任務二 電控發動機系統的功能及組成

學習目標

1.電控發動機系統的功能

2.電控發動機系統的組成

3.電控發動機的診斷原理

課程準備

知識準備：汽有發動機的4個工作循環

四沖程往復活塞式內燃機在四個活塞行程內完成進氣、壓縮、作功和排氣等四個過程，即在一個活塞行程內只進行一個過程。因此，活塞行程可分別用四個過程命名。

1.進氣行程

活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時排氣門關閉，進氣門開啟。在活塞移動過程中，氣缸容積逐漸增大，氣缸內形成一定的真空度?？諝夂推偷幕旌衔锿ㄟ^進氣門被吸入氣缸，并在氣缸內進一步混合形成可燃混合氣。

2.壓縮行程

進氣行程結束后，曲軸繼續帶動活塞由下止點移至上止點。這時，進、排氣門均關閉。隨著活塞移動，氣缸容積不斷減小，氣缸內的混合氣被壓縮，其壓力和溫度同時升高。

3.作功行程

壓縮行程結束時，安裝在氣缸蓋上的火花塞產生電火花，將氣缸內的可燃混合氣點燃，火焰迅速傳遍整個燃燒室，同時放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，壓力和溫度迅速升高。在氣體壓力的作用下，活塞由上止點移至下止點，并通過連桿推動曲軸旋轉作功。這時，進、排氣門仍舊關閉。

4.排氣行程

排氣行程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，曲軸通過連桿帶動活塞由下止點移至上止點，此時膨脹過后的燃燒氣體（或稱廢氣）在其自身剩余壓力和在活塞的推動下，經排氣門排出氣缸之外。當活塞到達上止點時，排氣行程結束，排氣門關閉。

一、發動機電控系統的總體說明

1.發動機電控系統優點

雖然不同型式的電控發動機具有不同的特點，但由于都具有以下的優點，因此在汽車工業中都得到了廣泛應用。

1）提高了發動機的輸出功率和轉矩。電控汽油噴射系統對進氣系統進行了較大的改進設計，減小了進氣阻力，提高了充氣效率，進一步提高了燃燒效率，使發動機的輸出功率和轉矩得以提高。

2）降低了汽油消耗。發動機電控系統具有各種各樣的精確修正功能和高精度的空燃比控制性能，能提供各種工況下最適當的空燃比，且汽油是以一定壓力下噴射的，其混合氣霧化好，各缸供油均勻，汽油利用率提高，降低了汽油消耗。

3）減少了排放污染。發動機電控系統采用了閉環控制空燃比，燃燒效率提高，燃燒完全，又采用了廢氣再循環和三元催化轉化等措施，進一步降低了發動機排放污染。

4）改善了使用性能。以發動機電子控制單元（ECU）為控制中心的電子控制系統，使車輛在加、減速和低溫起動的過渡過程中，空燃比響應速度快，反應靈敏，發動機的使用性能得到提高。

2.對發動機電控系統的要求

1）必須滿足防污染排放法規。

2）必須滿足客戶易于操作的要求。

3）必須是最少的保養和具有最高的可靠性。

4）必須具有平順的駕駛性能。

5）必須有盡可能好的燃油經濟性。

6）必須有盡可能高的動力性。

7）必須有盡可能的安靜。

3.發動機電控系統的診斷功能

根據各個國家不同法律體系的要求，發動機控制單元（ECU）還配有隨車診斷裝置。為滿足這些法規的要求，該系統可以監測和報告可能引起排放超標的任何故障。采用發動機控制系統的目的是使發動機的工作性能在發動機的整個工作和使用壽命范圍內都保持最佳水平。發動機控制單元可提供包括燃油、點火時間、怠速控制和排放控制在內的隨車診斷功能。如果發生故障，發動機控制單元將保存相關的故障碼。

課程互動

1.請說出發動機電控系統的優點？

2.請查詢發動機電控系統的發展歷史。

二、發動機電控系統的組成

發動機電控系統由傳感器、電控單元、執行器三個部分組成，如圖1-1-6所示。它是采用傳感器監測發動機有關系統的工作狀況，并將相關信息傳給電控單元，電控單元經過分析、運算、判斷后，發送指令給執行機構，從而使相關系統的工作狀況達到最佳。

1.傳感器的功能

傳感器是汽車電控系統系統的輸入裝置，它把汽車運行中各種工況信息，如車速、各種介質的溫度、發動機運轉工況等轉化成電信號傳輸給計算機，以便使發動機處于最佳工作狀態。輸入信號通過導線束和連接插頭傳輸給控制單元。

輸入發動機電控制單元（ECU）的信號一般有兩種：一種是模擬信號；另一種是數字信號。

空氣質量、蓄電池電壓、進氣管壓力和增壓壓力、冷卻液溫度和進氣溫度都是模擬輸入信號。這些信號通過模擬-數字（A-D，模-數）轉換器轉換為數字信號。

開關（接通/斷開）信號和霍爾傳感器的轉速脈沖是數字輸入信號。這些信號具有內部計算型式，即1（高）和0（低）這兩種狀態都可以由計算機直接處理。

2.發動機電控單元的功能

發動機電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）是發動機電子控制系統的核心。它由微處理器（CPU）、存儲器[包括只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器（RAM）]、輸入/輸出（I/O）接口、模-數（A-D）轉換器以及整形、驅動等大規模集成電路組成。電控單元的功用是根據其內存的程序和數據對各種傳感器輸入的信息進行運算、處理、判斷，然后輸出指令，使驅動執行元件工作。電控單元由微型計算機、輸入、輸出及控制電路等組成。其外觀及內部組成如圖1-1-7及圖1-1-8所示。

圖1-1-6 發動機電控系統組成

圖1-1-7 發動機ECU外觀

圖1-1-8 發動機ECU內部組成

發動機ECU由輸入電路、微處理器和輸出電路等三部分組成。

輸入電路接受傳感器和其他裝置輸入的信號，對信號進行過濾處理和放大，然后轉換成一定電壓的輸入電平。從傳感器送到ECU輸入電路的信號既有模擬信號，也有數字信號，輸入電路中的模-數轉換器可以將模擬信號轉換為數字信號，然后傳遞給微機。

微處理器將上述已經預處理過的信號進行運算處理，并將處理數據送至輸出電路。

輸出電路將數字信息的功率放大，有些還要還原為模擬信號，使其驅動被控的調節伺服元件工作。

CPU是ECU核心部分，它具有運算與控制的功能，發動機在運轉時，采集各傳感器的信號進行運算，并將運算的結果轉變為控制信號，控制被控對象的工作。它還實行對存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出（I/O）接口和其他外部電路的控制。

只讀存儲器（ROM）中存放的是經過精確計算和大量實驗取得的數據，這些固有程序在發動機工作時，不斷地與采集來的各傳感器的信號進行比較和計算。利用比較和計算的結果控制發動機的點火、空燃比、怠速、廢氣再循環等多項參數。

正常情況下，RAM也會不停地記錄行駛中的數據，成為ECU的學習程序，為適應駕駛習慣提供最佳的控制狀態，這個程序也叫自適應程序。但由于是存儲于RAM中，就像錯誤碼一樣，一旦去掉蓄電池而失去供電，所有的數據就會丟失。

目前在一些中高級轎車上，不但在發動機上應用ECU，在其他許多地方都可發現ECU的蹤影。例如防抱死制動系統、電控自動變速器、主動懸架系統、安全氣囊系統、多向可調電控座椅等都配置有各自的ECU。為了簡化電路和降低成本，汽車上多個ECU之間的信息傳遞就要采用一種稱為多路復用通信網絡技術，將整車的ECU形成一個網絡系統。

3.執行器的功能

執行器是ECU動作命令的執行者，主要是各類機械式繼電器、直流電動機、步進電動機、電磁閥或控制閥等執行發動機電子控制單元指令的部件。

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1.請說出發動機電控系統的組成？

2.請說出發動機ECU的組成以及各部分功能？

三、發動機電控系統的相關概念

1.空燃比

空氣的英文是Air，燃油的英文是Fuel，可燃混合氣中空氣質量與燃油質量之比為空燃比，表示為A/F?？杖急仁前l動機運轉時的一個重要參數，它對尾氣排放、發動機的動力性和經濟性都有很大的影響。

2.理論空燃比

理論空燃比即燃料完全燃燒所需要的最少空氣質量和燃料質量之比。汽油的理論空燃比大約為14.7，也就是說，燃燒1kg汽油需要14.7kg的空氣。

一般常說的汽油發動機混合氣過濃過稀，其標準就是理論空燃比。空燃比小于理論空燃比時，混合氣中的汽油含量高，稱作過濃；空燃比大于理論空燃比時，混合氣中的空氣含量高，稱為過稀?；旌蠚饴晕⑦^濃時，即空燃比為13.5～14時，汽油的燃燒最好，火焰溫度也最高。因為燃料多一些可使空氣中的氧氣全部燃燒。而從經濟性的角度來講，混合氣稀一些時，即空燃比為16時，油耗最小。因為這時空氣較多，燃料可以充分燃燒。從發動機功率上講，混合氣較濃時，火焰溫度高，燃燒速度快，當空燃比介于12～13之間時，發動機功率最大。

3.過量空氣系數

過量空氣系數用符號λ表示，它是表示混合氣濃度的另一個概念。

λ=實際空氣供給量/理論空氣需求量

（1）λ=1。實際空氣量與理論空氣需求量相當，也就是理想情況下λ=14.7∶1的理論燃油空氣混合氣（也稱為空氣與燃油的理想配比）。

（2）λ＜1?？諝饬坎蛔銜r形成濃混合氣。進氣管噴射式汽油發動機在λ=0.95～0.85時可以達到其最大功率。

（3）λ＞1?？諝饬窟^多時形成稀混合氣。λ＞1時耗油量最低，同時功率降低。

（4）λ＞1.2。混合氣不易點燃。出現燃燒斷火現象，發動機運轉不平穩，耗油量增加，功率下降。λ=0.9～1.1時可以同時實現最佳功率和理想的耗油量。

4.發動機工況

發動機工況是發動機工作情況的簡稱，其主要參數是負荷和轉速。汽車在行駛過程中的載荷、車速、路況等經常變化，因此汽車發動機工作時有以下特點：工況變化范圍大，負荷可從0變到100%，轉速可從最低穩定轉速變化到最高轉速；在汽車行駛的大部分時間內，發動機在中等負荷（部分負荷）下工作。轎車發動機負荷經常是40%～60%，而貨車發動機負荷則為70%～80%。

發動機常見的工況有冷起動、暖機、怠速、部分負荷、加速、大負荷、加速等工況。在不同的發動機工況下，必須對混合氣濃度采取修正措施。

（1）冷起動。冷起動時，空氣燃油混合氣由于不良的渦流、蒸發量少、低溫時燃油附著在氣缸壁上等原因而較稀，為了消除這些不利因素并便于發動機起動，必須多供給燃油。

（2）暖機。起動后在低溫階段內還需要短時多提供燃油，以便抵消混合不充分和冷凝的影響。暖機運行階段仍有燃油冷凝到冷態氣缸壁上，因此發動機需要加濃混合氣。

（3）怠速。達到運行溫度后就會為發動機提供理想配比的混合氣。

（4）部分負荷。在部分負荷范圍內，要遵循低有害物質排放和低燃油耗量的原則。這兩個目標通過理想配比的混合氣實現。

（5）滿負荷。發動機輸出其最大轉矩或最大功率。與部分負荷時相比，則必須降低空燃比。空燃比降低取決于轉速。

（6）加速。突然打開節氣門時，混合氣短時變稀，此時會出現加速停頓。因此加速時必須額外加濃混合氣，以確保平穩過渡。

5.尾氣成分（見圖1-1-9）

（1）一氧化碳（CO）?？諝獠蛔悖ɑ旌蠚鉂猓r一氧化碳的含量增加，λ=1且混合氣稀時其含量很小。一氧化碳無色無味。它的毒性很大，在濃度大于0.3體積百分比時可致人死亡。

（2）碳氫化合物（HC）。HC排放產生于空氣不足（λ＜1）和空氣過量（λ＞1.2）時。λ=1.1～1.2時HC排放量最少。碳氫化合物能產生典型的尾氣臭味，并可致癌。

（3）氮氧化物（NO_x）。氮氧化物與過量空氣系數λ的關系正好和碳氫化合物排放相反。空氣不足時，氮氧化物增大至最大值。λ=1.05～1.1時，則降到稀薄范圍內。

氮氧化物是無色氣體，會強烈刺激呼吸道，并在濃度較高時導致麻痹現象。此外，它也是形成臭氧的原因之一。燃燒室溫度和壓力較高時會產生氮氧化物。

（4）有害物質。燃油空氣混合氣完全燃燒時僅產生水蒸氣和二氧化碳。不完全燃燒時，就會產生由氮氣（N₂）、二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）和有害物質。有害物質約占1%～2%，有害物質包括CH、NO_x、CO等。汽油發動機尾氣排放各氣體含量如圖1-1-9所示。

圖1-1-9 汽油發動機尾氣排放示意圖

6.閉環控制

閉環控制是控制論的一個基本概念，是指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關系。輸出端回饋到輸入端，并參與對輸出端再控制，這才是閉環控制的目的，這種目的是通過反饋來實現的。閉環控制在各種控制實例中有具體的表現方式，比如上面舉的汽車發動機燃燒控制。

舉例：調節水龍頭——首先在頭腦中對水流有一個期望的流量，水龍頭打開后由眼睛觀察現有的流量大小與期望值進行比較，并不斷地用手進行調節形成一個反饋閉環控制。

7.開環控制

如果系統的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這樣的系統稱為開環控制系統。控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程，就是反饋。因此，開環控制系統又稱為無反饋控制系統。

舉例：打開燈的開關——按下開關后的一瞬間，控制活動已經結束，燈是否亮起已對按開關的這個活動沒有影響；投籃——籃球出手后就無法再繼續對其控制，無論球進與否，球出手的一瞬間控制活動即結束。

課程互動

1）請說出發動機過量空氣系數對發動機性能的影響？

2）請說出在發動機電控系統中開環和閉環控制的例子。

四、發動機電控系統的自診斷功能

當發動機電控系統出現故障時，發動機ECU將會點亮儀表板上的發動機故障報警燈，（見圖1-1-10），提醒駕駛員注意，發動機已出現故障，并將故障信息以故障代碼的形式儲存到ECU中，通過一定程序，能將故障碼及有關信息資料調出，供檢修時使用。

1.自診斷系統工作原理

發動機電控系統工作時，自診斷系統把檢測到的非正常輸入輸出信號認定為故障信號，自診斷系統故障主要有以下幾種。

圖1-1-10 儀表盤上的發動機故障報警燈

1）當某一電路出現超出規定范圍的信號時，故障診斷系統就判定該電路信號出現故障。

如水溫傳感器正常時，其輸出電壓信號在0.1～4.8V范圍內變化。若冷卻水溫度傳感器輸出電壓低于0.1V（相當于水溫高于139℃）或高于4.8V（相當于水溫低于-50℃）時，ECU即判定為故障信號，存入存儲器。

2）發動機運轉時，當ECU在一段時間里收不到某一傳感器的輸入信號或輸入信號在一段時間內不發生變化，ECU亦判定為故障信號。

如發動機在正常工作溫度下運轉時，ECU在1min以上檢測不到氧傳感器的輸出信號或氧傳感器信號在0.3～0.6V間1min以上沒有變化，即判定為氧傳感器電路有故障。

3）發動機正常工作中，如果偶然出現一次不正常信號，ECU故障自診斷系統不會判斷為故障。只有當不正常信號持續一定時間或多次出現時，ECU才將其判定為故障，如發動機轉速在1000r/min時，轉速信號丟失了3～4脈沖信號，ECU不會判定為轉速信號故障，同時，“CHECK”燈也不會點亮，轉速信號的故障也不會存入ECU內。

注意

ECU判斷出的故障，只能提供故障的性質和范圍，如水溫傳感器與ECU間配線斷路時，水溫傳感器輸出電壓信號就會高于4.8V（正常為0.1～4.8V）。這時ECU判定和輸出的故障信息為水溫傳感器發生故障。最后確定是傳感器、執行器或相應配線的哪一個故障，還應進一步檢查確定。

2.故障信息的顯示方式

ECU故障自診斷系統檢測到故障信號經判斷為故障后，即將故障信息以故障碼的形式存儲到ECU存儲器中。通過一定操作程序將故障碼或故障資料按特定的方式顯示出來。不同車型故障信息的顯示方式也不同。常見的有以下幾種：

1）由故障警告燈閃爍故障碼。

當發動機工作正常無故障時，接通點火開關至“ON”位置，“CHECK”燈點亮。發動機起動后轉速高于一定轉速時此燈應熄滅。否則為有故障發生，用專用跨接線跨接診斷座或通過其他操作可將故障碼以“CHECK”燈的一定閃爍方式顯示出來。故障排除后，“CHECK”燈在發動機轉速高于一定轉速時熄滅。

2）用專用或通用檢測儀直接讀取故障碼或故障信息。

3）由儀表盤上顯示屏直接顯示故障碼、信息資料及數據。

3.診斷儀器的功能介紹

各廠商都針對自己的車型開發了專用的診斷儀，同時市場上也有能夠診斷許多車型的通用診斷儀。這兩類診斷儀的工作原理基本相同。就是診斷儀器通過專用的診斷接口按特定的協議訪問車載控制單元，來讀取控制單元內存儲的故障信息。診斷儀還可以進行軟件升級，以便能夠增加診斷的車型數據和診斷的功能。下面以大眾VAS505X診斷儀為例介紹專用診斷儀的功能。

VAS505X是大眾集團專用工具的一個型號，其中的X是產品的序列號，它是在大眾車系原有的VAG1551和VAG1552診斷儀的基礎上發展過來的?，F在該系列檢測儀共有VAS5051、VAS5051B、VAS5052和VAS5053四種產品。診斷儀的全稱是“Vehiclediag-nostic measuring and information system（車輛診斷、測量和信息系統）”。從儀器的名稱上我們就可以看出，該診斷儀具有車輛的診斷、測量和信息查詢功能。

借助對最基礎的VAS5051B診斷儀進行介紹，來說明該系列診斷儀的功能和在維修過程中的作用。VAS5051B的外觀如圖1-1-11所示，初始屏幕如圖1-1-12所示，從這兩幅圖中我們可以看到該診斷儀具有自診斷、測量、故障引導和功能引導四大功能。

圖1-1-11 VAS5051B外觀圖

圖1-1-12 VAS5051B主界面圖

（1）自診斷功能

診斷功能是對車輛單獨的控制單元進行檢測，比如對發動機、變速箱、防抱死制動系統（ABS）和儀表等控制單元進行檢測。這些控制單元具有獨立的地址碼，VAS5051B可以單獨和這些控制單元進行通信，完成控制單元故障記憶的查詢、故障記憶的清除等功能。在診斷項目下，主要有以下功能（見圖1-1-13）。

02項目是“查詢故障”功能，該項功能可以直接查詢到控制單元內存儲的故障記憶。

03項目是“最終控制診斷”功能，該功能是檢測儀主動激活控制單元所控制的執行元件進行動作，通過人為地觀察執行元件的工作情況來判斷執行元件的狀況。

04項目是“基礎設定”功能，該功能完成控制單元和執行元件之間基礎的電位設定。比如，發動機控制單元的基礎設定是完成節氣門和控制單元之間的電位匹配，空調系統的基礎設定是完成空調電機和控制單元之間的電位匹配，大燈控制單元的基礎設定是完成大燈照程電機和控制單元之間的電位匹配等。

05項目是“清除故障存儲器”功能，該功能的執行是清除掉控制單元內部儲存的故障記憶。

圖1-1-13 VAS的診斷項目

06項目是“結束輸出”功能，該功能是退出自診斷。

07項目是“編碼控制單元”功能，通過對控制單元的編碼，可以改變和實現控制單元不同的功能。比如，通過對奧迪A6轎車中央門鎖系統控制單元的編碼的改變，可以分別實現“安全鎖”、“行車自鎖”和“鎖車警報”等功能，這就使得控制單元的功能得到提升，并且在使用上更富人性化。另外，車輛上裝備的每一個控制單元都有一個編碼，編碼的數字包括了車型的選擇、發動機和變速器類型的選擇以及使用地區的選擇等，這就使得相同零件編號的控制單元可以通過編碼的改變去適應不同的車型，使控制單元的零件具有通用性。

08項目是“讀取測量值”功能，該項功能十分有用，通過對控制單元各個數據塊的靜態和動態的分析，準確、快速地查找到故障原因。

09項目是“讀單個測量數據塊”功能，是供廠商使用的，在維修中沒有用到。

10項目是“匹配”功能。通過該功能，加上不同的匹配通道和數據，可以修改控制單元內部的一些參數，從而改變控制單元的一些使用特點。比如，通過儀表的匹配可以改變儀表的語言，修改保養里程的顯示，進行燃油消耗曲線的匹配等。

11項目是“登錄程序”功能，就是要完成一些重要的設置。首先輸入一個特定的登錄碼，然后控制單元才允許向下進行匹配。比如，發動機控制單元定速巡航功能的開啟和關閉功能的匹配等。

了解了該診斷儀自診斷的強大功能，在實際的工作中就需要借助于診斷儀進行綜合分析，以檢查和排除故障。

（2）測量功能

該項功能包括萬用表的使用功能，即診斷儀可以測量電壓、電阻和電流。另外，還可以測量傳感器的波形。在實際的維修工作中，診斷儀在對控制單元進行檢測的同時，還需要對線路和傳感器進行測試。該診斷儀的這項功能可以兼并。

（3）故障引導功能

該項功能的實現需要診斷儀內部儲存的大量車型數據來支持。由于現代車型的更新變化很快，對維修人員要掌握的車輛技術和車型信息的要求就越來越高。把這些新的車型信息存儲在診斷儀中，當維修人員需要某項信息時，可以馬上調出來，并且診斷儀可以根據故障記憶的描述，結合自己強大的數據庫，幫助維修人員查找故障。當然，診斷儀儲存的車輛信息，要根據廠商車型的變化定期進行升級更新。

當執行該功能時，選擇要檢測的車型，檢測儀就調出該車型的信息，并且把該車型上的所有的控制單元檢測一遍。檢測完后，根據檢測到的故障記憶，檢測儀可以指導進行下一步的維修工作，幫助查找故障原因。

（4）功能引導

隨著車輛控制單元的增多，每個控制單元下面都有很多的功能匹配和信息說明。這個功能項目的作用是維修人員主動地對某個控制單元進行操作，通過這種操作來完成對控制單元的匹配和故障查找等工作。

課程互動

1）請說出診斷儀的功能。

2）當發動機故障報警燈亮起時說明什么問題？