汽车发动机电子控制技术应用及相关问题研究

李建明

(湖北交通职业技术学院，湖北武汉，430079)



工艺与材料

汽车发动机电子控制技术应用及相关问题研究

李建明

(湖北交通职业技术学院，湖北武汉，430079)

随着汽车制造技术的不断发展，其电子化程度也在持续提升，汽车发动机电子控制技术也得到了飞速发展。因此现代汽车的动力性、安全性以及稳定性得到了极大的提升。文章分析了电子控制器的组成与原理，并在此基础上简要论述了汽车发动机电子控制技术的应用及其发展。

汽车；发动机；电子控制技术；应用

1 引言

社会经济的发展对于汽车节能和汽车安全的需求越来越高，人们对于乘坐的舒适性以及驾驶的便捷性要求也在持续提升，电子化、信息化以及智能化逐渐成为了现代汽车的主要发展趋势。汽车电子控制技术水平的高低已经成为评价一个国家汽车工业生产水平的关键指标。如今，我们已经迈入了汽车电子控制时代，汽车中所装备的电子装置成本越来越高，计算机信息技术和电子技术也越来越广泛的应用到汽车生产中，在很大程度上促进了汽车工业的发展。

2 电子控制器(ECU)的组成与原理

基于单片机进行设计和组织的电子控制器(ECU)属于汽车电子控制系统的核心元件。电子控制器的主要任务是负责接受各类传感器所输出的发动机工况信号，按照电子控制器内部事先进行编制与存储的相关程序数据，借助于数学计算以及逻辑判断来得出符合汽车发动机实际工况的点火提前角、喷油时间等数据，同时把这些数据转换成为电信号来对元件动作进行控制。汽车发动机电子控制系统组成如图1所示。

图1 汽车发动机电子控制系统的基本结构

图2 发动机电子控制系统信息流程

ECU的功能主要是接受来自传感器的各种信号，经过处理之后，根据ECU内部事先编写的ECU软件和事先存储好的试验脉普图(MAP)，计算得到在当前工况下的合适喷油量和点火正时等重要参数，并将这些参数转化成相应的电信号，发送给执行器，使发动机达到最佳的运行状态。电子控制系统信息流动过程大体上如上图2所示。

发动机电子控制系统一般都是由传感器、电子控制单元(ECU)、执行器三部分组成的。发动机控制系统是一个十分复杂的系统，以上只包含了前馈控制，ECU无法得知控制的效果，因此在很多的情况下，发动机控制还需要反馈控制。由于排放的要求，汽车上一般都装配有三元催化剂，但是三元催化剂只有在理论空燃比附近才能发挥比较好的作用，所以在发动机的控制中要求混合气的空燃比保持在理论空燃比14.7附近；又或者是在发动机怠速控制要求发动机的转速保持在一个相对比较稳定的数值下；当发动机不正常燃烧、爆震，需要有爆震传感器来监测发动机相关状态。这些信息反馈给ECU，ECU根据内部的控制策略，调整发送给执行器的指令，借此来使发动机保持在期望的状态下运行，整个过程称之为闭环控制[1]。

3 汽车发动机电子控制主要内容

汽车发动机电子控制的主要内容有：一是燃油定量，对发动机的空气和燃油质量比进行控制，电子控制器结合发动机实际负荷、转速以及冷却液温等各项参数来确定需要的燃油量。燃油量会直接对汽车的经济性、动力性以及零部件稳定性产生影响。二是点火定时，一般借助点火提前角来表征，结合发动机的实际负荷、转速以及冷却液温等具体参数来给出发动机点火时间，它也会对汽车的动力学、舒适性以及零部件稳定性产生影响；三是爆震控制，汽油机爆震会对发动机造成极大的损坏，导致汽车燃油经济性降低，利用电子控制技术能够有效降低点火提前角从而防止爆震，爆震控制让点火提前角刚好处于不发生爆震的平衡点；四是油箱蒸发排放物的控制，汽车排放物一般为碳氢化合物，属于有害物质，必须要使用活性炭罐进行吸附处理，同时借助新鲜空气对活性炭罐进行清洗，清洗气流从气管送入到汽缸燃烧，依靠碳罐控制阀能够对其进行有效控制。而柴油机的电子控制内容为燃油定量以及喷油定时，它们都是喷射设备结合发动机转速、负荷以及冷却液温等参数来实施控制，相应数据主要是油门踏板传感器进行提供。

4 汽车发动机电子控制技术的应用

4．1 电子点火装置(ESA)

电子点火装置(ESA)的发展主要是为了更快的满足汽车排放、油耗等相关法制法规的完善，满足汽车点火系工作的稳定性、点火能量以及复杂的点火提前性等要求而发展的。要达到上述要求，就应当选择先进的电子控制技术来增强汽车发动机点火时刻的控制精度。因为电子控制技术的不断发展，目前已经可以研发出稳定性强、性能好、成本低的包括晶体管在内的各类电子元件。现阶段正在开发与推广的汽车电子点火装置的类型非常多，从控制点火线圈初级电流的主要电子元件而言，包括了晶体管点火装置、可控硅点火装置以及集成电路点火装置。它主要是由微机、传感器和执行机构等部分组成，能够对传感器发送的发动机参数实施计算和判断，之后对点火时刻进行调节，从而达到降低燃料消耗和空气污染的作用。另外，新型发动机电子控制元件还具备自适应控制、智能控制和自诊断操作等功能[2]。

4.2 电子控制燃油喷射装置

在现代汽车中，机械师或者机电混合燃油喷射装置已经开始被淘汰，电子控制燃油喷射装置的应用越来越广泛。电子喷油装置能够确保汽车发动机处于最佳的运行状态，让其输出一定功率条件下实现最大程度的节油，实验并调整到发动机最佳工况时供油控制规律，同时将这些规律编制为程序储存在微机中。当汽车发动机工作时，传感器对空气流量、排气管中含氧量、发动机转速和工作温度等各项参数进行测定，根据事先编制好的程序开始计算，之后与内存中的最佳工况参数实施比较，之后再对供油量进行调整。如此一来便可以确保汽车发动机始终处在最佳的工作状态下，提升发动机的运行性能。

电子控制汽油喷射系统主要是以电控单元作为控制中心，同时利用发动机中的各类传感器对发动机实际运行参数进行测定。之后，根据微机内预先所存储的控制程序来对喷油量进行控制，确保发动机在各类不同工况下皆可以获得最佳空燃比的可燃混合气。

4.3 废气再循环控制系统(EGRC)

电子控制器结合汽车发动机的实际转速、负荷、排气温度以及进气流量来调整电磁阀的开闭，进气管真空度通过电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆打开EGR阀门，排气内的部分废气通过EGR阀进入进气系统之内，和混合气混合之后进入气缸中参与燃烧。如果汽车发动机处于怠速、低速或者冷机时，ECU控制废气不参与再循环，防止发动机实际性能受到干扰；如果发动机转速、温度以及负荷超过一定值，ECU让部分废气参与再循环，而废气量则是按照发动机转速、负荷与温度的实际来进行控制，进而有效的减少废气内NOx的含量。

4.4 智能可变气门正时技术

智能可变气门正时控制系统(VVT-i)能够有效提升发动机进气效率，实现低转速范围内扭矩的足量输出，确保发动机处于各种工况下都可以获得最佳的动力表现。其另一先进之处主要是全铝合金缸大幅度的降低了其质量，同时减小了发动机噪声。可变配气正时控制的主要功能是在维持汽车发动机怠速性能的基础上对全负荷性能予以改善，这种机构主要保持进气门开启持续角不变，通过改变进气门开闭时刻来提高充气量。

为了让汽车发动机能够获得最佳空燃比，让发动机在各种转速条件下获得相应的燃油供应，丰田的智能可变气门正时技术非常具有代表性。这一控制系统主要包括了传感器、ECU、控制器以及凸轮轴液压控制阀构成。ECU一般存储了最佳气门正时参数值，进气管空气压力传感器、节气门位置传感器以及水温传感器、凸轮轴位置传感器等将信息反馈到ECU同时和预先设定的参数进行对比，同时发出控制指令，控制阀会按照相关指令对机油槽阀井的位置进行控制，换句话说即是调整液压流量，将各种信号指令输送到智能可变气门正时控制系统控制器的不同油道[3]。

5 汽车发动机电子控制技术发展趋势

(1)发动机管理系统电子控制单元，在软件方面包括标准的I/O驱动模块、多任务操作系统、基于模型的算法设计以及高级语言控制编程等，而硬件方面则是能够提供一个非常完善的和软件系统相贴合的开发平台，具有多功能的快速原型以及在线调试HILS等。逐渐建立软硬件一体化应用系统，基于模型设计建设控制模型、模拟系统动态测试验证控制算法、系统联机测试以及模型实时检验，自动生成源代码、在线调试标定等；

(2)相关技术逐渐趋于标准化，汽车电子控制技术正处于飞速发展的一个重要时期，相应的技术标准也正处在建立和完善的关键时期。比如说有关通信、网络规范CAN/Flex Ray/Lin与实时操作系统规范OSEK技术也逐渐得到了非常广泛的应用；

(3)汽车发动机电子控制系统的传感器与执行器技术也逐渐朝着更加集成化、智能化、微型化以及多功能化的方向发现。拿国内目前的实际情况来说，现阶段除开氧传感器、喷油器等重要部件技术质量需要进一步提升之外，其他部件都能够提供，但批量产品的实际稳定性、可靠性以及耐久性等还需要进一步提升；

(4)更加重视相关设施工具的开发，注重应用更加先进的发动机试验台架、集成开发工具以及产品测试实验系统等，从而有效的提升技术产品的开发效率[4]。

6 结语

总之，因为汽车时刻处于高速的运动和振动状态，其中的传感器、执行器、元器件以及接插件、线数等都需要拥有较好的抗振性、耐高温性以及抗电磁干扰性。但是，现阶段国内汽车工业生产所需要解决的一个重要问题便是关于汽车发动机电子控制系统控制软件，在进行开发的过程中必须要注重集成环境技术的应用，从而保证可以真正从底层进行开发而掌握汽车发动机电子控制的核心技术，促进新的汽车发动机电子控制技术得到更快发展。

[1] 姜文啸.汽车发动机电控系统故障诊断与维修[J].汽车维修，2015(08)：65.

[2] 娄洁，徐圣伦.汽车电子化与发动机电控技术的发展研究[J].绥化学院学报，2015(06)：28.

[3] 韩高辉，孙志杰.基于汽车电控发动机实验装置的设计与应用[J].山东工业技术，2014(10)：71.

[4] 何琨，卫登科.汽车发动机电控系统自诊断的分析与研究[J].机械研究与应用，2012(05)：90.

2015-11-21

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.008

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1000-6133(2015)06-0036-03