(精品)现代汽车典型电控系统结构原理与故障诊断第2章.ppt

第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.1 可变配气相位及气门升程电子控制系统可变配气相位及气门升程电子控制系统 2.2 电控汽油喷射系统电控汽油喷射系统 2.3 电控柴油喷射系统电控柴油喷射系统 小结小结思考与练习思考与练习 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.1 可变配气相位及气门升程电子控制系统可变配气相位及气门升程电子控制系统 2.1.1 结构特点结构特点VTEC(Variable Valve Timing and Valve Life Electronic Control System)是本田汽车公司开发的先进的发动机技术，也是世界上第一个能同时控制气门开闭时间及升程两种不同情况的气门控制系统。VTEC的意思是“可变气门配气相位及气门升程电子控制系统”。与普通发动机相比，VTEC发动机所不同的是凸轮与摇臂的数目及控制方法，它有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的调节进行自动转换。通过VTEC系统装置，发动机可以根据行驶工况自动改变气门的开启时间和提升程度，即改变进气量和排气量，从而达到增大功率、降低油耗及减少污染的目的。例如：本田1.6 L的发动机，装用了VTEC机构后，其最大功率从88 kW增大到118 kW，最高转速达8000 r/min。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.1.2 结构与原理结构与原理 1进气门迟闭角对充气效率进气门迟闭角对充气效率v和发动机功率和发动机功率Ne的影响的影响合理选择配气正时，保证最好的充气效率v，是改善发动机性能极为重要的技术问题。分析内燃机的工作原理，不难得出这样的结论：在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变对充气效率v影响最大。进气门迟闭角改变对充气效率v和发动机功率Ne的影响关系可以通过图2-1进一步给以说明。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-1 进气门迟闭角对v和Ne的影响第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-1中每条充气效率v曲线体现了在一定的配气正时下，充气效率v随转速变化的关系。如迟闭角为40时，充气效率v是在约1800 r/min的转速下达到最高值，说明在这个转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。当转速高于此转速时，气流惯性增加，就使一部分本来可以利用气流惯性进入汽缸的气体被关在汽缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使充气效率v下降。当转速低于此转速时，气流惯性减小，压缩行程初始时就可能使一部分新鲜气体被推回进气管，充气效率v也下降。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图中不同充气效率v曲线之间，体现了在不同的配气正时下，充气效率v随转速变化的关系。不同的进气迟闭角与充气效率v曲线最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，与充气效率v曲线最大值相当的转速也增加。迟闭角为40与迟闭角为60的充气效率v曲线相比，曲线最大值相当的转速分别为1800 r/min和2200 r/min。由于转速增加，气流速度加大，大的迟闭角可充分利用高速的气流惯性来增加充气。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 改变进气迟闭角可以改变充气效率v曲线随转速变化的趋向，以调整发动机转矩曲线，满足不同的使用要求。不过，更确切地说，加大进气门迟闭角，高转速时充气效率v增加有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。减小进气迟闭角，能防止气体被推回进气管，有利于提高最大转矩，但降低了最大功率。因此，理想的气门正时应当是根据发动机的工作情况及时做出调整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构来说，由于在工作中无法做出相应的调整，也就难以达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 如图2-1所示，通过试验证明，两种进气门迟闭角的充气效率v和功率Ne的变化规律是：(1)低速时，晚关60的v低、Ne升高迟后；(2)高速时，越过23002500 r/min后，晚关60的v 和Ne明显优于40的相位角；(3)有一个转折点a，这就是可变配气相位的控制点(VTEC起作用的始点)。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2VTEC机构的组成机构的组成整个VTEC系统由ECU控制，接收发动机传感器(包括转速、进气压力、车速、水温等)的参数并进行处理，输出相应的控制信号，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，获得所需的动力，VTEC机构的组成如图2-2所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-2 VTEC机构的组成 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 VTEC机构中两个排气门由单独的凸轮和摇臂驱动；两个进气门由单独的不同升程和相位的凸轮和摇臂驱动。主次摇臂之间装有中间摇臂，它不与任何气门直接接触，三者依靠专门的柱塞联动。中间凸轮的升程最大，它是按发动机“双进双排”、高转速、大功率的工作状态设计的。三个摇臂靠近气门的一侧制有柱塞孔，孔中有靠油压控制的滑动柱塞，以便锁止联动。控制油压由ECM的电磁阀控制，并有油压报警开关，提供5 V的油压过低报警信号(低于49 kPa时)，一般油压应在245 kPa以上，发动机不运转时或油压过低时，压力开关导通。当VTEC机构投入工作时，在油压的作用下，压力开关断开，给ECM一个反馈信号，确认凸轮已转换工作。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3VTEC的工作原理的工作原理(1)发动机低速运转时，ECM无工作指令，油道内无控制油压，各摇臂中的柱塞都在各自的孔中，各摇臂独自摆动，互不影响。主摇臂随主凸轮开闭主进气门，供给低速运转涡流混合气；次凸轮推动次摇臂微开次进气门，以防燃油积存；中间摇臂虽然随中间凸轮大幅度地摆动，但只是空转，对任何气门都不起作用。为了减少噪声，中间摇臂的一端，设有支撑弹簧。此时，发动机处于“单进双排”的工作状态。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(2)发动机高速运转时，即当发动机转速达到23002500 r/min，车速达到10 km/h以上，节气门开度达到25%以上，水温在60以上时，ECM命令VTEC电磁阀开启液压油道，油压推动正时柱塞、同步柱塞和限位柱塞移动，将三个摇臂栓为一体。由于中间凸轮的升程大于另外两个凸轮，且凸轮的相位角也加大，主次进气门都大幅度地同步开闭。(3)汽车在静止状态空转时，VTEC机构不投入工作。动态VTEC机构投入工作时，车速会有明显提高。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.1.3 故障诊断与检修故障诊断与检修VTEC的电控电路有二个故障码：故障码21是可变配气相位及气门升程控制电磁阀故障；故障码22是配气相位及气门升程油压开关P/S故障。ECM的A端子会输出12V电压使电磁阀作用，开启液压油道，油压推动正时柱塞、同步柱塞和限位柱塞移动，将三个摇臂栓为一体，以使气门行程增加。电磁阀线圈电阻的标准值为1430。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 可变配气相位及气门升程的油压开关P/S的触点，在点火开关OFF时是导通的，而当发动机在1000 r/min、2000 r/min及4000 r/min时，油压应在49 kPa，否则说明电磁阀未打开(有故障)。可变配气相位及气门升程控制油压开关，如图2-3所示，将VTEC电磁阀直接通电，发动机转速达3000 r/min时，油压应达到245 kPa以上，否则说明机油泵泵油不良或润滑系统有泄漏。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-3 可变配气相位及气门升程控制油压开关 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.1.4 应用实例应用实例以该系统在Passat B5轿车上的应用为例。1可变配气相位及气门升程系统的结构可变配气相位及气门升程系统的结构Passat B5轿车最新选用2.8升V6发动机，该发动机对可变配气相位和气门升程系统进行了特别设计。从俯视观察，Passat B5轿车V6发动机VTEC机构传动方式及进排气凸轮轴分布如图2-4所示，排气凸轮轴安装在外侧，进气凸轮轴安装在内侧。曲轴通过齿形皮带首先驱动排气凸轮轴，排气凸轮轴通过链条驱动进气凸轮轴。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-4 Passat B5轿车V6发动机VTEC机构传动方式及进排气凸轮轴分布第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.可变配气相位及气门升程调节器VTEC调节器如图2-5所示，(a)图为发动机在高速状态下，为了充分利用气体进入汽缸的流动惯性，提高最大功率，进气门迟闭角增大后的位置(轿车发动机通常工作在高速状态下，所以这一位置为一般工作位置)。(b)图为发动机在低速状态下，为了提高最大转矩，进气门迟闭角减少的位置。进气凸轮轴由排气凸轮轴通过链条驱动，两轴之间设置一个可变气门正时调节器，在内部液压缸的作用下，调节器可以上升和下降。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-5 VTEC调节器(a)发动机在高速状态；(b)发动机在低速状态 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 当发动机转速下降时，可变气门正时调节器下降，上部链条被放松，下部链条作用着排气凸轮旋转拉力和调节器向下的推力。由于排气凸轮轴在曲轴正时针转动的皮带的作用下不可能逆时针旋转，所以进气凸轮轴受到两个力的共同作用：一是在排气凸轮轴正常旋转带动下链条的拉力；二是调节器推动链条传递给排气凸轮的拉力。进气凸轮轴顺时针额外转过角，加快了进气门的关闭，即进气门迟闭角减少度。当转速提高时，调节器上升，下部链条被放松。排气凸轮轴顺时针旋转，首先要拉紧下部链条成为紧边，进气凸轮轴才能被排气凸轮轴带动旋转。就在下部链条由松变紧的过程中，排气凸轮轴已转过角，进气凸轮才开始动作，进气门关闭变慢了，即进气门迟闭角增大度。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3.两种工作状态从图2-4和图2-5不难看出，该发动机左侧和右侧的可变配气相位和气门升程调节器操作方向始终要求相反。当发动机的左侧可变配气相位和气门升程调节器向下运动时，右侧可变气门正时调节器向上运动，左侧链条紧边在下边，右侧链条紧边在上边。调节器向下移动时，紧边链条都是由短变长。当Passat B5轿车发动机转速高于1000r/min时，要求进气门关闭得较早，如图2-6(a)所示。左列缸对应的可变气门正时调节器向下运动，上部链条由长变短，下部链条由短变长。右列缸对应的可变配气相位及气门升程调节器向上运动，上部链条由短变长，下部链条由长变短。左右列缸对应的进气凸轮轴在两个力的共同作用下都顺时针额外转过角，加快了进气门的关闭，满足了低速进气门关闭较早可提高最大转矩的要求。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-6 Passat B5轿车VTEC的两种工作方式 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 4.可变配气相位和气门升程的微机控制Passat B5轿车2.8升V6发动机的可变配气相位及气门升程系统由Motronic M3.8.2发动机控制单元进行控制。Passat B5轿车VTEC微机控制关系如图2-7所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-7 Passat B5轿车VTEC微机控制关系 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 左右列缸对应的可变配气相位及气门升程机构均设置了一个电磁阀，电磁阀与调节器的关系如图2-8所示。发动机在获得转速传感器的信息后，对左右列缸对应的可变气门正时电磁阀的控制方式做出正确选择并控制阀体动作。当获得不同阀体位置时，通往可变配气相位和气门升程调节器内的液压缸油路变换，使得可变配气相位和气门升程调节器上升或下降，以至于左右列缸对应的进气门获得不同的迟闭角。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-8 电磁阀与调节器的关系 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.2 电控汽油喷射系统电控汽油喷射系统 2.2.1 系统特点系统特点(1)利用电脑ECU计量控制，均匀点喷，随机修正，能使空燃比(A/F)控制在14.7理想范围内。(2)充气效率高、燃烧条件好及热效率高。(3)获得良好的动力性、经济性和净化性。采用电控燃油喷射系统动力性提高了15%20%，油耗降低了5%10%，净化性提高了20%以上(CO1%，HC100106)。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(4)改善了冷启动性能、热启动性能、加速性能、急减速防污染性能等。(5)扩大了控制功能，增加了自诊断功能、电控点火装置等，具备了各自的故障报警、存储和自诊功能。(6)发动机油路和电路故障率减少。例如：其关键部件电脑(ECU)，十万公里的故障率仅为千分之一。其他部件也制造精密、可靠性好。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.2.2 系统分类与组成系统分类与组成1电控汽油喷射系统的分类汽油喷射系统可按喷射部位、喷油器的组合方式、控制方式、喷射压力等方法分类。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.电控汽油喷射系统的组成电控汽油喷射系统(D型、L型、LH型、LD型等)都是由空气供给系统、燃油供给系统、微机控制系统和电子点火系统四个部分组成。L型电控燃油喷射系统的组成如图2-9所示；D型电控燃油喷射系统的组成如图2-10所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-9 L型电控燃油喷射系统的组成 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-10 D型电控燃油喷射系统的组成 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 1)空气供给系统空气供给系统的功用是：向汽油机提供与发动机负荷相适应的、清洁的空气，同时对流入发动机气缸的空气质量进行直接或间接计量，使它们在系统中与喷油器喷出的汽油形成空燃比符合要求的可燃混合气。空气供给系统包括空气滤清器、进气总管、进气歧管、空气流量计AFS(L型)、进气歧管绝对压力传感器MAP(D型)、节气门体和节气门位置传感器TPS等。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2)燃油供给系统电控汽油喷射系统的燃油供给系统由油箱、电动汽油泵、燃油滤清器、燃油分配管、喷油器、压力调节器等组成。对于不同类型的电控汽油机，燃油供给系统的组成部件可能会有些差异，如有的电控汽油机还有冷启动喷油器、油压脉动缓冲器等部件，但总体构成上基本相似。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3)微机控制系统微机控制系统由电脑ECU、主继电器EFI、传感器和执行元件组成。传感器主要有：点火正时和曲轴位置传感器(IGT/NE)、转速传感器(SP)、节气门位置传感器(TPS)、压力传感器(MAP)、氧传感器(OX)、水温传感器(CTS)、气温传感器(ATS)、车速传感器(VSS)、空气流量计(AFS)、爆震传感器(KNK)等。执行元件主要有：电动汽油泵(FP)、喷油器(INJ)、真空电磁阀(VSV)、废气再循环装置(EGR)、怠速空气调节器(IAC)、炭罐电磁阀、风扇继电器等。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 4)电子点火系统电子点火系统由输入信号发生器、点火控制器(点火模块)、ECU、点火线圈、分电器等组成。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2.2.3 结构与原理结构与原理1空气流量计(AFS)在电控汽油喷射发动机中使用的空气流量计类型主要有：翼片式空气流量计、卡门涡旋式空气流量计、热线式空气流量计和热膜式空气流量计。1)翼片式空气流量计翼片式空气流量计又称活门式或叶片式流量计，它的基本构成有翼片部分、电位计和接线插头三部分，如图2-11所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-11 翼片式空气流量计 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2)卡门涡旋式空气流量计卡门涡旋式空气流量计是基于卡门涡旋发生的规律与空气流速存在的某种对应关系这一原理基础上，用来测量空气流量的一种装置。(1)卡门涡旋产生的原理。在一均匀流动的空气通道中安放一个涡流发生器，当空气流过涡流发生器时，会在其背面的两侧不断的交替产生有规律的涡流，这种涡流称为卡门涡旋。卡门涡旋产生的频率f(也即涡流的个数)与空气的流速V、涡流发生器的直径d有如下关系：第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(2)卡门涡旋式空气流量计的一般构造和工作原理。卡门涡旋式空气流量计主要由设置在空气通道中央的锥状涡流发生器和相应的涡旋检测装置等组成。由上面介绍的卡门涡旋产生的原理可知，只要测出卡门涡旋的发生频率，即可知道空气流量的大小。检测卡门涡旋频率有两种方法：光电检测方式和超声波检测方式。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 光电检测方式的卡门涡旋检测装置如图2-12所示，它由反光镜、发光二极管、光敏晶体管和板弹簧等组成。当空气流过涡流发生器时，受交替产生的卡门涡旋的影响，涡流发生器两侧压力也交替的发生变化。用导压孔把涡流发生器两侧的压力引到薄金属制成的反光镜背面，受涡流发生器两侧压力交替变化的作用，反光镜将产生与涡流发生频率相同的偏转振动。在反光镜产生偏转振动的同时，发光二极管投射到反光镜上的反射光束的方向也以相同的频率变化。当发射光束发射到光敏晶体管上时，光敏晶体管输出高电平，反之则为低电平。对应连续产生的卡门涡旋，光敏晶体管输出与之对应的脉冲数，通过对光敏晶体管发出的电脉冲计数，即可算出涡旋的发生频率，进而算出空气的流速和体积流量。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-12 光电检测方式的卡门涡旋检测装置 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 超声波检测方式的卡门涡旋检测装置由超声波信号发生器和超声波接收器等组成，如图2-13所示。它是利用卡门涡旋的存在，会使流道横截面空气密度发生变化这一现象来测量涡旋的发生频率。超声波信号发生器安装在空气流动的垂直方向，在它的对面安装超声波接收器。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-13 超声波检测方式的卡门涡旋检测装置 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3)热线式空气流量计(1)热线式空气流量计的基本构造。它主要由铂丝制成的热线(发热体)，温度补偿电阻，控制热线电流并输出信号的控制电路，采样管和流量计壳体等组成。根据铂丝热线在流量计中安装位置的不同，又分为主流测量方式和旁通测量方式两种结构型式。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 主流测量方式热线式空气流量计如图2-14所示。主流测量方式采样管置于主空气通道中央，两端为金属防护网，用卡箍固定在壳体上，采样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成。直径为70 m的铂丝热线布置在热线支承环内，铂丝热线R2的电阻值随温度的变化而变化。热线支承环前端的塑料护套内安装有一个铂薄膜电阻R4，铂薄膜电阻阻值也随进气温度变化，起温度补偿作用(也称为冷线)。在热线支承环后端的塑料护套上粘结了一个能用激光修正的精密电阻，它是惠斯通电桥的一个臂R1，该电阻上的电压，即为热线式空气流量计的输出电压信号。电桥的另一个臂R3装在控制线路板上面，该电阻在最后调试中用激光修正，以便在预定空气流量下调定空气流量计的输出特性。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-14 主流测量方式热线式空气流量计第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 热线空气流量计的电子控制线路板包括电桥平衡电路、烧净电路和怠速混合气调节电位器。电子控制装置的大多数元件(除R1、R2、R4外)都配置在这块混合集成电路板上，其上一般设置六脚插头与发动机微机控制装置相连接，传递并反馈信息。旁通测量方式与主流测量方式的热线式空气流量计在结构上的主要差别在于：将铂丝热线和温度补偿电阻(冷线)安装在空气旁通道上；热线和温度补偿电阻铂丝缠绕在陶瓷线管上，其工作原理与主流测量方式相同。旁通测量方式热线式空气流量计如图2-15所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-15 旁通测量方式热线式空气流量计 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(2)热线式空气流量计的一般工作原理如图2-16所示。当温度较低的进气气流流过放置在空气通道中温度较高的热线时，热线与空气发生热量的交换，使热线变冷，温度下降。通过热线的空气质量流量越大，被空气带走的热量也越多，热线温度下降也越多。由于热线是惠斯通平衡电桥电路的一个组成部分(即电阻R2)，当热线温度下降，电阻值发生变化时，电桥出现不平衡。为了使电桥平衡，必须加大流过热线的电流，使热线温度升高，阻值恢复到使电桥平衡的值。由此可知，流过热线的空气质量越大，空气带走的热量也越多，为保持电桥平衡，维持热线温度所需的电流也越大，反之则相反。热线式空气流量计正是利用流过热线的空气质量与保持热线温度所需热线电流的对应关系测量空气的质量流量的。发动机工作时，热线所需的加热电流一般在50120 mA之间。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-16 热线式空气流量计的一般工作原理第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 另外，在空气的质量流量不变的情况下，当进气温度发生变化时，会使空气从热线带走的热量发生变化，最终使加热热线所需的电流变化，对测量值的精度造成不利影响。为了解决这一问题，在采样管的前端另装一个温度补偿电阻R4(冷线)，R4的阻值也随进气温度的变化而变化，它起参照基准的作用。流过热线的电流由混合集成电路控制，它使热线和冷线之间的温度差保持不变(一般为100)，从而消除了进气温度对测量值的影响。热线式空气流量计的输出信号是精密电阻R1上的电压降，该信号与热线电流成正比。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 热线式空气流量计的优点：响应速度快，能在几毫秒内对空气流量的变化作出响应；测量精度高；进气阻力小；不会磨损；可直接测量进气空气的质量；等等。热线式空气流量计的缺点：制造成本高；热线表面易受空气中尘埃的玷污，使热辐射能力降低，影响精度；当空气流速分布不均匀时会产生误差；发动机回火易造成断线；等等。为了克服热线易受污染的缺陷，有些电控系统在ECU中设有自洁电路，在发动机熄火后，自动将热线加热至1000，持续1s，将尘埃烧掉；也有一些电控系统将热线的保持温度提高至200，防止污染物玷污热线。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 4)热膜式空气流量计热膜式空气流量计的结构如图2-17所示，它的工作原理与热线式空气流量计基本相同。热膜式空气流量计的主要特点是：发热体由热线改为热膜，热膜为固定在薄的树脂膜上的金属铂，或者用厚膜工艺将热线、冷线、精密电阻镀在一块陶瓷片上，它有效地降低了制造成本；发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，从而提高了发热体的强度和工作可靠性，且结构简单，使用寿命长，不易受尘埃污染。这种流量计的主要缺点是空气流速不均匀，易影响测量精度。采用这种空气流量计的车型有上海大众的桑塔纳2000型时代超人和马自达626等。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-17 热膜式空气流量计的结构 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2进气歧管绝对压力传感器进气歧管绝对压力传感器(MAP)1)半导体压敏电阻式压力传感器半导体压敏电阻式压力传感器的结构如图2-18所示。它由压力转换元件和对输出信号进行放大的混合集成电路等构成。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-18 半导体压敏电阻式压力传感器的结构 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 压力转换元件是利用半导体压阻效应制成的硅膜片。硅膜片为边长约3 mm的正方形，其中部经光刻腐蚀形成直径约2 mm、厚约50 m的薄膜。在膜片表面规定位置有四个应变电阻，以惠斯通电桥方式连接，压敏电阻式压力传感器工作原理如图2-19所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-19 压敏电阻式压力传感器工作原理图 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 硅膜片的一侧是真空室，另一侧导入进气歧管压力。进气歧管侧的绝对压力(即进气歧管压力)越高，硅膜片的变形越大，其变形与压力成正比，膜片上的应变电阻阻值的变化也与变形的变化成正比。这样就可利用惠斯通电桥将硅膜片的变形转换成电信号。由于压力转换元件输出的电信号很弱，所以需用混合集成电路进行放大后才能输出。半导体压敏电阻式压力传感器具有尺寸小、精度高、成本低、响应速度快、重复性和抗振性都较好，输出信号与进气歧管绝对压力呈线性关系，在30100使用温度范围内测量精度基本不受温度的影响等优点。在早期的电控汽油喷射系统中应用较为广泛，如博世的D-Jetronic系统及丰田HIACE小客车的2RZ-E发动机和丰田皇冠3.0轿车的2JZ-GE发动机等。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2)膜盒传动可变电感式进气压力传感器膜盒传动可变电感式进气压力传感器的结构如图2-20所示，其主要由膜盒、铁芯、感应线圈和电子电路等组成。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-20 膜盒传动可变电感式进气压力传感器的结构 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3节气门体节气门体装在空气流量计和发动机进气总管之间的进气管上，它由节气门、怠速旁通气道、怠速调整螺钉、辅助空气阀等组成。节气门体如图2-21所示。节气门与油门踏板联动，驾驶员通过油门踏板控制节气门开度，对发动机的输出功率进行控制。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-21 节气门体 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 1)怠速旁通气道和怠速调整螺钉发动机怠速时，节气门处于全关闭的位置，怠速运转所需要的空气经怠速空气旁通气道进入进气总管，在旁通气道中安装了能改变通道截面积的怠速空气调整螺钉，通过旋进或旋出怠速调整螺钉，调整发动机怠速转速。现在采用发动机集中管理系统的电控汽油机由专门的电控怠速系统对怠速进行控制，而不采用上述的怠速调整和控制方法。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2)空气阀发动机低温启动后，进入暖机运转时，发动机温度比较低，发动机内部的摩擦阻力较大。为了克服发动机的内部摩擦阻力，提高怠速转速，加快暖机过程，在发动机的进气系统中设置了辅助空气阀(也称高怠速控制)，以增加暖机过程中所需的空气量。发动机低温启动后，辅助空气阀打开，使空气绕过节气门，直接经过辅助空气阀进入进气总管。由于这些空气是从空气流量计下游引来的，因此通过辅助空气阀补充的空气也被空气流量计测出。由于空气量增加，ECU使喷油器的喷油量增加，从而使发动机怠速转速提高(其作用与驾驶员稍踏油门踏板，使怠速转速提高，加快暖机过程相同)。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(1)双金属片式辅助空气阀。双金属片式辅助空气阀是在发动机低温启动时及而后的暖机过程中，对进气量进行补充的一种快怠速机构。双金属片式辅助空气阀的结构和工作原理如图2-22所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-22 双金属片式辅助空气阀的结构和工作原理(a)发动机温度低时；(b)发动机温度高时 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(2)石蜡式辅助空气阀。石蜡式辅助空气阀根据发动机的冷却水温度，由阀门改变空气旁通气道流通截面积的大小，从而控制补充空气量的多少。驱动阀门所需的力，来自感温体中石蜡的热胀冷缩，而石蜡的热胀冷缩由感温器周围冷却水的温度决定。石蜡式辅助空气阀由石蜡感温体、阀门、内外弹簧、冷却水通道和空气通道等组成。感温体内充满石蜡并浸于冷却水中，石蜡体积随水温的升降而膨胀或收缩。为了简化结构，大多采用与节气门作成一体的形式共用同一冷却水路，如图2-21、图2-23所示，其中，图2-23为石蜡式辅助空气阀。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-23 石蜡式辅助空气阀 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 4节气门位置传感器(Throttle Position Sensor，简称TPS)节气门位置传感器用来反映节气门开度的大小和动作的快慢，是电脑ECU感知负荷大小的输入信号。它安装在节气门体上，通过节气门轴与节气门联动。常见的TPS是滑键电位器，具备加速率和减速率感知功能，形成了一个多功能信号元件，它的好坏不仅影响发动机正常的工作，还影响自动变速器的换挡规律。当驾驶员踩动油门踏板时，节气门位置传感器将节气门开度转换成电信号输送到ECU，ECU根据节气门不同的开度决定控制方式和对喷油时间进行修正。汽油机电控系统中使用的节气门位置传感器一般有三种型式：线性输出型节气门位置传感器、开关量输出型节气门位置传感器、带ACC信号输出的开关量输出型节气门位置传感器。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 1)线性输出型节气门位置传感器线性输出型节气门位置传感器的主要特点是，表示节气门开度的输出电压与节气门开度成线性关系。线性输出型节气门位置传感器的结构和电路如图2-24所示。它由两个与节气门联动的可动电刷触点，位于基板上的电阻体，壳体及引出线插座等构成。动触点在电阻体上滑动，利用电阻值的变化，输出与节气门开度相对应的电压值，根据此电压值ECU就可以知道节气门的开度。但实际上反映节气门开度的电阻体的电阻值总是存在一些偏差，这样将会影响节气门开度检测的准确性。为了能够准确地检测出对ECU确定控制方式和喷油修正具有重要影响的节气门全闭的位置，传感器另设一个怠速触点，该触点只有当节气门完全关闭时才被接通。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-24 线性输出型节气门位置传感器结构和电路(a)构造；(b)电路 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-25给出了线性输出型节气门位置传感器的输出特性，从图中可以看到传感器的输出电压随着节气门开度的增大而线性地增大。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-25 线性输出型节气门位置传感器输出特性 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2)开关量输出型节气门位置传感器开关量输出型节气门位置传感器的特点是，传感器仅以开和关两种输出信号向ECU传递节气门位置状态信息。开关量输出型节气门位置传感器的结构及工作原理如图2-26所示，它由导向凸轮、节气门轴、控制杆、活动触点、怠速触点、全开触点、插头及导向凸轮槽等组成。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-26 开关量输出型节气门位置传感器结构及工作原理 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 当节气门开度大于50%时，活动触点与全开(功率)触点接触，ECU根据这个信号可以判定节气门开度大于50%，发动机处于大负荷状态。当节气门开度处于中间开度，但小于50%时，发动机处于中等负荷状态。节气门从全闭到全开过程中，开关量输出型节气门位置传感器的输出信号如图2-27所示。开关量输出型节气门位置传感器与线性输出型节气门位置传感器相比，节气门开度的检测性差，但其结构简单，价格便宜。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-27 开关量输出型节气门位置传感器输出信号 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3)带ACC信号输出的开关输出型节气门位置传感器为了检测发动机的加速状况，某些发动机在节气门位置传感器中增加了ACC信号输出接头。开关量输出型节气门位置传感器的一般构造如图2-28所示。该传感器除了具有检测怠速状态的怠速触点(IDL触点)和检测大负荷状态的功率触点(PSW触点)外，还具有可检测出加速状态的和输出信号的接头。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-28 开关量输出型节气门位置传感器的一般构造 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 发动机处于怠速工况时，开关量输出型节气门位置传感器工作状态如图2-29所示。此时怠速触点闭合，根据这一信号ECU即可判定发动机处于怠速状态。如果发动机高速运行时，该触点闭合，ECU将作出发动机处于减速状态的判断，并运行“燃油喷射中断”控制程序。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-29 开关量输出型节气门位置传感器工作状态 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 发动机处于加速工况运行时，开关量输出型节气门位置传感器工作状态如图2-30所示。在加速过程中，加速检测触点与印刷线路板上的加速线路ACC1和ACC2交替地闭合/断开，与此同时加减速检测触点闭合，根据这些信号ECU能够判定发动机处于急加速工况，ECU立即进行非同步喷射控制对混合气进行加浓，以提高发动机的功率输出，满足车辆急加速对动力的要求。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-30 开关量输出型节气门位置传感器加速工况运行时工作状态 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 发动机处于大负荷工况运行时，开关量输出型节气门位置传感器的工作状态如图2-31所示。当节气门开度达到一定程度时，大负荷触点接点(PSW)闭合，ECU据此判定发动机处于大负荷工况。当发动机处于减速工况时，开关量输出型节气门位置传感器的工作状态如图2-32所示。在减速过程中，尽管加速检测触点也与印刷线路板上的加速线路ACC2和ACC2交替地闭合/断开，但因此时加减速检测触点处于断开状态，ECU由此作出发动机处于减速工况的判断，而不进行非同步喷射控制。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-31 开关量输出型节气门位置传感器减速工况时工作状态 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-32 开关量输出型节气门位置传感器大负荷工况运行时工作状态 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 5电动汽油泵电动汽油泵的作用是将汽油从油箱中吸出，经加压后通过燃油管道输送到喷油器。电控汽油喷射系统中使用的电动汽油泵有两种型式：外装式电动汽油泵和内装式电动汽油泵。外装式电动汽油泵布置在油箱外面，可以安装在燃油管路的任一适当位置。内装式电动汽油泵安装在油箱内，或者固定在油泵支架上垂直地悬挂在油箱内，或者垂直安装在油箱底上。内装式电动汽油泵在油箱内的布置如图2-33所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-33 内装式电动汽油泵在油箱内的布置 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 1)内装式电动汽油泵电控汽油喷射发动机中使用的内装式电动汽油泵，其油泵大多采用叶片式的蜗轮泵或侧槽泵。这种内装式电动汽油泵由电机、蜗轮泵(或侧槽泵)、单向阀、限压阀及滤网等部件组成，其基本结构如图2-34所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-34 内装式蜗轮泵型电动汽油泵 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 2)外装式电动汽油泵外装式电动汽油泵常采用滚柱泵和齿轮泵。外装式电动汽油泵的构成与内装式电动汽油泵基本相同，即由电动机、滚柱泵或齿轮泵、单向阀、限压阀、滤网和阻尼稳压器等组成。外装式滚柱型电动汽油泵如图2-35所示。外装式电动汽油泵可以安装在燃油管路中的任何位置上，故安装的自由度较大。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-35 外装式滚柱型电动汽油泵 第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 3)电动汽油泵的其他组成部件(1)单向阀。单向阀的作用是防止燃油倒流，使管路中保持适当的残余压力，便于发动机热启动。当发动机熄火，电动汽油泵刚刚停止泵送燃油，单向阀在下游油压作用下立即关闭，使油泵出口端与燃油压力调节器之间油道中的燃油仍能保持一定压力，有利于减少气阻现象，提高发动机高温启动性能。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断(2)安全阀。安全阀是一种保护装置。在电动汽油泵中，当出口及下游油路出现堵塞，油泵工作压力大于0.4 Mpa时，安全阀自动打开，使油泵的高压侧与吸入侧连通，燃油仅在泵和电动机内部循环，以避免发生管路破损和燃油泄漏事故。(3)阻尼稳压器。阻尼稳压器应用于滚柱泵。其作用是吸收油泵出口端油压力脉动的能量，降低其对燃油输送管路内油压的影响和降低噪声。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 4)油泵的控制电控汽油喷射系统对油泵控制的基本要求是：只有当发动机处于运转状态时，油泵才工作；若发动机不运转，即使接通点火开关，油泵也不工作。电控汽油喷射系统油泵控制电路有四种型式：ECU控制的油泵控制电路，油泵开关控制的油泵控制电路，具有转速控制的油泵控制电路和用油泵电脑(FP-ECU)控制的油泵电路。(1)ECU控制的油泵控制电路。ECU控制的油泵控制电路由ECU和断路继电器对油泵工作进行控制。ECU控制的油泵控制电路如图2-36所示。第二章 发动机电控系统结构原理与故障诊断 图2-36 ECU控制的油泵