汽车电子控制技术

汽车电子控制技术1第一章汽车电子控制技术概述第一节汽车电子控制技术发展情况一、汽车电子控制技术的应用情况汽车技术、建筑技术与环境保护是衡量一个国家工业化水平高低的三大标志。80年代以来，提高汽车性能，节约能源和保护环境，主要取决于电子控制技术。在汽车上，电子控制技术的应用概况如图4－1－1所示，主要用于汽车动力性、安全性、舒适性和娱乐通讯信息控制。随着机电一体化汽车和电子化汽车的诞生，汽车汽车电子学和汽车电子控制技术等新科学、新技术正在蓬勃发展。图4－1－1汽车电子控制技术应用概况二、汽车电子控制技术的发展过程汽车控制技术是伴随着汽车法规（油耗法规、排放法规、安全法规）要求的提高和电子控制技术的发展而逐步发展到当今控制水平的，其发展过程经历了机械控制、电子电路控制、模拟计算机控制和数字计算机控制等过程。（一）发动机电子控制技术的发展过程汽车发动机电子控制技术是借鉴飞机发动机汽油喷射技术而诞生，并伴随电子控制技术的发展和汽车油耗法规、排放法规要求的逐步提高而发展到当今水平的。其发展经历大致如下。1934年，德国采用怀特（Wright）兄弟发明的向发动机进气管内连续喷射汽油来配制混合气的技术，研制成功第一架采用燃油喷射式发动机的军用战斗机。1952年，德国博世公司（Bosch）研制成功第一台机械控制汽油喷射式发动机，汽油直接喷入气缸内，空燃比利用气动式混合气调节器调节，配装在戴姆勒－奔驰（Daimler-Benz）300L型赛车上。1958年，博世公司研制成功向进气管内喷射汽油的机械控制汽油喷射式发动机，空燃比采用机械式油量分配器进行调节，配装在梅赛德斯－奔驰（Mercedes-Benz）220S型轿车上。1967年，博世公司研制成功K-Jetronic机械控制式汽油喷射系统，电动燃油泵提供的360kPa低压燃油，由燃油分配器分配到各缸进气管上的机械式喷油器，汽油连续喷向进气口，空燃比由挡流板式空气流量计操纵油量分配器中的计量槽进行调节。1982年，在K-Jetronic系统的基础上增设了一个压差调节器、部分传感器和电子控制单元ECU，改进研制成功了KE-Jetronic机电结合式汽油连续喷射系统。1993年以前出厂的奔驰轿车和奥迪轿车，大多数2采用了KE-Jetronic系统。最早研制汽车电子燃油喷射装置的是美国苯迪克斯（Bendix）公司。该公司于1957年开始试用真空管电子控制系统，根据进气压力、由设在各个节气门前的喷油器与进气行程同步喷油。遗憾的是该专利技术并未付诸实用。1967年，德国博世公司根据美国苯迪克斯公司的专利技术，开始批量生产利用进气歧管绝对压力信号和模拟式计算机来控制发动机空燃比A/F的D型燃油喷射系统（D－Jetronic），装备在德国大众（Volkswagen）汽车公司生产的VW－1600型和奔驰280SE型轿车上。率先达到了当时美国加利福尼亚州的排放法规要求，开创了汽油发动机电子控制燃油喷射技术的新时代。D型燃油喷射系统是用电子电路控制喷油器阀门的开启时刻与开启时间。1973年，随着排放法规的要求逐年提高，要求进一步提高控制精度，进一步完善控制功能。博世Bosch公司便在D型燃油喷射系统（D－Jetronic）的基础上，改进发展成为L型燃油喷射系统（L－Jetronic）。L型喷射系统利用了翼片式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的体积流量，与利用进气歧管绝对压力来间接测量进气量的D型喷射系统相比，检测精度和控制精度大大提高。1973年，美国通用General汽车公司在生产的汽车上，将分立元件式电子点控制器开始改用集成电路IC式点火控制器。1974年，美国通用General汽车公司开始加大火花塞的电极间隙，并采用高能点火装置，并将点火线圈和集成电路式点火控制器安放在分电器壳体内。1976年，美国克莱斯勒Chrysler汽车公司生产的汽车开始研制并在同年装备微机控制点火系统，取名为“电子式稀混合气燃烧系统ELBS”。该系统采用模拟式计算机，根据大气温度、进气温度、发动机冷却液温度、发动机负荷与转速等信号计算出最佳点火时刻，控制200多个参数。1977年，美国通用General汽车公司开始采用微机控制点火系统，取名为MISAR系统。该控制系统由CPU、RAM、ROM、A/D等组成，装备在奥迪斯莫比尔Oldsmobile牌“特罗纳德”轿车上。1977年，美国福特Ford汽车公司与日本东之TOSHIBA公司合作开发出了同时控制点火时刻、废气再循环、二次空气的发动机电子控制EEC系统，并于同年装备在林肯Lincoln牌“凡尔赛”轿车上。1978年，福特公司在EEC微机控制系统的基础上，增加了空燃比反馈控制和怠速转速控制等控制内容，控制系统取名为EEC－Ⅱ系统。1979年又进一步完善控制功能，发展成为EEC－Ⅲ系统，80年代又改进发展成为EEC－Ⅳ系统。1978年，美国通用General汽车公也研制成功了同时控制点火时刻、空燃比、废气再循环和怠速转速的微机控制系统，取名为C－4系统。该系统还具有自诊断功能和备用电路。1979年，德国博世Bosch公司在L型燃油喷射系统的基础上，将点火控制与燃油喷射控制组合在一起，并采用数字式计算机进行控制，从而构成当今广泛采用的Motronic控制系统。1979年，日本日产Nissan汽车公司也开发研制成功了能综合控制点火时刻、空燃比、废气再循环和怠速转速的发动机集中控制系统ECCS，该系统具有自诊断功能，装备在公子3Cedric牌和光荣Gloria牌轿车上。1980年，丰田TOYOTA汽车公司开发成功了能综合控制点火时刻、爆震、空燃比、怠速转速，且具有自诊断功能的丰田计算机控制系统TCCS。三菱MITSUBISHI汽车公司也在1980年研制成功了采用卡尔曼旋涡式空气流量传感器的电子控制喷射ECI系统。1981年，德国博世Bosch公司又在L型燃油喷射系统L－Jetronic的基础上，用新颖的热线式空气流量传感器直接测量进气管内进入发动机的空气的质量流量，从而取代翼片式空气流量传感器，该系统取名为LH型燃油喷射系统LH－Jetronic。（二）变速器电子控制技术的发展过程自动变速器是在机械式变速器、液力变矩器等液力传动技术和电子控制技术的基础上发展而成的。液力传动技术于19世纪初发明于欧洲，最早于1912年将液力变矩器应用在船舶上。由于液力变矩器不仅具有防止发动机过载的作用，而且还能无级地改变转速比和扭矩比，因此迅速在其他领域得到应用，主要用于公共汽车。1930年，英国研制生产了一种三级变矩器应用于公共汽车，1932年，美国通用General也在公共汽车上采用了这种变矩器，1937年又用于内燃机车。第二次世界大战期间，液力变矩器又用于军用汽车和专用汽车。与此同时，美国开始自行研制液力传动技术。最早生产自动变速器的是美国通用公司，于1938年推出了将行星齿轮变速器与液力偶合器组合而成液力自动变速器，采用液压控制自动变速，是现代轿车自动变速器的雏形。1942年，研制成功一种两挡液力机械变速器，其变速器采用了“阿里逊”型双导轮、可闭锁的综合式变矩器。1947年，该公司将液力传动装置用于批量生产的小客车上，并在第二年作为小客车用的标准部件，并逐步应用到该公司生产的其他车型上。1948年，在别克Buick轿车上装备了著名的NYNAFLOW型变速器，这种变速器由单级多相五元件变矩器（一个泵轮、一个涡轮、三个导轮）和具有两个前进挡、一个倒挡的行星齿轮变速器组成，采用液压控制，在结构上已接近现代汽车用液力自动变速器。带锁止离合器的锁止式液力变矩器出现于20世纪70年代末期。美国克莱斯勒Chrysler公司1978年投放市场的A-413等型自动变速驱动桥中，就装备有锁止式液力变矩器。早期自动变速器的控制系统均为液压控制。1969年雷诺16AT型汽车装备了液力自动变速器，采用了电子计算机控制自动变速，从而成为电子控制液力自动变速器的先驱。目前，液力自动变速器的变速齿轮机构已由单行星排发展到多行星排，使变速器的挡位数量由两个前进挡增加到三个或四个前进挡。由于液力自动变速器具有许多优点，因此在汽车上应用越来越广泛。美国三大汽车公司液力自动变速器的装车率1982年分别为通用公司：91.7%、福特公司：71.5%、克莱斯勒公司：83.%；1983年分别为通用公司：93.9%、福特公司：74.4%、克莱斯勒公司：86.4%。美国轿车1992年装车率为80%（其中城市轿车为100%）。日本生产轿车上液力自动变速器的装车率1982年为26%、1986年为41%、1992年为60%、1993年为75%。（三）防抱死制动电子控制技术的发展过程最早应用ABS技术的交通工具是铁路机车。早在20世纪初，由于铁路机车制动时车轮抱死在铁轨上滑行使车轮外圆磨损出一些小平面，因此车轮不能平稳旋转而产生振动和噪声。4为了减小振动和噪声，1908年，J.E.Francis设计了一种装置，安装在机车上之后，意外地发现制动距离也缩短了，这就是ABS的雏形。1920年，英国人霍纳摩尔研制成功了ABS技术，并于1932年申请了第一个防滑专利U.K382241。1936年，德国罗伯特·博世RobertBosch公司获得了ABS专利权。该专利技术由安装在车轮上的电磁式车轮速度传感器和控制制动液压力的电磁阀组成。40年代末期，为了缩短飞机着陆时的滑行距离、防止机轮在制动时跑偏、甩尾和轮胎剧烈摩耗，飞机制动系统开始采用ABS，并很快成为飞机的标准装备。汽车上最早采用ABS的是美国福特（Ford）汽车公司。1954年，该公司率先把法国生产的民航飞机用ABS应用在林肯Lincoln牌轿车上。1958年，杜尔Dunlop公司利用飞机用ABS原理，开发成功了目前称为四轮两通道低选控制式Maxa-retABS，安装在载货汽车上。该ABS的前轮速度传感器采用机械式，后轮速度传感器采用电磁式。1960年，哈理·福格森·雷斯HarryFergusonReserch公司将Maxa-retABS改造成四通道控制式ABS，并装车试验。1965年该公司向英国杰森Jensen公司提供四通道四轮控制式ABS样机。1966年，该公司将其四轮控制ABS安装于野马V-8型汽车上，并在美国著名的汽车城底特律举行了试车仪式，试坐人员无不为其制动性能良好而惊叹。1960年至1970年间，梅赛德斯·奔驰Mercedes-Benz公司与由德律丰根Telefunken公司和苯迪克斯Bendix公司合并而成的德律克斯Teldix公司联合开发四轮控制式ABS。1970年，罗伯特·博世RobertBosch公司购买了苯迪克斯Bendix公司在德律克斯Teldix公司的股份，并继续开发ABS。1978年，Mercedes-Benz公司生产的450SEL型轿车开始批量选装RobertBosch公司生产的四轮控制式ABS。与此同时，宝马BMW公司生产的BMW7系列轿车也开始批量选装RobertBosch公司生产的四轮控制式ABS。Bosch公司一直在进行ABS技术的研制工作，并获得多项专利，是目前世界上最大的ABS生产公司。该公司不仅给本国的奔驰Benz、宝马BMW、奥迪Audi轿车配套安装ABS,而且还为国外30多个汽车厂的50余种汽车提供ABS，到1995年底，安装BoschABS的汽车已达300多万辆。德国生产ABS的公司还有瓦布克WABCO公司（该公司从1986年开始在北京设立办事处向我国推广ABS）、戴维斯Teves公司（目前国产桑塔纳2000GSi型轿车采用的MK20型ABS就是上海汽车制动系统有限公司引进戴维斯公司技术合资生产的）。日本在ABS技术方面不甘落后。1971年，日本化油器机械公司开发研制成功后轮控制式ABS，称为电子滑移控制系统ESC（ElectronicSkidControlledSystem），装备在丰田TOYOTA公司1971款皇冠Crown、科罗纳Corona、马克ⅡMarkⅡ型轿车和日产Nissan公司1971年款总统President、光荣G