根据发动机的控制策略,发动机控制系统由传感器、控制器、执行器三大部分组成。传感器是感知信息的部件,可向控制器提供汽车运行状况和发动机工况等相关信息。发动机控制器即发动机控制模块(ECM,可以接收来自传感器的信息并存储相关信息,经计算和分析处理后发出相应的控制指令给执行器。执行器即执行元件,其作用是执行控制器的指令从而达到控制目标。传感器、控制器和执行器相互间的简单工作关系如图2-1所示。发动机控制系统结构组成如图2-2所示。
传感器：
在汽车发动机控制系统中,传感器的作用是将汽车各部件运行的状态参数(各种非电量信号)转换成电信号并输送到各种控制器,用以监测各部件运行情况和环境条件。
(1)空气流量传感器空气流量传感器监测吸入发动机的进气量,并将信号输入给ECM,以便确定喷油量的多少,是燃油喷射重要的参考信号。
(2)进气歧管压力传感器进气歧管压力传感器通过测量进气管绝对压力间接检测进气量,并将信号输入给ECM以确定喷油量,也是燃油喷射过程中重要的参考信号。
(3)节气门位置传感器节气门位置传感器监测节气门的开度(如节气门全闭、部分开启和全开等)及开度变化情况,并将信号输入给ECM,以此对燃油喷射及自动变速器换挡等进行控制。
(4)曲轴位置传感器曲轴位置传感器也可称为发动机转速传感器,它检测发动机曲轴的转速与转角,并将信号输入ECM,以便控制喷油提前角和点火提前角的大小,是燃油喷射和点火控制的主控制信号。
(5)凸轮轴位置传感器凸轮轴位置传感器检测活塞上止点位置信号(又称为气缸识别传感器),以便控制喷油和点火时刻,是点火控制的主控制信号。
(6)冷却液温度传感器冷却液温度传感器向ECM提供冷却液温度信号,用于修正喷油量和点火提前角,是燃油喷射和点火控制的修正信号。
(7)进气温度传感器进气温度传感器向ECM提供发动机进气温度信号,作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
(8)氧传感器氧传感器检测废气中氧气的含量,向ECM输入可燃混合气空燃比反馈信号,以便修正喷油量并实现空燃比的闭环控制。
(9)爆震传感器爆震传感器检测发动机是否爆燃及爆燃强度,并将信号输入给ECM,以便修正点火提前角并实现点火提前角闭环控制。
(10)大气压力传感器大气压力传感器检测大气压力,并将信号输入ECM,作为燃油喷射和点火控制的修正信号。
(11)车速传感器车速传感器检测汽车行驶速度,并将信号输入ECM,可控制发动机转速,实现超速断油控制。在发动机和自动变速器共同控制时,也是自动变速器的主控制信号。
除以上传感器向ECM输入控制信号之外,还有点火开关信号、发电机负荷信号、空调开关信号(A/C)、挡位开关信号和空挡位置开关信号、蓄电池电压信号、离合器开关信号、制动开关信号、动力转向开关信号、巡航(定速)控制开关信号等输入ECM,以更好地对喷油量点火提前角等进行控制,适应汽车的不同运行工况。
控制器：
ECM是发动机控制系统的核心,可被视为发动机控制系统的大脑,具有强大的数学运算、逻辑判断数据处理与数据管理等功能,其作用主要体现在以下几个方面①给传感器提供参考(基准)电压②存储分析计算所用的程序、车型的特点参数、运算中的数据及故障信息;
③运算分析,即根据信息参数求出执行命令并输出给执行器;
④将输出的信息与标准值对比,查出故障并输出故障信息;
⑤自我修正(自适应功能)ECM是以微型计算机为核心组成的电子控制装置,并在内存中存储着设计者事先编制的程序或控制软件,即ECM由硬件和软件两部分组成。
1.硬件ECM的硬件按照功能可分为输人电路、微型计算机和输出电路三个部分,如图2-3所示。随着芯片集成度的提高,现代汽车ECM中组成微型计算机的微处理器(CPU)、存储器、时钟发生器、定时器、输入输出(I/O)接口和输入元件中的模/数(A/D)转换器等均已集成于大规模集成电路芯片中,具有计算机的全部功能。
从传感器来的信号,首先进入输入处理电路进行预处理,一般是在去除杂波和把正弦波变为矩形波后转换成输入电平。对于CPU不能直接处理的模拟信号,A/D转换器将其转换为数字信号后再输入。输出处理电路将CPU发出的指令转变成控制信号来驱动执行器工作,般有控制信号的生成和放大等功能。
2.软件ECM的软件包括控制程序和数据两部分,最主要的是主控程序。主控程序的主要任务是实现整个系统初始化、协调系统工作时序、设定控制模式,包括常用工况及其他工况下喷油信号和点火信号的输出程序,软件中还有转速和负荷的处理程序、中断处理程序等。为实现发动机各种工况及运行条件下最佳的综合性能,ECM必须以最佳的控制参数(如喷油脉宽和点火提前角)控制发动机在最佳运行状况下运转,这些控制参数的最佳数据是设计人员经过精确计算和大量实验取得的、全部以离散数据的形式预先存储在只读存储器(ROM)中。
3.工作过程发动机起动时,ECM进入工作状态,相应程序从ROM中被读取至CPU。这些程序可以用来控制点火时刻、燃油喷射、怠速等。通过CPU的控制,一个个指令逐个地循环执行。执行程序中所需要的发动机信息来自各个传感器。从传感器来的信号,首先进入输入电路进行处理。如果是数字信号,则直接经I/O接口进入微处理器;如果是模拟信号,则经A/D转换器转换成数字信号后才经I/O接口进入微处理器。大多数信息暂时存储在RAM内,根据指令再从RAM送到CPU。有时需将存储在ROM中的参考数据引入CPU,使输入传感器的信息与之进行对比。对来自有关传感器的每一个信息依次取样,并与参考数据进行比较。
CPU对这些数据进行比较运算后,做出决定并发出输出指令信号,经I/O接口,必要的信号还要经D/A转换器变成模拟信号,最后经输出电路去控制执行器动作。
执行器:
执行器是电子控制系统的执行机构,执行器接收ECM发来的各种指令,完成具体的执行动作。发动机控制系统中主要的执行器及其功能如下:
(1)燃油泵电动燃油泵供给燃油喷射系统规定压力的燃油。
(2)喷油器喷油器根据ECM的喷油脉冲信号精确控制燃油喷射量并喷人进气管(或气缸)内。
(3)怠速控制阀(或电子节气门)怠速控制阀或电子节气门根据发动机的负荷情况,控制发动机的怠速转速。
(4)蒸发排放电磁阀蒸发排放电磁阀根据ECU的控制指令精确控制碳罐中所储存的汽油蒸气进入进气歧管参与燃烧,以减少排气污染。
其他执行器还有EGR阀、冷却风扇、空调压缩机、自诊断显示与报警装置等,另外,现代汽车设置了专门的故障诊断通信接口,主要用于与专用故障诊断仪相连接进行车外诊断,读取故障信息和参数。
随着发动机电子控制功能的增加,执行器也将相应增加。现代汽车广泛应用的集中控制系统,它将多种控制功能集成到一个ECM上,通过对各种传感器和各种执行器的不同组合,可组成不同的控制子系统,如燃油喷射系统、点火控制系统、可变进气歧管控制系统、废气涡轮增压系统、可变气门正时控制系统、废气再循环控制系统、三元催化转化与空燃比控制系统、故障自诊断与失效保护系统等,一个输入信号可以多次重复使用,也可作为几个控制系统的输入信号,使得电子控制系统结构和线路大大简化,成本也随之降低。
