汽车电控技术分析

汽车电控技术分析
本篇主要讨论了汽车电子控制的历史、未来、发展方向、控制原理等问题。

发动机电子控制的原理、目的、实现方式、控制电子点火过程、爆燃控制、怠速控制、废气在循环(EGR)控制、二次空气喷射控制、电子燃油喷射控制、柴油机喷油控制、柴油机高压共轨控制、自动变速控制、无级变速器控制、电子节气门控制、ABS防抱死控制等。

Wang yong qiang
Southwest China Normal University, Chongqing 05091224 China
1．1汽车电子控制技术的发展历史
在世界上第一辆汽车中，所谓的“电气系统”仅仅是由卡尔，本茨设计的由点火线圈和蓄电池所组成的点火装置。

在随后生产的汽车中又增设了前灯和发动机起动电机这类的电器设备。

汽车电子技术的第一次出现是本世纪30年代早期安装在轿车的真空电子管收音机。

由于电子管收音机有不抗震、体积大、耗电多等弊病，成为在汽车上推广应用的主要障碍，但是在汽车中安装收音机的设想始终没有消失。

1948年晶体管的发明及1958年第一块集成电路（IC）的出现才真正开创了汽车电子技术的新纪元。

1955年晶体管收音机问世后，采用晶体管收音机的汽车迅速增加，并作为标准部件安装在德国大众汽车上。

从60年代起，轿车中开始使用半导体元器件。

在汽车中首先使用的半导体元件是硅二极管，作为功率晶体管来替代原有的像电压调节器之类的电磁接触器等元器件。

功率晶体管元件的应用极改善了汽车的性能和可靠性。

60年代是汽车电子化的活跃时代。

标志着汽车电子控制技术真正发展的是在1967年首次将集成电路元件应用到汽车中，其结果是电子技术与汽车发动机电气系统相结合，开发出如车用发电机集成电路调压器、集成电路点火器等汽车电子产品。

在同一年代，美国的克莱斯勒公司在其生产的汽车中配置电子控制的点火装置，而德国的波许（Bosch）公司则开发出电子控制的燃油喷射装置（见图 1.1）。

1975年日本汽车也装上了这种装置，可以说是当今汽车电子燃油喷射控制的雏型。

大约在同一时期，电子技术有了长足的进展，导致一系列利用模拟电路的汽车电子产品的研制与开发。

如发动机喷油系统控制，车辆行驶控制，防锁死刹车系统（ABS）和变速控制系统均已成功地应用于实际。

由于当时集成电路元器件的价格昂贵，对汽车用户而言，采用电子控制技术所能得到的收益并不很大，从而使得所开发的这些控制系统不能广泛地在汽车中得到应用。

1—喷油器；2—冷启动喷油器；3一进气温度传感器；4—调节器；5一蓄电池；6—分电器7—油箱；8—汽油泵；9一节气门控制器；10一怠速控制执行器；11—进气压力传感器；
12—燃油滤清器；13—冷启动时间开关；14—水温传感器
图 1.1 Bosch公司开发的L型电子燃油喷射控制系统结构
到了70年代，在美国通过了三个重要的法律条文促使电子产品在汽车中得到广泛的应用。

这些法律条文中的第一个文件就是轿车司乘人员的人身安全保护条文。

根据这一法律条文，相应设计出一种汽车控制系统，即在发动机起动前必须系紧安全带，否则发动机就不能起动。

这一控制系统在发动机的点火开关处于切断状态时，也要求控制电路始终处于通电检测状态。

为了节省使用汽车蓄电池中的电能，如何减少控制电路中的耗电量是研制该控制系统的关键所在。

解决这一关键问题的理想手段就是采用具有低功耗的C-MOS（互补型金属氧化物半导体）逻辑集成电路。

1971年，微型计算机（即微电脑）首先用于发动机点火系统的正时控制中（美国通用汽车公司的MISAR 车）。

微电脑在汽车电子控制技术中的出现使得对汽车的高精度控制得以实现，而对汽车的高精度控制反过来又促进汽车发动机工作性能的提高，促使微电脑在汽车控制系统中广为应用的另一个主要因素是一系列汽车尾气排放法规的制定及能源危机后油料价格的上涨。

汽车尾气排放法规是70年代末和80年代初各工业发达国家相继制定的。

汽车尾气排放的净化涉及到燃油经济性和发动机工作性能。

所需要解决的问题是如何既要满足新的对汽车尾气排放的要求，又要满足用户对汽车油耗和发动机工作性能的要求。

要在这两方面同时取得成功，不仅要对汽车发动机本身的结构设计进行改进，而且还需对进入发动机气缸的油气混合比进行精确的控制。

此外还需对发动机点火时间进行最优控制，发动机处于怠速运转时进行怠速运转控制，以及其它相应的精密控制。

在发动机控制系统中引入微电脑系统后，已证明对解决看起来似乎矛盾的汽车尾气净化与降低发动机油耗的要求特别有效。

目前在汽车电子控制系统中，采用微电脑进行控制的系统的应用已与日俱增。

80年代是高科技迅速发展的年代，随之而来的是消费者对汽车多种多样的需求，这就要求汽车生产厂家生产出一种能提高汽车总体价值并能满足用户各种要求的高档汽车。

目前世界上各大汽车制造厂商竞相研制
新一代由微电脑控制的各种车用电子产品，并迅速地将己开发出的电子产品运用于汽车中，使汽车的档次得以提高，以满足各用户对汽车的要求。

由于80年代以后，汽车电子产品的研制与开发的竞争十分激烈。

采用电子技术有利于汽车性能的提高和各种功能的完备，并避免汽车重量的增加。

所以新的汽车电子产品不断推出，其中有代表性的体现在以下几个方面。

（1）辅助驾驶装置包括车速自动控制、变速器自动控制、动力转向控制等。

（2）信号装置包括数字显示仪表、故障诊断系统、各种报警装置及各种监视器等。

（3）安全装置包括防滑装置、汽车高速感应门锁、防撞空气袋、防锁死制动系统（ABS）等。

（ 4 ）舒适、方便装置包括自动空调系统、自动车窗和座椅调节系统、立体声音响、导航系统、汽车等。

1．2汽车电子控制技术的现状
随着像微电脑这类电于产品的不断更新，极促进了汽车电子控制技术的发展。

这些电子产品的可靠性不断提高，制造成本不断降低，用于汽车的电子产品尺寸不断减小。

到了90年代初，人们终于感受到现代电子技术广泛地应用于汽车发动机控制及其它部分的控制所带来显著的经济效益和社会效益。

当前的汽车电子控制技术可分为四大类（见图 1.2），即动力牵引系统控制、车辆行驶姿态控制、车身（车辆部）控制和信息传送。

图 1. 2 汽车电子控制技术分类
1．2．1动力牵引系统控制
所谓动力牵引系统是用来产生驱动汽车的原动力，并把这一动力转换成可直接驱动车轮的扭矩。

动力牵引系统控制包括发动机控制和传输系统控制。

发动机控制系统一般分为燃油喷射控制、点火时间控制、怠速
运转控制、发动机爆燃控制和其它相应的控制。

对于汽油机的电子控制系统具有诸如燃油喷射控制、点火时间控制、怠速运转控制和故障诊断等功能。

通过这些功能的执行可使汽油机处于最佳的工作状态。

汽油机控制的典型系统如图 1.3所示，图中所示的汽油机控制系统是采用多点喷射（MPI）的燃油喷射控制方法。

即在汽油机的各气缸进气支管中安装燃油喷射器，通过对各燃油喷射器的控制来控制喷入各气缸的油量。

当前在工业发达国家几乎所有新出厂的轿车都无一例外地采用了电子燃油喷射（EFI）技术。

对于柴油机而言，为了减少其排烟，降低噪声和振动，柴油机的电子控制主要集中在燃油喷射量、燃油喷射时间、进气节流和电热塞的电流控制方面。

图 1.4显示了柴油机的控制系统，图中的喷油泵控制系统已由原来的机械控制变为电子控制，但柴油机喷油泵的基本控制机构仍是机械式的，这与采用电子燃油喷射的汽油机有明显的差别。

在90年代初，许多国家，特别是美国，制定了控制柴油机过量微粒的排放法规。

由于在不远的将来会对车用柴油机提出更为严格的全排放控制要求，这就完全有可能促进柴油机全电子控制的研究及相应的产品开发。

包括电子变速控制在的电子动力传输控制，基本上是直接控制汽车车轮的传动。

它通过对油门位置和车速的检测，由微电脑控制变速器使其达到最佳的汽车行驶扭矩，并锁闭该运行点和液力离合器的液压。

在齿轮变速和离合器锁闭期间，将所要求的信号送至发动机电子控制单元（ECU），有些系统通过控制发动机的转速来减轻对变速器换档时的冲击。

图5显示了汽车传动系统的控制，与机械传动系统比较，由于采用电子控制系统可使动力传送的精度提高，变速器的设计更加随意，控制机构更加简单，并能改善汽车的燃油经济性和驾驶性。

所以电子传动控制系统的性能非常令人满意。

目前一种将发动机电子控制单元和传动系统电子控制单元合二为一的控制系统即动力牵引控制系统已在日本、美国和欧洲生产的汽车中使用。

1—锁止离合电磁阀；2—锁止离合器；3—变扭器；4—超速档机构；
5—变速器输入转速传感器；6—变速齿轮及片式离合器组件；7—输出轴；
8—车速传感器；9—换档电磁阀；10—液压回路；11—蓄压器泄压阀
图 5 汽车传动系统控制
1.2.2车辆行驶姿态控制
车辆行驶姿态控制系统可以看作这样一种电子控制系统，即采用电子技术来控制车辆运行中的三种基本的运行特征：行驶、转弯和停车。

采用电子技术给车辆行驶姿态控制系统带来了相当大的改进，尤其是在汽车驾驶灵敏性、行驶稳定性及司乘人员的舒适性等方面更为突出。

车辆行驶姿态控制系统可分为：悬挂系统控制、驾驶系统控制、防锁死刹车系统控制（ABS）、行驶控制、轮胎／地面附着力（防滑）控制和四轮转向系统控制。

悬挂系统控制是用来改变车身的高低和缓冲弹簧的弹力，并根据车辆的载荷及路面条件改变吸收冲击力的缓冲弹簧阻尼力的大小。

控制车身高度的目的是在于车辆的载荷无论怎样变化，通过该控制系统均能使车身和地面之间始终保持设定的距离，或者汽车在高速行驶过程中，通过降低车身高度来减少空气的气动阻力并增强汽车在高速行驶时的稳定性。

像雪铁龙一类的轿车采用人工控制车身高度已有一段历史了。

在悬挂系统的电子控制系统中，
电子控制单元（ECU）接收来自车身高度传感器、车速传感器等各种传感器发送来的信号。

经处理后，ECU 发出反馈信号给改变车身高度的执行器，使车身高度达到一最佳值。

悬挂系统的弹簧力控制和吸收冲击阻尼力的控制是用来提高车辆行驶时的操纵性能，使得车辆在急转弯、突然加速和紧急刹车时，尽可能少地改变车辆的行驶姿态。

对于汽车的悬挂系统而言，一方面要求有较为柔性的悬挂系统以达到较为舒适的乘坐环境。

而另一方面却与之截然相反，为了提高汽车的可操纵性能，就要求有较为刚性的悬挂系统。

图6显示了悬挂系统中的吸收冲击阻尼力控制系统。

1—转向传感器；2—停车灯开关；3—车速指示；4—悬挂系统执行器（后）；
5—悬挂系统电子控制单元；6—模式选择开关；7—空档启动开关；
8—节气门位置传感器；9—悬挂系统执行器（前）
图6减震器阻尼力控制系统
驾驶系统控制包括用于操纵动力转向系统转向力的电子控制。

所谓转向力的控制是指当车辆停止或低速行驶时减小转动方向盘的力，而当车辆高速行驶时增加转动方向盘的力，以使车辆驾驶保持平稳。

该系统还允许司机去选择对他们最适宜的方向盘操纵特性。

在80年代，日本的许多汽车制造厂家已开始在所生产的轿车中引进了电子转向控制系统。

防锁死刹车控制系统（ABS）是用来防止汽车在刹车时车轮不被锁死。

采用此控制系统可提高汽车驾驶的稳定性。

判断汽车在刹车时车轮是否被锁死，是通过对车速和轮速的比较来作出的。

但实际上在对实际车速的检测中，由于车轮与地面之间的滑动及其它因素所产生的问题，一般对车速的测定仍是通过对车轮转速的检测来大约估算的。

在汽车电子控制技术发展进程中，防锁死刹车控制系统的应用较其它电子控制技术在汽车中的应用相对较早些。

自从美国福特汽车制造公司于1968年在汽车中首先采用该控制系统起到目前，已在日本、美国及欧洲等国汽车制造业中得到普及。

最初设计的ABS系统作用于汽车的后轮，以保证汽车在刹车过程中能平稳行驶。

目前采用微电脑的四轮防锁死刹车控制系统应用得更多些，这样不仅能防止汽车在刹车过程中后轮被锁死，而且还能防止用于转向的前轮也不被锁死，从而使汽车行驶方向的稳定性得以增强，并且还能提高
汽车的可操纵性。

恒定车速控制（又称为自动巡航控制）是通过控制节气门位置来保持预先设定的车速，而司机不需脚踩加速踏板。

该控制系统是根据车速传感器、定速控制开关及定速取消开关的信号，通过进气管的负压压力或一台小电机来调节节气门挡板的。

防滑控制是用来防止汽车在起步和加速时驱动轮打滑。

判断车轮是否打滑是通过对车速和轮速的比较来完成。

通过对驱动轮的制动及降低发动机的输出功率，使轮胎和路面的滑移率处于一个最佳的值。

这样可使汽车在起步或加速时的驾驶性和稳定性处于最佳的状态。

四轮转向（4WS）控制是由安装在后悬挂器处，用于操纵后轮的后轮转向机构及前轮转向机构所组成，这样前后四个车轮均能进行转向操纵。

采用该控制系统的目的是为了提高汽车在低速时的转向性能及在高速行驶时的转向能力。

1．2．3车身（车辆部系统）控制
设计车身控制（又称车辆部系统控制）的目的是为司乘人员提供更为舒适、更为便利及更为安全的环境，并能够提高整车的市场竞争力。

车身控制系统包括如下的电子控制：车用空调控制，数字化仪表显示，挡风玻璃的雨刷控制，车灯控制，车后障碍检测，安全保护系统，多路通讯系统，门锁控制，电动车窗控制，电动坐椅控制，安全带控制及空气袋控制等。

汽车空调控制系统用来控制车厢的温度，使车温度保持在一设定的舒适温度围。

该系统控制车空气温度、空气出口流量、风扇速度、吸人空气或排出空气及空调压缩机的运行等。

多路通讯系统是采用一条通讯线路来传送多路信号，这样可大大减少线路、线路包覆物及整个通讯系统的重量。

并能做到采用同类的传感器在各系统之间进行数据传送，以便对汽车进行精确的控制。

常用的通讯线为光导纤维及扭花双线电缆。

常用的汽车门锁锁定系统是当车速超过预先设定的车速时，该机构动作，锁上车门。

一种新颖的遥控门锁系统是用一台微型遥控器在车外锁上或打开汽车门锁。

目前这种新颖的遥控门锁装置在市面上有售。

设计空气袋的目的是用来当发生撞车时，在司乘人员的前面快速吹出一个空气袋来保护司乘人员。

空气袋一般装在方向盘中或其它适当的地方，一旦发生撞车事故，用氮气或其它气体在极短的时间将气袋吹开。

由于以上这些控制系统给汽车制造业带来十分明显的效益，因此目前在高、中档轿车中已广泛采用。

一、电控发动机技术介绍
电控发动机是在对原发动机进行局部改进后得到的一种新型发动机。

它增加了发动机控制模块（即 ECM ）以及由其控制的传感器和执行器等电子设备。

根据大气压力、汽车负载等外界条件的变化，由电子设备自动调整发动机的供油量、供油提前角等参数，对发动机的工况进行优化，满足功率输出和油耗、排放等要求。

在实际应用中，由于发动机的使用环境有所变化，实现发动机的控制所需要的传感器和控制项目可能有相应的改变。

目前电控发动机控制项目的主要容如下表：
完整的汽车发动机电控系统构成图
信号输入控制输出系统控制
图7汽车发动机电控系统构成图
车辆上常用发动机包括汽油发动机和柴油发动机，目前市场上有少量的燃气发动机和双燃料发动机，但双燃料发动机及燃气发动机均是由汽油机或柴油机改制而成的。

因发动机类型不同实现电控所需传感器和执行器等电器元件的数量、种类也有所区别，但其电控原理是基本类似的，下面就电控发动机的有关知识作一介绍。

电控发动机的主要控制功能包括怠速控制，电控燃油喷射，电子点火提前，诊断功能，安全保险功能和废气再循环等功能。

1 、电控燃油喷射
发动机各种运行工况的最佳喷油持续时间存放在 ECM 的存储器中。

ECM 根据空气流量计或进气歧管绝对压力传感器、发动机转速传感器、进气温度传感器和冷却水传感器等提供的信号，计算出最佳喷油持续时间。

2 、电子点火提前
发动机各种运行工况下的最佳点火正时的数据也存在 ECM 的存储器。

ECM 根据来自各种传感器（电控燃油喷射）的信号控制点火正时，使点火时刻始终保持在最佳值。

3 、怠速控制
ECM 根据发动机怠速运行工况的要求控制发动机转速，在 ECM 的存储器存储了不同怠速工况下的控制目标值。

ECM 根据发动机转速、冷却水温度、空调开关、动力转向开关等信号控制怠速，使怠速转速接近目标值。

4 、诊断功能
ECM 不断地检测各种传感器的输入信号，若 ECM 检测到输入信号中任何一个信号出现不正常现象， ECM 即将不正常现象用数据形式存入存储器，需要时，可通过数据或灯光显示故障容。

5 、安全保险功能
如果 ECM 输入的信号不正常，它将按照存中存储的固定喷油持续时间和固定点火提前角（或喷油正时）控制发动机，使发动机能够继续维持工作。

ECM 本身出故障时，装有备用控制系统的发动机能继续对喷油和点火进行控制，使车辆继续行驶。

6 、发动机其他辅助控制功能
在一些发动机中，还装有进气旋流控制、废气再循环控制（ EGR ）增压器压力控制及其他辅助控制装置。

电控系统的组成及功用
电控系统的组成及功用按其控制原理和各部件的功用可分为传感器，电控单元 ECM （有的资料上也称ECU ）和执行器，它们的逻辑关系如下：
即传感器是电控系统的触角，它将从不同部位获得的数据传递到电控单元 ECM ，电控单元 ECM 对信息进行处理后对执行器发出指令，由执行器执行各种操作。

电控系统各部件的组成及功用如下：
1 、空气流量传感器：用于测量进入气缸的进气量的多少。

2 、空气阀：低温启动时，向发动机提供额外空气，使发动机迅速暖车，即缩短暖车时间。

3 、怠速控制阀：根据发动机实际工况改变怠速时的发动机供气量。

4 、真空调节器：在汽车急减速进气管真空度急剧升高时调节其真空度，防止发动机瞬时熄灭。

5 、燃油泵：根据发动机工作需要提供适当压力的燃油。

6 、燃油压力调节器：控制喷油器的喷油压力保持发动机所需的恒定值。

7 、燃油压力脉动减振器：用于减弱燃油输送管道中的压力脉动传递，降低噪声。

8 、喷油器：电喷发动机喷油器的喷油开始和终止由继电器控制。

9 、水温传感器：安装在发动机节温器出水口附近，检测发动机冷却水温度。

10 、进气温度传感器：检测吸入发动机的空气温度，是确定燃油基本喷油量的三个传感器之一。

11 、曲轴位置传感器：确定曲轴所处转角位置，以选择各缸对应的喷油时刻等。

12 、发动机转速传感器：空气流量传感器仅能测出单位时间吸入的空气量，其与发动机转速传感器相配合，可以测量出每个工作循环吸入的空气量。

13 、车速传感器：用于测量汽车的行驶速度。

14 、节气门开度传感器：用于测量节气门是处于全开还是全闭的位置，此信号，用于满足节气门不同开度的喷射量控制。

（汽油机）
15 、爆震传感器：通过测量发动机的燃烧状况而由 ECM 调整发动机的点火时刻，防止发生爆震。

16 、氧传感器：通过测量废气中氧的含量间接测量发动机的空燃比。

17 、大气压力传感器：测量大气压力，此信号用于 ECM 对燃油喷射量进行修订。

18 、冷起动喷油器控制传感器：在发动机低温时，使冷起动喷油器喷油，改善发动机冷起动性能。

19 、信号开关：信号开关主要包括起动信号，空调信号和电子负荷信号，分别向 ECM 提供是否处于起动状态，空调是否接通和车辆的负荷等信息。

20 、喷油器附加电阻：在控制喷油器线圈的电路串联一个附加电阻，流过电磁线圈的电流受到限制而减少，以提高喷油器电磁线圈的响应特性。

21 、主继电器：用于使包括 ECM 在的燃油控制系统的各部件不受电源干扰和电压脉冲的干扰。

22 、断路继电器：断路继电器用于控制电动燃油泵，只有发动机运转时才工作，发动机不运转时，停止供油，这是为了保证安全，如发生撞车时，若无此控制功能，则仍有可能喷出高压油，引发火灾等事故。

23 、发动机控制模块（ ECM ）： ECM 实际上是个简易电脑，是个综合控制装置，是电控系统的中枢。

它是通过安装在发动机及车身不同位置的传感器及请求开关，对发动机的工作状态进行分析后，再通过发动机及车身上的执行器对发动机及相应的机构进行控制。

ECM 也是发动机与外界对话的窗口，通过 ECM 与电脑的连接，可以进行电控系统故障判断，可以了解发动机的工作状况和维修历史等。

通过对 ECM 中有关参数的修改可以改变发动机的功率、最高转速和最高车速等参数。

二、电喷发动机技术介绍
为了使发动机可燃混合物的配比更能适应发动机的工况、温度、车速等要求，减少汽车的尾气排放污染，许多轿车上都装有电子控制汽油喷射装置，即“电喷”装置，这种装置的最大优点是使各缸喷油量均匀，可燃用较稀的混合气。

因此，动力性和经济性都比同类发动机好。

但由此也带来许多比一般发动机更“娇气”。