电子控制技术在汽车发动机中的应用

1. 引言

1)汽车发动机基本原理和构造

当今世界上的汽车发动机工作过程基本上都由四个冲程组成，即进气、压缩、膨胀和排气。利用燃料和空气的混合气在气缸内燃烧产生的高温高压气体的膨胀，发动机借助于曲柄连杆机构通过曲轴对外输出扭矩而作功。发动机按照所用燃料可分成汽油机、柴油机和燃气发动机;按照点火方式可分成点燃式和压燃式;汽油机按照空气和燃油的比例可分成理论当量燃烧和稀薄燃烧;按照汽油喷射地点可分成中央喷射、进气口喷射和缸内喷射。

发动机的各个部分按其功能可分成燃油供应系统、进气排气系统、点火系统、曲柄连杆传动机构、润滑系统、冷却系统和辅助系统如发电机、起动机、空调压缩机和各种泵等。

发动机工况可分成冷起动、起动后、暖机、怠速、部分负荷、全负荷、加速、减速和倒拖滑行等。这些工况主要根据负荷与转速，结合发动机温度(即冷却液温度)来区分。

2)电子控制在发动机中的重要意义

汽车电子控制始于发动机电子控制。电子控制之于1957年引入发动机以及于1967年商品化，其初衷是为了满足越来越严格的排放法规要求，同时提高汽车的动力性、燃油经济性和舒适性。现代汽车和发动机技术离开了电子控制是不可思议的。电子产品的产值在整个汽车中所占的比例随着汽车级别的提升而升高，可达30%以上。

3)发动机电子控制的核心问题

汽油机电子控制的核心问题是燃油定量和点火定时。柴油机电子控制的核心问题是燃油定量和喷油定时。

2. 汽车和发动机电子控制系统的组成

汽车和发动机电子控制系统跟其它电子控制系统一样，也是由传感器、电子控制单元(ECU)和执行器组成。

1)传感器

(1)目前汽油机电子控制系统常用的传感器有：

l 进气岐管绝对压力传感器(提供进气岐管绝对压力信息供计算负荷等)

l 燃油压力传感器(提供油轨燃油压力信息)

l 燃油箱压力传感器(提供燃油箱压力信息)

l 机油压力传感器(提供机油压力信息)

l 冷却液温度传感器提供(提供发动机温度信息)

l 进气温度传感器(提供进气温度信息供计算空气密度等)

l 空调蒸发器温度传感器(提供空调蒸发器温度信息)

l 空调冷凝器温度传感器(提供空调冷凝器温度信息)

l 空气流量传感器(提供空气流量信息供计算负荷等)

l 节气门位置传感器(提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息)

l 油门踏板位置传感器(提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息等)

l 霍尔传感器(提供转速信息、曲轴位置和相位信息)

l 感应式转速传感器(提供转速信息和曲轴位置信息)

l 燃油箱液面位置传感器(提供燃油箱液面位置信息)

l 爆震传感器(提供发动机机体接收到的振动信息)

l 排气再循环阀阀杆位移传感器(提供排气再循环阀开度信息)

l 氧传感器(提供过量空气系数l是大于1还是小于1的信息)

(2)目前柴油机电子控制系统常用的传感器有：

l 增压压力传感器(提供增压压力信息)

l 燃油压力传感器(提供共轨燃油压力信息)

l 机油压力传感器(提供机油压力信息)

l 冷却液温度传感器(提供发动机温度信息)

l 燃油温度传感器(提供燃油温度信息)

l 进气温度传感器(提供进气温度信息)

l 排气温度传感器(提供排气口和排气管的温度信息)

l 空调蒸发器温度传感器(提供空调蒸发器温度信息)

l 空调冷凝器温度传感器(提供空调冷凝器温度信息)

l 空气流量传感器(提供空气流量信息)

l 节气门位置传感器(提供节气门位置信息用于排气再循环控制)

l 转角传感器(提供分配泵轴转角信息)

l 油门踏板位置传感器(提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息)

l 霍尔传感器(提供转速和曲轴相位信息)

l 海拔高度传感器(提供海拔高度信息)

l 车速传感器(提供车速信息)

l 感应式转速传感器(提供转速信息和曲轴位置信息)

l 燃油箱液面位置传感器(提供燃油箱液面位置信息)

l 排气再循环阀阀杆位移传感器(提供排气再循环阀开度信息)

l 氧传感器(提供过量空气系数l的具体数值)

l 压差传感器(提供微粒物捕集器的压差信息)

l NOX传感器(提供排气后处理系统的NOX浓度信息)

2)电子控制单元

电子控制单元(ECU)接受传感器提供的各种信息并加以处理，根据处理向执行器发出指令给，对发动机实施控制。电子控制单元由微型计算机和模拟电路组成。随着发动机技术的不断发展，电子控制单元的信息处理量越来越大，现在所用的芯片已经达到32位，晶体管数量可超过700万个，匹配参数可超过6000个，针脚数目可超过150个。

3)执行器

(1)目前汽油机电子控制系统常用的执行器有：

l 电动燃油泵

l 电磁喷油器

l 点火线圈

l 各种怠速执行器

l 炭罐控制阀

l 排气再循环控制阀

l 电动节气门(又称电子油门)

l 液压回路电磁阀(用于可变气门定时控制等)

l 气动回路电磁阀(用于可变进气管长度控制等)

l 全可变气门电子控制执行器

l 涡轮增压废气放空控制阀

l 电动二次空气泵

l 三效催化转化器加热执行元件

l 冷却风扇

l 空调压缩机电磁离合器

l 发动机上的其他辅助设备

(2)目前柴油机电子控制系统常用的执行器有：

l 电动输油泵

l 各种燃油喷射泵

l 喷油量执行器(集成于燃油喷射泵内)

l 喷油提前角执行器(集成于燃油喷射泵内)

l 燃油切断阀(集成于燃油喷射泵内)

l 共轨高压泵

l 共轨压力控制阀

l 各种共轨喷油器

l 单元喷嘴系统和单元泵系统的高压燃油电磁阀

l 炽热塞

l 排气再循环控制阀

l 电动节气门(又称电子油门)

l 可变气门控制执行器

l 可变进气管长度执行器

l 涡轮增压废气放空控制阀

l 冷却风扇

l 空调压缩机电磁离合器

l 发动机上的其他辅助设备

一部分柴油机传感器和执行器集成于燃油喷射设备之内，因所用的柴油喷射设备而异。

3. 汽油机基本的电子控制项目

1)燃油定量。这是汽油机最重要的电子控制项目。控制对象是进入发动机的空气与燃油的质量比例，由ECU根据发动机的负荷、转速和冷却液温度等参数决定。负荷就是驾车人对发动机的扭矩要求，通过吸入空气量或油门踏板位置传递给ECU。执行器是电动燃油泵和电磁喷油器。燃油定量影响汽车的动力性、燃油经济性、舒适性、排放和零部件的安全。

2)点火定时。点火定时通常用点火发生时活塞在压缩冲程上止点之前多少度曲轴转角，即点火提前角来表征，也要根据发动机的负荷、转速和冷却液温度等工况参数决定。执行器是点火线圈。点火定时同样影响汽车的动力性、燃油经济性、舒适性、排放和零部件的安全。

3)爆震控制。汽油机爆震会损坏发动机，恶化排放和燃油经济性。通过电子控制避免爆震的主要途径是减小点火提前角。所以爆震控制通过点火定时控制实施。但是过小的点火提前角会影响燃油经济性。爆震控制的目的就是使点火提前角保持在恰好不发生爆震的临界点。

4)油箱蒸发排放物控制。油箱蒸发排放物都是碳氢化合物，是有害物质，必须利用活性炭罐加以吸附，并在适当的时候用新鲜空气清洗活性炭罐。清洗气流通过进气管送入气缸燃烧。并不是任何工况下都可以进行清洗，所以要利用炭罐控制阀对清洗气流加以控制。

4. 柴油机基本的电子控制项目

柴油机基本的电子控制项目就是燃油定量和喷油定时。这两者都由喷射设备根据转速、负荷和冷却液温度等信息控制。这里，负荷信息由油门踏板传感器提供。如果说汽油机可以采用，也可以不采用油门踏板位置传感器的话，那么柴油机必须采用。

5. 扩展的发动机电子控制项目

1)扩展的汽油机电子控制项目

l 可变进气管长度电子控制。用于提高发动机动力性。

l 可变气门电子控制。用于提高发动机动力性、经济性和舒适性，降低有害物质排放。

l 增压压力电子控制。用于提高发动机动力性和经济性，降低有害物质排放。

l 排气再循环电子控制。用于降低发动机氮氧化物排放。

l 二次空气电子控制。用于满足欧4以上法规对碳氢化合物和一氧化碳排放的要求。

l 三效催化转化器燃油加热或电加热电子控制。用于满足欧4以上法规对排放的要求。

l 停车-起动运行电子控制。用于提高发动机经济性和满足欧4以上法规对排放的要求。

l 气缸封闭和气门封闭电子控制。用于提高发动机经济性，降低有害物质排放。

l 喷油压力和喷油定时控制。用于汽油直喷，提高动力性和经济性，降低有害物质排放。

2)扩展的柴油机电子控制项目

l 喷油压力电子控制。用于提高发动机动力性和经济性，降低有害物质排放。

l 喷油规律电子控制。用于提高发动机动力性和经济性，降低有害物质和噪声排放。

l 多次喷油电子控制。用于提高发动机动力性和经济性，降低有害物质和噪声排放。

l 可变进气管长度电子控制。用于提高发动机动力性。

l 可变气门电子控制。用于提高发动机动力性、经济性和舒适性，降低有害物质排放。

l 增压压力电子控制。用于提高发动机动力性和经济性，降低有害物质排放。

l 排气再循环电子控制。用于降低发动机氮氧化物排放。

l 停车-起动运行电子控制。用于提高发动机经济性和满足欧4以上法规对排放的要求。

l 气缸封闭和气门封闭电子控制。用于提高发动机经济性，降低有害物质排放。

l 微粒物捕集器再生电子控制。用于降低发动机微粒物排放。

6. 展望和结语

1)发动机电子控制系统是一个非常有潜力的市场。随着排放法规的逐步趋严和燃油经济性要求的逐步提高，发动机技术正在飞速发展，新的电子控制技术还在不断涌现。

2)都说世界制造业的重心正在向中国转移。汽车行业，包括汽车电子行业，也在一定程度上出现了这种趋势。但是，目前中国发动机电子控制系统的原配套产品基本上都出自外资企业。这些企业组装产品用的元件几乎都不是在中国生产的。由此我国丧失了许多GDP和就业岗位。国营和民营企业技术水平低下，只能仿造外资企业的产品，跟在外资企业后面从维修备件市场分一点残羹冷饭。有的甚至还偷偷摸摸地打着外资企业的招牌，干着生产假冒伪劣产品的勾当。这种局面应当扭转。政府应当看到，这个行业的发展将会带来巨大的GDP增长，并创造大量的就业机会。所以政府应当做出规划，对这一行业加以扶植和整顿。

3)若要振兴中国自己的发动机电子控制工业，首先必须具备一个先决条件：汽车厂和发动机厂要与发动机电子控制零部件生产商携手合作，共担风险，并承诺：一旦实践证明国产的发动机电子控制系统能够满足要求，就在自己生产的发动机上采用国产产品。

4)企业的生命力在于新产品开发。发动机电子控制技术是伴随着发动机技术一起发展的。我国轿车行业一贯放弃发动机技术的独立开发，他们无从知晓下一代的发动机会是怎样的。零部件行业，包括发动机电子控制行业，也就无从开发自己的新产品，所以永远落后于国外同行，永远依靠引进技术。若要改变这种局面，首先要发动机厂摒弃一贯的所谓“拿来主义”，逐步从引进技术过渡到自行开发，并吸收零部件生产商参与产品的系统开发和同步开发，这样才能共同有所创新。舍此别无它路可循。政府应当进行引导和制定鼓励政策。