電子控制技術在汽車發動機上的應用與發展

摘要：文章闡述了現代汽車發動機采用電子控制的歷程，現代汽車發動機采用電子控制是必然趨勢，介紹了采用發動機電控燃油噴射、可變氣門正時及升程以及電子控制節氣門等現代新技術。

關鍵詞：現代汽車發動機；電子控制；應用

在現代汽車上，電子技術的應用越來越廣泛，今天的汽車已經進人了電腦控制的時代。電子技術和計算機技術的發展為汽車技術性能的提高，經濟性和舒適性的改善，乃至對減少汽車廢氣污染都創造了良好的條件。汽車電子化被認為是汽車技術發展進程中的一次革命，汽車電子化的程度被看作是衡量現代汽車水平的重要標志，是用來開發新車型，改進汽車性能最重要的技術措施。據統計，從1989年至2000年，平均每輛車的電子裝置在整個汽車制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。在一些豪華轎車上使用單片微型計算機的數量已經達48個，電子產品占到整車成本的50%以上。目前電子技術的應用幾乎已經深人汽車，尤其是發動機上所有的系統。

發動機采用電子控制是必然趨勢

由于汽車的保有量不斷增加，人們對生活質量也越來越注重，因而，汽車排放的有害氣體對大氣的污染日益引起人們的重視，特別是在美國洛杉礬以及日本東京發生光化學煙霧事件后，造成很大影響。一些發達國家的政府開始研究制定法規對汽車的排放進行限制。美國、日本及歐洲一些國家在20世紀60年代末相繼提出限制排放的法規，而且不斷地嚴格。美國有的州甚至還提出了低污染或無污染車的要求。這樣日趨嚴格的要求，用傳統的結構是無法達到的，于是電子技術起了很大的作用。也可以說是排放法規推動了電子技術在發動機上的應用，大量采用電子控制是從發動機管理開始的。

采用電子控制發動機

發動機采用電子管理是從20世紀60年代應用電子點火開始。當時是一種比較簡單的、用鍺功率晶體管結構，非常昂貴并對環境很敏感。到70年代，電子點火在轎車上已成為標準裝置。電子點火系統大致有白金晶體管點火系統、霍爾電壓發生器晶體管點火系統、感應脈沖波發生器晶體管點火系統及電容器放電式點火系統等。

電子點火系統與傳統結構的不同之處在于它不是靠觸點斷電，而是由信號發生器發出信號使點火控制器進行控制。由于其點火線圈的一次電流像普通點火系統那樣受觸點控制，可以增大；因而提高了點火能量。此外，由于信號發生器的信號不是由機械凸輪控制，點火的正時可以更為精確，取消了觸點也就不存在觸點火花的問題，因此工作可靠，也無需維護與保養，大大方便了用戶。

由于電子技術的不斷發展，又出現了微機控制點火系統，由微機接收水溫 、進氣壓力、空氣流量及曲軸位置與轉速等信號，經微機分析處理，按最佳燃燒的要求，控制點火線圈三極管的導通和截止。這樣，就可以更精確地根據發動機工況來控制點火正時。

電子點火系統

電子點火系統是指利用半導體器件（如三極管、可控硅代傳統點火系統的機械開關，接通或斷開初級電流的點火系統。電子點火系統由微機、傳感器及其接口、執行機構等幾部分構成。該系統可根據傳感器送來的發動機各種參數進行運算、判斷，然后進行點火時刻的調節，這樣可以節約燃料，減少空氣污染。根據儲能方式不同，電子點火系統可以分為電感點火系統和電容點火系統兩大類。

電控燃油噴射

電子控制燃油噴射系統（簡稱EFI）是用計算機控制燃油供給量的裝置，它能在各種工況下，精確地控制混合氣空燃比，各缸混合氣的分配在質與量兩個方面都較為均勻，從而使各氣缸都能獲得良好的混合氣，保證燃燒得完全與及時，保證發動機始終工作在最佳狀態，使其在輸出一定功率的條件下最大限度地節油和凈化空氣。與傳統的化油器裝置相比，它具有易于起動發動機，且起動時間短、省油、排放污染少、加速性能好，以及動力性強等優點。到20世紀紀70年代后期，電子控制化油器及電子控制燃油噴射系統快速發展。這是由于開始可以提供微控制器，電控噴油技術比電子點火系統要復雜多了。但它使精確及靈活的控制成為可能，使直噴式汽油機的夢想得以實現，并達到稀薄燃燒，大大改善燃燒效率，提高燃油經濟性15%并改善排放。同時對冷啟動、瞬時加速、過渡狀態的平穩I生等發動機性能都有幫助。國外20世紀8O年代以后的小型汽車都普遍采用這種裝置，我國近年來也大力普及采用這種裝置，逐漸淘汰了化油器裝置。

燃油噴射有單點噴射及多點噴射兩種形式。定噴射系統是通過設在空氣流量傳感器與分油盤之間的連桿，使活塞往上或往下移，以調整空氣，燃油混合比。氣流控制噴射系統，即通過空氣流量傳感器與電子控制器監控發動機狀況，利用電磁式噴射器開啟時間的變化來增減供油量 、調整混合比。其控制是根據空氣流量、發動機溫度、發動機轉速、進氣溫度、節流閥位置、進氣壓力及氧傳感器的信息通過計算機來進行的。

電控燃油噴射系統用于汽車已二十多年。在這期間，有了很多改進，特別是直噴式汽油機的推廣，推動了發動機電子控制系統的發展。該系統將原來各自獨立的電子控制燃油噴射系統與電子控制點火系統組合在一起，共用一套傳感器和一個控制單元，使噴油與點火真正能達到精確的優化匹配，使發動機能更好地適應各種工況及外部環境。其工作機理主要是靠電子監測對發動機扭矩的需求來控制發動機的各種功能及負荷。扭矩需求的輸入信號主要是根據駕駛信號操縱加速踏板的狀況，同時也考慮其他系統，如防抱制動及驅動防滑電子控制系統的輸入信號。發動機的外部負荷及內部控制功能，如發動機的啟動、怠速速度控制以及三元催化轉換器的加熱等，也都一樣組合在一 起。所有這些輸人數據，皆由電子控制單元加權處理并轉換成一簡單的扭矩要求，以此對每一個特定工況確定節氣閥位置、點火提前角及噴油量。用這種優化匹配的結果，既可降低油耗，同時還降低了排放。

連續可變氣門正時及升程

發動機采用電子控制的另一個新領域就是連續可變氣門正時及升程。通用汽車公司將此結構用于雪弗蘭車型上。福特汽車公司亦已在其1.7L發動機上應用。豐田汽車公司則在其3L的直列6缸發動穢1（用于豐田1998年的Supra及GS300、SC300車型 ），以及4L的V8發動機（用于Ls400及GS400車型 ）上作為標準裝置投放于美國市場。除了可以降低排放及降低油耗外，還可加大輸出功率。本田及福特是首先將這種結構用于低檔車正在開發一種液力驅動式氣門機構，取消凸輪軸、推桿、搖臂等氣門驅動機構。用到6.4L的V8穢1（用于輕卡）上。西門子公司也在研究電磁式氣門，這都將為電子控制開辟新的應用領域。

電子控制節氣門

電子控制節氣門是一個發展較快的電子技術。通用、豐田、西門子以及飛亞特公司均已開始生產并裝于汽車上。此裝置可替代行駛車速控制系統。在歐洲這一結構發展較快，現已從豪華高檔車發展到普通國民車（大眾汽車公司的新型甲殼蟲車渦輪柴油機上 ）。

控制模塊的安裝位置

控制模塊的安裝位置也是一個重要的問題。20世紀70年代，電子控制單元承受不了發動機艙內的嚴酷環境，都裝在客艙 內的前圍下方，因此，就有大量的線柬穿過前圍板進入發動機艙。到了80年代，一些新材料開發出來，使控制單元可以進入發動機艙，但仍遠離發動機。新一代電子模塊已可以做得非常嚴實，不僅可裝在發動機艙內，而且可以裝在發動機上，因而大大簡化了布線。這種模塊完全采用了不同的技術，功能強，尺寸小，具有更強的計算能力。同時，它能耐高溫環境和承受強烈的振動，并將集成更多的控制功能于一體。

克萊斯勒汽車公司開發的動力傳動系統控制模塊SBECIIIA，是一種第三代的單板電子控制器。它具有先進的爆震傳感器輸出信號，根據發動機轉速區分出噪聲與爆震。它能提供很低的怠速轉速，即保持500r/min的穩定轉速。而當蓄電池電壓過低需提高充電率時，或在停放車輛過程中需加大動力轉向助力時，以及使用空調降低車內溫度時，可將怠速轉速提高到650r/min。這種控制器的軟件可在任何時候進行更新，如需要改變性能或排放控制，在裝配廠或經銷商處就可以很快地更改，比更換整個控制器便宜得多。由此可以看出在發動機電子控制方面的技術進步及集成化、模塊化的趨勢。今后，將會把電子控制節氣門、電子控制變速器、行駛速度控制器等都集成為一個動力傳動系統電子控制模塊。

發動機其它電子控制裝置

除上述之外，在發動機上利用電子技術的內容還有：直噴柴油機、廢氣再循環、怠速控制、電動油泵、發動機輸出、冷卻風扇、發動機排量、節氣門正時、二次空氣噴射、發動機增壓、油氣蒸發及系統自我診斷功能等。由于排放的要求越來越嚴格，對降低油耗的壓力也越來越大，降低CO對汽車來說也就降低油耗。這一切都要求對發動機的燃燒過程有更好的控制，而目前的傳感器及微處理器的運算能力、存儲能力都還不理想，這將仍是今后的一項重要課題。