第五章 电子控制系统的结构与原理

三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）1电控发动机检测与维修——主讲：周海森三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）2第五章：电子控制系统的结构与原理学习目标：1、综合回顾前面章节学习到的各种传感器和执行器。2、掌握各种传感器和执行器的原理及检测方法。3、能综合分析诊断各种电控系统故障。应会技能：1、能检测活性炭罐电磁阀2、能检测PCV阀3、能检测ECU各输出输入端子专业术语：曲轴箱窜风、EVAP、EGR、PCV三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）35.1.1电控燃油喷射系统控制（燃油）三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）45.1.2电控点火系统控制（点火）三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）55.1.3电控整体系统结构（一）MAF(MAP)IAT/THAECTTPSCMPCKPKSO2SVSS其它（如：空调开关、ABS、档位、方向转角、碰撞、仪表等）ECU油泵喷油器点火器EGR阀怠速控制阀节气门电机雨刮器电机进气谐波电磁阀其它电磁阀整体参考P861-5-2OBD-Ⅱ接口仪表其它系统仪表其它系统自动变速箱控制单元ABS控制单元安全气囊控制单元三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）65.1.4电控整体系统结构（二）模拟信号数字信号控制单元（ECU）A/DD/AIOCPURAMROMPOWER模拟信号数字信号AB、CB、DBAB、CB、DB其它控制单元CAN-BUSCAN-BUS：现场总线，用于ECU与其它控制单元计算机（ABS、自动变速器、安全气囊、恒温空调等）建立和实现通讯；AB、CB、DB：地址线（AdressBus）、控制线（ControlBus）、数据线（DATABus），计算机内部通讯总线三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）75.2.1电控系统中的开关信号由于在前面的章节我们已经详细介绍了各种传感器和执行器输入和接受的信号类型，上一节的图描述了这些信号与ECU的通讯建立。在这里我们就不再重复的去讲这些信号的输入和输出了，有关详细内容可参考教材：P86和P92页的内容。这里我们详细讲解一下几个开关信号（无需进行解调的信号，数字信号的一种）。我们将在下面的章节中介绍：起动信号（SAT）、空挡起动开关信号（NSW）、空调信号（A/C）1、起动开关信号（STA）（1）作用：为ECU提供发动机是否处于运动状态的信号，以便ECU能提供正确的点火提前角和空燃比，使发动机顺利起动。（2）工作原理：点火开关从关闭打到STAT档，ECU执行系统自检、防盗测试及身份验证、蓄电池电压测试、燃油量测试、建立起动油压等相关过程。当起动点火开关（由STAT到RUN）的瞬间，12V电压通过点火开关加载到ECU的STA端子上，ECU利用该信号判断发动机是否处在起动状态。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）8起动点火开关电路原理图及检测：1：蓄电池2：熔丝3：点火开关4：适用于手动变速器车型（手动变速器空挡、离合器开关打开）5：使用于自动变速器车型（档位处于P或N档，很多车型要求制动信号开关闭合）6、起动机电路7、ECU8、至开路继电器检测：找到ECU线束接口，使用万用表20V直流电压档，红笔达STA端子，黑笔达E1端子，起动瞬间有12V电压。具体端子号请参考维修手册。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）95.2.2空挡起动开关信号（NSW）1、作用：检测自动变速器的挡位状态，在变速器处于锁止挡P档和空挡N的时候，发动机可以起动，处于其它挡位时，发动机不能起动。在挡位切换过程中，发动机ECU根据该信号来调整发动机的怠速转速和点火正时等。2、工作原理：当点火开关处于起动挡位，并且空挡开关处于P挡或者N挡时，空挡开关接通，ECU的NSW端子就会收到12V电压，ECU就会认为发动机处于空挡位置，同时允许发动机起动。若空挡开关处于P挡和N挡以外的党委，子启动机不能通电，发动机不能启动。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）103、电气原理1、点火开关2、空挡启动开关3、断路继电器4、起动机三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）115.2.3空调信号（A/C）空调信号（A/C）主要是用来检测空调压缩机电磁离合器是否工作，空调信号是取自空调压缩机的电源电路。空调压缩机电磁离合器工作时，该电路向ECU输送高电平信号，ECU根据空调信号（A/C）控制发动机怠速时点火提前角，怠速转速等。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）125.3.1发动机控制单元1、概述：发动机控制单元（EngineControlUnit，即ECU），ECU是发动机的“大脑”，各种传感器就是发动机的“眼睛和耳朵”，执行器就是发动机的“手和脚”。ECU采集各种传感器的信号并进行处理和运算后，控制执行器动作，最终控制发动机机械系统运转，有些车型中的ECU一般安装在乘客仪表板下面，也有少数安装在机舱内。（由于机舱内温度高，辐射和干扰强，现在都已经不安装在机舱内了。）2、ECU在不同的厂商称呼也不尽相同：例如：美国通用：ECM（enginecontrolmodule）美国福特：MCU（microprocessorcontrolunit）后来又叫做ECC（engineelectroniccontrol）日本本田：PCM（Powertraincontrolmodule）注意PCM是将发动机和变速器控制模块集成到了一起的。现在很多汽车的发动机和变速器的控制模块集成在一起，也有很单独控制通过CAN-BUS进行通讯。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）135.3.2发动机控制单元的作用TOP三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）145.3.3发动机控制单元的作用描述1、ECU的功能是采集和处理各种传感器的输入信号，根据发动机工作的要求（喷油脉宽、点火提前角等），进行控制决策的运算，并输出相应的控制信号。2、在电控发动机中最主要的输入接口是传感器接口，最主要的输出接口是控制接口，它控制外部执行机构的动作。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）155.3.4发动机控制单元的功能描述ECU除了准确的控制喷油器的喷油量外，还同时具备控制点火提前角、怠速转速控制、故障诊断控制、废气排放控制以及故障备用功能（即GOHOME，回家模式）。1、电子控制汽油喷射（EFI）：ECU根据各种传感器的信号控制喷油量，以保证发动机在任何工况下均获得精确的空燃比，有可靠的动力性和经济性。2、电子控制点火提前角（ESA）：为在所有工况下获得最佳点火正时，ECU经数据编程，利用由监控发动机各种性能（转速、进气容积、冷却书温度等）的传感器提供的数据，控制发动机在任何工况下都有一个准确的点火提前角。3、怠速控制（ISC）：利用发动机在不同工况（冷却液温度、空调ON/OFF等）下的怠速数据，进行ECU编程。然后根据来自每个传感器的信号，对流经节气门旁通气道（电子节气门和直动式节气门直接控制连接节气门的步进电机以控制节气门开度）的空气容积进行调节，而保持怠速的设定值（怠速稳定性和怠速工况的经济性）。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）164、故障诊断功能：当ECU检测出传感器网络中的故障或不正常时，在组合仪表盘上的“CHECKENGINE”警告灯点亮，同时，故障被识别并存储。5、备用程序功能：如果某一传感器失灵，ECU可以适用别的传感器信号进行代替，例如MAF损坏使用TPS信号代替；对于不可替代的传感器，则用记录在ECUROM存储器上的平均值或固定值代替，例如：ECT损坏用85℃代替，IAT损坏用20℃代替。同时ECU会将这些故障识别并记录到RAM中，同时点亮相应的故障灯提示驾驶员修理。另外如果某些关键的传感器失效，ECU提供回家功能，如：CMP、CKP，ECU将固定喷油量和点火提前角及节气门开度让车辆以一个较低的速度驶往修理厂。而对于ECU损坏的情况下，ECU主板上提供了一个能维持车辆基本运行的独立的后备电脑芯片。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）175.3.5发动机控制单元的主体功能图起动信号变速器档位炭罐传感器空调信号诊断输入岐管压力信号冷却液温度进气温度蓄电池电压氧传感器节气门位置车速信号曲轴转角信号爆震传感器开关量输入模拟信号处理正时、爆震处理、提前角和闭合角控制微处理器喷油器接地燃油泵怠速控制EGR阀炭罐电磁阀空调氧传感器加热器增压控制油耗量故障灯点火功率模块诊断请求校验测试故障灯喷油器驱动电路其他输出输出信号点火信号输出诊断三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）185.3.6ECU的结构模拟信号数字信号传感器输入回路A/D转换器输出回路输入回路I/O存储器（RAM/ROM）CPU执行器ECU三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）195.4.1开环控制与闭环控制一、定义：闭环控制：某一系统中有反馈传感器，并且ECU能根据该反馈传感器的信号对系统中的执行进行反复修正的控制方式。开环控制：系统中没有反馈设置或者ECU不对系统工作结果进行检测和对工作过程进行修正的控制方式。动态控制：系统根据工况的不同，在不同的工况下切换闭环的开环控制的控制模式。二、氧传感器参与燃油喷射闭环控制的意义：现代电控发动机可靠的闭环控制是保证三元催化器的使用寿命、有效降低排气污染、节约发动机燃油消耗的最佳方法，但同时对燃油质量的要求也较高。三、电控系统中常见的闭环控制内容：1、电控燃油喷射系统中氧传感器参与的燃油喷射的闭环控制系统；2、电控点火系统中，爆震传感器信号作为点火提前角和闭合角的修正的控制。3、有EGR位置传感器的EGR闭环控制系统。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）205.4.2氧传感器控制喷油量的闭环控制图中描述了前氧传感器检测废气中氧的含量作为空燃比的反馈信号传给ECU，ECU经过分析重新将空气和燃油配比，使其尽可能接近理论空燃比（14.7：1）。而这里的后氧传感器仅检测TWC的催化效果。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）215.4.3空燃比开环控制的转换条件发动机的实际工作中，很多情况下是无法使用理论空燃比进行工作的，那么也就无法进行闭环控制。此时ECU将不采纳氧传感器的信号。当满足下列五种情况之一时空燃比采用开环控制：1、发动机刚刚起动或者起动后需要暖机阶段。或者在冷却液温度低于65℃时。2、发动机在大负荷、全负荷工况下运行，需要较高的动力性能。3、加减速燃油喷射没冲宽度修正时或燃油供应中断时。4、从氧传感器送来的空燃比过稀、信号持续时间大于规定值10S以上时；从氧传感器送来的空燃比过浓、信号持续时间大于规定值4s以上时；氧传感器故障（无信号）。5、氧传感器温度低于300℃以下时。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）225.4.4爆震传感器控制点火的闭环控制带有爆燃控制的点火提前角闭环控制系统由传感器、带通滤波电路、信号放大电路、整形滤波电路、比较基准电压形成电路、积分电路、提前角控制电路和点火控制器等组成。ECU不断接受来自爆震传感器的信号来修正点火提前角和闭合角的时间。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）235.4.5EGR位置传感器控制EGR的闭环控制EGR通过ECT信号及EGR位置传感器控制EGR电磁阀的开度以控制EGR率。三大科谷教育（机电一体化·汽车专业）245.5.1电控发动机喷油量的控制电控发动机又称电控燃油喷射发动机，其最重要的控制内容之一就是要控制喷油量。在各种工况下，ECU对喷油量的控制都是在不断调整的。以下简单分析各种工况下ECU对喷油的控制。1、点火开关接通模式：点火开关打开到STA位置，ECU认为汽车即将启动，通过控制电动燃油泵的开路继电器的导通，油泵主继电器闭合，油泵得电工作，系统建立必要的启动油压，若在一定时间内ECU没有收到来自发动机的转速信号，油泵开路继电器由ECU控制断开，油泵停止工作。这个时间一般很短（2~4s）。例如：本田、红旗约2s、切诺基为3s。2、发动机起动模式：起动模式时发动机空燃比开环控制。ECU根据曲轴转角信号、起动信号等接通油泵开路继电器，给汽油泵、喷油器、点火线圈等供电，并根据冷却液温度传感器来决定喷油脉宽，并