT4三极管依次导通，分别向怠速步进电动机四个线圈供电，驱动步进电动机旋转，调节旁通空气通道的开度，从而调节旁通空气量，使发动机转速达到目标怠速。

图8-14步进电动机怠速控制阀控制电路

（1）起动设定发动机停机（没有Ne信号传至ECU）时，怠速控制阀就全开（至125级）以改善发动机再次起动时的起动性能。

为了使怠速控制阀的设定（全开）适于发动机下次起动，即使在点火开关关断后，还必须继续供电给ECU和怠速控制阀片刻。

因此，为了保持主继电器接通，ECU从“M-REL”端子输出12V电压，直至怠速控制阀被设定。

设定一完成，怠速控制阀就切断流至主继电器残留的电流。

（2）起动控制由于怠速控制阀事先设定，起动中通过怠速控制阀的空气量是最大可能量。

这使发动机易于起动。

但是，发动机起动后，如果怠速控制阀保持全开，转速会升得太高。

所以，当发动机在起动中或起动后达到一定转速（这一转速由冷却液温度信号确定）时，ECU就开始输出信号至怠速控制阀，使其从125级（全开）闭合至接近由冷却液温度所确定的一点。

例如，起动时冷却液温度为20℃，怠速控制阀就会从全开位置（125级，即点A）逐渐闭合至点B，即发动机转速达到预定值的一点（图8-15）。

控制的相关信号有发动机转速（Ne）、冷却液温度（THW）、节气门怠速位置（IDL）、车速（SPD）等。

图8-15起动控制

（3）暖机（快怠速）控制当冷却液温度升高时，怠速控制阀从起动中闭合的那一点继续逐渐闭合。

当冷却液温度达到80℃时，怠速控制阀将快怠速控制终止（图8-16）。

图8-16暖机控制

（4）反馈控制怠速触点接通，车速低于预定值，冷却液温度约为80℃时，就进行反馈控制。

如果发动机的实际转速与储存在ECU存储器中的目标转速相差超过20r/min，ECU就输出一个信号至怠速控制阀，要其增加和减少通过旁通通道的空气量，使实际转速与目标转速相符（图8-17）。

目标转速因发动机负荷等状况而异，如空挡起动开关、空调器开关是否接通等。

控制的相关信号有发动机转速（Ne）、节气门怠速位置（IDL）、车速（SPD）、冷却液温度（THW）、空调器（A/C）和空挡起动开关（NSW）等。

图8-17反馈控制

（5）发动机转速变化估计控制空挡起动开关或空调器开关接通后，发动机负荷也立即改变。

为防止发动机转速因此而改变，ECU输出信号至怠速控制阀，使其在发动机转速改变前，按一固定量打开或闭合。

此时根据发动机转速（Ne）、空挡起动开关（NSW）、节气门怠速位置（IDL）、车速（SPD）和空调器（A/C）等信号控制。

（6）电负荷怠速提高控制由于施加电负荷时，交流发电动机的发电能力增加，发动机ECU将打开一定级数，使在端子“+B”或端子“IGSW”已有电压降时，或者在信号已施加在端子“LP”、端子“DFG”、或端子“ELS”上时，提高怠速转速。

此时根据电负荷（LP、DFG或ELS）、发动机转速（Ne）、节气门怠速位置（IDL）和车速（SPD）等信号进行控制。

（7）其它控制除了上述控制外，有些发动机还有其它控制形式。

如减速时，怠速控制阀在这个控制中的运作类似减速缓冲阀；

当机油压力开关接通时，怠速控制阀打开少许等。

2．占空比控制型（ACV）

占空比控制阀安装在进气歧管上，利用来自发动机ECU的信号（占空比信号）控制经过节气门的进气量。

空气流量是由来自ECU的空气流量信号接通的时间与断开的时间之比确定的。

如怠速转速因发动机运转情况变化或电负荷变化（如空调器开关或空挡起动开关接通等）而下降，占空比控制阀按照来自ECU的信号控制绕过节气门的空气量，从而帮助稳定怠速转速（在预热中，快怠速转速是由空气阀控制的）。

控制电路如图8-18所示。

图8-18占空比怠速控制阀控制电路

（1）起动控制为在曲轴开始旋转时改善起动性能，当起动信号接通，使占空比怠速控制阀完全打开。

（2）反馈控制除了起动控制、发动机转速变化估计控制及恒定占空比控制这些情况，ECU都改变“V-ISC”信号以保持怠速转速。

（3）发动机转速变化估计控制空调器开关或空挡起动开关接通时，占空比改变。

这一控制就是帮助限制怠速转速的改变。

（4）恒定载荷控制当怠速触点断开或空调器开关接通时，ECU使占空比怠速控制阀保持在一固定开度。

3．旋转电磁阀式

图8-19为旋转电磁阀式怠速控制阀与发动机ECU相连接的电路。

不管发动机是冷态或热态，怠速控制阀在怠速转速的全部范围内，通过占空比控制（占空比0~100％）进行反馈控制。

图8-19旋转电磁阀式怠速控制阀控制电路

（1）起动控制发动机起动时，怠速控制阀根据储存在ECU存储器的数据，按照发动机当时的运转情况打开，这就改善了起动性能。

此时ECU根据冷却液温度（THW）和发动机转速（Ne）等信号进行控制。

（2）暖机（快怠速）控制发动机起动后，ECU根据冷却液温度控制快怠速。

此外，还进行反馈控制，以保证发动机怠速转速与目标转速匹配。

目标怠速转速的数据储存在存储器中。

（3）反馈控制发动机起动后，当反馈控制运作的所有条件都具备时，ECU就不断地将发动机的实际转速与储存在存储器中的目标怠速转速相比较。

ECU将必需的控制信号输送至怠速控制阀，以便调节发动机的实际转速，使之与目标怠速转速相匹配。

当发动机实际转速低于目标怠速转速时，ECU就传送信号至怠速控制阀，将其打开；

反之，ECU就输出闭合信号至怠速控制阀。

目标转速也因发动机运转状况而异，如空挡起动开关、空调器开关是否接通，电负荷信号是通还是断等。

控制的相关信号有发动机转速（Ne）、节气门怠速位置（IDL）、车速（SPD）、空挡起动开关（NSW）、电负荷（LPD、FG或ELS）和空调器（A/C）等。

（4）发动机转速变化估计控制空挡起动开关、尾灯继电器或除雾器继电器或空调器开关接通后，发动机负荷也立刻改变。

为防止发动机转速也因此而改变，此前，ECU就输出信号至怠速控制阀，将其打开或闭合一固定量。

ECU根据空挡起动开关（NSW）、电负荷（LP、DFG或ELS）、车速（SPD）和空调器（A／C）等信号进行控制。

（5）其它控制除了上述控制外，还有减速缓冲器控制。

作用是防止当节气门位置传感器的怠速触点闭合时，因发动机转速突然变化而使怠速转速突然下降。

在有些型号的发动机中，安装有电动液压动力转向装置（EHPS），当因电动液压动力转向装置工作电负荷急剧增加时，怠速转速也增加。

在涡轮增压的发动机中，当怠速转速在高速或高负荷工作后恢复正常时，若油液压力降得太低，不能给涡轮提供足够润滑，会发生涡轮咬死。

为此必须控制怠速转速逐渐降低，以使机油泵给涡轮增压器供给充足的机油，防止上述情况发生。

4．开关控制型（VSV）

如图8-20所示，发动机ECU根据来自各个传感器的信号，将信号传送至怠速控制阀，使发动机以适当转速进行怠速运转。

在暖机时，快怠速转速由空气阀控制。

图8-20开关控制型怠速控制阀控制电路

在下列情况下，开关控制型怠速控制阀由关断转为至接通：

1）当发动机曲轴正在旋转时，以及在起动后的瞬间；

2）当怠速触点接通，发动机转速低于一预定的转速（视空挡起动开关信号而定）时；

3）在怠速触点接通（自动变速箱车辆），从“P”或“N”挡换至其它任何挡后的几秒钟；

4）尾灯控制开关接通；

5）后窗除雾器开关接通；

6）如检查端子“T”或“TE1”连接至“E1”，则开关控制型怠速控制阀保持关断。

但是，如果控制开关或后窗除雾器开关接通，则开关控制型怠速控制阀也接通。

此时开关控制型怠速控制阀阀打开，流过旁通通道空气量增大，使发动机怠速保持稳定。

在下列情况下开关控制型怠速控制阀由接通转为关断：

1）发动机起动后，经过一段的时间；

2）怠速触点接通而且A/C的磁性离合器分离时，发动机转速升至超过一预定的转速（视空挡起动开关信号而定）时；

3）怠速触点接通而且A/C的磁性离合器分离（A/T车辆），变速箱从“P”或“N”挡换至其它任何挡后一段预定时间，并且发动机转速超过一预定转速时；

4）尾灯控制开关关断；

5）后窗除雾器开关关断。

此时开关控制型怠速控制阀关闭，流过旁通通道空气量减少，使发动机保持稳定怠速运转。

第二节排放控制

汽车发动机作为一个大气污染源，应该采取各种有效措施予以治理和改造。

关于汽车发动机排气的控制和净化问题，各国都进行了大量的研究工作，研制了不少的技术措施。

这些方法大致可分为：

发动机本身的改进和增加排放净化装置。

而由于发动机本身的改进，较难满足日益严格的排放法规和降低成本等要求，因此现代汽车采取了多种排放控制措施来减少汽车的排气污染，如三元催化转换、废气再循环（EGR）、活性碳罐蒸发控制系统等。

一、闭环控制

在发动机开环控制过程中，ECU只是根据转速、进气量、进气压力、冷却液温度等信号确定喷油量，即控制混合气空燃比。

由于三元催化转换装置的特性是空燃比附近的转换效率较高（图8-21），因此必须将空燃比比较精确地控制在14.7：

1附近。

对于开环控制来说，很难将实际空燃比控制在14.7：

1附近很窄的范围内。

图8-21三元催化转换装置的转换效率

为了将实际空燃比精确地控制在14.7附近，在发动机控制系统中普遍采用由氧传感器组成的空燃比反馈控制方式，即闭环控制方式。

在三元催化转换器前面的排气岐管或排气管内装有氧传感器，其功用是用来检测排气中的氧气含量以确定实际空燃比是比理论空燃比浓还是稀，并向ECU反馈相应的电压信号。

ECU根据氧传感器反馈的空燃比浓稀信号，控制喷油量的增加和减少。

在闭环控制过程中，当实际空燃比比理论空燃比小（混合气浓）时，氧传感器向ECU输入的是高电压信号（0.75V～0.9V）。

此时ECU将减小喷油量，空燃比增大。

当空燃比增大到理论空燃比14.7：

1时，氧传感器输出电压信号将突变下降至0.1V左右。

此信号输入ECU后，ECU立即控制增加喷油量，空燃比又开始减小。

只要空燃比刚减到理论空燃比以下时，氧传感器输出电压信号又突变，上升至0.75V以上，反馈给ECU后，ECU又将控制减小喷油量。

如此反复，就能将空燃比精确地控制在理论空燃比14.7：

1附近一个极小的范围内。

而此时三元催化转换器也保证工作在最佳状态。

由上述可知，闭环控制的实质在于保持实际空燃比为14.7：

1，但任何需要以非理论空燃比运行的发动机工况都只能采用开环控制。

当处于怠速运转时、节气门全开、大负荷时、减速断油时、发动机起动时、发动机冷却液温度低或氧传感器温度未达到工作温度（400℃）时或氧传感器失效或其配线发生故障时应采用开环控制。

二、废气再循环控制（EGR）

废气再循环简称为EGR（ExhaustGasRecirculation）系统，是目前用于降低NOX排放的一种有效措施。

它是将一部分排气引入进气管与新混合气混合后进入气缸燃烧，从而实现再循环，并对送入进气系统的排气进行最佳的控制。

EGR系统净化NOx的基本原理是：

排气中的主要成分是CO2、H2O和N2等，这三种气体的热容量较高。

当新混合气和部分排气混合后，热容量也随之增大。

在进行相同发热量的燃烧时，与不混合时相比，可使燃烧温度下降，这样就抑制NOX生成，因为NOx主要是在高温富氧的条件下生成的。

但是过度的废气再循环，使混合气的着火性能和发动机输出功率下降，将会影响发动机的正常运行，特别是在怠速、低转速小负荷及发动机处于冷态运行时，再循环的废气将会明显降低发动机的性能。

因此应根据发动机结构、工况及工作条件的变化自动调整参与再循环的废气量，并选择NOx排放量多的发动机运转范围，进行适量的EGR控制。

通常，EGR的控制指标采用EGR率表示，其定义如下：

EGR率=[EGR气体流量/（吸入空气量+EGR气体流量）]×

100%

一般机械式控制装置的EGR率（一般为5％～15％）较小，即使采用能进行比较复杂控制的机械式控制装置，控制的自由度也受到限制，并且控制装置繁多。

电子式废气再循环（EGR）控制系统，不仅结构简单，而且可进行较大EGR率（15％～20％）控制，但随着EGR的增加，燃烧将变得不稳定，缺火严重，油耗上升，HC的排放量也增加。

因此，当燃烧恶化时，可减少EGR率，甚至完全停止EGR。

电子式EGR控制系统的主要功能，就是选择NOx排放量多的发动机运转范围，进行适量EGR控制。

1．普通电子式废气再循环（EGR）控制

图8-22为日产NISSAN车VG30型发动机所用的电子式废气再循环控制系统，它由废气再循环电磁阀，节气门位置传感器、废气再循环控制