李建明

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430079)

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工藝與材料

汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)應(yīng)用及相關(guān)問題研究

李建明

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430079)

隨著汽車制造技術(shù)的不斷發(fā)展，其電子化程度也在持續(xù)提升，汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。因此現(xiàn)代汽車的動力性、安全性以及穩(wěn)定性得到了極大的提升。文章分析了電子控制器的組成與原理，并在此基礎(chǔ)上簡要論述了汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展。

汽車；發(fā)動機(jī)；電子控制技術(shù)；應(yīng)用

1 引言

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對于汽車節(jié)能和汽車安全的需求越來越高，人們對于乘坐的舒適性以及駕駛的便捷性要求也在持續(xù)提升，電子化、信息化以及智能化逐漸成為了現(xiàn)代汽車的主要發(fā)展趨勢。汽車電子控制技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為評價一個國家汽車工業(yè)生產(chǎn)水平的關(guān)鍵指標(biāo)。如今，我們已經(jīng)邁入了汽車電子控制時代，汽車中所裝備的電子裝置成本越來越高，計算機(jī)信息技術(shù)和電子技術(shù)也越來越廣泛的應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中，在很大程度上促進(jìn)了汽車工業(yè)的發(fā)展。

2 電子控制器(ECU)的組成與原理

基于單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計和組織的電子控制器(ECU)屬于汽車電子控制系統(tǒng)的核心元件。電子控制器的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)接受各類傳感器所輸出的發(fā)動機(jī)工況信號，按照電子控制器內(nèi)部事先進(jìn)行編制與存儲的相關(guān)程序數(shù)據(jù)，借助于數(shù)學(xué)計算以及邏輯判斷來得出符合汽車發(fā)動機(jī)實(shí)際工況的點(diǎn)火提前角、噴油時間等數(shù)據(jù)，同時把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為電信號來對元件動作進(jìn)行控制。汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖2 發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)信息流程

ECU的功能主要是接受來自傳感器的各種信號，經(jīng)過處理之后，根據(jù)ECU內(nèi)部事先編寫的ECU軟件和事先存儲好的試驗(yàn)脈普圖(MAP)，計算得到在當(dāng)前工況下的合適噴油量和點(diǎn)火正時等重要參數(shù)，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，發(fā)送給執(zhí)行器，使發(fā)動機(jī)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。電子控制系統(tǒng)信息流動過程大體上如上圖2所示。

發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)一般都是由傳感器、電子控制單元(ECU)、執(zhí)行器三部分組成的。發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，以上只包含了前饋控制，ECU無法得知控制的效果，因此在很多的情況下，發(fā)動機(jī)控制還需要反饋控制。由于排放的要求，汽車上一般都裝配有三元催化劑，但是三元催化劑只有在理論空燃比附近才能發(fā)揮比較好的作用，所以在發(fā)動機(jī)的控制中要求混合氣的空燃比保持在理論空燃比14.7附近；又或者是在發(fā)動機(jī)怠速控制要求發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在一個相對比較穩(wěn)定的數(shù)值下；當(dāng)發(fā)動機(jī)不正常燃燒、爆震，需要有爆震傳感器來監(jiān)測發(fā)動機(jī)相關(guān)狀態(tài)。這些信息反饋給ECU，ECU根據(jù)內(nèi)部的控制策略，調(diào)整發(fā)送給執(zhí)行器的指令，借此來使發(fā)動機(jī)保持在期望的狀態(tài)下運(yùn)行，整個過程稱之為閉環(huán)控制[1]。

3 汽車發(fā)動機(jī)電子控制主要內(nèi)容

汽車發(fā)動機(jī)電子控制的主要內(nèi)容有：一是燃油定量，對發(fā)動機(jī)的空氣和燃油質(zhì)量比進(jìn)行控制，電子控制器結(jié)合發(fā)動機(jī)實(shí)際負(fù)荷、轉(zhuǎn)速以及冷卻液溫等各項(xiàng)參數(shù)來確定需要的燃油量。燃油量會直接對汽車的經(jīng)濟(jì)性、動力性以及零部件穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。二是點(diǎn)火定時，一般借助點(diǎn)火提前角來表征，結(jié)合發(fā)動機(jī)的實(shí)際負(fù)荷、轉(zhuǎn)速以及冷卻液溫等具體參數(shù)來給出發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時間，它也會對汽車的動力學(xué)、舒適性以及零部件穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；三是爆震控制，汽油機(jī)爆震會對發(fā)動機(jī)造成極大的損壞，導(dǎo)致汽車燃油經(jīng)濟(jì)性降低，利用電子控制技術(shù)能夠有效降低點(diǎn)火提前角從而防止爆震，爆震控制讓點(diǎn)火提前角剛好處于不發(fā)生爆震的平衡點(diǎn)；四是油箱蒸發(fā)排放物的控制，汽車排放物一般為碳?xì)浠衔?，屬于有害物質(zhì)，必須要使用活性炭罐進(jìn)行吸附處理，同時借助新鮮空氣對活性炭罐進(jìn)行清洗，清洗氣流從氣管送入到汽缸燃燒，依靠碳罐控制閥能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效控制。而柴油機(jī)的電子控制內(nèi)容為燃油定量以及噴油定時，它們都是噴射設(shè)備結(jié)合發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及冷卻液溫等參數(shù)來實(shí)施控制，相應(yīng)數(shù)據(jù)主要是油門踏板傳感器進(jìn)行提供。

4 汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)的應(yīng)用

4．1 電子點(diǎn)火裝置(ESA)

電子點(diǎn)火裝置(ESA)的發(fā)展主要是為了更快的滿足汽車排放、油耗等相關(guān)法制法規(guī)的完善，滿足汽車點(diǎn)火系工作的穩(wěn)定性、點(diǎn)火能量以及復(fù)雜的點(diǎn)火提前性等要求而發(fā)展的。要達(dá)到上述要求，就應(yīng)當(dāng)選擇先進(jìn)的電子控制技術(shù)來增強(qiáng)汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時刻的控制精度。因?yàn)殡娮涌刂萍夹g(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)可以研發(fā)出穩(wěn)定性強(qiáng)、性能好、成本低的包括晶體管在內(nèi)的各類電子元件?，F(xiàn)階段正在開發(fā)與推廣的汽車電子點(diǎn)火裝置的類型非常多，從控制點(diǎn)火線圈初級電流的主要電子元件而言，包括了晶體管點(diǎn)火裝置、可控硅點(diǎn)火裝置以及集成電路點(diǎn)火裝置。它主要是由微機(jī)、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，能夠?qū)鞲衅靼l(fā)送的發(fā)動機(jī)參數(shù)實(shí)施計算和判斷，之后對點(diǎn)火時刻進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到降低燃料消耗和空氣污染的作用。另外，新型發(fā)動機(jī)電子控制元件還具備自適應(yīng)控制、智能控制和自診斷操作等功能[2]。

4.2 電子控制燃油噴射裝置

在現(xiàn)代汽車中，機(jī)械師或者機(jī)電混合燃油噴射裝置已經(jīng)開始被淘汰，電子控制燃油噴射裝置的應(yīng)用越來越廣泛。電子噴油裝置能夠確保汽車發(fā)動機(jī)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，讓其輸出一定功率條件下實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)油，實(shí)驗(yàn)并調(diào)整到發(fā)動機(jī)最佳工況時供油控制規(guī)律，同時將這些規(guī)律編制為程序儲存在微機(jī)中。當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)工作時，傳感器對空氣流量、排氣管中含氧量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和工作溫度等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測定，根據(jù)事先編制好的程序開始計算，之后與內(nèi)存中的最佳工況參數(shù)實(shí)施比較，之后再對供油量進(jìn)行調(diào)整。如此一來便可以確保汽車發(fā)動機(jī)始終處在最佳的工作狀態(tài)下，提升發(fā)動機(jī)的運(yùn)行性能。

電子控制汽油噴射系統(tǒng)主要是以電控單元作為控制中心，同時利用發(fā)動機(jī)中的各類傳感器對發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測定。之后，根據(jù)微機(jī)內(nèi)預(yù)先所存儲的控制程序來對噴油量進(jìn)行控制，確保發(fā)動機(jī)在各類不同工況下皆可以獲得最佳空燃比的可燃混合氣。

4.3 廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)(EGRC)

電子控制器結(jié)合汽車發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣溫度以及進(jìn)氣流量來調(diào)整電磁閥的開閉，進(jìn)氣管真空度通過電磁閥進(jìn)入EGR閥真空膜室，膜片拉桿打開EGR閥門，排氣內(nèi)的部分廢氣通過EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)之內(nèi)，和混合氣混合之后進(jìn)入氣缸中參與燃燒。如果汽車發(fā)動機(jī)處于怠速、低速或者冷機(jī)時，ECU控制廢氣不參與再循環(huán)，防止發(fā)動機(jī)實(shí)際性能受到干擾；如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度以及負(fù)荷超過一定值，ECU讓部分廢氣參與再循環(huán)，而廢氣量則是按照發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷與溫度的實(shí)際來進(jìn)行控制，進(jìn)而有效的減少廢氣內(nèi)NOx的含量。

4.4 智能可變氣門正時技術(shù)

智能可變氣門正時控制系統(tǒng)(VVT-i)能夠有效提升發(fā)動機(jī)進(jìn)氣效率，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩的足量輸出，確保發(fā)動機(jī)處于各種工況下都可以獲得最佳的動力表現(xiàn)。其另一先進(jìn)之處主要是全鋁合金缸大幅度的降低了其質(zhì)量，同時減小了發(fā)動機(jī)噪聲。可變配氣正時控制的主要功能是在維持汽車發(fā)動機(jī)怠速性能的基礎(chǔ)上對全負(fù)荷性能予以改善，這種機(jī)構(gòu)主要保持進(jìn)氣門開啟持續(xù)角不變，通過改變進(jìn)氣門開閉時刻來提高充氣量。

為了讓汽車發(fā)動機(jī)能夠獲得最佳空燃比，讓發(fā)動機(jī)在各種轉(zhuǎn)速條件下獲得相應(yīng)的燃油供應(yīng)，豐田的智能可變氣門正時技術(shù)非常具有代表性。這一控制系統(tǒng)主要包括了傳感器、ECU、控制器以及凸輪軸液壓控制閥構(gòu)成。ECU一般存儲了最佳氣門正時參數(shù)值，進(jìn)氣管空氣壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器以及水溫傳感器、凸輪軸位置傳感器等將信息反饋到ECU同時和預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比，同時發(fā)出控制指令，控制閥會按照相關(guān)指令對機(jī)油槽閥井的位置進(jìn)行控制，換句話說即是調(diào)整液壓流量，將各種信號指令輸送到智能可變氣門正時控制系統(tǒng)控制器的不同油道[3]。

5 汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)發(fā)展趨勢

(1)發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)電子控制單元，在軟件方面包括標(biāo)準(zhǔn)的I/O驅(qū)動模塊、多任務(wù)操作系統(tǒng)、基于模型的算法設(shè)計以及高級語言控制編程等，而硬件方面則是能夠提供一個非常完善的和軟件系統(tǒng)相貼合的開發(fā)平臺，具有多功能的快速原型以及在線調(diào)試HILS等。逐漸建立軟硬件一體化應(yīng)用系統(tǒng)，基于模型設(shè)計建設(shè)控制模型、模擬系統(tǒng)動態(tài)測試驗(yàn)證控制算法、系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測試以及模型實(shí)時檢驗(yàn)，自動生成源代碼、在線調(diào)試標(biāo)定等；

(2)相關(guān)技術(shù)逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)化，汽車電子控制技術(shù)正處于飛速發(fā)展的一個重要時期，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也正處在建立和完善的關(guān)鍵時期。比如說有關(guān)通信、網(wǎng)絡(luò)規(guī)范CAN/Flex Ray/Lin與實(shí)時操作系統(tǒng)規(guī)范OSEK技術(shù)也逐漸得到了非常廣泛的應(yīng)用；

(3)汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的傳感器與執(zhí)行器技術(shù)也逐漸朝著更加集成化、智能化、微型化以及多功能化的方向發(fā)現(xiàn)。拿國內(nèi)目前的實(shí)際情況來說，現(xiàn)階段除開氧傳感器、噴油器等重要部件技術(shù)質(zhì)量需要進(jìn)一步提升之外，其他部件都能夠提供，但批量產(chǎn)品的實(shí)際穩(wěn)定性、可靠性以及耐久性等還需要進(jìn)一步提升；

(4)更加重視相關(guān)設(shè)施工具的開發(fā)，注重應(yīng)用更加先進(jìn)的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架、集成開發(fā)工具以及產(chǎn)品測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等，從而有效的提升技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)效率[4]。

6 結(jié)語

總之，因?yàn)槠嚂r刻處于高速的運(yùn)動和振動狀態(tài)，其中的傳感器、執(zhí)行器、元器件以及接插件、線數(shù)等都需要擁有較好的抗振性、耐高溫性以及抗電磁干擾性。但是，現(xiàn)階段國內(nèi)汽車工業(yè)生產(chǎn)所需要解決的一個重要問題便是關(guān)于汽車發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)控制軟件，在進(jìn)行開發(fā)的過程中必須要注重集成環(huán)境技術(shù)的應(yīng)用，從而保證可以真正從底層進(jìn)行開發(fā)而掌握汽車發(fā)動機(jī)電子控制的核心技術(shù)，促進(jìn)新的汽車發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)得到更快發(fā)展。

[1] 姜文嘯.汽車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)故障診斷與維修[J].汽車維修，2015(08)：65.

[2] 婁潔，徐圣倫.汽車電子化與發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展研究[J].綏化學(xué)院學(xué)報，2015(06)：28.

[3] 韓高輝，孫志杰.基于汽車電控發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014(10)：71.

[4] 何琨，衛(wèi)登科.汽車發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)自診斷的分析與研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(05)：90.

2015-11-21

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.008

TN784

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1000-6133(2015)06-0036-03