毕业设计汽车电控技术的发展与应用赵昶惠.docx
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毕业设计汽车电控技术的发展与应用赵昶惠
毕业论文(设计)
题目:
汽车电子控技术的应用与发展前景
所属系、部:
电子信息与电气工程系
年级、专业:
汽车电子091
姓名:
赵昶惠
学号:
200904071064
指导教师:
刘莉琛
2012年5月10日
毕业设计(论文)任务书
题目:
汽车电子控制技术的应用与发展前景
系部:
电气系
专业:
汽车电子技术
班级:
汽车电子技术091
学生:
赵昶惠
学号:
200904071064
指导教师:
刘莉琛
接受任务时间2012、2、21
教研室主任(签名)
系主任(签名)
教务处制
1.毕业设计(论文)的主要内容及基本要求
综合运用所学专业知识、通过文献检索、资料查询,了解汽车电子控制系统总体结构、工作原理,故障诊断及维修等方面的内容,并分析其发展趋势。
完成符合学校《毕业设计撰写规范》要求的论文(3万字以上)一套(包括word电子文档和A4纸打印稿)
2.指定查阅的主要参考文献及说明
[1].付百学。
汽车电子控制技术机械工业出版社2010年
[2]祁翠琴,李淑君。
汽车电控技术北京大学出版社2008年
[3]钱帐义.汽车发动机电子控制系统—结构.原理,机械工业出版社.2000
3.进度安排
设计(论文)各阶段内容
起止日期
1
收集整理相关资料
2.21—3.11
2
汽车电子控制系统总体结构和工作原理
3.12—4.1
3
汽车电控技术的发展趋势
4.2—4.10
4
论文初稿完成
4.11—4.30
5
英文资料的翻译以及初稿的修改
5.1—5.9
6
定稿、毕业答辩的准备及答辩
5.10—5.20
注:
本表在学生接受任务时下达
摘要
纵观近几十年来汽车技术方面的重大成就,几乎无一例外地是应用电子技术的结果,多年来,汽车工业的长足进步,都是以电子技术(特别是计算机、集成电路技术)为动力而实现的。
而今一直未来汽车的发展不仅仅是汽车本身机械设备的发展,更主要是新型的电子技术在汽车上的应用.新型电子技术在汽车上应用使汽车的功能更加的多样化,只有多样化的功能才能满足用户的要求。
而采用电子技术是解决汽车所面临的诸多技术问题的最佳方案。
因此,一个国家电子产业的水平及其在汽车工业领域的应用情况如何,就决定了它在未来的世界汽车行业竞争中能否掌握主动权.
关键词:
电子技术汽车工业未来发展
ABSTACT
Inrecentdecadesthemajorachievementofautomobiletechnology,almostwithoutexceptionistheresultoftheapplicationofelectronictechnology,formanyyears,automobileindustry,therapidprogressinelectronictechnology(especiallythecomputer,integratedcircuittechnology)forpowerandrealize.Nowhasbeenthedevelopmentoffuturecarisnotonlythedevelopmentofthecaritselfmechanicalequipmentandmoreimportantisthenewelectronictechnologyinautomotiveapplications.Newelectronictechnologyincarsapplicationthatthecarfunctionmorediversity,onlythefunctionofdiversificationcanmeettherequirementsofthecustomers.Andelectronictechnologyisfacingmanyofthecartosolvetechnicalproblemsofthebestsolutions.Therefore,anationalelectronicindustrylevelandinautomobileindustryapplicationofhow,determinedthefutureworldautomobileindustrycompetitiontomastertheinitiative.
Keywords:
ElectronictechnologyTheautomobileindustryDevelopmentinthefuture
第一章概述
1.1汽车电控技术的概论
现代汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。
随着汽车工业与电子工业的不断发展,在现代汽车上,电子技术的应用越来越广泛,汽车电子化的程度越来越高。
20实际70年代中期,随着微型计算机开始在汽车上的应用,给汽车业带来了划时代的变化。
可以说,今天的汽车已进入微机控制的时代,且日趋成熟和可靠。
汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器(ECU)、驱动器和控制程序软件等部分组成,与车上的机械系统配合使用(通常与动力系统、底盘系统和车身系统中的子系统融合),并利用电缆或无线电波互相传输讯息,即所谓的“机电整合”,如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、电子控制悬架系统、电子控制自动变速器、电子助力转向等。
汽车电子控制系统大体可分为四个部分:
发动机电子控制系统,底盘综合控制系统,车身电子安全系统,信息通讯系统。
1.2汽车电控技术发展简介
汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔。
近年来,汽车业与电子业的联系日趋密切。
从发动机的燃油喷射、点火控制、怠速控制、进气控制、排放控制、故障诊断到底盘的传动系统,行驶系、转向系、制动系和车身及辅助装置,普遍采用了电子控制一体化,这是现代汽车的显著特点。
在汽车零部件中,最初采用的电子装置是交流发电机的整流器。
通过使用硅二极管,车用发电机改直流为交流。
交流发电机结构紧凑、故障少、成本低。
1960年,美国克莱斯勒汽车公司和日本汽车公司开始采用硅二极管整流的交流发电机。
此后不久,交流发电机迅速推广到全世界。
我国适用于20世纪70年代,现已全部取代了直流发电机。
20世纪60年代以来,发动机周围零部件的电子化显得十分活跃,尤其是电压调节器和点火装置电子化,并得到快速发展。
1960年,美国通用汽车公司采用了IC调节器。
IC调节器是在硅半导体的表现和内部,把晶体管、电阻和电容封装子一起,即把固体电路集聚在半导体硅切片上制成。
这种电路结构紧凑、可靠性高、成本低、熬电少、反应敏捷、不需冷却,因而,迅速推动微机控制技术在汽车上的应用,并得到迅速发展。
1973年,美国通用公司开始采用IC点火装置,此后逐渐普及。
随着排放标准的日趋严格,强烈要求增大点火能量,提高点火时刻的精度。
IC点火控制能很好地满足这些要求,并使维护更简单。
1974年,美国通用汽车公司开始装备加大火花塞电极间隙、增强点火能量的HEI高能点火系统。
同时,在分电器内装上点火线圈和电子控制电路,力图将点火系统作成一体。
1976年,克莱斯勒汽车公司首创电子控制点火系统。
系统中使用了模拟计算机,根据输入的空气温度、进气温度、水温、转速和负荷,计算出最佳点火时刻。
1977年通用公司开始使用数字式点火时刻控制系统。
同年,福特公司将这种发动机上的电子控制系统扩展到同时控制排放再循环和二次空气喷射上。
继之,日本、欧洲一些国家也相继开发了自己的汽车电子控制系统。
之后,又经过多次改进,其控制功能不断增多,性能更加先进。
此后,化油器空燃比反馈、后备电路、自诊断功能相继被开发出来。
1978年,德国的波许(Bosch)公司研制成D型电子控制汽油喷射系统,随后由开发了L型电子控制喷射系统,后来这些技术不断改进、完善。
到1979年,发动机电子控制技术已达到相当高的程度。
在除发动机以外的其它汽车零部件上,最先应用电子技术的是福特公司。
1970年,福特公司开始应用电子防滑(防抱死)装置,随后有了电控变速器。
1982年以后,微型计算机在汽车上的应用日趋成熟,主要是数字或电子控制。
近年来,车用装置越来越向智能化方向发展,主要是提高电子微处理器的级别,同时,驾驶辅助装置、警报安全装置、提高舒适性的装置、通信娱乐装置等等,相继采用了电子技术装置。
这些装置的采用,对环保、节能、提高运行安全性和汽车综合性能具有重要的意义。
1995年后,汽车电控技术有了新的发展,随着CAN总线技术和超大规模集成电路组成的高速车用微型计算机在汽车上的广泛应用,汽车电控系统对高复杂程度使用要求控制能力的提高,为汽车电子控制从现代电子控制系统向智能化电子控制系统发展创造了条件,近几年汽车运行过程的智能化控制系统已初露端倪。
如动力系统最优化控制系统,通讯与导航协调控制系统安全驾驶监测预警告系统,自动防追尾碰撞系统,自动驾驶系统和电子地图等。
由于电子技术、计算机技术和信息技术等新技术的发展和应用,汽车电子控制在控制的精度、范围、适应性和智能化等多方面有了较大的发展,实现了汽车的全面优化运行。
因此,在降低排放污染、减少燃油消耗、提高安全性和舒适性等方面,电子控制汽车有着明显的优势。
(1)减少汽车修复时间
减少汽车修复时间汽车电气设备的故障约占汽车总故障的1/3。
由于汽车结构比较复杂,零部件比较多,工作环境不可控制(如道路条件、环境温度、湿度),加上人为的因素,所以汽车的可靠性差,无故障间隔时间短。
随着电气设备在汽车零部件中比例的增加,电气设备的故障率还会提高。
由于电子控制汽车均装有自诊断系统,提高了故障诊断的速度和准确性,从而缩短了汽车的修复时间,带来了很好的社会效益和经济效益。
(2)减少空气污染
用传感器控制的发动机空燃比闭环控制系统,可以保证空燃比处于理论空燃比附近工作。
若加装废气再循环和三元催化净化等装置,不但可以节约燃油,而且废气中碳氢化合物(HC)的体积分数可降低40%,氮氧化合物(NOX)的体积分数可降低60%左右。
(3)减少交通事故
电子技术在汽车安全方面得到应用后,使整车的安全性能提高。
交通事故主要由人的主观因素和客观因素所造成,减少人的主观因素造成事故的电子装置有:
防止酒后驾车和驾驶员瞌睡的电子装置、检查人的心理状态和反应时间的电子装置等;减少由于客观原因造成事故的电子装置有:
电子控制制动防滑装置(缩短制动距离、防止制动跑偏、防止制动抱死)、汽车主要参数报警装置和安全气囊等。
第二章汽车电控技术的应用现状
2.1汽油发动机电控技术的应用
尽管名义上汽车的电子化进程在上世纪50年代就已经开始,但真正意义上的汽车电子化是以汽油机电控技术的应用作为标志的,发动机是汽车最早实现电控的唯一总成部件,是电子控制技术在发动机上的应用带动和促进了汽车电控技术的发展。
发动机集中管理系统开发成功,使汽车电控技术迈上集中控制技术的新高点。
2.1.1汽油机电控概述
发动机电控技术包含内容也很多,主要由发动机电控燃油喷射系统、发动机电控点火正时系统、发动机怠速控制系统三个部分组成。
任何一个由微型号电脑控制的装置,都不得是由以一三个基本部分组成的:
传感器→控制电脑→执行器
传感器是电脑控制系统的眼睛,它用于观察各种变化的物理、化学量,并将这些物理这些物理、化学量转变为电脑可识别的电信号,例如水温传感器、空气流量计等。
执行器是电脑控制系统的手,它用于执行电脑发出的各种命令,它可把命令变成对控制对象的具体动作,例如喷油器、怠速马达、点火线圈等。
控制电脑是整个控制系统的指挥部,它用于分析处理各种信息,并操作各个执行器来完成整个系统工作。
2.1.2电控汽油喷射系统
现代汽车上,机械式或机电混合式燃油喷射系统趋于淘汰.电控燃油喷射装置因其性能优越而得到日益普及。
电控燃油喷射系统是20世纪60年代末开始发展起来的,与传统的化油器供油系统相比.而其突出优点在于空燃比的控制更为精确,可实现最佳空燃比;且电喷技术提高了汽油的雾化、蒸发性能,加速性能更好,发动机功率和转矩得以显著提高。
这样能使发动机一直处于最优工作条件下运行,并使发动机的综合性能得到提高。
汽油机采用电子燃油喷射技术(EFI)是现代汽车提高功率、降低油耗、减少污染的有效措施之一。
EFI技术是一种高级的发动机电子管理系统,其基本工作原理是:
由传感器将汽油机的工作运行状况,如负荷大小、转速快慢、进气温度等数据送给计算机进行处理,然后由控制执行元件来确定供油量,从而保证发动机在各种工况下的正常运行。
当今的EFI已由单一控制发展到多项集中控制,根据汽车速度、环境温度和发动机转速等参数,自动对发动机的燃油喷射、空燃比、点火时间、怠速转速和废气再循环(EGR)等进行综合控制。
其效果为:
输出功率提高10%,油耗下降10%,尾气排放降低90%,起动时间缩短50%,加速时间缩短50%(0~100km/h)。
2.1.3汽油机点火系统
近年来,汽车发动机向着多缸、高转速、高压缩比的方向发展,人们还力图通过改善混合气的燃烧状况,以及燃用稀混合气,以达到减少排气污染和节约燃油的目的。
这些都要求汽车的点火系统能够提供足够高的次级电压、火花能量和最佳点火时刻。
传统点火系统已经不能满足这些要求。
因此,近几十年来各国都在积极探索改进途径,并研制了一系列的电子点火系统。
目前国内外汽车上使用的电子点火系统主要分为有触点的电子点火系统和无触点的电子点火系统两大类。
无论是哪一类电子点火系统,都是利用电子元件(晶体三极管)作为开关来接通或断开点火系统的初级电路,通过点火线圈来产生高压电。
电子点火系统也有闭环控制与开环控制之分:
带有爆震传感器,能根据发动机是否发生爆震及时修正点火提前角的电控系统称为闭环控制系统;不带爆震传感器,点火提前控制仅根据电控单元内设定的程序控制的称为开环控制系统。
2.1.4发动机其他辅助控制系统
怠速控制系统
怠速性能的好坏是评价发动机性能优越与否的重要指标,怠速性能差将导致油耗增加、排污严重,因此需进行必要的控制。
现代轿车中一般都有怠速控制系统,由ECU控制并维持发动机怠速在某一稳定范围内。
怠速控制通常是指怠速转速控制。
实质是对怠速工况时的进气量进行调节(同时配合喷油量及点火提前角的控制)。
目前,除了怠速转速的稳定性控制之外,怠速控制还可实现起动控制、暖机控制、负荷变化控制等功能,这样多种功能的集中,不仅简化了机构,而且也提高了怠速控制的精确性。
废气再循环系统
废气再循环系统是在保证内燃机动力性不降低的前提下,根据内燃机的温度及负荷大小将发动机排出的废气的一部份再送回进气管,和新鲜空气或新鲜混合气混合后再次进入气缸参加燃烧,使燃烧反应的速度减慢,从而降低NOX的排放量,是控制NOX排放的主要措施。
废气中的氧含量很低,含有大量N、CO2和水蒸气,这三种气体很稳定,不能燃烧,可吸收大量热量。
当一部份排气经EGR控制阀还流回进气系统与新鲜空气或新鲜混合气混合后,稀释了新鲜空气或新鲜混合气中的氧浓度,使燃烧速度降低:
这两个因素都使燃烧温度降低,从而有效控制了燃烧过程中NOX的生成。
燃料蒸发排放控制系统
该系统主要由活性碳罐贮存装置、燃油蒸发净化控制装置和燃油箱燃油蒸发控制装置组成。
汽油是一种易挥发的液体,在常温下燃油箱经常充满蒸气,燃料蒸发控制系统的作用是将蒸气引入燃烧并防止挥发到大气中。
这个过程起重要作用的是活性碳罐贮存装置,因为活性碳有吸附功能,当汽车运行或熄火时,燃油箱的汽油蒸气通过管路进入活性碳罐的上部,新鲜空气则从活性碳罐下部进入活性碳罐。
发动机熄火后,汽油蒸气与新鲜空气在罐内混合并贮存在活性碳罐中,当发动机启动后,装在活性碳罐与进气歧管之间的燃油蒸发净化装置的电磁阀门打开,活性碳罐内的汽油蒸气被吸入进气歧管参加燃烧。
电控二次空气喷射系统
系统中的空气由电控单元根据输入信号通过控制相关电磁阀引往空气滤清器、排气管及催化式排气净化器中。
该系统有两套主控电磁阀,第一套电磁阀为分流阀,用于将空气送往空气滤清器;第二套电磁阀为开关电磁阀,用于将空气送往排气管或催化式排气净化器。
二次空气喷射系统也常被称为补燃系统或后燃系统。
其原因是可燃混合气在汽缸内进行第一次燃烧后,其中那些未完全燃烧的部分由于人为地引入新鲜空气而使其在排气过程中进行了补燃,因而经消声器排入大气时的尾气很少有或者完全没有火星。
而排气内有火星是在有可燃气体存在的情况下引发火灾的一大原因。
因此,二次空气喷射系统也是防止内燃机尾气引起火灾的一项重要技术和设施。
除了在轿车上应用外,它还广泛应用于安全性能要求更高的内燃机车和专用汽车,如液化气运输车、轻油运输车、机场加油车等。
发动机可变气门正时技术
近几十年来,基于提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污的要求,许多国家和发动机厂商、科研机构投入了大量的人力、物力进行新技术的研究与开发。
目前,这些新技术和新方法,有的已在内燃机上得到应用,有些正处于发展和完善阶段,有可能成为未来内燃机技术的发展方向。
发动机可变气门正时技术(VVT,VariableValveTiming)是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种,发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量,使充量系数增加,发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。
PassatB5轿车选用2.8升V6发动机,该发动机对可变气门正时进行了特别设计。
从俯视观察,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。
PassatB5发动机所应用的可变气门正时系统,是通过微机控制可变气门调节器上升和下降获得齿形皮带轮与进气凸轮(进气门)的相对位置变化,这种结构属于凸轮轴配气相位可变结构,一般可调整20~30曲轴转角。
2.1.5发动机自我诊断技术
计算机程序不断地将ECU的指令和系统的反应进行比较,同时检查各个传感器的信号是否可信,以此确定系统是否存在故障。
根据使用情况一般可分为以下几类:
(1)描述各电控总成工况参数的信号,这类信号的特点是各信号的数值都有正常的工作范围,当某传感器信号电压的数值超出了可能的范围,或者虽未超出范围,但出现在不应当出现的工况,则可判为不可信。
例如车速在90km/h,发动机转速3000r/min,进气岐管绝对压力65kPa时出现2%的节气门开度,这显然是不可信的。
(2)可同时根据几个传感器的信号计算出同一个物理量(如空气流量),其计算结果与根据已被判定为无故障的传感器的计算结果不一致时,此传感器可判为有故障。
(3)根据某传感器(如发动机冷却液温度传感器和氧传感器)信号变动所经历的时间和幅度,可判断系统是否存在某些方面的故障。
2.2柴油机电控技术的应用简介
2.2.1柴油机电控技术概述
目前柴油机燃油喷射系统的电子控制主要有几种方式:
有的采用共轨式电控喷油系统,有的采用电控单体泵或组合式电控单体泵,有的采用电控泵喷嘴,有的采用电控分配泵,过去极少数也有采用电控直列泵。
在商用车柴油机上用得多的是共轨式电控喷油系统、电控单体泵喷油系统和电控泵喷嘴喷油系统。
英国Ricard0公司预估到20l0年欧洲在12—13升车用柴油机燃油系统的构成中,共轨式电控喷油系统和电控单体泵喷油系统各占46%,电控泵喷嘴喷油系统约占8%左右。
燃油供给系统的主要构成是供油泵、共轨和喷油器。
燃油供给系统的基本工作原理是:
供油泵将燃油加压成高压,供人共轨内;共轨实际上是一种燃油分配管。
储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷人发动机气缸内。
电控共轨系统中的喷油器是一种由电磁阀控制的喷油阀,电磁阀的开启和关闭由计算机控制。
2.2.2典型的柴油机电控系统
(1)电控共轨系统的特点:
电控高压共轨系统的特点可以归纳为:
①自由调节喷油压力(共轨压力控制)通过控制共轨压力而控制喷油压力。
利用共轨压力传感器测量燃油压力,从而调整供油泵的供油量、调整共轨压力。
此外,还可以根据发动机转速、喷油量的大小与设定了的最佳值(指令值)始终一致地进行反馈控制。
②自由调节喷油量以发动机的转速及油门开度信号为基础,计算机计算出最佳喷油量,并控制喷油器的通断电时间。
③自由调节喷油率形状根据发动机用途的需要,设置并控制喷油率形状:
预喷射、后喷射、多段喷射等。
④自由调节喷油时间根据发动机的转速和喷油量等参数,计算出最佳喷油时间,并控制电控喷油器在适当的时刻开启,在适当的时刻关闭等,从而准确控制喷油时间。
在电控共轨系统中,由各种传感器–发动机转速传感器、油门开度传感器、各种温度传感器等–实时检测出发动机的实际运行状态,由微型计算机根据预先设计的计算程序进行计算后,定出适合于该运行状态的喷油量、喷油叶间、喷油率模型等参数,使发动机始终都能在最佳状态下工作。
计算机具有自我诊断功能,对系统的主要零部件进行技术诊断,如果某个零件产生了故障,则诊断系统会向驾驶员发出警报,并根据故障情况自动作出处理;或使发动机停止运行–即所谓故障应急功能,或切换控制方法,使车辆继续行驶到安全的地方。
传统的泵管嘴燃油系统中,喷油压力与发动机的转速和负荷有关,不是一个独立变量。
在高压电控共轨系统中,喷油压力(共轨压力)与发动机的转速和负荷无关,是可以独立控制的。
由共轨压力传感器测出燃油压力,并与设定的目标燃油压力进行比较后进行反馈控制。
(2)共轨式电控喷油系统与常规机械式燃料喷油系统相比,共轨式电控喷油系统具有如下一系列优点:
①可实现高压喷射,喷射压力比一般直列泵系统高出一倍,最高的已达200MPa,今后的技术还会向250MPa高压喷射的实用化方向发展。
②喷射压力独立于发动机转速,可以改变发动机低速、低负荷性能。
③可以实现多次喷射(每循环3—5次,甚至组合7次喷射,包括预喷、主喷和后喷),调节喷油速率形状,实现理想喷油规律。
通过预喷来降低噪声和NOX排放,通过后喷来降低颗粒和提高DPF及NOX的催化转换效率。
④喷射定时和喷油量可自由选定。
⑤具有良好的喷射特性,优化燃烧过程,使发动机油耗、烟度、噪声和排放等综合性能指标得到明显改善,并有利于改进发动机扭矩特性。
⑥结构简单,可靠性好,适用性强,对原有发动机设计和制造设备改动较少。
(3)电控泵喷嘴系统
可直接安装在发动机气缸盖上,它将喷油泵的压油机构与喷油器结合在一起,省去了高压油管。
所以高压系统的死容积可以最大限度地减小,具有较高的液压效率,更有利于实现高压化和喷油速率的控制,从而获得发动机的高功率、低油耗和低排放。
但该系统价格较高,而且气缸盖的设计改动比较大。
2.3汽车底盘电控技术的应用
2.3.1汽车自动变速器
电控单元(ECU)根据传感器检测到的发动机转速、节气门开度、车速、发动机冷却液温度、自动变速器液压油温度等信号确定换档规律,并向电磁阀发出电子控制信号;电磁阀将该信号转变为液压控制信号,阀板中的各个控制阀根据这些液压控制信号,控制换档执行机构的动作,从而实现自动换档;电控自动变速器则在全液压控制自动变速器的基础上增加了一套电子控制系统,ECU根据节气门开度和车速等信号确定换档时刻,控制执行元件电磁阀工作,从而控制制动器和离合器工作,实现换档。
对于电控自动变速器,采用节气门阀主要用于调节油道压力,而不
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