清华大学课件汽车构造I9发动机管理系统

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1、造I汽车构造I（9）清华大学汽车工程系赵雨东主要内容和学时安排柴油机燃油供给系统（4学时）汽油机点火系统（2学时）发动机冷却系统（2学时）发动机润滑系统（2学时）发动机起动系统与电源（1学时）发动机管理系统（2学时）汽车发动机基本知识（4学时）发动机机体（2学时）曲柄连杆机构（3学时）气门机构（3学时）进排气、增压系统及排放控制装置（3学时）汽油机燃油供给系统（4学时）汽油机管理系统管理内容系统组成传感器执行器控制器汽油机管理系统管理内容（1）满足发动机动力性、燃油经济性、排放控制及操纵舒适、安全、方便等要求基本功能燃油喷射电子点火汽油机管理系统管理内容（2）其它控制功能可变气门驱动控制限制输

2、出转矩、转速巡航控制自适应巡行控制自动变速器换高档位时转矩控制载荷瞬变控制（对驾驶员需求平滑响应）转矩协调（外部转矩干预）其它控制功能怠速转速控制闭环空燃比控制汽油蒸发污染控制（碳罐系统）爆震控制废气再循环（EGR）控制二次空气喷射控制涡轮增压器控制可变进气管长度控制汽油机管理系统管理内容（3）自诊断功能监测发动机管理系统是否有发生故障的迹象，存储故障信息，以便于故障诊断和修理。监测ECU的输入信号：判断传感器及引线的工作状态、是否断路、对电源或地短路监测传感器的供电电压检查传感器测量值是否在正常范围内（如冷却水温在-40150C之间）如有可相互印证的两个传感器的测量值，则进行可信度检查（如比

3、较曲轴和凸轮轴转速）对非常重要的传感器采用冗余设置，以判断和比较相关的信号的可信度（如加速踏板采用两个位置传感器）汽油机管理系统管理内容（4）监测ECU的输出信号：判断执行器及引线的工作状态，执行器是否发生故障，是否断路、短路通过输出驱动电路监测输出信号，判断是否对电源短路，断路、对地短路，是否信号中断将管理系统中的数据与执行器控制信号进行比较，判断执行结果的真实性。如EGR系统中，要判断进气歧管压力值是否在规定范围内，以及进气歧管压力值对执行器控制的反应是否正确。监测ECU之间的数据通讯、ECU内部工作情况汽油机管理系统管理内容（5）对故障的处理故障识别故障码存储跛行回家功能发生故障后，管理

4、系统启动应急功能，用预先设定的喷油、点火值使发动机进入简易控制状态，从而能继续工作，让汽车行驶回家。提供诊断接口，供检修用各厂家自诊断功能大同小异，但无统一标准汽油机管理系统管理内容（6）车载诊断功能（On-board diagnostics）发动机管理系统必须持续监测与排放控制有关的系统和零部件，以使排放符合法规要求；与排放控制有关的系统和零部件发生故障要报警；自诊断功能集成到OBD中，OBD已是发动机管理系统中标准化配置（与厂家无关）OBD I（美国加州，1988）OBD II （美国加州，1994 ）EPA OBD（美国环保署强制其它州1994施行，与OBD II略有不同）EOBD（欧洲

5、2000施行，基于EPA OBD ）汽油机管理系统管理内容系统组成传感器执行器控制器汽油机管理系统组成（1）发动机管理系统的主要开发商德国BOSCH，世界第二汽车零部件供应商美国Delphi，最大日本Denso（电装），第三德国Siemens VDO意大利Magneti-Marelli各公司开发的系统大同小异汽油机管理系统组成（2）Bosch M-Motronic驾驶员通过加速踏板操纵节气门，控制进气量及输出转矩；怠速执行器控制怠速空气量。确定空气质量流量和每缸循环进气量：用空气质量流量计测量，或根据进气歧管绝对压力、进气温度和发动机转速，用速度密度法计算；根据发动机工况确定基本喷油量和点火提

6、前角，再根据节气门位置、蓄电池电压、变速器档位、冷却液温度、进气温度、爆震倾向等进行修正。电控汽油喷射系统组成.swf汽油箱空气流量计节气门位置传感器油箱泄漏诊断模块碳罐发动机ECU诊断接口故障指示灯变速器接口EGR阀二次空气泵二次空气阀点火线圈 凸轮轴相及火花塞 位传感器VVT传感器执行器喷油器油箱压力传感器爆震传感器曲轴转速传感器冷却液温度传感器BOSCH M-Mochonic氧传感器氧传感器脱附控制阀进气歧管压力传感器可变进气1：电动汽油泵 2：汽油滤清器 3：炭罐脱附电磁阀 4：炭罐 5：点火线圈 6：相位传感器 7：喷油器 8：油压调节器 9：节气门控制组件 10：空气流量计 11：

7、氧传感器12：冷却水温传感器 13：爆震传感器 14：发动机转速传感器 15：进气温度传感器 16：ECUMotronic，Santana2000Delphi system for Dongan engine汽油机管理系统组成（3）BOSCH ME-Motronic采用电动节气门，无怠速执行器。驾驶员通过加速踏板设定发动机的工作状态。根据加速踏板位置信号，将驾驶员的意图转换为发动机转矩；再基于大量的发动机运行的当前数据，将转矩转换为进入气缸的新鲜空气充量（通过电控节气门实现）喷油量（通过燃油喷射系统实现）点火提前角（通过点火系统实现）碳罐脱附控制阀空气流量计诊断接口故障指示灯点火线圈 凸轮轴相

8、及火花塞 位传感器VVT传感器执行器喷油器进气歧管压力传感器节气门组件氧传感器氧传感器曲轴转速传感器冷却液温度传感器爆震传感器EGR阀发动机ECU加速踏板模块BOSCH ME-Mochonic汽油机管理系统组成（4）BOSCH DI-Motronic基于ME-Motronic，多出一个汽油高压油路；比ME-Motronic复杂需要确定空气充量（电控节气门实现）喷油压力（高压泵实现）喷射时刻中高速大负荷均质充量（进气冲程喷射）、低速低负荷分层充量（压缩冲程末期，点火之前喷射）喷入燃烧室的油量点火提前角碳罐空气流量计发动机ECU诊断接口故障指示灯点火线圈 凸轮轴相及火花塞 位传感器VVT传感器执行

9、器曲轴转速传感器冷却液温度传感器喷油器爆震传感器脱附控制阀进气歧管压力传感器氧传感器氧传感器氧传感器废气温度传感器高压泵带油量控制阀节气门组件EGR阀加速踏板模块BOSCH DI-MochonicAudi A3 BOSCH DI-Mochonic汽油机管理系统组成（5）Mono-Motronic与M-Motronic相比，只是再节气门体处安置一个喷油器目前极少应用Bosch Mono-Jetronic汽油箱电动汽油泵汽油滤清器氧传感器分电器及曲轴位置传感器冷却水温传感器油压调节器怠速控制阀喷油器进气温度传感器ECU节气门及其位置传感器继电器蓄电池点火开关汽油机管理系统组成（6）发动机管理系统硬

10、件构成传感器、ECU、执行器，传感器、执行器分布在发动机上的具有独立功能的各子系统中空气系统供油系统点火系统排放控制系统附件系统曲轴转速及上止点凸轮轴位置变速器档位车速氧传感器的加热器VVT控制油箱通风可变进气控制二次空气EGR传感器加速踏板位置节气门位置空气质量流量蓄电池电压进气温度冷却液温度爆震强度氧传感器ECU执行器点火线圈及火花塞电控节气门驱动器喷油器主继电器发动机转速表燃油泵继电器ME-Mochonic发动机控制单元自诊断接口节气门控制组件喷油器点火线圈组件炭罐脱附电磁阀辅助信号电动燃油泵氧传感器发动机转速空调器压缩机空气流量计发动机转速传感器相位传感器节气门控制组件进气温度传感器冷

11、却水温传感器氧传感器爆振传感器辅助信号车速空调器SANTANA 2000相位传感器节气门控制组件空气流量计炭罐爆振传感器爆振传感器炭罐脱附电磁阀发动机控制单元氧传感器 冷却水温传感器传感器插头支架进气温度传感器发动机转速传感器电动燃油泵喷油器油压调节器SANTANA 2000Polo 1.4L汽油机管理系统组成（7）测量载荷的传感器翼片式空气流量计热线式空气流量计热膜式空气流量计进气歧管压力传感器（与进气温度传感器、发动机转速一起用于计算空气量）节气门位置传感器空气系统节气门怠速执行器（电动节气门则无怠速执行器）测量载荷的传感器可变进气可变气门驱动废气再循环（EGR）汽油机管理系统组成（8）供

12、油系统电动汽油泵汽油滤清器油压调节器汽油蒸发污染控制系统油轨喷油器缸内直喷系统不同点火系统点火线圈火花塞汽油机管理系统组成（9）排放控制一个或两个三效催化转换器（初级催化转换器和主催化转换器）氧传感器，初级催化转换器前、后端各一二次空气喷射装置EGR发动机装废气温度传感器附件系统冷却风扇空调压缩机发动机工作信息传感器曲轴转速凸轮轴相位冷却液温度进气温度爆震强度汽油机管理系统管理内容系统组成传感器执行器控制器汽油机管理系统传感器空气质量流量传感器温度传感器压力传感器转速和转角位置传感器位置传感器氧传感器汽油机管理系统传感器空气质量流量传感器（1）翼片式通过流量计的空气推动翼片（带回位弹簧卷簧）转

13、动，气流速度（体积流量）越大，由弹簧力和气流推力决定的翼片转角越大。翼片带动的电位计，将翼片角度转换为电信号。缓冲室起阻尼作用，使翼片转动平稳，避免发生摆振。工作可靠，有进气阻力，易磨损。已经基本不用翼片进气温度传感器接到ECU缓冲片缓冲室电位计翼片式空气流量计汽油机管理系统传感器空气质量流量传感器（2）铂热丝温度补偿电阻微调电阻混合电路热线式热线铂金属丝；惠斯通电桥（铂丝为其中一电阻）；混合电路热线工作时通电加热，要求热线表面与周围环境保持固定温差；测量电阻铂热丝精密测量电阻温度补偿电阻汽油机管理系统传感器空气质量流量传感器（3）热线式经过热线表面的空气会带走热线散发的一部分热量，铂丝温度及

14、电阻减小，电桥失去平衡；混合电路自动增大通过铂丝的电流，增大其温度和电阻，电桥恢复平衡。流经热线的空气量越大，混合电路供给热线的加热电流也越大。加热电流是空气流量的单值函数。加热电流通过一精密电阻产生的压降作为输出信号。无运动件、无磨损，灵敏度高，响应快。但任何方向运动的空气都会带走热量，故在进气管气流脉动较强的场合（如四缸机）易导致误判；且热线污染时会发生零点飘移。金属防护网测试管控制电路板电接头铂热丝温度补偿电阻壳体热线式空气流量计测量原理与热线式相同；利用热膜与空气的热传递来测量空气流量；热膜：铂金属片固定在树脂薄膜上。与热线式相比，提高了可靠性和耐用性。不会被灰尘污染。汽油机管理系统传

15、感器空气质量流量传感器（4）电接头热膜式测管混合电路热膜壳体空气分流通路壳体热膜元件混合电路盒电插头主流热膜式空气流量计金属防护网导流隔栅SANTANA 2000上海联合电子（BOSCH）汽油机管理系统传感器温度传感器（1）发动机温度传感器（冷却液温度传感器）装在气缸体上，测量冷却液温度；测量范围40130C空气温度传感器装在进气总管或进气质量流量计上；测量范围40120C与进气压力传感器一起，用于计算进气质量用于各种控制（EGR、增压压力）机油温度传感器装在缸体主油道，用于计算维修间隔；测量范围40170C燃油温度传感器装在柴油机低压油路，用于精确计算喷油量；测量范围40120C汽油机管理系

16、统传感器温度传感器（2）冷却液测温电阻安装螺纹密封垫圈引线接头壳体大多采用负温度系数（NTC）热敏电阻式，其电阻值随温度升高而降低。将热敏电阻与一标准电阻串连，并提供稳定电压（5V）。温度变化时，标准电阻分压值发生变化。冷却水温传感器：导热的金属套管隔水密封封装。进气温度传感器：贯通的保护套式封装，以直接接触被测气体，提高灵敏度。热敏电阻热敏电阻导热的绝缘填充物进气温度冷却水温Deiphi 冷却液温度传感器Deiphi 进气温度传感器冷却液温度传感器进气温度传感器上海联合电子（BOSCH）汽油机管理系统传感器压力传感器（1）进气歧管压力传感器装在进气总管上，测量进气绝对压力用于计算进气质量，以

17、及用于控制增压压力大气压力传感器装在ECU上或发动机仓内，用于海拔高度修正机油压力传感器装在机油滤清器内或主油道，用于监测润滑系统的工作情况燃油压力传感器装在燃油滤清器上，用于监测滤芯的堵塞程度汽油机管理系统传感器压力传感器（2）引线真空室玻璃封装引线端子硅膜片玻璃基座外罩引压管半导体压敏电阻型主要元件单晶硅材料制成的硅膜片，一侧是真空，一侧是引入的进气管压力。用集成电路加工技术在膜片上制成四个阻值相等的压敏电阻（固态电阻），构成惠斯通电桥。进气管压力传感器引线端子真空管电极引线底座金线电极压敏电阻锡焊封口硅膜片真空室硅杯壳体硅膜片压敏电阻硅膜片压敏电阻压敏电阻型进气管压力传感器汽油机管理系统

18、传感器压力传感器（3）Delphi 进气管压力传感器半导体压敏电阻型（续）在压力作用下，膜片产生应变，压敏电阻阻值变化，电桥平衡被打破。若电桥输入电压一定，则其输出也会变化，反映出进气管压力的大小。输出电压与进气管压力成线性关系。温度传感器传感器下体进气歧管 密封圈引线端子传感器外罩压力测量组件进气管压力/温度传感器Delphi 进气管压力/温度传感器北京现代SONATA 2.0L进气压力/温度传感器（无空气流量计）汽油机管理系统传感器压力传感器（4）厚膜压敏电阻型用真空沉积法将金属沉积在玻璃板或铝板上，形成厚膜；厚膜上的四个压敏电阻构成一个桥路原理同半导体压敏电阻型压力传感器。压敏电阻测量桥

19、路膜片基准压力室陶瓷载体电气接头混合电路金属膜片带变形电阻桥路高压通道固定螺纹汽油机管理系统传感器压力传感器（5）高压传感器缸内直喷汽油机油轨压力传感器，装在油轨上；用于通过压力控制阀闭环调整油轨压力使之随转速、负荷而变（MAP图）；实际油压范围50120bar。柴油机机油轨压力传感器，用于闭环控制油轨压力，实际最高1600bar。汽油机管理系统传感器转速及转角位置传感器（1）由装在曲轴、凸轮轴、分电器轴上的齿型信号盘与固定在机体上的传感器组成。曲轴上安置的信号盘和缸体上固定的传感器可以计算曲轴转速，以及给出上止点。但只能给出每转一次的转角信号，不能判断是压缩上止点还是进排气上止点；要实现顺序

20、喷油和顺序点火，必须测出凸轮轴（或分电器轴）相位，即给出一个工作循环内的转角信号。主要两种磁电感应式霍尔效应式铁芯感应线圈机体信号盘汽油机管理系统传感器转速及转角位置传感器（2）永磁铁 传感器壳体磁电感应式信号盘58个齿，每齿占6转角，另有一个缺齿占12转角。缺齿位置可为某一缸上止点。汽油机管理系统传感器转速及转角位置传感器（3）磁电感应式传感器的电磁铁或永磁铁发出的磁力线通过信号盘形成回路。信号盘旋转时，盘边齿型缺口使传感器与信号盘磁隙发生变化，通过感应线圈的磁通发生变化，产生感生电动势，经整型放大形成一连串方波信号。可装在曲轴前端、中间或后端（飞轮）Polo 1.4L上海联合电子（BOSC

21、H）磁电式转速传感器汽油机管理系统传感器转速及转角位置传感器（4）霍尔效应式利用霍尔效应产生电压脉冲信号。半导体晶片（霍尔元件）被磁力线穿过，外加电流在垂直磁力线方向通过晶片，则在与磁力线、电流都垂直的方向产生电位差，称霍尔电压。若电流一定，则霍尔电压与磁场强度成正比。永磁铁霍尔元件外加电流汽油机管理系统传感器转速及转角位置传感器（5）霍尔效应式信号盘用不导磁材料（铝或工程塑料）制成，固定于曲轴或凸轮轴。触发叶片转过霍尔传感器的永磁铁与霍尔元件之间的气隙时，霍尔电压为零；转过后，输出一定电压。结构型式多样，但原理基本相同霍尔元件触发叶片Polo 1.4LDeiphi Hall效应凸轮轴位置传感

22、器汽油机管理系统传感器节气门位置传感器（1）机械式节气门发动机节气门转角位置是表征负荷的辅助信号，与空气流量计信号对照互检判断发动机工况：怠速、部分负荷、大（全）负荷根据节气门转角变化率，确定加减速修正喷油量空气流量计发生故障时，作为跛行回家或紧急情况下的负荷信号电动节气门发动机用于闭环控制节气门转角冗余设计，用两个电位计且参考电压不同汽油机管理系统传感器节气门位置传感器（2）滑膜电 滑臂节气门轴 阻1、2 及触点大多采用滑膜电阻式电位计，节气门轴带动电位计滑动触点。节气门开度不同，电位计输出电压不同。电路接头Deiphi 节气门位置传感器北京现代SONATA 2.0L节气门位置传感器汽油机管

23、理系统传感器爆震传感器装在缸体侧面，用于确定点火提前角而避免发生爆震。直列机至少装一个，V型机两侧至少各装一个。压电晶体式振动传感器，将缸体振动转变为电信号爆震时发动机缸体振动频率与传感器固有频率相同，传感器内的惯性质量的惯性力压压电晶体，使之产生电信号。压电陶瓷惯性质量外壳紧固螺钉Siemens VDO接触表面电接头缸体Delphi汽油机管理系统传感器氧传感器（1）初级催化转换器主催化转换器装在进气歧管与三效催化转换器之间，或催化转换器前后。监测废气中氧的浓度，用于闭环控制空燃比，使三效催化转换器工作在高效转换区。有多种布置方式NOx传感器BMW V8汽油机管理系统传感器氧传感器（2）氧化锆

24、型ZrO2固体电解质，具氧离子电导特性；ZrO2陶瓷管内外两侧镀多孔铂膜做电极，内侧与空气接触，外侧与排气接触。高温下（300），内外侧氧离子化，氧离子浓度不同，产生流动，在两电极间产生电位差。铂：催化作用，使浓混合气燃烧产物中残存O2与HC、CO发生氧化反应而消除。加热管：保证ZrO2管 700。多孔涂层电极排气管氧化锆废气外壳连接件连接件汽油机管理系统传感器氧传感器（3）壳体接线端子带槽保护管 氧化锆连接线连接线陶瓷支承管加热管外套盘型弹簧BOSCH氧传感器保护套管TiO2厚膜元件连接线汽油机管理系统传感器氧传感器（4）氧化钛型TiO2常温下具有很高电阻的半导体。高温排气中，随其中氧含量有

25、（稀混合气）无（浓混合气），电阻值由高到低阶跃变化。设加热器，保持高温。设温度补偿电路，使其电阻不随温度变化。氧传感器和一同阻值电阻串连，接稳压电源；取其分压值为输出。汽油机管理系统传感器氧传感器（5）检测单元 泵氧单元 扩散间隙废气基准氧气室加热器控制电路泵氧电流宽域氧传感器可测很宽范围的空燃比（10:135:1），用于缸内直喷稀燃发动机。宽域氧传感器输出特性检测单元BOSCH 宽域氧传感器汽油机管理系统管理内容系统组成传感器执行器控制器汽油机管理系统ECU采集、各种处理各种传感器输入信号，根据发动机工作要求进行控制决策的运算，并输出相应的控制信号。硬件组成微计算机：微处理器、只读存储器（R

26、OM）、随机存储器（RAM）、时钟脉冲发生器、输入输出接口、总线等数字电路（包括A/D、D/A转换器）功率输出级，把输出信号放大，驱动执行器工作外部通讯电路电源管理电路通过总插头与蓄电池、各种传感器/执行器连接在一起Delphi ECM安装在驾驶室内汽油机管理系统管理内容系统组成传感器执行器控制器汽油机管理系统执行器（1）喷油器点火线圈级火花塞电控节气门位置调节器（电控节气门发动机）怠速执行器（传统机械式节气门发动机）废气再循环（EGR）阀废气涡轮增压压力控制电磁阀碳罐脱附电磁阀二次空气喷射控制阀可变气门驱动及可变进气管各种继电器汽油机管理系统执行器（2）加速踏板怠速执行器直接控制节气门最小开

27、度很难达到要求的怠速稳定性，故普遍采用控制怠速旁通通路面积的怠速执行器，以控制热机怠速、冷机起动、暖机和减速工况的发动机进气量（并不限于怠速工况）。怠速执行器ECU输入信号电机转子锥面控制阀阀座螺杆挡板励磁线圈汽油机管理系统执行器（3）步进电机式步进电机、螺旋机构（螺杆、螺母）、锥面控制阀；螺杆与锥面阀一体，步进电机转子和螺母一体。在ECU控制下，步进电机转子及螺母旋转，则螺杆带动锥面阀移动，改变旁通空气道的通路面积。Delphi 怠速控制阀汽油机管理系统执行器（4）电接头壳体永磁铁电枢旋转滑阀旋转电磁式怠速旁通空气道通路面积决定于滑阀旋转位置，该位置有电磁转矩与回位弹簧转矩的平衡确定。PWM信号控制电磁阀的电磁转矩。北京现代SONATA 2.0L怠速执行器汽油机管理系统执行器（5）弹簧电磁线圈阀轴波纹管阀头平动电磁式怠速旁通空气道通路面积决定于阀头开启位置，该位置有电磁力与弹簧力的平衡确定。PWM信号控制电磁阀的电磁力。阀头壳体 空气入口复习思考题1 目前车用汽油机主流电控燃油喷射系统有哪些特点？2 简述各种供油系统组成。3 在汽油机总成上，各传感器、执行器都装在什么位置上？这些传感器、执行器的主要作用和工作原理是什么？4 汽油机电控燃油喷射系统如何确定喷油器的喷油量？作业1 在汽车楼专业教室任选一款电控汽油机观察。写出各传感器、执行器名称和安装位置，简要介绍其工作原理。