项目一　汽车发动机电控系统认知

知识目标

1.了解电控发动机的发展历史。

2.了解电控发动机各控制系统的功能及主要控制内容。

3.了解电控发动机控制系统主要的输入信号和执行器。

4.了解汽车车载网络系统的组成和功能。

能力目标

1.了解发动机电控系统应用现状与汽车电子控制理论。

2.熟悉电控发动机的基本组成。

3.掌握发动机电控系统的控制功能。

4.学会发动机电控系统核心元件的位置查找方法。

任务导入

在安全、环保、节能的要求下，自1967年德国Bosch公司研制出电控喷油系统以来，发动机电控技术日新月异，形成了不同的控制方式和多种类型，各大汽车公司在发动机电控系统上形成了各自的特点和风格。了解发动机电控系统的类型、组成、基本原理，学会识别不同生产厂商的发动机及其电控系统是进行电控发动机故障诊断的前提。本项目主要研究全面认识发动机电控系统的组成和控制功能的问题。

学习指引

由辅导教师讲解实训室电喷发动机电子控制系统的总体组成。包括传感器、执行器、电控单元、燃油系统、点火系统、活性炭罐系统、爆震和反馈控制等。先台架认识后实车指认。

相关知识

一、发动机电控系统发展历史、现状及发展趋势

1952年，德国戴姆勒-奔驰300L型赛车装用了博世公司（Bosch）生产的第一台机械式汽油喷射装置，它采用气动式混合气调节器控制空燃比，向气缸内直接喷射。1958年，德国Mercedes-Benz 220S型轿车装备了博世公司和Kugerfischer公司共同研制和生产的带油量分配器的进气管汽油喷射装置。20世纪60年代以前，车用汽油喷射装置大多数采用机械式柱塞喷射泵，其结构和工作原理与柴油机喷油泵十分相似，控制功能也是借助于机械装置实现的，结构复杂，价格昂贵，发展缓慢，技术上无重大突破，应用范围也仅仅局限于赛车和为数不多的追求高速和大功率的豪华型轿车。在车用汽油发动机领域内化油器仍占有绝对优势。1967年，博世公司研制成功K-Jetronic机械式汽油喷射系统，由电动汽油泵提供0.36MPa低压汽油，经汽油分配器输往各缸进气管上的机械式喷油器，向进气口连续喷射，用挡流板式空气流量计操纵油量分配器中的计量槽来控制空燃比。后来，该喷射系统经改进，发展成为机电结合式的KE-Jetronic汽油喷射系统（在K-Jetronic系统的油量分配器上增设一只电液式压差调节器）。1967年，博世公司开始批量生产用进气管绝对压力控制空燃比的D-Jetronic模拟式电子控制汽油喷射系统。1973年经改进发展成为L-Jetronic电控汽油喷射系统，用叶片式空气流量计直接测进气空气体积流量来控制空燃比，比用进气管绝对压力间接控制的方式精度高，稳定性好。1981年，L-Jetronic系统又进一步改进发展成为LH-Jetronic系统，用新颖的热线式空气流量计代替机械式空气流量计，可直接测出进气空气的质量流量，无需附加专门装置来补偿大气压力和温度变化的影响，并且进气阻力小，加速响应快。1979年，博世公司开始生产集电子点火和电控汽油喷射于一体的Motronic数字式发动机集中控制系统。与此同时，美国和日本各大汽车公司也竞相研制成功与各自车型配套的数字式发动机集中控制系统，例如，美国通用汽车公司（General Motors Corporation，GM）DEFI系统、福特汽车公司（Ford）EEC-Ⅲ系统，以及日本日产汽车公司ECCS系统、丰田汽车公司TCCS系统等。这些系统能够对空燃比、点火时刻、怠速转速和废气再循环等多方面进行综合控制，控制精度愈来愈高，控制功能也日趋完善。

由于汽油机的燃油经济性比柴油机差，所以降低汽油机的能耗已经成为汽车界当前必须要解决的一个问题。具有理论空燃比的均质混合气的燃烧理论在火花点火发动机上被广泛使用，它的最大优点是可以使用三效催化器来降低CO、HC和NOx等废气的排放。不足之处是不能获得较高的燃油经济性，为了提高发动机的热效率和降低废气排放，燃烧技术在不断地发展。汽油机经历了由完全机械控制的化油器供油为主到采用电控喷射、缸内直喷、电辅助增压和电动气门、可变压缩比、停缸等技术的变化，汽油机发展的最终方案将采用综合汽油机和柴油机优点的燃烧控制技术。

目前最有代表性的四大发动机技术分别如下。

1.汽油缸内直喷（GDI）

这一技术的最大特点是将通过高压油泵提高压力后的汽油，通过高压油轨和喷油器，将其直接喷入缸内，从而使缸内的汽油得到充分雾化，并和空气尽可能按照最优化的模式进行混合，提高了燃烧过程的可控性，并大大优化了整个燃烧和做功过程。它具有使发动机得到更高的充气效率、更精确的瞬态和过渡工况的供油控制、大大增强发动机的抗爆性和充分提高燃烧热效率等优点，使发动机在获得更高的动力性的同时拥有更好的燃油经济性。GDI技术一般可使发动机的功率达到同排量非直喷发动机的1.5～1.7倍，燃油效率提高20%以上。

2.柴油高压共轨（CR）

该技术将由高压油泵产生的1600大气压的柴油经油轨和喷油器，在数毫秒的时间内最多可分5次直接喷入缸内燃烧室，使高度雾化的柴油和空气混合并燃烧。精确控制的多次喷射达到了优化燃烧过程，可以增加功率、降低油耗、降低振动噪声、减少NOx及HC排放并消除黑烟，使柴油机在进一步提高并保证原有的高燃油经济性和大扭矩的优点的同时，实现了与汽油机相当的低噪声、低排放和大功率。

3.涡轮增压中冷（TCI）

涡轮增压中冷技术利用发动机排出的废气推动涡轮，并通过涡轮带动压气机，增加发动机的进气压力、提高进气密度，这样通过增加单位体积里参加做功的气体的质量，提高单位做功体积的功率密度，从而提高发动机的功率和扭矩。同时，增压后提高了缸内混合气燃烧的速率和燃烧充分性，不但大大提高了燃油经济性，还减少了CO和HC等有害气体的排放。中冷是协助将增压后比较高的进气温度降下来，从而更好地保证进气密度，提高进气效率，保证发动机的增压效果。一台发动机应用涡轮增压中冷技术后，其功率和扭矩可增加40%以上，燃油消耗可以降低10%～15%左右。

奇瑞公司所采用的涡轮增压中冷技术中更是采用了可变喷口式的涡轮机，与普通的涡轮机相比，可变喷口式的增压器通过改变废气冲击涡轮叶片的喷口的导向，扩展了增压器的流量范围，在不同的工况下，可以按需求调整出最优化的进气增压压力和排气背压。在进一步增大发动机的功率和扭矩的同时，可以更好地控制空燃比，减少NOx和颗粒物的生成，改善燃油经济性。

4.可变配气相位（VVT）

可变配气相位（VVT）技术指的是发动机的配气相位可以根据性能需要适时的改变，即根据燃油经济性、动力性和排放控制的要求对不同的工况采用不同的气门正时相位，以达到进气系统的最优化，对降低发动机油耗、提高低速扭矩、改善功率特性有显著效果。此外，VVT技术在提高发动机性能的同时可以降低污染排放，从而取代或减少在排放控制零部件上的投入，甚至可以免去安装EGR、二次空气等装置就可以达到苛刻的排放法规的要求。发动机采用该技术可以达到增加功率、减少油耗，改善排放的目的。

二、应用在汽车发动机上的电子控制系统

1.电控燃油喷射系统（EFI）

功用：根据进气量确定基本喷油量，再根据其他传感器（如冷却液温度传感器、节气门位置传感器等）信号等对喷油量进行修正，使发动机在各种运行工况下均能获得最佳浓度的混合气，从而提高发动机的动力性、经济性和排放性。

2.电控点火系统（ESA）

功用：最佳点火提前角控制、最佳通电时间控制和爆震控制。根据各相关传感器信号，判断发动机的运行工况和运行条件，选择最理想的点火提前角点燃混合气，从而改善发动机的燃烧过程，以实现提高发动机动力性、经济性和降低排放污染的目的。

3.怠速控制系统（ISC）

功用：是在发动机怠速工况下，根据发动机冷却液温度、空调压缩机是否工作、变速器是否挂入挡位等，通过怠速控制阀对发动机的进气量进行控制，使发动机随时以最佳怠速转速运转。

4.排放控制系统

功用：主要是对发动机排放控制装置的工作实行电子控制。排放控制的项目主要包括：废气再循环（EGR）控制，活性炭罐电磁阀控制，氧传感器和空燃比闭环控制，二次空气喷射控制等。

5.进气控制系统

功用：主要是根据发动机转速和负荷的变化，对发动机的进气进行控制，以提高发动机的充气效率，从而改善发动机动力性。

6.增压控制系统

功用：是对发动机进气增压装置的工作进行控制。在装有废气涡轮增压装置的汽车上，ECU根据检测到的进气管压力，对增压装置进行控制，从而控制增压装置对进气增压的强度。

7.巡航控制系统

功用：设定巡航控制模式后，ECU根据汽车运行工况和运行环境信息，自动控制发动机工作，使汽车自动维持一定车速行驶。

8.警告提示

功用：由ECU控制各种指示和报警装置，一旦控制系统出现故障，该系统能及时发出信号以警告提示。

9.自诊断与报警系统

功用：用来提示驾驶员发动机有故障，同时，系统将故障信息以设定的数码（故障码）形式储存在存储器中，以便帮助维修人员确定故障类型和范围。

10.失效保护系统

功用：主要是当传感器或传感器线路发生故障时，控制系统自动按电脑中预先设定的参考信号值工作，以便发动机能继续运转。

11.应急备用系统

功用：是当控制系统电脑发生故障时，自动启用备用系统（备用集成电路），按设定的信号控制发动机转入强制运转状态，以防车辆停驶在路途中。

三、汽车发动机电控系统的基本组成

任何一种电子控制系统，其主要组成都可分为信号输入装置、电子控制单元（ECU）和执行元件三部分。

1.信号输入装置

各种传感器，用于采集控制系统所需的信息，并将其转换成电信号通过线路输送给ECU。

常用传感器类型及功用如下。

空气流量计MAFS：测量发动机的进气量，将信号输入ECU。

进气管绝对压力传感器MAPS：测量进气管内气体的绝对压力，将信号输入ECU。

节气门位置传感器TPS：检测节气门的开度及开度变化，将信号输入ECU。

凸轮轴位置传感器CMPS：提供点火时刻或喷油时刻基准位置信号。

曲轴转角传感器CKPS：检测曲轴转角大小，给ECU提供发动机转速信号和曲轴转角信号。

进气温度传感器IATS：检测进气温度信号。

冷却液温度传感器ECTS：给ECU提供冷却液温度信号。

车速传感器VSS：检测汽车的行驶速度，给ECU提供车速信号（SPD信号）。

氧传感器O2S：检测排气中的氧含量。

爆震传感器KS：检测汽油机是否爆震及爆震强度。

空调开关A/C：当空调开关打开，空调压缩机工作，发动机负荷加大时，由空调开关向ECU输入信号。

挡位开关：自动变速器由空挡挂入其他挡时，向ECU输入信号。

启动开关STA：发动机启动时，给ECU提供一个启动信号。

制动灯开关：制动时，向ECU提供制动信号。

动力转向开关：当方向盘由中间位置向左右转动时，由于动力转向油泵工作而使发动机负荷加大，此时向ECU输入信号。

巡航控制开关：当进入巡航控制状态时，向ECU输入巡航控制状态信号。

2.电子控制单元（ECU）

给传感器提供参考电压，接受传感器或其他装置输入的电信号，并对所接受的信号进行存储、计算和分析处理，根据计算和分析的结果向执行元件发出指令。

3.执行元件

受ECU控制，具体执行某项控制功能的装置。

常用的执行元件有：喷油器、点火器、怠速控制阀、EGR阀、炭罐电磁阀、油泵继电器、节气门控制电机、二次空气喷射阀、仪表显示器等。

任务实施

任务准备　根据任务要求，确定所需要的检测仪器及工具，并对小组成员进行合理分工。

实施步骤　由教师启动汽车发动机实验台或实车，结合实物，让学生现场观察各传感器与执行器的工作情况。结合发动机实验台，由学生回答发动机电控系统组成、传感器、执行器、电控单元的名称以及在实车上的安装位置。

知识拓展

汽车车载网络系统（CAN-BUS）简介

CAN总线又称作汽车总线，其全称为“控制器局域网（CAN—Controller Area Network）”。CAN总线是一种现场总线（区别于办公室总线），是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块（ECU）之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。CAN总线的设计充分考虑了汽车上恶劣的工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大反冲电压，汽车发动机室100℃左右的高温。正是由于CAN总线的出色表现，使其在诸多现场总线中独占鳌头，成为汽车总线的代名词。

随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS（智能交通系统 Intelligent Transport System，简称ITS）的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通信产品的出现，它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000m，电气节点达1500个，而且，根据统计，该数字大约每十年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。从信息共享角度分析，现代典型的控制单元有电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统（ASR）、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于优先竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。

早在20世纪80年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如博世的CAN、SAE的J1850、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN、ISO的VAN等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟。奥迪A6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特B5、BORA、POLO、FIAT PALIO和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术。此外，部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。

CAN总线技术优点如下。

①数据共享减少了数据的重复处理。比如，对于具有CAN总线接口的电喷发动机，可省去额外的水温、油压、油温传感器。空气悬架、门控制及巡航定速控制都用到车速数据，结果这些电器都有一套车速处理电路。而采用CAN技术后，大家都从总线上即可获得车速数据。

②减少车身布线。由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外，其他所有横贯车身的线都不需要了。另外，数据共享也节省了线路，还拿车速信号来说，在没有总线的情况，车速信号要接到空气悬架、门控制及电喷发动机。有了总线后只要接到一处，其他电器可通过总线共享。

③具有错误诊断能力和自动恢复能力，节省了生产维护成本。比如通过配合CAM1.0（CAN分析模块）对总线系统进行错误诊断，如传感器的故障诊断、车灯的故障诊断、各个模块的错误诊断以及线路连接间的错误诊断等。对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复。而非总线车辆，一旦出现故障，第一，要依赖人工，第二，往往需要对复杂线束依次测量，第三，需要对相关电器依次测定。整个过程非常费工时。

④扩充性强，产品升级快，节省了新产品开发设计成本。CAN节点几乎可以在不改动原有线束的情况下增加新的组件。

⑤数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。由于VITI-CAN系统采用的是模块化管理，各模块按其功能分散地摆放在车内，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了耦合电流的产生，减小了线间干扰。同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力。

⑥CAN总线专为汽车量身定做，可靠性有保障。

⑦配置参数十分灵活，可以通过CAN总线分析软件进行设置。如开关量可以根据厂家需求设置其门限及控制极性（正负控），模拟量可根据厂家提供的传感器阻值曲线，通过软件灵活配置。

CAN总线的通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维。通信距离与波特率有关，最大通信距离可达10km，最大通信波特率可达1Mbps。CAN总线仲裁采用11位标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通信。

目前CAN-BUS总线在车上的应用越来越普及，不仅仅局限于高档车，比如波罗、宝来、帕萨特中低档车也越来越多地配备了CAN-BUS总线。汽车上的CAN-BUS总线一般有三种，高速的动力驱动系统（速率可达到500kb/s以上）主要连接对象包括发动机ECU、ABS -ECU、SRS-ECU、组合仪表等，低速的CAN总线则用于车身舒适系统（速率100kb/s），连接对象有集控锁、电动门窗、后视镜、厢内照明灯等，另外可能还会有用于卫星导航的智能通信系统。

小 结

1.发动机电控技术发展经历了四个阶段

第一阶段——1974年以前，是发动机电控技术发展的初级阶段。

第二阶段——1974～1982年，是发动机电控技术迅速发展阶段。

第三阶段——1982～1990年，也是微型计算机在汽车上应用日趋成熟并向智能化发展阶段。

第四阶段——1990年以后，是发动机电控技术向智能化发展的高级阶段。

目前发动机上常用的电控系统有：

电控燃油喷射系统、电控点火系统、怠速控制系统、排放控制系统、增压控制系统、警告提示系统、自我诊断与报警系统、失效保护系统和应急备用系统。

2.电控技术对发动机性能的影响

（1）提高发动机的动力性

通过减小进气阻力，提高充气效率，电控系统使得进入气缸中的空气得到充分的利用。

（2）提高发动机燃油经济性

通过电控系统来精确地控制在各种运行工况下发动机所需的混合气浓度，使燃烧更为充分。

（3）降低排放污染

通过电控系统的优化控制，提高燃烧质量，应用排放控制系统，降低排放污染。

（4）改善发动机的加速和减速性能

（5）改善发动机的启动性能

3.电控系统由三部分组成：信号输入装置、ECU、执行元件

4.电控系统有开环和闭环两种控制类型

5.电控单元的基本功能是按照一定的程序对各种输入信号进行运算处理、储存、分析处理，然后输出指令，控制执行元件工作，以达到快速、准确、自动控制发动机工作的目的。

复习思考题

一、填空题

1.目前，应用在发动机上的子控制系统主要包括　　　　、　　　　和　　　　控制系统。

2.排放控制的项目主要包括　　　　、　　　　、　　　　和　　　　、　　　　、二次空气喷射控制等。

3.凸轮轴位置传感器作为　　　　和　　　　的主控制信号。

4.爆燃传感器是作为　　　　的修正信号。

5.电子控制单元主要是根据　　　　确定基本的喷油量。

6.电控系统由　　　　、　　　　、　　　　三大部分组成。

二、判断题

1.现代汽车广泛采用集中控制系统，它是将多种控制功能集中到一个控制单元上。（　　）　

2.在电控燃油喷射系统中，喷油量控制是最基本也是最重要的控制内容。（　　）

3.电子控制系统中的信号输入装置是各种传感器。（　　）

4.开环控制的控制结果是否达到预期的目标对其控制的过程没有影响。（　　）

5.发动机集中控制系统中，一个传感器信号输入ECU可以作为几个子控制系统的控制信号。（　　）

三、问答题

1.怠速控制系统的功用是什么？

2.电控技术对发动机性能有何影响？

3.电子控制单元的功能是什么？

4.简述常用传感器类型及功用。

5.简述电控发动机排放控制系统功用。

6. 简述CAN-BUS的含义。

7. 简述CAN总线技术优点。

8.电子控制单元的功能是什么？

9.什么是电控系统的开环控制和闭环控制？

10.电控技术对发动机性能有哪些影响？

11.电控系统由哪几部分组成？

12.目前发动机上常用的电控系统有哪些？

13.发动机电控技术发展经历了哪几个阶段？