電子控制技術(shù)在汽車發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

1. 引言

1)汽車發(fā)動機(jī)基本原理和構(gòu)造

當(dāng)今世界上的汽車發(fā)動機(jī)工作過程基本上都由四個沖程組成，即進(jìn)氣、壓縮、膨脹和排氣。利用燃料和空氣的混合氣在氣缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體的膨脹，發(fā)動機(jī)借助于曲柄連桿機(jī)構(gòu)通過曲軸對外輸出扭矩而作功。發(fā)動機(jī)按照所用燃料可分成汽油機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動機(jī);按照點火方式可分成點燃式和壓燃式;汽油機(jī)按照空氣和燃油的比例可分成理論當(dāng)量燃燒和稀薄燃燒;按照汽油噴射地點可分成中央噴射、進(jìn)氣口噴射和缸內(nèi)噴射。

發(fā)動機(jī)的各個部分按其功能可分成燃油供應(yīng)系統(tǒng)、進(jìn)氣排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、曲柄連桿傳動機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)如發(fā)電機(jī)、起動機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和各種泵等。

發(fā)動機(jī)工況可分成冷起動、起動后、暖機(jī)、怠速、部分負(fù)荷、全負(fù)荷、加速、減速和倒拖滑行等。這些工況主要根據(jù)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速，結(jié)合發(fā)動機(jī)溫度(即冷卻液溫度)來區(qū)分。

2)電子控制在發(fā)動機(jī)中的重要意義

汽車電子控制始于發(fā)動機(jī)電子控制。電子控制之于1957年引入發(fā)動機(jī)以及于1967年商品化，其初衷是為了滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，同時提高汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性?，F(xiàn)代汽車和發(fā)動機(jī)技術(shù)離開了電子控制是不可思議的。電子產(chǎn)品的產(chǎn)值在整個汽車中所占的比例隨著汽車級別的提升而升高，可達(dá)30%以上。

3)發(fā)動機(jī)電子控制的核心問題

汽油機(jī)電子控制的核心問題是燃油定量和點火定時。柴油機(jī)電子控制的核心問題是燃油定量和噴油定時。

2. 汽車和發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的組成

汽車和發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)跟其它電子控制系統(tǒng)一樣，也是由傳感器、電子控制單元(ECU)和執(zhí)行器組成。

1)傳感器

(1)目前汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)常用的傳感器有：

l 進(jìn)氣岐管絕對壓力傳感器(提供進(jìn)氣岐管絕對壓力信息供計算負(fù)荷等)

l 燃油壓力傳感器(提供油軌燃油壓力信息)

l 燃油箱壓力傳感器(提供燃油箱壓力信息)

l 機(jī)油壓力傳感器(提供機(jī)油壓力信息)

l 冷卻液溫度傳感器提供(提供發(fā)動機(jī)溫度信息)

l 進(jìn)氣溫度傳感器(提供進(jìn)氣溫度信息供計算空氣密度等)

l 空調(diào)蒸發(fā)器溫度傳感器(提供空調(diào)蒸發(fā)器溫度信息)

l 空調(diào)冷凝器溫度傳感器(提供空調(diào)冷凝器溫度信息)

l 空氣流量傳感器(提供空氣流量信息供計算負(fù)荷等)

l 節(jié)氣門位置傳感器(提供負(fù)荷信息、負(fù)荷范圍信息、加速減速信息)

l 油門踏板位置傳感器(提供負(fù)荷信息、負(fù)荷范圍信息、加速減速信息等)

l 霍爾傳感器(提供轉(zhuǎn)速信息、曲軸位置和相位信息)

l 感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器(提供轉(zhuǎn)速信息和曲軸位置信息)

l 燃油箱液面位置傳感器(提供燃油箱液面位置信息)

l 爆震傳感器(提供發(fā)動機(jī)機(jī)體接收到的振動信息)

l 排氣再循環(huán)閥閥桿位移傳感器(提供排氣再循環(huán)閥開度信息)

l 氧傳感器(提供過量空氣系數(shù)l是大于1還是小于1的信息)

(2)目前柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)常用的傳感器有：

l 增壓壓力傳感器(提供增壓壓力信息)

l 燃油壓力傳感器(提供共軌燃油壓力信息)

l 機(jī)油壓力傳感器(提供機(jī)油壓力信息)

l 冷卻液溫度傳感器(提供發(fā)動機(jī)溫度信息)

l 燃油溫度傳感器(提供燃油溫度信息)

l 進(jìn)氣溫度傳感器(提供進(jìn)氣溫度信息)

l 排氣溫度傳感器(提供排氣口和排氣管的溫度信息)

l 空調(diào)蒸發(fā)器溫度傳感器(提供空調(diào)蒸發(fā)器溫度信息)

l 空調(diào)冷凝器溫度傳感器(提供空調(diào)冷凝器溫度信息)

l 空氣流量傳感器(提供空氣流量信息)

l 節(jié)氣門位置傳感器(提供節(jié)氣門位置信息用于排氣再循環(huán)控制)

l 轉(zhuǎn)角傳感器(提供分配泵軸轉(zhuǎn)角信息)

l 油門踏板位置傳感器(提供負(fù)荷信息、負(fù)荷范圍信息、加速減速信息)

l 霍爾傳感器(提供轉(zhuǎn)速和曲軸相位信息)

l 海拔高度傳感器(提供海拔高度信息)

l 車速傳感器(提供車速信息)

l 感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器(提供轉(zhuǎn)速信息和曲軸位置信息)

l 燃油箱液面位置傳感器(提供燃油箱液面位置信息)

l 排氣再循環(huán)閥閥桿位移傳感器(提供排氣再循環(huán)閥開度信息)

l 氧傳感器(提供過量空氣系數(shù)l的具體數(shù)值)

l 壓差傳感器(提供微粒物捕集器的壓差信息)

l NOX傳感器(提供排氣后處理系統(tǒng)的NOX濃度信息)

2)電子控制單元

電子控制單元(ECU)接受傳感器提供的各種信息并加以處理，根據(jù)處理向執(zhí)行器發(fā)出指令給，對發(fā)動機(jī)實施控制。電子控制單元由微型計算機(jī)和模擬電路組成。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子控制單元的信息處理量越來越大，現(xiàn)在所用的芯片已經(jīng)達(dá)到32位，晶體管數(shù)量可超過700萬個，匹配參數(shù)可超過6000個，針腳數(shù)目可超過150個。

3)執(zhí)行器

(1)目前汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)常用的執(zhí)行器有：

l 電動燃油泵

l 電磁噴油器

l 點火線圈

l 各種怠速執(zhí)行器

l 炭罐控制閥

l 排氣再循環(huán)控制閥

l 電動節(jié)氣門(又稱電子油門)

l 液壓回路電磁閥(用于可變氣門定時控制等)

l 氣動回路電磁閥(用于可變進(jìn)氣管長度控制等)

l 全可變氣門電子控制執(zhí)行器

l 渦輪增壓廢氣放空控制閥

l 電動二次空氣泵

l 三效催化轉(zhuǎn)化器加熱執(zhí)行元件

l 冷卻風(fēng)扇

l 空調(diào)壓縮機(jī)電磁離合器

l 發(fā)動機(jī)上的其他輔助設(shè)備

(2)目前柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)常用的執(zhí)行器有：

l 電動輸油泵

l 各種燃油噴射泵

l 噴油量執(zhí)行器(集成于燃油噴射泵內(nèi))

l 噴油提前角執(zhí)行器(集成于燃油噴射泵內(nèi))

l 燃油切斷閥(集成于燃油噴射泵內(nèi))

l 共軌高壓泵

l 共軌壓力控制閥

l 各種共軌噴油器

l 單元噴嘴系統(tǒng)和單元泵系統(tǒng)的高壓燃油電磁閥

l 熾熱塞

l 排氣再循環(huán)控制閥

l 電動節(jié)氣門(又稱電子油門)

l 可變氣門控制執(zhí)行器

l 可變進(jìn)氣管長度執(zhí)行器

l 渦輪增壓廢氣放空控制閥

l 冷卻風(fēng)扇

l 空調(diào)壓縮機(jī)電磁離合器

l 發(fā)動機(jī)上的其他輔助設(shè)備

一部分柴油機(jī)傳感器和執(zhí)行器集成于燃油噴射設(shè)備之內(nèi)，因所用的柴油噴射設(shè)備而異。

3. 汽油機(jī)基本的電子控制項目

1)燃油定量。這是汽油機(jī)最重要的電子控制項目?？刂茖ο笫沁M(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣與燃油的質(zhì)量比例，由ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度等參數(shù)決定。負(fù)荷就是駕車人對發(fā)動機(jī)的扭矩要求，通過吸入空氣量或油門踏板位置傳遞給ECU。執(zhí)行器是電動燃油泵和電磁噴油器。燃油定量影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性、排放和零部件的安全。

2)點火定時。點火定時通常用點火發(fā)生時活塞在壓縮沖程上止點之前多少度曲軸轉(zhuǎn)角，即點火提前角來表征，也要根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度等工況參數(shù)決定。執(zhí)行器是點火線圈。點火定時同樣影響汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性、排放和零部件的安全。

3)爆震控制。汽油機(jī)爆震會損壞發(fā)動機(jī)，惡化排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。通過電子控制避免爆震的主要途徑是減小點火提前角。所以爆震控制通過點火定時控制實施。但是過小的點火提前角會影響燃油經(jīng)濟(jì)性。爆震控制的目的就是使點火提前角保持在恰好不發(fā)生爆震的臨界點。

4)油箱蒸發(fā)排放物控制。油箱蒸發(fā)排放物都是碳?xì)浠衔?，是有害物質(zhì)，必須利用活性炭罐加以吸附，并在適當(dāng)?shù)臅r候用新鮮空氣清洗活性炭罐。清洗氣流通過進(jìn)氣管送入氣缸燃燒。并不是任何工況下都可以進(jìn)行清洗，所以要利用炭罐控制閥對清洗氣流加以控制。

4. 柴油機(jī)基本的電子控制項目

柴油機(jī)基本的電子控制項目就是燃油定量和噴油定時。這兩者都由噴射設(shè)備根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和冷卻液溫度等信息控制。這里，負(fù)荷信息由油門踏板傳感器提供。如果說汽油機(jī)可以采用，也可以不采用油門踏板位置傳感器的話，那么柴油機(jī)必須采用。

5. 擴(kuò)展的發(fā)動機(jī)電子控制項目

1)擴(kuò)展的汽油機(jī)電子控制項目

l 可變進(jìn)氣管長度電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性。

l 可變氣門電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，降低有害物質(zhì)排放。

l 增壓壓力電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)排放。

l 排氣再循環(huán)電子控制。用于降低發(fā)動機(jī)氮氧化物排放。

l 二次空氣電子控制。用于滿足歐4以上法規(guī)對碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧诺囊蟆?/p>

l 三效催化轉(zhuǎn)化器燃油加熱或電加熱電子控制。用于滿足歐4以上法規(guī)對排放的要求。

l 停車-起動運行電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和滿足歐4以上法規(guī)對排放的要求。

l 氣缸封閉和氣門封閉電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)排放。

l 噴油壓力和噴油定時控制。用于汽油直噴，提高動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)排放。

2)擴(kuò)展的柴油機(jī)電子控制項目

l 噴油壓力電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)排放。

l 噴油規(guī)律電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)和噪聲排放。

l 多次噴油電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)和噪聲排放。

l 可變進(jìn)氣管長度電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性。

l 可變氣門電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，降低有害物質(zhì)排放。

l 增壓壓力電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)排放。

l 排氣再循環(huán)電子控制。用于降低發(fā)動機(jī)氮氧化物排放。

l 停車-起動運行電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和滿足歐4以上法規(guī)對排放的要求。

l 氣缸封閉和氣門封閉電子控制。用于提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性，降低有害物質(zhì)排放。

l 微粒物捕集器再生電子控制。用于降低發(fā)動機(jī)微粒物排放。

6. 展望和結(jié)語

1)發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)是一個非常有潛力的市場。隨著排放法規(guī)的逐步趨嚴(yán)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的逐步提高，發(fā)動機(jī)技術(shù)正在飛速發(fā)展，新的電子控制技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)。

2)都說世界制造業(yè)的重心正在向中國轉(zhuǎn)移。汽車行業(yè)，包括汽車電子行業(yè)，也在一定程度上出現(xiàn)了這種趨勢。但是，目前中國發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的原配套產(chǎn)品基本上都出自外資企業(yè)。這些企業(yè)組裝產(chǎn)品用的元件幾乎都不是在中國生產(chǎn)的。由此我國喪失了許多GDP和就業(yè)崗位。國營和民營企業(yè)技術(shù)水平低下，只能仿造外資企業(yè)的產(chǎn)品，跟在外資企業(yè)后面從維修備件市場分一點殘羹冷飯。有的甚至還偷偷摸摸地打著外資企業(yè)的招牌，干著生產(chǎn)假冒偽劣產(chǎn)品的勾當(dāng)。這種局面應(yīng)當(dāng)扭轉(zhuǎn)。政府應(yīng)當(dāng)看到，這個行業(yè)的發(fā)展將會帶來巨大的GDP增長，并創(chuàng)造大量的就業(yè)機(jī)會。所以政府應(yīng)當(dāng)做出規(guī)劃，對這一行業(yè)加以扶植和整頓。

3)若要振興中國自己的發(fā)動機(jī)電子控制工業(yè)，首先必須具備一個先決條件：汽車廠和發(fā)動機(jī)廠要與發(fā)動機(jī)電子控制零部件生產(chǎn)商攜手合作，共擔(dān)風(fēng)險，并承諾：一旦實踐證明國產(chǎn)的發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)能夠滿足要求，就在自己生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)上采用國產(chǎn)產(chǎn)品。

4)企業(yè)的生命力在于新產(chǎn)品開發(fā)。發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)是伴隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)一起發(fā)展的。我國轎車行業(yè)一貫放棄發(fā)動機(jī)技術(shù)的獨立開發(fā)，他們無從知曉下一代的發(fā)動機(jī)會是怎樣的。零部件行業(yè)，包括發(fā)動機(jī)電子控制行業(yè)，也就無從開發(fā)自己的新產(chǎn)品，所以永遠(yuǎn)落后于國外同行，永遠(yuǎn)依靠引進(jìn)技術(shù)。若要改變這種局面，首先要發(fā)動機(jī)廠摒棄一貫的所謂“拿來主義”，逐步從引進(jìn)技術(shù)過渡到自行開發(fā)，并吸收零部件生產(chǎn)商參與產(chǎn)品的系統(tǒng)開發(fā)和同步開發(fā)，這樣才能共同有所創(chuàng)新。舍此別無它路可循。政府應(yīng)當(dāng)進(jìn)行引導(dǎo)和制定鼓勵政策。