01第一章汽車電子控制技術(shù)概述

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)專 業(yè)： 車輛工程任課教師： 孫 濤1*教材與參考書車用汽油機(jī)燃料噴射與電子控制 教材 卓斌，劉啟華 機(jī)械工業(yè)出版社汽車電子控制技術(shù) 參考書 周云山 機(jī)械工業(yè)出版社汽車電子控制技術(shù) 參考書 馮淵 機(jī)械工業(yè)出版社2本學(xué)期授課計(jì)劃汽車電控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 4學(xué)時(shí)汽油機(jī)控制基礎(chǔ) 4學(xué)時(shí)汽油機(jī)電控系統(tǒng)傳感器 4學(xué)時(shí)汽油機(jī)電控系統(tǒng)控制器 2學(xué)時(shí)汽油機(jī)電控系統(tǒng)執(zhí)行器 4學(xué)時(shí)汽油機(jī)電控控制策略 6學(xué)時(shí)小測(cè)驗(yàn) 2 學(xué)時(shí)汽油機(jī)起動(dòng)與點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)與汽油機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 4學(xué)時(shí)3聯(lián)系方式 機(jī)械工程學(xué)院汽車工程研究所 332室 每周二 下午 Tel:E-mail: tao_ 4第

2、一章 汽車電子控制技術(shù)概述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是從屬于汽車電控系統(tǒng)的一部分，因此，有必要首先明確一下汽車電控系統(tǒng)的含義以及產(chǎn)生的背景；汽車電子控制技術(shù)汽車電子控制技術(shù)：汽車技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物；產(chǎn)生的背景：人們對(duì)于汽車性能、節(jié)能、環(huán)保的重視程度的不斷提高，因而，汽車行業(yè)的相關(guān)法規(guī)不斷出臺(tái)，(汽車的主動(dòng)和被動(dòng)安全性，油耗指標(biāo)，排放法規(guī))；從而帶動(dòng)了汽車電控技術(shù)的發(fā)展； 5第一章 汽車電子控制技術(shù)概述1.1 基本的電控系統(tǒng)1.2 汽車電控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介1.3 汽車電控系統(tǒng)的組成1.4 汽車電控系統(tǒng)的類型1.5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)61.1 基本的電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)一般都可分為傳感器、控

3、制器和執(zhí)行器； 傳感器：將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，目的在于監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行和環(huán)境，并將其輸送到控制器； 控制器：接受和處理傳感器發(fā)出的各種信息，并加以分析，利用事先制定的控制策略決定在當(dāng)前狀態(tài)下控制指令， 執(zhí)行器： 接受控制器的指令，通過自身的設(shè)計(jì)將電信號(hào)的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行元件的相應(yīng)動(dòng)作。7電控系統(tǒng)的基本要求準(zhǔn)確性好；輸出準(zhǔn)確地接近在一定輸入條件下的理想輸出； 超調(diào)量小響應(yīng)快速；對(duì)輸入的變化響應(yīng)足夠快，且準(zhǔn)確的追隨這種變化；過渡過程時(shí)間短穩(wěn)定性好；控制系統(tǒng)穩(wěn)定且在輸入信號(hào)改變時(shí)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行要穩(wěn)定； 穩(wěn)定裕度大魯棒性強(qiáng)，對(duì)內(nèi)外部干擾的不敏感，可用矩陣范數(shù)來度量8第一章 汽車電子控制技術(shù)概述1.

4、1 基本的電控系統(tǒng)1.2 汽車電控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介1.3 汽車電控系統(tǒng)的組成1.4 汽車電控系統(tǒng)的類型1.5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)91.2 汽車電控技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)功能：采集發(fā)動(dòng)機(jī)工況信號(hào)，根據(jù)傳感器采集的信號(hào)，確定最佳噴油量，噴油時(shí)刻，點(diǎn)火時(shí)刻，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能；產(chǎn)生背景：借鑒飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)汽油噴射技術(shù)，并伴隨電子技術(shù)和油耗以及排放法規(guī)要求逐步提高發(fā)展到今天的水平的；10Bosch 汽油機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展歷程1952 年，第一臺(tái)機(jī)械控制式汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)，配裝于Benz 300L 賽車上，汽油直接噴入氣缸內(nèi)，A/F利用氣動(dòng)式混合氣調(diào)節(jié)器； 1958年，研制成功向

5、進(jìn)氣管內(nèi)噴油的機(jī)械控制式發(fā)動(dòng)機(jī)，空燃比采用機(jī)械式油量分配器，配裝于Benz 220 ； 1967年，Bosch研制成功K-Jetronic 機(jī)械控制式汽油噴射系統(tǒng)；同年，Bosch公司購買了美國Bendix的專利技術(shù)，開始生產(chǎn)D-Jetronic，開創(chuàng)了汽油機(jī)電控燃油噴射技術(shù)的新時(shí)代；11進(jìn)一步的發(fā)展1973年，在D型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)為L(zhǎng)-Jetronic1979年，在L型的基礎(chǔ)上，將點(diǎn)火控制和燃油噴射控制結(jié)合在一起，從而構(gòu)成了今天廣泛采用的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)Motronic控制系統(tǒng)局部的改進(jìn)有兩個(gè)類型：1981年，LHJetronic；熱線式空氣流量傳感器；1982年，KEJetronic；機(jī)電控制式

6、12發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)發(fā)展過程圖1-113變速器電控技術(shù)防止發(fā)動(dòng)機(jī)過載；改變轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)矩比；自動(dòng)變速器是在機(jī)械式自動(dòng)變速器、液力變矩器等液力傳動(dòng)技術(shù)和電子控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的；液力傳動(dòng)技術(shù)最早發(fā)明于歐洲，并率先應(yīng)用于船舶上； 1938年，美國通用公司首先推出了將行星齒輪變速器與液力耦合器組合而成的液力自動(dòng)變速器；采用液壓自動(dòng)變速，是現(xiàn)代轎車自動(dòng)變速器的雛形；此后，不斷推陳出新； 1969年，雷諾采用計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)變速，成為電控液力自動(dòng)變速器的先驅(qū)；14防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS縮短制動(dòng)距離，防止制動(dòng)時(shí)，跑偏、甩尾和輪胎過度磨損；最早應(yīng)用于鐵路機(jī)車；目的是防止制動(dòng)時(shí)，車輪外圓過度磨損而導(dǎo)致的振動(dòng)和噪

7、音；1920年，英國人研制成功了ABS技術(shù)，并于1932年申請(qǐng)了專利，1936年，Bosch獲得了ABS專利權(quán)；在40年代末，成為飛機(jī)的標(biāo)配； 最早在汽車上采用ABS的是美國福特公司，將其裝配于林肯牌轎車上；15汽車電子控制技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性減少燃油消耗，如采用發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油技術(shù)，電控點(diǎn)火，混合氣濃度控制后，與傳統(tǒng)的化油器發(fā)動(dòng)機(jī)相比節(jié)約10 15; 減少空氣污染；尾氣中主要是HC，CO以及NOx;利用EGR控制以及三元催化凈化裝置，可以降低有害氣體的排放； 提高安全性；采用主動(dòng)和被動(dòng)安全裝置后，整車的安全性得到大幅度的提升； 提高舒適性；降低了振動(dòng)水平；噪聲的控制和空氣溫度和濕度的調(diào)節(jié)；16第一

8、章 汽車電子控制技術(shù)概述1.1 基本的電控系統(tǒng)1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介1.3 汽車電控系統(tǒng)的組成1.4 汽車電控系統(tǒng)的類型1.5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)171.3 汽車電控系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般組成 (圖1-2)18各部分功用（1）檢測(cè)反饋單元：通過各種傳感器檢測(cè)受控參數(shù)或其它中間變量，經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后用以顯示或作為反饋信號(hào)。指令及信號(hào)處理單元：該單元接受人機(jī)對(duì)話隨機(jī)指令或定值、程序指令，并接受反饋信號(hào)，一般具有信號(hào)比較、變換、運(yùn)算、邏輯等處理功能。19各部分功用（2）轉(zhuǎn)換放大單元：將指令信號(hào)按不同方式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換和線性放大，使放大后的功率足以控制執(zhí)行器并驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象。執(zhí)行器： 直

9、接驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象的部件，可以是電磁元件，如電磁鐵、電動(dòng)機(jī)等；也可以是液壓或氣動(dòng)元件，如液壓或氣壓工作缸及馬達(dá)。為了使驅(qū)動(dòng)特性與受控對(duì)象的負(fù)荷特性相互匹配，還可附加變速機(jī)構(gòu)，如液壓馬達(dá)和行星齒輪傳動(dòng)的組合。動(dòng)力源： 動(dòng)力源為各單元提供能源，通常包括電氣動(dòng)力源和流體動(dòng)力源兩類。20自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 按有無反饋環(huán)節(jié)分按輸入量變化分 恒值控制系統(tǒng) 隨動(dòng)控制系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)按信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分按輸出、輸入的關(guān)系分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 21簡(jiǎn)化的汽車電控系統(tǒng)模型圖13 簡(jiǎn)化的汽車電子控制系統(tǒng)模型控制器(ECU)傳感器執(zhí)行器向ECU提供汽車運(yùn)行狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)工況

10、 接收來自傳感器的信息，經(jīng)信息處理后發(fā)出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行器 執(zhí)行ECU的專項(xiàng)指令，從而完成控制目的 22第一章 汽車電子控制技術(shù)概述1.1 基本的電控系統(tǒng)1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介1.3 汽車電控系統(tǒng)的組成1.4 汽車電控系統(tǒng)的類型1.5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)231.4 汽車電子控制系統(tǒng)的類型一般而言，有兩種分類方式，汽車的總體結(jié)構(gòu)分類： 1）發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)集中控制系統(tǒng)。2）底盤綜合控制和安全系統(tǒng)。3）智能車身電子系統(tǒng)。 從功能角度來分類： 1）動(dòng)力性控制， 2）安全性控制 3）舒適性控制， 4）信息及附屬裝置控制24動(dòng)力性控制系統(tǒng)名稱控制量電控燃油噴射(EFI)噴油量；噴油時(shí)刻

11、；燃油泵；燃油供停電控點(diǎn)火點(diǎn)火時(shí)刻；通電時(shí)間；爆震防止怠速轉(zhuǎn)速控制(ISC)空調(diào)通斷；變速器掛擋；動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵通斷；排放控制EGR；A/F反饋控制；進(jìn)氣控制進(jìn)氣引導(dǎo)通路切換；渦流控制閥；增壓控制泄壓閥；廢氣渦輪增壓器；自診斷與失效保護(hù)故障警告；存儲(chǔ)故障代碼；傳感器失效保護(hù)；電控變速發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；變速器換擋時(shí)機(jī)；25安全性控制系統(tǒng)名稱控制量防抱死制動(dòng)系統(tǒng)車輪制動(dòng)力；滑移率；驅(qū)動(dòng)防滑控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩, 驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力, 差速器鎖止安全氣囊控制氣囊點(diǎn)火器點(diǎn)火時(shí)機(jī)；座椅安全帶收緊控制收緊器點(diǎn)火器點(diǎn)火時(shí)機(jī)；動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制控制助力油壓；氣壓或電動(dòng)機(jī)電流；雷達(dá)車距控制車距；報(bào)警；制動(dòng)；電子穩(wěn)定性程序橫擺力矩；

12、車身側(cè)頃；橫擺角速度四輪轉(zhuǎn)向側(cè)向力；側(cè)偏角26舒適性控制系統(tǒng)名稱控制量懸架控制車身高度；懸架剛度；懸架阻尼；執(zhí)行器主動(dòng)控制力；車身姿態(tài)控制(俯仰，側(cè)傾，點(diǎn)頭)巡航控制車速；安全(解除巡航狀態(tài))空調(diào)控制溫度(制冷，取暖)電動(dòng)座椅控制方向(前/后) ；高低(上/下)前照燈光控制焦距；光線角度；27信息系統(tǒng)及附屬裝置系統(tǒng)名稱控制量交通信息顯示交通信息，電子地圖CD音響娛樂信息控制；車載電話，GPS通訊聯(lián)絡(luò)車載計(jì)算機(jī)車內(nèi)辦公電子儀表汽車狀態(tài)顯示中央門鎖控制門鎖遙控；行駛自鎖；玻璃升降防盜控制報(bào)警；數(shù)字密碼點(diǎn)火開關(guān)；方向盤自鎖安全駕駛監(jiān)控駕駛時(shí)間；方向盤狀態(tài)；駕駛員身體狀態(tài)28汽車電控領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向 車

13、輛動(dòng)力學(xué)(垂向、縱向、橫向)和電子控制技術(shù)相結(jié)合進(jìn)一步發(fā)展，新的研究方法和手段不斷出現(xiàn)。(HIL;線控技術(shù)；)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能(稀燃、缸內(nèi)直噴)混合氣渦流、燃油噴射、點(diǎn)火定時(shí)控制；主動(dòng)安全ESP(4WS+LSC)車身姿態(tài)控制和懸架控制29第一章 汽車電子控制技術(shù)概述1.1 基本的電控系統(tǒng)1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)介1.3 汽車電控系統(tǒng)的組成1.4 汽車電控系統(tǒng)的類型1.5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)301.5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng) 當(dāng)汽車行駛時(shí)，駕駛者對(duì)加速踏板的操作決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，對(duì)汽油機(jī)而言，加速踏板與節(jié)氣門作機(jī)械連接。駕駛者踩下加速踏板，就會(huì)改變節(jié)氣門的開度，調(diào)節(jié)每個(gè)氣缸

14、的循環(huán)充氣量，從而得到需要的功率；傳統(tǒng)汽油機(jī)的調(diào)節(jié)與控制發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的內(nèi)涵發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的構(gòu)成31傳統(tǒng)汽油機(jī)的調(diào)節(jié)與控制傳統(tǒng)的汽油機(jī)中，存在著對(duì)空燃比，點(diǎn)火提前角和怠速的控制和調(diào)節(jié)；空燃比(A/F): 用化油器控制，其中主量孔提供了穩(wěn)定條件下大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所需要的空燃比，機(jī)械省油器和真空省油器提供加濃燃油，以獲得高速高負(fù)荷時(shí)所需要的功率空燃比；加速泵則在突然加速等過程中提供瞬態(tài)加濃燃油；冷起動(dòng)時(shí)，利用阻風(fēng)門進(jìn)一步加濃混合氣；點(diǎn)火提前角：通常由斷電分電器中斷電白金觸點(diǎn)的閉合位置來決定點(diǎn)火提前角的基本量；并由真空提前器和離心提前器根據(jù)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速對(duì)提前角進(jìn)行校正；怠速：怠速調(diào)節(jié)螺釘改

15、變節(jié)氣門的極限位置，即最小開度，以調(diào)節(jié)怠速空氣量，并通過化油器怠速系統(tǒng)調(diào)節(jié)空燃比；32發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的內(nèi)涵 現(xiàn)代電控系統(tǒng)中，空燃比，點(diǎn)火提前角和怠速控制仍然是電控系統(tǒng)的基本控制功能和任務(wù)，當(dāng)然，其控制方式和控制元件完全不同了；傳感器：將正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給控制器，電信號(hào)可為數(shù)字式或模擬式，均為毫安級(jí)；控制器：對(duì)傳感器的信息進(jìn)行分析綜合，決定發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行模式，并將控制指令送到執(zhí)行器；執(zhí)行器：依控制指令動(dòng)作，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為某些機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的某些運(yùn)行條件；33發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器控制器執(zhí)行器1.監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況 2. 將信息傳至控制器1

16、.接受控制指令 2. 按控制指令執(zhí)行動(dòng)作1.接受并分析輸入信息 2. 決定如何調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)3. 發(fā)出控制指令到執(zhí)行器圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)示意圖34傳感器控制器信息傳遞(圖1-5)駕駛員操縱信號(hào)； 節(jié)氣門位置信息傳給控制器；進(jìn)氣管絕對(duì)壓力； 反映發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，并表征循環(huán)充氣量的大?。话l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度； 對(duì)A/F與點(diǎn)火定時(shí)均存在較大影響；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； 對(duì)點(diǎn)火提前角有較大影響，同時(shí)通過對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理，可得出曲軸角位置的信息，以確定具體的點(diǎn)火時(shí)刻；排氣再循環(huán)情況； 改善排放的角度而言；排氣中氧含量的信息；反映當(dāng)前實(shí)際空燃比；35圖1-536控制器執(zhí)行器(發(fā)動(dòng)機(jī))信息傳遞 接到傳感器的輸出信息后，控制器

17、首先判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式(起動(dòng)、怠速、部分負(fù)荷、節(jié)氣門全開)，然后控制器將為當(dāng)前的工況定一個(gè)控制目標(biāo)；如當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)處于部分負(fù)荷、冷卻水溫正常、中高轉(zhuǎn)速，則控制器的控制目標(biāo)可能是：A/F 14.7；點(diǎn)火提前角為為上止點(diǎn)前23度；EGR的比例為5，然后控制器將進(jìn)行一系列的運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果反映到控制指令上輸出至執(zhí)行器；噴油量 使得混合氣達(dá)到規(guī)定的空燃比；點(diǎn)火時(shí)刻 該工況下的最佳點(diǎn)火提前角(MBT)；點(diǎn)火能量點(diǎn)火系特有的功能；EGR閥開啟量 控制EGR閥開度，使得排氣再循環(huán)量滿足相應(yīng)的控制命令；37圖1-638發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)(EMS)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)又稱發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)； 控制過程：在控制器中，存儲(chǔ)著事

18、先編制的控制軟件和大量的數(shù)表，不停地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信息存儲(chǔ)、工況判斷、目標(biāo)確定、控制命令產(chǎn)生和輸出等工作，還要不停的監(jiān)測(cè)駕駛員的操作，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的，可預(yù)測(cè)的瞬態(tài)反應(yīng)。軟件的主要部分，即確定控制器的目標(biāo)和產(chǎn)生控制命令，稱為控制策略；ECU 確定發(fā)動(dòng)機(jī)工況：WOTECU確定控制目標(biāo)：濃混合氣ECU決策控制命令：大的噴油脈沖圖1-7 節(jié)氣門全開時(shí)ECU的控制信息流39發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的構(gòu)成圖 1-8 Bosch M 型電控系統(tǒng)的構(gòu)成壓力調(diào)節(jié)器控制器ECU點(diǎn)火線圈高壓分電器氧傳感器進(jìn)氣溫度傳感器空氣流量傳感器發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器蓄電池點(diǎn)火和起動(dòng)開關(guān)轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)定時(shí)傳感器怠速執(zhí)行器40傳感器空氣流量傳感器測(cè)量進(jìn)氣空氣體積流量；節(jié)氣門位置傳感器測(cè)量節(jié)氣門開度；進(jìn)氣溫度傳感器測(cè)量進(jìn)氣口處的空氣溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的冷卻水溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸位置傳感器測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)角位置并由此信號(hào)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)；氧傳感器測(cè)量排氣中的氧含量；點(diǎn)火開關(guān)與起動(dòng)開關(guān)將點(diǎn)火與起動(dòng)需求通知控制器41控制器ECU ：控制目標(biāo)；相應(yīng)的控制策略；控制指令；42子系統(tǒng)和執(zhí)行器噴油系統(tǒng)含燃油箱、燃油泵、濾清器