第八章 汽油机辅助电控系统
第一节 怠速控制(ISC)
怠速转速过高,会增加燃油消耗量.因此,怠速转速应尽可能低.但考虑到减少有害物的排放,怠速转速又不能过低.另外,考虑所有怠速使用条件下,如冷车运转与电器负荷,空调装置,自动变速器,动力转向伺服机构的接入等情况,它们都会引起怠速转速的变化,使发动机怠速不稳甚至会引起熄火现象.
通常发动机输出动力时,其转速是由驾驶员通过油门踏板控制节气门开度,调节进气量的方法来实现的.但在怠速时,驾驶员的脚已离开油门踏板,驾驶员要对进气量进行适时调节已不可行,为此在大多数电控汽油喷射发动机上都设有不同类型的怠速转速控制装置.
怠速时,节气门处于关闭状态,空气通过节气门缝隙及旁通节气门的怠速调节通道进入发动机,由空气流量计(或进气歧管压力传感器)检测该进气量,并根据转速及其它修正信号控制喷油量,使转矩与发动机本身内部阻力矩相平衡,保证发动机在怠速下稳定运转.当发动机的内部阻力矩发生变化时,怠速运转转速将会发生变化.发动机怠速控制装置的功能就是自动维持发动机怠速稳定运转.
怠速控制(ISC)是通过调节空气通道面积以控制进气流量的方法来实现的.
一,怠速控制系统的组成与控制原理
(一)怠速控制系统的组成
怠速控制系统各组成部分及其功用如表8-1所示.
表8-1 怠速控制系统组件和功能
组件
功能
传
感
器
转速传感器(Ne信号)
检测发动机转速
节气门位置传感器
检测发动机处于怠速状态
冷却液温度传感器
检测发动机冷却液温度
起动开关信号
检测发动机正在起动中
空调开关(A/C)信号
检测空调的工作状态(ON,OFF)
车速传感器
检测车速
空挡起动开关信号(P/N)
检测换挡手柄位置
液力变矩器负荷信号
检测液力变矩器负荷变化
动力转向开关信号
检测动力转向工作状态
发电机负荷信号
检测发电机负荷的变化
执行器
怠速控制阀(ISC)
控制节气门旁通空气通道
ECU
根据从各传感器输入的信号,把发动机的实际转速与各传感器输入的信号所决定的目标转速进行比较.根据比较得出的差值,确定相当于目标转速的控制量,去驱动控制空气量的执行机构,使怠速转速保持在目标转速上
(二)怠速控制原理
如图8-1所示,ECU根据从各传感器的输入信号所决定的目标转速与发动机的实际转速进行比较,根据比较得出的差值,确定相当于目标转速的控制量,去驱动控制空气量的执行机构,使怠速转速保持在目标转速附近.
图8-1 怠速控制系统的组成
目标转速 2—比较器 3—控制量计算 4—执行元件驱动器
5—执行机构 6—怠速状态判别
(三)怠速控制执行机构
控制空气量的执行机构,大致可分为两种:一种是控制节气门最小开度的节气门直动式,另一种是控制节气门旁通气道中空气流量的旁通空气式.
1.节气门直动式
节气门直动式怠速控制装置是通过控制节气门开启程度,调节空气流通的面积,达到控制进气量,实现怠速控制的(图8-2),目前常见在单点喷射系统中.由图8-2可见,怠速执行机构由直流电动机,减速齿轮,丝杠等组成.怠速执行机构的传动轴与节气门操纵臂的全闭限制器相接触.当发动机ECU控制直流电动机通电时,直流电动机产生旋转转矩,通过减速齿轮,旋转转矩被增大.然后又通过丝杠变角位移为传动轴的直线运动,通过传动轴的旋入或旋出,调节节气门全闭限制位置,达到调节节气门处空气通道面积,进而实现怠速转速的控制.
这种节气门直动式怠速控制机构,具有较强的工作能力,控制位置稳定性好.但由于节气门直动式工作时,为了克服节气门关闭方向回位弹簧的作用力,使用了减速机构,使移位速度下降,造成响应性不太好,同时怠速执行机构的外形尺寸较大,目前使用较少.

图8-2 节气门直动式执行机构
1—节气门操纵臂 2—执行机构3—节气门体4—喷油器 5—压力调节器 6—节气门
7—防转动六角孔8—弹簧 9—直流电动机 10— 减速齿轮1 11—减速齿轮2
12—传动轴 13—减速齿轮3 14—进给丝杠
2.旁通空气式
在多点汽油喷射系统中多采用控制旁通空气通道的执行机构,本节主要介绍步进电机式,旋转电磁阀式,占空比控制式,开关控制式等装置.
(1)步进电动机式 这种怠速控制阀安装在进气室或节气门阀体上.为了控制发动机怠速运转的速度,根据来自发动机ECU的信号,怠速控制阀增加或减少流过节气门旁通通道的空气量.
如图8-3所示,这种怠速控制阀有一个内置步进电动机.这个电动机顺时针或逆时针方向转动转子,使阀移进或移出.这一运作又增加或减小阀心与阀座之间的间隙,以调节允许通过的空气量.由于步进电动机式怠速控制阀气流容量很大,因此也用于控制快怠速.步进电机式怠速空气调整的原理是:将由永久磁铁构成的转子的旋转运动变成直线运动的进给丝杆,然后带动阀心运动,控制通道面积的大小,从而达到调节旁通空气道截面的目的.转子可以利用步进转换控制,使转子正转或反转,以控制进或退.不同汽车公司所采用的步进电机式怠速控制阀结构型式略有差异,但其基本工作原理相同.以日本三菱汽车公司(Mitsubishi Motors Corporation)的产品为例,介绍其结构和工作原理.转子由永久磁铁构成,N极和S极在圆周上相间排列,共有八对磁极.定子由A,B两个定子组成,其内绕有A,B两组线圈,线圈由导磁材料制成的爪极包围(图8-4).每个定子各有八对爪极,每对爪极(N极与S极)之间的间距为一个爪的宽度,A,B两定子爪极相差一个爪的差位,构成一体安装地外壳上(图8-5).爪极的极性是变换的,由 ECU输出的控制定子相线绕组的电压脉冲决定.A,B两个定子绕组分别由1,3相绕组和2,4相绕组构成,由ECU内晶体三极管控制各相绕组的搭铁(图8-6).相线控制脉冲如图8-7所示,欲使步进电机正转时,相线控制脉冲按1-2-3-4相顺序依次迟后90°相位角,定子上N极向右方向移动(图8-8),转子随之正转.反之,欲使步进电机反转时,相线控制脉冲按1-2-3-4相顺序依次超前90°相位角,定子上N极向左方向移动,转子随之反转.
图8-3 步进电机式怠速控制阀
1-阀座2-阀轴3-定子4-轴承8-进给丝杆6-转子7-阀心



图8-4 定子结构
图8-5 定子爪极布置
图8-6 相线绕组的控制电路
图8-7 相线控制脉冲
图8-8 步进原理
转子的转动是因为定子线圈电磁铁和转子永久磁铁的N极和S极之间的互相吸引,引力产生的转矩使N极和S极转到最近距离.由于定子的爪极极性随相线控制脉冲的变化而改变,所以转子也随之转动,以保持转子的N极随时与定子的S极对齐.可见阀心移动的距离和移动的方向均由相线控制脉冲决定.转子转动一圈为32个步级,每个步级转动一个爪的转角,即11.25°,步进电机的工作范围为0~125步级.
(2)占空比控制型(ACV) 这种类型怠速控制阀的构造如图8-9所示.由发动机ECU信号控制的电流通过占空比控制阀,线圈被励磁,怠速控制阀移动.这就改变了阀与阀体之间的间隙,从而控制怠速的转速.在实际运作中,流至螺旋线圈的电流是每100ms通断一次.所以,阀的位置是由信号接通与关断时间的比值确定的,通常用占空比来描述.所谓占空比是指一个周期内,接通信号的时间与整个周期的时间之比(图8-10).怠速控制阀打开得越大,线圈中有电流通过的时间越长.需要说明的是,快怠速的转速是用其它空气阀控制的.
图8-9 占空比型怠速控制阀
结构 b)示意图 c)与ECU连接
1-弹簧2-磁化线圈3-轴4-阀8-壳体6-波纹管7-传感器8-进气总管9-节气门
图8-10 占空比
(3)旋转电磁阀式 旋转电磁阀式怠速控制阀在实际运行时,ECU将检测到的怠速转速实际值与贮存的设定目标值相比较,并随时校正送至怠速控制阀的驱动信号,以实现稳定的怠速运行.
图8-11所示为旋转电磁式怠速控制阀的剖视图,它由永久磁铁,电枢,旋转滑阀,螺旋回位弹簧和电刷及引线等组成.旋转滑阀固装在电枢轴上,与电枢轴一起转动,用以控制流过旁通道的空气量.永久磁铁固装在外壳上,其间形成磁场.电枢位于永久磁铁的磁场中,电枢铁心上缠有两组绕向相反的磁化线圈L1和L2,当线圈L1通电时,电枢带动旋转滑阀顺时针偏转,空气旁通道截面关小;线圈L2通电时,电枢带动旋转滑阀逆时针偏转,空气旁通道截面开大.L1和L2的两端与电刷滑环相连,经电刷引出与ECU相连接(图8-12).电枢轴上的电刷滑环,类似电机换向器结构,它由三段滑片围合而成,其上各有一电刷与之接触.电枢绕组L1和L2的两端分别焊接在相应的滑片上.当点火开关旋至"ON"时,空气调整器接线插头"2"上即有蓄电池电压,电枢绕组L1和L2是否通电,则由ECU中控制L1和L2搭铁的三极管V2和V1的通断状态决定.由于占空比控制信号和三极管V1的基极之间接有反相器,故三极管V1和V2集电极输出相位相反.因此,旋转滑阀式怠速空气调整器上的两个电枢绕组总是交替地通过电流,又因两组线圈绕向相反,致使电枢上交替产生方向相反的电磁转矩.由于电磁转矩交变的频率较高(约250Hz),且电枢转动具有一定的惯性,所以旋转滑阀将根据控制信号的占空比摆到一定的角度稳定.当占空比为50%时,L1和L2线圈的平均通电时间相等,二者产生的电磁转矩抵消,电枢轴停止偏转.当占空比小于50%时,线圈L1的平均通电时间长,其合成电磁转矩使电枢带动旋转滑阀顺时针偏转抵消,空气旁通道截面关小,怠速降低;反之,当占空比大于50%时,空气旁通道截面开大,怠速升高.如此,旋转滑阀根据控制脉冲信号的占空比偏转,占空比的范围约为18%(旋转滑阀关闭)至82%(旋转滑阀打开)之间,滑阀的偏转角度限定在90°内.
图8-11 旋转电磁阀式怠速控制阀
a) 结构 b) 位置图 c) 工作原理
1-阀 2-双金属带 3-冷却水腔 4-阀体 8-线圈L1
6-永久磁铁 7-线圈L2 8-轴 9-旁通口 10-固定销 11-挡块 12-杆

图8-12 旋转电磁阀式怠速控制阀电路连接图
a) 控制电路 b) 占空比信号 c),d) 工作原理
(4)开关控制型(VSV) 这种类型怠速控制阀的构造如图8-13所示.由发动机ECU信号控制的电流通过线圈,使线圈励磁,线圈将阀打开,从而增加怠速约 100r/min(快怠速转速由其它空气阀控制).
8-13 开关控制型
1-磁化线圈 2-开关阀
二 怠速控制过程
根据有关传感器信号,ECU控制怠速控制阀,使发动机在不同怠速工况时都处在最佳转速下稳定运转.
1.步进电动机式
步进电动机式怠速控制阀的控制线路如图7-14所示,步进电动机式怠速控制阀与发动机ECU连接.适用于不同冷却液温度和空调器各种运行状况的目标怠速,都储存在ECU的存储器中.ECU根据节气门开启角度和车速信号判定发动机处于怠速工况时,按一定顺序使VTl-VT4 三极管依次导通,分别向怠速步进电动机四个线圈供电,驱动步进电动机旋转,调节旁通空气通道的开度,从而调节旁通空气量,使发动机转速达到目标怠速.
图8-14 步进电动机怠速控制阀控制电路
(1)起动设定 发动机停机(没有Ne信号传至ECU)时,怠速控制阀就全开(至125级)以改善发动机再次起动时的起动性能.为了使怠速控制阀的设定(全开)适于发动机下次起动,即使在点火开关关断后,还必须继续供电给ECU和怠速控制阀片刻.因此,为了保持主继电器接通,ECU从"M-REL"端子输出12V电压,直至怠速控制阀被设定.设定一完成,怠速控制阀就切断流至主继电器残留的电流.
(2)起动控制 由于怠速控制阀事先设定,起动中通过怠速控制阀的空气量是最大可能量.这使发动机易于起动.但是,发动机起动后,如果怠速控制阀保持全开,转速会升得太高.所以,当发动机在起动中或起动后达到一定转速(这一转速由冷却液温度信号确定)时,ECU就开始输出信号至怠速控制阀,使其从125级(全开)闭合至接近由冷却液温度所确定的一点.例如,起动时冷却液温度为20℃,怠速控制阀就会从全开位置(125级,即点A)逐渐闭合至点B,即发动机转速达到预定值的一点(图8-15).控制的相关信号有发动机转速(Ne),冷却液温度(THW),节气门怠速位置(IDL),车速(SPD)等.
图8-15 起动控制
(3)暖机(快怠速)控制 当冷却液温度升高时,怠速控制阀从起动中闭合的那一点继续逐渐闭合.当冷却液温度达到80℃时,怠速控制阀将快怠速控制终止(图8-16).
图8-16 暖机控制
(4)反馈控制 怠速触点接通,车速低于预定值,冷却液温度约为80℃时,就进行反馈控制.如果发动机的实际转速与储存在ECU存储器中的目标转速相差超过20r/min,ECU就输出一个信号至怠速控制阀,要其增加和减少通过旁通通道的空气量,使实际转速与目标转速相符(图8-17).目标转速因发动机负荷等状况而异,如空挡起动开关,空调器开关是否接通等.控制的相关信号有发动机转速(Ne),节气门怠速位置(IDL),车速(SPD),冷却液温度(THW),空调器(A/C)和空挡起动开关(NSW)等.
图8-17 反馈控制
(5)发动机转速变化估计控制 空挡起动开关或空调器开关接通后,发动机负荷也立即改变.为防止发动机转速因此而改变,ECU输出信号至怠速控制阀,使其在发动机转速改变前,按一固定量打开或闭合.此时根据发动机转速(Ne),空挡起动开关(NSW),节气门怠速位置(IDL),车速(SPD)和空调器(A/C)等信号控制.
(6)电负荷怠速提高控制 由于施加电负荷时,交流发电动机的发电能力增加,发动机ECU将打开一定级数,使在端子"+B"或端子"IGSW"已有电压降时,或者在信号已施加在端子"LP",端子"DFG",或端子"ELS"上时,提高怠速转速.此时根据电负荷(LP,DFG或ELS),发动机转速(Ne),节气门怠速位置(IDL)和车速(SPD)等信号进行控制.
(7)其它控制 除了上述控制外,有些发动机还有其它控制形式.如减速时,怠速控制阀在这个控制中的运作类似减速缓冲阀;当机油压力开关接通时,怠速控制阀打开少许等.
2.占空比控制型(ACV)
占空比控制阀安装在进气歧管上,利用来自发动机ECU的信号(占空比信号)控制经过节气门的进气量.空气流量是由来自ECU的空气流量信号接通的时间与断开的时间之比确定的.如怠速转速因发动机运转情况变化或电负荷变化(如空调器开关或空挡起动开关接通等)而下降,占空比控制阀按照来自ECU的信号控制绕过节气门的空气量,从而帮助稳定怠速转速(在预热中,快怠速转速是由空气阀控制的).控制电路如图8-18所示.
图8-18 占空比怠速控制阀控制电路
(1)起动控制 为在曲轴开始旋转时改善起动性能,当起动信号接通,使占空比怠速控制阀完全打开.
(2)反馈控制 除了起动控制,发动机转速变化估计控制及恒定占空比控制这些情况,ECU都改变"V-ISC"信号以保持怠速转速.
(3)发动机转速变化估计控制 空调器开关或空挡起动开关接通时,占空比改变.这一控制就是帮助限制怠速转速的改变.
(4)恒定载荷控制 当怠速触点断开或空调器开关接通时,ECU使占空比怠速控制阀保持在一固定开度.
3.旋转电磁阀式
图8-19为旋转电磁阀式怠速控制阀与发动机ECU相连接的电路.不管发动机是冷态或热态,怠速控制阀在怠速转速的全部范围内,通过占空比控制(占空比0~100%)进行反馈控制.
图8-19 旋转电磁阀式怠速控制阀控制电路
(1)起动控制 发动机起动时,怠速控制阀根据储存在ECU存储器的数据,按照发动机当时的运转情况打开,这就改善了起动性能.此时ECU根据冷却液温度(THW)和发动机转速(Ne)等信号进行控制.
(2)暖机(快怠速)控制 发动机起动后,ECU根据冷却液温度控制快怠速.此外,还进行反馈控制,以保证发动机怠速转速与目标转速匹配.目标怠速转速的数据储存在存储器中.
(3)反馈控制 发动机起动后,当反馈控制运作的所有条件都具备时,ECU就不断地将发动机的实际转速与储存在存储器中的目标怠速转速相比较.ECU将必需的控制信号输送至怠速控制阀,以便调节发动机的实际转速,使之与目标怠速转速相匹配.
当发动机实际转速低于目标怠速转速时,ECU就传送信号至怠速控制阀,将其打开;反之,ECU就输出闭合信号至怠速控制阀.目标转速也因发动机运转状况而异,如空挡起动开关,空调器开关是否接通,电负荷信号是通还是断等.控制的相关信号有发动机转速(Ne),节气门怠速位置(IDL),车速(SPD),空挡起动开关(NSW),电负荷(LPD,FG或ELS)和空调器(A/C)等.
(4)发动机转速变化估计控制 空挡起动开关,尾灯继电器或除雾器继电器或空调器开关接通后,发动机负荷也立刻改变.为防止发动机转速也因此而改变,此前,ECU就输出信号至怠速控制阀,将其打开或闭合一固定量.ECU根据空挡起动开关(NSW),电负荷(LP,DFG或ELS),车速(SPD)和空调器(A/C)等信号进行控制.
(5)其它控制 除了上述控制外,还有减速缓冲器控制.作用是防止当节气门位置传感器的怠速触点闭合时,因发动机转速突然变化而使怠速转速突然下降.
在有些型号的发动机中,安装有电动液压动力转向装置(EHPS),当因电动液压动力转向装置工作电负荷急剧增加时,怠速转速也增加.在涡轮增压的发动机中,当怠速转速在高速或高负荷工作后恢复正常时,若油液压力降得太低,不能给涡轮提供足够润滑,会发生涡轮咬死.为此必须控制怠速转速逐渐降低,以使机油泵给涡轮增压器供给充足的机油,防止上述情况发生.
4.开关控制型(VSV)
如图8-20所示,发动机ECU根据来自各个传感器的信号,将信号传送至怠速控制阀,使发动机以适当转速进行怠速运转.在暖机时,快怠速转速由空气阀控制.
图8-20 开关控制型怠速控制阀控制电路
在下列情况下,开关控制型怠速控制阀由关断转为至接通:
1) 当发动机曲轴正在旋转时,以及在起动后的瞬间;
2) 当怠速触点接通,发动机转速低于一预定的转速(视空挡起动开关信号而定)时;
3)在怠速触点接通(自动变速箱车辆),从"P"或"N"挡换至其它任何挡后的几秒钟;
4)尾灯控制开关接通;
5)后窗除雾器开关接通;
6)如检查端子"T"或"TE1"连接至"E1",则开关控制型怠速控制阀保持关断.
但是,如果控制开关或后窗除雾器开关接通,则开关控制型怠速控制阀也接通.此时开关控制型怠速控制阀阀打开,流过旁通通道空气量增大,使发动机怠速保持稳定.
在下列情况下开关控制型怠速控制阀由接通转为关断:
1)发动机起动后,经过一段的时间;
2)怠速触点接通而且A/C的磁性离合器分离时,发动机转速升至超过一预定的转速(视空挡起动开关信号而定)时;
3)怠速触点接通而且A/C的磁性离合器分离(A/T车辆),变速箱从"P"或"N"挡换至其它任何挡后一段预定时间,并且发动机转速超过一预定转速时;
4)尾灯控制开关关断;
5)后窗除雾器开关关断.
此时开关控制型怠速控制阀关闭,流过旁通通道空气量减少,使发动机保持稳定怠速运转.
第二节 排放控制
汽车发动机作为一个大气污染源,应该采取各种有效措施予以治理和改造.关于汽车发动机排气的控制和净化问题,各国都进行了大量的研究工作,研制了不少的技术措施.这些方法大致可分为:发动机本身的改进和增加排放净化装置.而由于发动机本身的改进,较难满足日益严格的排放法规和降低成本等要求,因此现代汽车采取了多种排放控制措施来减少汽车的排气污染,如三元催化转换,废气再循环(EGR),活性碳罐蒸发控制系统等.
一,闭环控制
在发动机开环控制过程中,ECU只是根据转速,进气量,进气压力,冷却液温度等信号确定喷油量,即控制混合气空燃比.由于三元催化转换装置的特性是空燃比附近的转换效率较高(图8-21),因此必须将空燃比比较精确地控制在14.7:1附近.对于开环控制来说,很难将实际空燃比控制在14.7:1附近很窄的范围内.
图8-21 三元催化转换装置的转换效率
为了将实际空燃比精确地控制在14.7附近,在发动机控制系统中普遍采用由氧传感器组成的空燃比反馈控制方式,即闭环控制方式.在三元催化转换器前面的排气岐管或排气管内装有氧传感器,其功用是用来检测排气中的氧气含量以确定实际空燃比是比理论空燃比浓还是稀,并向ECU反馈相应的电压信号.ECU根据氧传感器反馈的空燃比浓稀信号,控制喷油量的增加和减少.
在闭环控制过程中,当实际空燃比比理论空燃比小(混合气浓)时,氧传感器向ECU输入的是高电压信号(0.75V～0.9V).此时ECU将减小喷油量,空燃比增大.当空燃比增大到理论空燃比14.7:1时,氧传感器输出电压信号将突变下降至0.1V左右.此信号输入ECU后,ECU立即控制增加喷油量,空燃比又开始减小.只要空燃比刚减到理论空燃比以下时,氧传感器输出电压信号又突变,上升至0.75V以上,反馈给ECU后,ECU又将控制减小喷油量.如此反复,就能将空燃比精确地控制在理论空燃比14.7:1附近一个极小的范围内.而此时三元催化转换器也保证工作在最佳状态.
由上述可知,闭环控制的实质在于保持实际空燃比为14.7:1,但任何需要以非理论空燃比运行的发动机工况都只能采用开环控制.当处于怠速运转时,节气门全开,大负荷时,减速断油时,发动机起动时,发动机冷却液温度低或氧传感器温度未达到工作温度(400℃)时或氧传感器失效或其配线发生故障时应采用开环控制.
二,废气再循环控制(EGR)
废气再循环简称为 EGR(Exhaust Gas Recirculation)系统,是目前用于降低NOX排放的一种有效措施.它是将一部分排气引入进气管与新混合气混合后进入气缸燃烧,从而实现再循环,并对送入进气系统的排气进行最佳的控制.
EGR系统净化NOx的基本原理是:排气中的主要成分是CO2,H2O和N2等,这三种气体的热容量较高.当新混合气和部分排气混合后,热容量也随之增大.在进行相同发热量的燃烧时,与不混合时相比,可使燃烧温度下降,这样就抑制NOX生成,因为NOx 主要是在高温富氧的条件下生成的.但是过度的废气再循环,使混合气的着火性能和发动机输出功率下降,将会影响发动机的正常运行,特别是在怠速,低转速小负荷及发动机处于冷态运行时,再循环的废气将会明显降低发动机的性能.因此应根据发动机结构,工况及工作条件的变化自动调整参与再循环的废气量,并选择NOx排放量多的发动机运转范围,进行适量的EGR控制.通常,EGR的控制指标采用EGR率表示,其定义如下:
EGR率 =[ EGR气体流量/(吸入空气量+EGR气体流量)]×100%
一般机械式控制装置的EGR率(一般为5%～15%)较小,即使采用能进行比较复杂控制的机械式控制装置,控制的自由度也受到限制,并且控制装置繁多.电子式废气再循环(EGR)控制系统,不仅结构简单,而且可进行较大EGR率(15%～20%)控制,但随着EGR的增加,燃烧将变得不稳定,缺火严重,油耗上升,HC的排放量也增加.因此,当燃烧恶化时,可减少EGR率,甚至完全停止EGR.电子式EGR控制系统的主要功能,就是选择NOx排放量多的发动机运转范围,进行适量EGR控制.
1.普通电子式废气再循环(EGR)控制
图8-22为日产NISSAN车VG30型发动机所用的电子式废气再循环控制系统,它由废气再循环电磁阀,节气门位置传感器,废气再循环控制阀,曲轴位置传感器,发动机的ECU,冷却液温度传感器,起动信号等组成.
工作原理是:在发动机工作时,ECU根据各传感器,如曲轴位置传感器,冷却液温度传感器,节气门位置传感器,点火开关等送来的信号,确定发动机目前在哪一种工况下工作,以输出指令,控制废气再循环电磁阀打开或关闭,从而控制废气再循环控制阀打开或关闭,使废气再循环进行或停止.
具体的工作过程见表8-2所示.表中所列各种工况下,发动机的ECU向废气再循环电磁阀供给"接通"信号时,电磁阀接通,阀门关闭,切断了控制废气再循环控制阀的真空通道,使废气再循环系统不再工作.
图8-22 普通电子式EGR控制系统
1-废气再循环电磁阀 2-节气门开关 3-废气再循环控制阀 4-冷却液温度传感器
5曲轴转角传感器 6-微机集中控制装置 7起动信号
表8-2 排气再循环的控制过程
工况
废气再循环电磁阀
废气再循环系统
发动机起动时
节气门位置传感器怠速触点接通时
发动机温度低时
发动机转速低于900r/min或高于3200r/min时
ON(电磁阀"接通"阀门关闭)
不起作用
除以上工况
OFF(断开)
起作用
2.可变EGR率废气再循环的控制
可变EGR率废气再循环控制的工作原理是:根据发动机台架试验确定的EGR率与发动机转速,进气量的对应关系,将有关数据存入发动机ECU内的ROM中.发动机工作时,ECU根据各种传感器送来的信号,确定发动机在哪一种工况工作,经过查表和计算修正,输出适当的指令,控制电磁阀的开度,以调节废气再循环的EGR率.
图8-23为开环控制废气再循环系统的一种实例.图中VCM阀是一个真空调节阀,内有两个电磁阀(一个是废气再循环控制电磁阀,另一个是怠速调节电磁阀).当发动机工作时,ECU根据曲轴位置传感器,节气门位置传感器,冷却液温度传感器,点火开关,电源电压等,给废气再循环控制电磁阀提供不同占空比的脉冲电压,使其具有不同打开,关闭频率,以调节进入 VCM阀负压室的空气量,得到控制 EGR阀不同开度所需各种真空度,从而获得为适应发动机工况所需不同的 EGR率.脉冲电压信号的占空比越大,电磁阀打开时间越长,进入VCM阀负压室的空气量越多,真空度越小,废气再循环控制阀开度越小,EGR率越小,当小至某一值时,废气再循环阀关闭,废气再循环系统停止工作.反之,脉冲电压信号的占空比越小,EGR率越大.
图8-23 可变EGR率废气再循环控制系统
3.闭环控制式废气再循环
日本三菱公司新近开发了一种闭环控制式废气再循环系统.由前述可知,在开环控制式废气再循环系统中,EGR率只受ECU预先设置好的程序控制,不检测发动机各种工况下EGR率,因此,无反馈信号,而在闭环控制式废气再循环系统中,ECU以EGR率作为反馈信号实现闭环控制的.其控制框图如图8-24所示.由图可知,新鲜空气经节气门进入稳压箱,发动机排气中的一部分(还流废气)经控制阀进入稳压箱,稳压箱中设置有EGR率传感器,它对稳压箱中新鲜空气与废气所形成的混合气中的氧气浓度不断地进行检测,并将检测结果输入ECU.ECU经过分析计算后向控制阀输出控制信息,不断地调整EGR率,使废气再循环的 EGR率时刻在ECU的控制下保持在理想状态,从而有效地减少NOX的排放量.
图8-24 闭环控制式废气再循环系统框图
三,二次空气吸入(AS)和二次空气喷射(AI)
如果新鲜空气进入排气歧管,且废气够热,废气就会在排入大气以前重新燃烧,废气中的CO和HC也就转化成为无污染的CO2和H2O.目前有两种方法,即二次空气吸入法(AS)和二次空气喷射法(AI).
1.二次空气吸入(AS)
二次空气吸入法利用废气的波动(即排气压力有规律的突然变化)打开和关闭片簧阀,让空气断续地进入排气歧管.用这个方法吸入排气歧管的空气和二次空气喷射法相比,其量甚小,所以二次空气吸入法只适用于相对体积较小的发动机.在有些二次空气吸入装置中,装有一个机构,在发动机减速或冷机时,阻止空气进入.减速和冷却液温度低时,混合气太浓,易产生排气管放炮等危险.
当废气排放要增加时,即在发动机冷态而且是减速中时,二次空气吸入系统由ECU操纵.在其它工作状况下,这一系统不工作,以防止TWC(三元催化净化器)过热.
在下述所有条件都得到满足时,ECU打开用于二次空气吸入系统的VSV,并且操纵二次空气吸入系统.
(1) 在发动机冷态时:
1)冷却液温度低于35℃;
2)EFI功率加浓不运作;
3)发动机转速低于预定值.
(2)在减速时:
1)冷却液温度高于35℃;
2)节气门位置传感器IDL触点闭合(加速踏板完全松开);
3)发动机转速在约1000~3000 r/min之间.
2.二次空气喷射(AI)
二次空气喷射方法使用空气泵,迫使空气进入排气歧管(空气泵通常用V型皮带驱动).这个方法能提供重新燃烧所需要的足够的空气.但是驱动空气泵便消耗了一部分发动机的输出功率.由于电子控制汽油喷射,三元催化净化器及其它这类设备研制成功,这个方法目前已经很少采用.
如图8-25所示,当ECU起动时,VSV将进气歧管负压引入ASV膜片室,使空气泵排出的空气,经过单向阀喷入气缸盖的排气孔.如果供应VSV的电流停止,大气压状态下的空气就进入ASV的膜片室,通往二次空气喷射排气孔的通道关闭,于是排出的空气推压ASV内的弹簧,从消声器排出车外.
图8-25 二次空气喷射控制系统
三,活性碳罐蒸发污染控制
为防止汽油箱向大气排放燃油蒸气而产生的污染,在发动机控制系统中普遍采用了由ECU控制的活性碳罐蒸发污染控制装置.
图8-26为活性碳罐蒸发污染控制装置图,油箱的汽油蒸气通过单向阀进入活性碳罐上部,空气从碳罐下部进入清洗活性碳.在碳罐右上方有一定量排放小孔及受真空控制的排放控制阀,排放控制阀上部的真空度由碳罐控制电磁阀控制,而碳罐控制电磁阀受ECU控制.
发动机工作时,ECU根据发动机转速,温度,空气流量等信号,控制碳罐电磁阀的开闭来控制排放控制阀上部的真空度,从而控制排放控制阀的开度.当排放控制阀打开时,汽油蒸气通过排放控制阀被吸入进气歧管.
图8-26 活性碳罐蒸发污染控制装置图
第三节 进气控制
一,进气涡流控制
在发动机上采用涡流控制阀系统,可根据发动机的不同负荷,改变进气流量去改善发动机的动力性能.图8-27为由ECU控制的涡流控制阀系统.由图8-28所示,进气孔纵向分为两个通道,涡流控制阀安装在通道 内,由进气歧管负压打开和关闭,控制进气管空气通道的大小.发动机小负荷或以低于某一转速运转时,受ECU控制的真空电磁阀关闭,真空度不能进入涡流控制阀上部的真空气室,涡流控制阀关闭.由于进气通道变小,产生一个强大涡流,这就提高了燃烧效率,从而可节约燃油.当发动机负荷增大或以高于某一转速运转时,ECU根据转速,温度,进气量等信号将真空电磁阀电路接通,真空电磁阀打开,真空度进入涡流控制阀,将涡流控制阀打开,进气通道变大,提高进气效率,从而改善发动机输出功率.
图8-27 涡流控制阀系统
图8-28 涡流控制阀安装位置图
二,进气惯性增压控制系统(ACIS)
进气惯性增压控制系统(ACIS)即谐波增压进气控制系统,是利用进气流惯性产生的压力波提高进气效率.
一般而言,进气管长度长时,压力波波长大,可使发动机中低转速区功率增大;进气管长度短时,压力波波长短,可使发动机高速区功率增大.
如果进气管长度可改变,则可兼顾增大功率和增大转矩,但一般过气管长度是不能改变的,因此利用惯性增压一般都按最大转矩所对应的转速区域利用.
1.波长可变的谐波增压进气控制系统
丰田皇冠车型2JZ-GE发动机即采用谐波增压进气控制系统(图8-29).虽然其进气管长度不能变化,但由于在进气管中都加设了一个大容量的空气室和电控真空阀,实现了压力波传播路线长度的改变,从而兼顾了低速和高速的进气增压效果.
谐波增压进气控制系统的工作原理如图8-29c,d所示.
ECU根据转速信号控制电磁真空通道阀的开闭.低速时,电磁真空通道阀电路不通,真空通道阀关闭,真空罐的真空度不能进入真空气室,受真空气室控制的进气增压阀处于关闭状态.进气管内的脉动压力波传递长度为由空气过滤器到进气门的距离,这一距离较长,适应于发动机中低速区域形成气体动力增压效果(图8-29c).高速时,ECU接通电磁真空通道阀的电路,真空阀打开,真空罐的真空度进入真空气室,吸动膜片,从而将进气增压控制阀打开,由于大容量空气室的参与,使进气脉动压力波不能在空气室出口与进气门之间传播,缩短了压力波的传播距离,使发动机在高速区也能得到较好的气体动力增压效果(图8-29d).
图8-29 谐波增压进气控制工作原理图
a),b)总布置图 c)打开VSV(进气增压阀关闭)
d)关闭VSV(进气增压阀打开)
2.T-VIS(丰田可变进气系统)
图8-30为日本丰田汽车公司采用的双进气管分别参加工作的可变进气系统原理图.图中可见每个气缸配有4个气门,2个进气门各配有一个进气管道.其中的一个进气通道中装有进气转换阀.在发动机低速中,小负荷工作时,转换阀关闭,只利用一个进气通路,将进气通路减半(见图8-30a),此时进气流速提高,进气惯性大,可提高发动机转矩;当发动机高转速大负荷工作时,转换阀开启,进气通路为两条(见图8-30b),此时进气截面大大增加,进气阻力减小,充气量增加,同时最佳动态转速也移向高速,使高转速大负荷时的动力性能得到很大提高.
图8-30 丰田双气道可变进气系统原理图
a)低转速时 b)高转速时
可变进气转换阀的控制方法各车并不完全一样,现以丰田双进气管可变进气系统为例进行说明.图8-31为丰田发动机可变进气控制系统的构成原理图(图中所示为带有转换阀的进气道).
进气道中的进气转换阀门的关闭和开启,是由膜片式执行器来完成的.ECU控制三通电磁阀的工作,由三通电磁阀控制执行器膜片室内的工作压力,从而控制进气转换阀的开闭.三通电磁阀不通电时,膜片式执行器与三通电磁阀的空气过滤器(通大气)之间的通路被关断(OFF),膜片式执行器与真空罐之间形成通路(ON),此时真空罐的负压作用在执行器膜片室.当三通电磁阀通电时,膜片式执行器与空气过滤器(大气)之间形成通路(ON),而膜片式执行器与真空罐之间的通道则被关闭(OFF),此时大气压作用在执行器膜片室.
进气转换阀(通路)的控制过程是:在发动机中,低速(低于5200 r/min)工作时,三通电磁阀不通电,关闭执行器与空气过滤器之间的通路,开启执行器与真空罐之间的通路;此时储存在真空罐的进气歧管的负压,通过三通电磁阀作用到执行器的膜片室,吸力作用使执行器带动拉杆,关闭进气转换阀门,即关闭了各气缸中的一个进气通道(图8-31a).当发动机高速(5200 r/min以上)工作时,ECU输出控制信号,使驱动电路三极管导通,三通电磁阀通电工作.三通电磁阀通电后,关闭执行器与真空罐之间的通路,开启执行器与空气过滤器之间的通路,此时空气过滤器进入的大气作用到执行器的膜片室,通过拉杆使进气转换阀打开,结果各气缸的进气通道扩大为两个(图8-31b).
图8-31 丰田可变进气控制系统原理图
中低速工作时 b) 高转速工作时
第四节 其它辅助控制装置
一,正时控制
由于发动机工作时的转速很高,四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒,这么短促的时间往往会引起发动机进气不足,排气不净,造成功率下降.因此,为了解决这一个问题,一般发动机都采用延长进,排气门的开启时间,增大气体的进出容量以改善进,排气门的工作状态,藉以提高发动机的性能.
这种延长气门开启时间的做法,必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻,配气相位上称为"重叠阶段",可能会造成废气倒流.这种现象在发动机的转速仅1000r/min以下的怠速时最为明显(怠速工作下的"重叠阶段"时间是中等转速工作条件下的7倍),这将引发怠速工作不顺畅,振动过大,功率下降等现象.尤其是采用四气门的发动机,"重叠阶段"更易造成不顺畅的怠速运转.为了消除这一缺陷,以"变"应"变",采用了可变配气相位式的气门驱动机构.可变式气门驱动机构就是在发动机怠速工作时减少气门行程,而在发动机高速工作时增大气门行程,改变"重叠阶段"的时间,使发动机在高转速时能提供强大的动力,在低转速时又能产生足够的转矩,从而改善发动机的工作性能.
现代轿车发动机上的气门可变驱动机构能根据轿车的运行状况,随时改变配气相位,改变气门升程和气门开启的持续时间.一般,发动机上的气门可变驱动机构可以通过两种形式实现,一种是凸轮轴和凸轮可变系统,就是通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位和气门升程;另一种是气门挺杆可变系统,工作时凸轮轴和凸轮不变动,气门挺杆,摇臂或拉杆靠机械力或者液压力的作用而改变,从而改变配气相位和气门升程.
1.丰田VVT-i发动机
VVT是英文缩写,全称是"Variable Valve Timing",中文意思是"可变气门正时",由于采用电子控制单元(ECU)控制,因此丰田起了一个好听的中文名称叫"智慧型可变气门正时系统".该系统主要控制进气门凸轮轴,即"i",就是英文"intake"(进气)的代号.VVT-i是一种控制进气凸轮轴气门正时的装置,它通过调整凸轮轴转角使配气正时进行优化,从而提高发动机在所有转速范围内的动力性,燃油经济性,降低尾气的排放.
VVT-i系统由传感器,ECU和凸轮轴液压控制阀,控制器等部分组成.ECU储存了最佳气门正时参数值,曲轴位置传感器,进气歧管空气压力传感器,节气门位置传感器,冷却液温度传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算,计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀,控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置,也就是改变液压流量,把提前,滞后,保持不变等信号指令选择输送至VVT-i控制器的不同油道上.
VVT-i系统视控制器的安装部位不同而分成两种,一种是安装在排气凸轮轴上的,称为叶片式VVT-i,如丰田PREVIA(大霸王);另一种是安装在进气凸轮轴上的,称为螺旋槽式VVT-i,如丰田凌志400,430等高级轿车.两者构造有些不一样,但作用是相同的.
如图8-32所示,叶片式VVT-i控制器由驱动进气凸轮轴的管壳和与排气凸轮轴相耦合的叶轮组成,来自提前或滞后侧油道的油压传递到排气凸轮轴上,导致VVT-i控制器管壳旋转以带动进气凸轮轴,连续改变进气正时.当油压施加在提前侧油腔转动壳体时,沿提前方向转动进气凸轮轴;当油压施加在滞后侧油腔转动壳体时,沿滞后方向转动进气凸轮轴;当发动机停止时,凸轮轴液压控制阀则处于最大的滞后状态.
图8-32 叶片式VVT-i控制器
1—弹簧 2—阀 3—柱塞 4—线圈

如图8-33所示,螺旋槽式VVT-i控制器包括正时皮带驱动的齿轮,与进气凸轮轴刚性连接的内齿轮,以及一个位于内齿轮与外齿轮之间的可移动活塞,活塞表面有螺旋形花键,活塞沿轴向移动,会改变内,外齿轮的相位,从而产生气门配气相位的连续改变.当机油压力施加在活塞的左侧,迫使活塞右移,由于活塞上的螺旋形花键的作用,进气凸轮轴会相对于凸轮轴正时皮带轮提前某个角度.当机油压力施加在活塞的右侧,迫使活塞左移,就会使进气凸轮轴延迟某个角度.当得到理想的配气正时,凸轮轴正时液压控制阀就会关闭油道使活塞两侧压力平衡,活塞停止移动.
图8-33 螺旋槽式VVT-i控制器
1-进气凸轮 2-VVT外壳 3-正时皮带轮 4-活塞 8-内齿轮 6-外齿轮 7-排气凸轮
现在,先进的发动机都有"发动机控制模块"(ECM),统管点火,燃油喷射,排放控制,故障检测等.丰田VVT-i发动机的ECU在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速,进气量,节气门位置和冷却液温度的最佳气门正时,并控制凸轮轴正时液压控制阀,并通过各个传感器的信号来感知实际气门正时,然后再执行反馈控制,补偿系统误差,达到最佳气门正时的位置,从而能有效地提高汽车的功率与性能,尽量减少耗油量和废气排放.
2.本田VTEC发动机
本田汽车公司(Honda)在1989年推出了自行研制的"可变气门配气相位和气门升程电子控制系统",英文全称"Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System",缩写就是"VTEC",是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程等两种不同情况的气门控制系统.与普通发动机相比,VTEC发动机同样是每缸4气门(2进2排),不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法.
以雅阁F22B1发动机进气凸轮轴为例(图8-34).除了原有控制两个气门的一对凸轮(主凸轮a和次凸轮b)和一对摇臂(主摇臂A和次摇臂B)外,还增加了一个较高的中间凸轮c和相应的摇臂(中间摇臂C),三根摇臂内部装有由液压控制移动的小活塞.
图8-34 VTEC发动机进气凸轮轴示意图
a) 低速时 b) 高速时
发动机低速时,小活塞在原位置上,三根摇臂分离,主凸轮a和次凸轮b分别推动主摇臂A和次摇臂B,控制两个进气门的开闭,气门升量较少,情形好像普通的发动机.虽然中间凸轮c也推动中间摇臂C,但由于摇臂之间已分离,其它两根摇臂不受它的控制,所以不会影响气门的开闭状态.发动机达到某一个设定的高转速(3500r/min)时,电脑即会指令电磁阀起动液压系统,推动摇臂内的小活塞,使三根ABC摇臂锁成一体,一起由中间凸轮c驱动,由于中间凸轮比其它凸轮都高,升程大,所以进气门开启时间延长,升程也增大了.当发动机转速降低到某一个设定的低转速时,摇臂内的液压也随之降低,活塞在回位弹簧作用下退回原位,三根摇臂分开.
整个VTEC系统由发动机主电脑(ECU)控制,ECU接收发动机传感器(包括转速,进气压力,车速,冷却液温度等)的参数并进行处理,输出相应的控制信号,通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统,从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制,影响进气门的开度和时间.
VTEC系统已经有十余年的历史,面对目益严格的排放及动力性能要求,已有一点"力不从心"的感觉.例如VTEC系统的气门升程和正时的变换动作明显将发动机的状态划分为两个阶段,它们之间的转换不够平滑,在VTEC系统起动前后发动机的表现截然不同,连发出的声音也不一样.为了改善VTEC系统的性能,近年本田公司推出了i-VTEC系统.简单地说,i-VTEC系统是在现有系统的基础上,添加一个称为"可变正时控制"VTC(Variable timing control),即一组进气门凸轮轴正时可变控制机构,通过ECU控制程序,控制进气门的开启关闭.它的原理是当发动机低转速时令每缸其中一只进气门关闭,让燃烧室内形成一道稀薄的混合气涡流,结集在火花塞周围点燃作功.发动机高转速时则在原有基础上提高进气门的开度及时间,以获取最大的充气量.VTEC令气门重叠控制时间更加精确,达到最佳的进,排气门重叠时间,并将发动机功率提高20%.同时,i-VTEC系统发动机采用进气歧管放在前,排气歧管放在后(靠车厢一端)的布置.在进气歧管上增设了可变长度装置,低转速时增长进气行程提高气流速度,有利于提升转矩;而排气歧管则缩短了长度,也就是缩短了与三元催化器之间的距离,使三元催化器更快进入适当的工作温度,能有效控制废气排放.发动机一经起动,i-VTEC系统即进入工作状态,不论转速高低VTEC都在工作,消除了原来VTEC系统存在的缺陷.
二,断缸控制
汽车发动机尤其是大型轿车发动机的输出功率很大,又有较高的功率储备.但在城区行驶或在城外公路上行驶时,多数是处在较低的部分负荷下运行,这时发动机的效率不高.为了克服这一弊端,当发动机处于部份负荷下运行时,控制系统指令切断几个气缸的汽油供应与点火,停止几个气缸工作,则剩下各缸的工作效率得到增大,从而提高了发动机的效率并降低了燃油消耗.而当功率不能满足要求时,再恢复其余气缸工作.断缸方案如图8-35所示.
图8-35 断缸控制方案
a) 部分负荷 b) 全负荷
1-空气 2-汽油 3-废气 4-接通点火的气缸
ECU从空气流量计传来的负荷信号,可以识别判定何时需要断缸.它负责从一个工况转移到另一工况.在转换前后,即使发动机只用半数气缸工作,驾驶员应该是感觉不到的.
电控系统在部份负荷下的断缸控制是把点火与供油同时切断,而且只在需要工作的气缸内充入混合气,对于不工作的气缸,没有新的混合气进入,也没有点火.这样发动机在小负荷运行时,不可避免的换气损失也可得到一定程度的减小.此外,炽热的废气流过被断缸的气缸,可使发动机保持一定的运行温度,使发动机的摩擦功率和磨损不致增加很多.目前轿车发动机上实用的断缸控制仍需要进一步研究,试验与完善.