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

　　一、概述

　　現(xiàn)代轎車電控技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是現(xiàn)代控制理論。從早期的經(jīng)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(yīng)用。主要有PID控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂啤⒛：刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及預(yù)測控制等。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展使得電控系統(tǒng)更能適應(yīng)復(fù)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(shù)學(xué)模型不甚精確的系統(tǒng)也能實(shí)施精確有效的控制。而這正是發(fā)動機(jī)電控得以實(shí)現(xiàn)的前提。就其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為電信號;ECU的作用是接收傳感器的輸入信號，并按設(shè)定的程序進(jìn)行計(jì)算處理，輸出處理結(jié)果;執(zhí)行器則根據(jù) ECU輸出的電信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使之按要求變化。

　　(一)電子控制組件(ECU)

　　ECU以微機(jī)為中心。還包括前置的A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號緩沖器以及后置的信號放大器等。微機(jī)運(yùn)算速度快、精度高，能實(shí)時控制，并具備多中斷響應(yīng)等功能。目前除了8位、16位微機(jī)外，32位特別是64位微機(jī)已開始逐步使用。而且，不僅有通用型微機(jī)和單片機(jī)，專用的汽車微機(jī)也已研制出來。正是微機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展促進(jìn)了汽車電控技術(shù)的不斷完善。可以說，當(dāng)前 ECU的發(fā)展總趨勢是從單系統(tǒng)單機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把發(fā)動機(jī)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(lián)結(jié)，形成機(jī)內(nèi)分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)汽車電子綜合控制。

　　(二)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(guān)重要。近年來在該領(lǐng)域中，理論研究及材料應(yīng)用發(fā)展較為迅速，半導(dǎo)體和金屬膜技術(shù)、陶瓷燒結(jié)技術(shù)等迅猛發(fā)展。毋庸置疑，智能化、集成化和數(shù)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(diǎn)而倍受關(guān)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(jī)、壓電元件、點(diǎn)火器、電磁繼電器、熱電偶等，結(jié)構(gòu)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(jī)電控技術(shù)及應(yīng)用

　　發(fā)動機(jī)電控技術(shù)可分為電控汽油噴射、電子點(diǎn)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(xiǎn)、備用控制以及其它控制技術(shù)。

　　(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(diǎn)在于空燃比的控制更為精確，可實(shí)現(xiàn)最佳空燃比;而且電噴技術(shù)提高了汽油的霧化、蒸發(fā)性能 ,加速性能更好 ,發(fā)動機(jī)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(jié)合的方式。對諸如暖機(jī)、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(shè)置的氧傳感器，測量實(shí)際空燃比來進(jìn)行反饋控制。由空氣流量計(jì)或進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器測量進(jìn)氣空氣量，由ECU根據(jù)冷卻水溫、進(jìn)氣溫度、氧傳感器信號等確定合適的空燃比，計(jì)算所需噴油量，進(jìn)而對執(zhí)行器(噴油器和電路斷開繼電器)進(jìn)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(diǎn)噴射(SPI)、多點(diǎn)噴射(MPI)和缸內(nèi)直接噴射。單點(diǎn)噴射用 1～2個噴油器安裝在進(jìn)氣管節(jié)氣門處。多點(diǎn)噴射將各個噴油器分別安裝在各缸的進(jìn)氣歧管中，使各缸混合氣分配較均勻，故而在轎車中應(yīng)用較廣。并且，按照其噴油時序的不同，多點(diǎn)噴射又可細(xì)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(diǎn)火順序進(jìn)行噴油，每循環(huán)噴一次，該種方式較前兩種應(yīng)用效果更好。缸內(nèi)直噴特別是四沖程汽油機(jī)缸內(nèi)直噴是當(dāng)前轎車汽油噴射中的前沿技術(shù)，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(nèi)進(jìn)行混合燃燒。直噴技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大大降低了汽油機(jī)的油耗，動力性能也較多點(diǎn)噴射更為優(yōu)越;同時，配合其他機(jī)構(gòu)，使得高空燃比稀燃技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

　　(二)電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)

　　早在 2 0世紀(jì)初 ,點(diǎn)火系統(tǒng)在汽車發(fā)動機(jī)上已開始應(yīng)用，從有觸點(diǎn)式、普通無觸點(diǎn)式、集成電路式，發(fā)展到現(xiàn)今的微機(jī)控制電子點(diǎn)火系統(tǒng)。微機(jī)控制電子點(diǎn)火系統(tǒng)可控制并維持發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角(ESA)在最佳范圍以內(nèi)，使汽油機(jī)的點(diǎn)火時刻更接近于理想狀態(tài)，進(jìn)一步 挖掘發(fā)動機(jī)的潛能。

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

　　在發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火控制中，同樣采用了開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的控制形式。起動階段的點(diǎn)火時刻由ECU中的專門信號進(jìn)行開環(huán)控制;正常運(yùn)行期間，則通過增設(shè)爆震傳感器進(jìn)行爆震反饋控制，根據(jù)爆震傳感器的反饋信號調(diào)整點(diǎn)火時刻使發(fā)動機(jī)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(jià)發(fā)動機(jī)性能優(yōu)越與否的重要指標(biāo)，怠速性能差將導(dǎo)致油耗增加，排污嚴(yán)重，因此，需進(jìn)行必要的控制?，F(xiàn)代轎車中一般都設(shè)有怠速控制系統(tǒng)，由ECU控制并維持發(fā)動機(jī)怠速在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。因此，怠速控制通常是指怠速轉(zhuǎn)速控制，其實(shí)質(zhì)就是對怠速工況時的進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)(同時配合噴油量及點(diǎn)火提前角的控制)。 怠速控制的基本原理是 ECU根據(jù)冷卻水溫、空調(diào)負(fù)荷、空檔信號等計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并與實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，同時檢測節(jié)氣門全關(guān)信號及車速信號，判斷是否處于怠速狀態(tài)，確認(rèn)后則按目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差值來驅(qū)動執(zhí)行器調(diào)整控制進(jìn)氣量。

　　目前，除了怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制之外，怠速控制還可以實(shí)現(xiàn)起動控制、暖機(jī)控制以及負(fù)荷變化控制等功能，這樣多種功能的集中，不僅簡化了機(jī)構(gòu)，而且也提高了怠速控制的精確性。

　　怠速控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)氣量控制方式的不同可分為節(jié)氣門直動式和旁通空氣式兩種，后者的應(yīng)用較廣，其中的執(zhí)行器—怠速控制閥的發(fā)展較快，相應(yīng)有步進(jìn)電機(jī)型、旋轉(zhuǎn)電磁閥型、占空比型和開關(guān)控制型等，各自在怠速控制中有不同程度的應(yīng)用。

　　(四)排氣再循環(huán)(EGR)電控系統(tǒng)

　　國外的早期研究發(fā)現(xiàn)，將少量的排氣(5%～20 %)再次循環(huán)進(jìn)入氣缸與新鮮可燃混合氣混合后燃燒，可有效抑制 NOx 的產(chǎn)生。事實(shí)上，除了可采用氣門重疊產(chǎn)生排氣回流的內(nèi)部EGR方式外，更常用的措施是用專門的管道將部分排氣引至進(jìn)氣管，由ECU控制EGR閥改變流通截面來調(diào)節(jié)排氣量，實(shí)現(xiàn)再循環(huán)排氣率的變化。通常在發(fā)動機(jī)暖機(jī)、怠速、低負(fù)荷、高負(fù)荷等工況不需進(jìn)行EGR控制。

　　EGR控制的一般過程是：ECU根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，計(jì)算最佳再循環(huán)排氣率，再通過控制 EGR閥的開度來實(shí)現(xiàn)EGR控制。而ECU對EGR閥的控制，實(shí)質(zhì)上是通過對真空調(diào)節(jié)閥的控制來實(shí)現(xiàn)的。真空調(diào)節(jié)閥一般是電磁式的，用于將ECU輸出的電信號轉(zhuǎn)換為氣壓變化，從而實(shí)現(xiàn)對氣動式EGR閥的控制。并且，ECU還通過壓力傳感器測量再循環(huán)排氣率信號來進(jìn)行反饋控制。在實(shí)施反饋控制時，最初使用的是獨(dú)立式壓力或壓差傳感器，而今又出現(xiàn)了與EGR閥共為一體的EGR位置傳感器，提高了控制精度。

　　(五)增壓電控系統(tǒng)

　　發(fā)動機(jī)中增壓系統(tǒng)的安裝日漸增多，其目的是為了提高進(jìn)氣效率。電控增壓系統(tǒng)的研制開發(fā)使增壓技術(shù)又跨上了一個新臺階。目前，應(yīng)用較普遍的是電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。通常增壓器是為與發(fā)動機(jī)低速小負(fù)荷工況相匹配而設(shè)計(jì)的，當(dāng)發(fā)動機(jī)大負(fù)荷運(yùn)行時容易導(dǎo)致增壓器超速運(yùn)行而損壞，為此，電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)專門在排氣管中廢氣渦輪室處增加了一旁通氣道，由ECU控制切換閥的開度大小進(jìn)行調(diào)整。通常情況下切換閥閉合，廢氣通過渦輪氣室排出;一旦發(fā)動機(jī)大負(fù)荷運(yùn)行將導(dǎo)致廢氣渦輪轉(zhuǎn)速升高，當(dāng)進(jìn)氣壓力超過限值，ECU便會通過相應(yīng)機(jī)構(gòu)開啟切換閥，使旁通氣道導(dǎo)通，廢氣不經(jīng)渦輪室而直接由旁通氣道排出，增壓器停止工作。

　　(六)故障自診斷系統(tǒng)

　　現(xiàn)代轎車發(fā)動機(jī)的電控系統(tǒng)中，ECU一般都帶有故障自診斷系統(tǒng)，自行監(jiān)測、診斷發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)各部分的故障。對于傳感器，可通過檢測其信號是否超出規(guī)定范圍來直接進(jìn)行判斷;對于執(zhí)行器，則在其初始電路中增設(shè)專門回路來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，對于ECU本身，也有專用程序進(jìn)行診斷。

　　故障自診斷系統(tǒng)時刻監(jiān)測各控制系統(tǒng)的工作情況，當(dāng)出現(xiàn)故障時，一般轎車儀表板上的故障指示燈可閃爍報(bào)警，同時將故障信息以代碼的形式保存在微機(jī)的存儲器中，維修時不僅可以通過故障指示燈間斷閃爍來顯示，也可以通過專用的檢測儀器以數(shù)字的形式顯示故障代碼，以便進(jìn)一步通過手冊查出故障原因。自診斷系統(tǒng)很好地解決了復(fù)雜電控系統(tǒng)難以判斷故障的問題。

　　(七)故障保險(xiǎn)系統(tǒng)及故障備用控制系統(tǒng)

　　當(dāng)自診 斷系統(tǒng)檢測出傳感器及其電路故障后，ECU中的故障保險(xiǎn)系統(tǒng)隨之自動啟動發(fā)揮作用。故障保險(xiǎn)系統(tǒng)會用程序設(shè)定的數(shù)據(jù)取代故障部分輸入的非正常信號，進(jìn)行直接控制。故障保險(xiǎn)系統(tǒng)一般通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

　　而當(dāng)微機(jī)或主要傳感器(如進(jìn)氣歧管壓力傳感器)出現(xiàn)故障時，ECU立即將主控權(quán)由微機(jī)切換至故障備用系統(tǒng)中，由其代替微機(jī)工作。故障備用系統(tǒng)作為 ECU的一個集成電路模塊，根據(jù)起動信號和怠速觸點(diǎn)狀態(tài)信號，一般只能確定維持汽車運(yùn)行的最簡單的控制方案，保證轎車“緩慢回家”以便修理，而不能達(dá)到微機(jī)控制時的最佳性能。

　　(八)其他電控系統(tǒng)

　　1.進(jìn)氣渦流電控系統(tǒng)進(jìn)氣渦流可以促進(jìn)汽油蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合，提高燃燒效率。電控進(jìn)氣渦流在某些轎車(特別是采用稀燃技術(shù)的轎車)上應(yīng)用較多。其結(jié)構(gòu)是在進(jìn)氣口附近增設(shè)一渦流控制閥，通過ECU采集轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，并加以處理后控制其旋轉(zhuǎn)角度，引導(dǎo)氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，調(diào)節(jié)渦流比，實(shí)現(xiàn)渦流控制。

　　2.可變進(jìn)氣控制系統(tǒng)可變進(jìn)氣控制系統(tǒng)是從增加進(jìn)氣量、提高進(jìn)氣效率的角度出發(fā)來改善發(fā)動機(jī)動力性能的，該系統(tǒng)有兩種類型：一種是可變流通面積控制方式，它通過ECU控制安裝在進(jìn)氣管道中的控制閥的旋轉(zhuǎn)角度來改變其進(jìn)氣流通截面，滿足不同工況對進(jìn)氣量的需求;另一種是可變流通長度控制方式，由ECU控制進(jìn)氣管道中的控制閥來調(diào)整進(jìn)氣管的長度。實(shí)踐證明，可變進(jìn)氣控制系統(tǒng)可增強(qiáng)發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性。

　　3.進(jìn)氣溫度預(yù)熱控制系統(tǒng) 進(jìn)氣溫度預(yù)熱控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)低溫起動時的進(jìn)氣溫度來促進(jìn)汽油蒸發(fā)，改善排放性能。預(yù)熱方式主要有排氣管預(yù)熱、水溫預(yù)熱和正溫度元件(PTC)預(yù)熱3種型式。

　　4 .燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)用來降低燃油箱中汽油蒸氣排向大氣所造成的污染。目前，活性炭罐蒸發(fā)電控裝置得到了廣泛應(yīng)用。停車期間，利用活性炭罐吸收汽油蒸氣，防止向大氣擴(kuò)散;發(fā)動機(jī)運(yùn)行后，ECU控制活性炭罐與進(jìn)氣管之間的導(dǎo)通，利用進(jìn)氣真空度將活性炭罐中吸附的汽油蒸氣吸入進(jìn)氣管，這樣可有效防止汽油蒸氣的外逸，降低 HC的排放污染。

　　5.曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)電控系統(tǒng)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)電控系統(tǒng)的目的是將氣缸中經(jīng)活塞環(huán)間隙滲入曲軸箱內(nèi)的氣體再次循環(huán)進(jìn)入進(jìn)氣管中，以減少該部分氣體直接排向大氣造成的污染?，F(xiàn)代電控系統(tǒng)中，由ECU根據(jù)節(jié)氣門位置信號、轉(zhuǎn)速信號等控制強(qiáng)制通風(fēng)閥，從而實(shí)現(xiàn)曲軸箱內(nèi)氣體與進(jìn)氣管之間的導(dǎo)通，再利用曲軸箱內(nèi)氣體。

　　6.二次空氣噴射系統(tǒng)二次空氣噴射作為早期控制污染物排放的措施之一，目前與催化轉(zhuǎn)換器配合使用。它同樣由ECU控制二次空氣噴射氣道的導(dǎo)通，將空氣引入催化轉(zhuǎn)換器中，實(shí)現(xiàn)對 NOx、CO、HC的轉(zhuǎn)變。在將空氣引入排氣管的方式中，除了空氣泵控制外，還可用排氣脈沖波來實(shí)現(xiàn)。另外，隨著研究的進(jìn)一步深入，又出現(xiàn)了許多新技術(shù)。如停缸控制，它可根據(jù)負(fù)荷的不同要求，停止部分氣缸的燃油供給與點(diǎn)火控制，減少浪費(fèi)，提高發(fā)動機(jī)效率;再如加速踏板電控系統(tǒng)，可避免機(jī)械式加速踏板因?yàn)槟p而產(chǎn)生的誤差，增加控制精度。

　　三、結(jié)束語

　　隨著微機(jī)、電子技術(shù)的日臻完善以及材料工藝的蓬勃發(fā)展，再加上控制理論的不斷成熟完善，發(fā)動機(jī)電控技術(shù)有望取得更大的突破。