淺談發(fā)動機電控技術在現代汽車中的應用案例

汽車機電一體化—汽車電子化正逐漸成為現代汽車(特別是轎車)的基本特征。發(fā)動機電控作為汽車電控中的重要一環(huán)，為適應日趨嚴格的排放、安全法規(guī)，已受到國內外汽車廠商的高度重視，并得到了空前發(fā)展。

一、概述

現代轎車電控技術的理論基礎就是現代控制理論。從早期的經典控制到目前的智能控制，控制理論在汽車電控中得到了廣泛的應用。主要有PID控制、最優(yōu)控制、自適應控制、滑?？刂啤⒛：刂?、神經網絡控制以及預測控制等。現代控制理論的發(fā)展使得電控系統(tǒng)更能適應復雜的多變量系統(tǒng)、時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，甚至對于數學模型不甚精確的系統(tǒng)也能實施精確有效的控制。

而這正是發(fā)動機電控得以實現的前提。就其結構而言，電控系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制組件(ECU)、執(zhí)行器 3個部分組成。傳感器作為輸入部分，用于測量物理信號(溫度、壓力等)，將其轉換為電信號;ECU的作用是接收傳感器的輸入信號，并按設定的程序進行計算處理，輸出處理結果;執(zhí)行器則根據 ECU輸出的電信號驅動執(zhí)行機構，使之按要求變化。

(一)電子控制組件(ECU)

ECU以微機為中心。還包括前置的A/D轉換器、數字信號緩沖器以及后置的信號放大器等。微機運算速度快、精度高，能實時控制，并具備多中斷響應等功能。目前除了8位、16位微機外，32位特別是64位微機已開始逐步使用。

而且，不僅有通用型微機和單片機，專用的汽車微機也已研制出來。正是微機技術突飛猛進的發(fā)展促進了汽車電控技術的不斷完善?？梢哉f，當前 ECU的發(fā)展總趨勢是從單系統(tǒng)單機控制向多系統(tǒng)集中控制過渡。不久以后，汽車電控系統(tǒng)將采用計算機網絡技術，把發(fā)動機電控系統(tǒng)、車身電控系統(tǒng)、底盤電控系統(tǒng)及信息與通信系統(tǒng)等各系統(tǒng)的ECU相聯結，形成機內分布式計算機網絡，實現汽車電子綜合控制。

(二)汽車傳感器

汽車傳感器的工作條件極為惡劣，因此，傳感器能否精確可*地工作至關重要。近年來在該領域中，理論研究及材料應用發(fā)展較為迅速，半導體和金屬膜技術、陶瓷燒結技術等迅猛發(fā)展。毋庸置疑，智能化、集成化和數字化將是傳感器的未來發(fā)展趨勢。

(三)執(zhí)行器

執(zhí)行器用來精確無誤地執(zhí)行 ECU發(fā)出的命令信號。因此，執(zhí)行器工作的精確與否將最終影響電控的成敗，正因如此，其工作可靠性和精確性一直作為研究重點而倍受關注。目前，汽車電控系統(tǒng)的執(zhí)行器類型繁多，有電磁閥、電動機、壓電元件、點火器、電磁繼電器、熱電偶等，結構與功能不盡相同。執(zhí)行器的發(fā)展方向是智能化執(zhí)行器和固態(tài)智能動力裝置。

二、發(fā)動機電控技術及應用

發(fā)動機電控技術可分為電控汽油噴射、電子點火、怠速控制、排氣再循環(huán)控制、增壓控制、故障自診斷、故障保險、備用控制以及其它控制技術。

(一)電控汽油噴射(EFI)系統(tǒng)

電控汽油噴射系統(tǒng)(簡稱電噴系統(tǒng))是60年代末開始發(fā)展起來的，較之早期普遍使用的化油器供油系統(tǒng)，其突出優(yōu)點在于空燃比的控制更為精確，可實現最佳空燃比;而且電噴技術提高了汽油的霧化、蒸發(fā)性能 ,加速性能更好 ,發(fā)動機功率和扭矩顯著升高。

目前，電噴系統(tǒng)主要采用開環(huán)與閉環(huán)控制(反饋控制)相結合的方式。對諸如暖機、怠速等需要供給濃混合氣的工況采取開環(huán)控制，此外則通過排氣管中設置的氧傳感器，測量實際空燃比來進行反饋控制。由空氣流量計或進氣歧管絕對壓力傳感器和轉速傳感器測量進氣空氣量，由ECU根據冷卻水溫、進氣溫度、氧傳感器信號等確定合適的空燃比，計算所需噴油量，進而對執(zhí)行器(噴油器和電路斷開繼電器)進行控制。

按照噴油器的安裝位置的不同，電噴系統(tǒng)可分為3種型式：單點噴射(SPI)、多點噴射(MPI)和缸內直接噴射。單點噴射用 1～2個噴油器安裝在進氣管節(jié)氣門處。多點噴射將各個噴油器分別安裝在各缸的進氣歧管中，使各缸混合氣分配較均勻，故而在轎車中應用較廣。

按照其噴油時序的不同，多點噴射又可細分為同時噴射、分組噴射和順序噴射 3種，其中順序噴射使噴油器能按各缸的點火順序進行噴油，每循環(huán)噴一次，該種方式較前兩種應用效果更好。缸內直噴特別是四沖程汽油機缸內直噴是當前轎車汽油噴射中的前沿技術，最早由日本三菱公司研制開發(fā)，其噴油器安裝在氣缸蓋上，工作時直接將汽油噴入氣缸內進行混合燃燒。直噴技術的實現大大降低了汽油機的油耗，動力性能也較多點噴射更為優(yōu)越;同時，配合其他機構，使得高空燃比稀燃技術得以實現。

(二)電子點火控制系統(tǒng)

早在 2 0世紀初 ,點火系統(tǒng)在汽車發(fā)動機上已開始應用，從有觸點式、普通無觸點式、集成電路式，發(fā)展到現今的微機控制電子點火系統(tǒng)。微機控制電子點火系統(tǒng)可控制并維持發(fā)動機點火提前角(ESA)在最佳范圍以內，使汽油機的點火時刻更接近于理想狀態(tài)，進一步 挖掘發(fā)動機的潛能。

在微機控制點火系統(tǒng)中，目前出現了一種無分電器點火(DLI)系統(tǒng)，它取消了普通微機控制點火系統(tǒng)中的分電器，改由 ECU內部控制各缸配電。這樣點火線圈產生的高壓電，不需經過分電器分配，直接就送至火花塞發(fā)生點火。無分電器點火系統(tǒng)可消除分火頭與分電器蓋邊電極的火花放電現象，減少電磁干擾。無分電器點火系統(tǒng)根據點火順序的不同，有兩缸同時點火和各缸獨立點火兩種。在兩缸同時點火方式中，每兩缸一組，合用一個點火線圈，所有缸體分成若干組按組依次進行點火;在各缸獨立點火方式中，每缸的火花塞都設有單獨的點火線圈(特別是隨著超小型塑料包裝的點火線圈的出現，使之與火花塞合為一體)，這樣各缸可依次輪流點火。

在發(fā)動機的點火控制中，同樣采用了開環(huán)和閉環(huán)相結合的控制形式。起動階段的點火時刻由ECU中的專門信號進行開環(huán)控制;正常運行期間，則通過增設爆震傳感器進行爆震反饋控制，根據爆震傳感器的反饋信號調整點火時刻使發(fā)動機在臨界爆震狀態(tài)。

(三)怠速控制(ISC)系統(tǒng)

怠速性能的好壞是評價發(fā)動機性能優(yōu)越與否的重要指標，怠速性能差將導致油耗增加，排污嚴重，因此，需進行必要的控制?，F代轎車中一般都設有怠速控制系統(tǒng)，由ECU控制并維持發(fā)動機怠速在某一穩(wěn)定轉速范圍內。因此，怠速控制通常是指怠速轉速控制，其實質就是對怠速工況時的進氣量進行調節(jié)(同時配合噴油量及點火提前角的控制)。 怠速控制的基本原理是 ECU根據冷卻水溫、空調負荷、空檔信號等計算目標轉速，并與實際轉速相比較，同時檢測節(jié)氣門全關信號及車速信號，判斷是否處于怠速狀態(tài)，確認后則按目標轉速與實際轉速之間的差值來驅動執(zhí)行器調整控制進氣量。