汽油机电子控制工程

2019/10/5沈勇E-MAIL：[e-mail]:021-69583794汽油机电子控制2019/10/5《汽油机电子控制》复习：汽油机和柴油机几个概念：内燃机&外燃机；四冲程&二冲程；点燃&压燃；（爆震）均质燃烧&分层燃烧；（直喷）汽油机电控&柴油机电控；汽车柴油化；前言2019/10/5《汽油机电子控制》1．1汽油机及其性能指标；1．2控制系统硬件系统结构；1．3基于扭矩结构的控制算法模型；1综述2019/10/5汽油机及其控制目标1综述汽油机是一种使汽油和空气的混合物在其汽缸内部燃烧产生热能，并将热能转换为机械能的动力装置。车用汽油机通常为四冲程汽油机，如图所示。我们把汽油机连续完成进气、压缩、膨胀做功和排气四个冲程叫作汽油机的一个工作循环。工作循环不断延续下去，汽油机就不断向外输出功率。《汽油机电子控制》2019/10/5汽油机工作过程要点通常，汽油机在进气行程吸入的是燃料和空气的混合气，由于混合气是在汽缸外部形成的，燃料与空气的混合时间较长，所以进入汽缸内部之后混合已比较均匀。如果燃烧效率相同，汽油机的输出功率正比于进入汽油机内部的可燃混合气总数，进入的混合气越多，汽油机输出的功率越大。空燃比用于描述可燃混合气中空气与燃料的质量之比。燃油供给系统、进排气系统：按要求，供给燃油和空气，并使之均匀混合后进入汽缸。点火：进入汽油机的可燃混合气在压缩行程后期由火花塞点燃，并在膨胀行程对外做功。1综述《汽油机电子控制》进气、压缩、膨胀做功和排气四个冲程2019/10/5汽油机主要性能指标动力性能有效功率：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的功率，通常用Pe表示，单位为kW。有效扭矩：指发动机通过曲轴或飞轮对外输出的扭矩，通常用Te表示，单位为N·m。转速：指发动机曲轴每分钟的转数，通常用n表示，单位为r/min。经济性能燃油消耗率：是发动机每发出1kW有效功率在1小时内所消耗的燃油质量，通常用ge表示，其单位为g/kW·h排放性能排放性能指标包括排放烟度、有害气体(CO，HC，NOx)排放量、噪声等。其他：安全性、舒适性1综述《汽油机电子控制》2019/10/5汽油机工况1综述《汽油机电子控制》扭矩转速驱动螺旋桨驱动发电机驱动水泵点工况线工况面工况汽车运行工况是最复杂的面工况工况和性能紧密相关2019/10/5影响汽油机主要性能的决定因素由汽油机的工作原理可知，可燃混合气的制备及其在缸内可靠、适时地点燃是决定汽油机运转稳定性及动力性、经济性等至关重要的因素。完成这两项功能的是汽油机的燃油供给系和点火系。燃油供给系统（空燃比控制）；点火系统（点火控制）；进排气系统（进排气控制）；。。。结论：改进汽油机性能首先要改进燃油供给系统、点火系统和进排气系统性能。1综述《汽油机电子控制》进气压缩膨胀做功排气2019/10/5图化油器式发动机化油器式发动机有百年发展和在发动机历史上重要地位，但由于节能减排的要求日益提高，已经被淘汰。化油器式发动机1综述《汽油机电子控制》2019/10/5化油器式汽油机性能的局限性图化油器结构空燃比的调节依赖化油器机械结构来实现。1综述《汽油机电子控制》2019/10/5化油器式汽油机性能的局限性图点火提前角及能量的调节性能点火提前角及能量的调节依赖离心、真空等机械结构来实现。《汽油机电子控制》1综述2019/10/5化油器式发动机缺点化油器缺点：燃油雾化质量受空气密度的影响；空燃比受空气密度的影响；多缸混合不均匀；负荷变动造成油耗和排放恶化；体积效率低；化油器结冰；发动机姿态受限制；发动机倒拖影响排放和油耗；后果：排放和油耗问题突出1综述《汽油机电子控制》2019/10/51．2电喷发动机图发动机电子控制系统1综述《汽油机电子控制》2019/10/5电喷发动机的结构优势喷油量、点火时刻及能量等完全由控制器软件“柔性”控制，因此，汽油机性能可以大大优化。《汽油机电子控制》1综述2019/10/5发动机电子控制系统：又称发动机管理系统EMS（EngineManagementSystem）、发动机集中控制系统，就是将多项目控制集中在一个动力控制模块PCM（PowerControlModule）或发动机控制单元ECU（EngineControlUnit）上完成，共用传感器。主要由传感器、PCM和执行器组成。图发动机电控系统的组成发动机电子控制系统《汽油机电子控制》1综述2019/10/5发动机电子控制系统的组成传感器：检测发动机运行参数，并送至控制单元。PCM：接受传感器的输入信号，分析计算后产生输出信号送至执行器。执行器：接收控制单元的输出信号，产生执行动作，实现各种控制。《汽油机电子控制》1综述2019/10/5发动机电子控制系统软件架构《汽油机电子控制》1综述AUTOSAR是由欧日的主要汽车生产商和一些芯片制造商推出的产业标准。是为了应对日益复杂的汽车电子系统：提高系统的灵活性；增加系统的更新和升级性能；改善系统的可靠性和稳定性；在设计过程中能更早地发现问题。其中，TheRun-TimeEnvironment(RTE):提供基础的通信服务，支持软件构件间和软件构件到基础软件模块的通信。2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器1）节气门位置传感器及电子油门节气门位置传感器主要用于获取驾驶指令和推算进气量；《汽油机电子控制》1综述2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述2）转速和相位传感器2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述2）转速和相位传感器汽油机中需要相位信号控制的系统：喷油相位（正时）控制系统；点火相位（正时）控制系统；配气相位（正时）控制系统；。。。。0º360º2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述4）喷嘴5）电子点火系统2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述6）怠速执行器2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述7）进气流量传感器、进气压力传感器、进气温度传感器测量发动机冷却液温度，避免发动机过热；冷却液（发动机）温度传感器2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述8）发动机爆震传感器用于测量汽油机有无爆震；2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述9）氧传感器（传感器）主要用于测量废气中氧含量，可以进一步判断空燃比是否合适，又称入传感器；2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述9）氧传感器（传感器）二氧化锆式氧传感器；2019/10/5发动机电子控制系统重要传感器、执行器《汽油机电子控制》1综述9）氧传感器（传感器）二氧化钛式氧传感器；2019/10/5主要控制功能燃油控制：控制喷油量和喷油正时点火控制：控制点火提前角、闭合角和爆震控制辅助控制功能怠速控制、排放控制、进气控制、增压控制、点火失效控制、自诊断系统等。发动机电控系统的控制项目《汽油机电子控制》1综述2019/10/5电喷发动机特点1、电子控制，响应快2、进气阻力减少，体积效率高3、驱动的稳定性高4、点火提前角优化控制5、各缸工作差异不大动力性《汽油机电子控制》1综述2019/10/5电喷发动机特点经济性1.空然比控制精确2.雾化好3.混合气受环境影响小4.偏浓修正少5.怠速转速低6.断油及停缸方便7.可增大气门叠开角8.易实现稀薄燃烧《汽油机电子控制》1综述2019/10/5电喷发动机特点排放性能1.可实现空燃比闭环控制2.为三元催化器提供条件3.实现排放监控4.易实现稀薄燃烧5.结合EGR废气再循环效果更佳《汽油机电子控制》1综述2019/10/5电喷发动机类型喷射位置喷入汽缸喷在进气门前喷在节气门上直接喷射间接喷射连续喷射间歇喷射开环控制闭环控制模拟控制数字控制机械控制电子控制控制喷射方式《汽油机电子控制》1综述2019/10/5按喷射位置分类:进气管喷射指的是喷油器将汽油喷入进气管，在进气管内形成混合气。进气管喷射喷油器的喷油压力低，只有200－300KPa（0.2－0.3MPa）。缸内直喷发动机指的是喷油器直接将汽油喷入气缸，这种方式喷油器的喷油压较高，可达3－5MPa，喷油器的结构比进气管喷射复杂。《汽油机电子控制》1综述2019/10/5单点喷射喷油器安装在进气总管的节气门上方，类似于化油气器式汽油机。多点喷射每一个气缸的进气岐管上都安装了一个喷油器，汽油喷在进气门附近并与空气混合。按喷嘴数量分类:《汽油机电子控制》1综述2019/10/51．3电喷发动机历史20世纪初期汽油喷射技术的发展历史起源于，由德国Wright兄弟首先在飞机发动机上采用了向进气管连续喷射汽油的混合气配制方法。第二次世界大战以后，汽油喷射技术才逐渐应用于汽车发动机上。60年代以前，车用汽油喷射装置大多采用机械式柱塞喷射泵，其控制功能借助于机械装置来实现，结构复杂、价格昂贵，因此发展缓慢，技术上无重大突破，应用范围也仅限于赛车和为数不多的追求高速和大功率的豪华型轿车上，在车用汽油发动机领域内化油器仍占有绝对的优势。1957.1BENDIX公司正式推出\BOSCH公司买断1966BOSCH公司推出K-JETRONIC\KE-JETRONIC70年代后期，全球电子技术有了长足的进步，特别是集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，迅速推动了计算机控制技术在汽车技术上的应用并快速发展。发动机电子控制技术从单一的点火时刻控制和单一的燃油喷射空燃比控制开始，逐步扩展到发动机怠速控制、排气再循环(EGR)控制、燃油蒸发控制(EVAP)、可变进气控制、涡轮增压控制等多项内容的发动机综合控制系统，称为发动机集中控制系统。1973BOSCH公司批量L-JETRONIC;D-JETRONIC1979MOTRONIC1982MONO-TRONIC1990MONO-MOTRONIC1995UAES成立2006联创公司成立90年代中后期，伴随着计算机网络技术的发展，发动机电子控制系统已成为车载局域网络的重要组成部分。1997年以后，内燃式汽油机已开始采用汽油直喷技术进行稀薄燃烧，进一步降低了油耗和排放。《汽油机电子控制》1综述2019/10/51．4汽油机电喷系统的扭矩结构模型发动机最终输出的扭矩是发动机性能的重要指标，而且汽车的加速和减速过程其实就是发动机输出扭矩增加和减少的过程，因此发动机电子控制的核心是扭矩控制，所有发动机运行参数的控制都是围绕扭矩来进行，通过扭矩数学模型计算出目标输出扭矩，然后再通过进气、喷油、点火等一系列动作来实现。目前各大公司的汽油机电子控制系统大多是基于扭矩结构的，例如博世、西门子和德尔福。《汽油机电子控制》1综述2019/10/51．4汽油机电喷系统的扭矩结构模型第一步是扭矩需求分析及目标扭矩计算。第二步就是实现目标扭矩值。《汽油机电子控制》1综述特点：①严格按照基本物理方程构造;②子系统可以很容易的构造并加入到基本扭矩结构之中，例如进气管长度可变子系统，凸轮轴相位调节;③基本匹配简单化，只有在发动机硬件更改情况下，才需要重新匹配;④子功能模块可以相互独立进行匹配，如，催化器、怠速调节、增压压力调节、行驶速度调节等。2019/10/5汽油机扭矩需求分析及目标扭矩计算第一步是计算目标扭矩，最主要的扭矩当然来自于驾驶员加速踏板，但其他子系统的扭矩要求同样不可忽视，例如怠速控制，倒拖控制，车辆动态控制，驾驶舒适性控制，车速和发动机转速限制，发动机部件温度保护等。综合全部扭矩要求以后，还必须考虑在启动，怠速，催化器加热等情况下的发动机扭矩储备问题，最后得到一个在当前工况下的目标扭矩值。《汽油机电子控制》1综述2019/10/51．4汽油机扭矩转换计算《汽油机电子控制》1综述第二步就是实现目标扭矩值，通过一