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缸内直喷电控汽油机技术分析、故障诊断与检修.doc39页
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淮安信息职业技术学院毕业论文
目 缸内直喷电控汽油机技术
分析、故障诊断与检修
学生姓名学 号
系 部 汽车工程系
专 业 汽车检测与维修技术
班 级 821070
指导教师副教授
二?一二年十一月
随着石油资源越来越紧缺,人们对汽车的燃油经济性要求越来越高,为此,一种新型的汽油燃烧方式应运而生,即发动机稀薄燃烧技术,而实现稀薄燃烧的理想方式是缸内直喷分层喷注,即汽油缸内直喷。缸内直喷发动机具有节省燃油、减少废气排放、提升动力性能、减少发动机振动、喷射精度的提高、发动机更耐用等优点。本文简单概述了现代汽车缸内直喷发动机的发展及应用,重点介绍了缸内直喷发动机的结构原理,详细分析了大众1.8TSI发动机结构原理,最后结合具体的故障实例分析了宝马、别克、迈腾、蒙迪欧故障诊断方法与检修工艺。
关键词:电控汽油机;缸内直喷;TSI;故障诊断;检修
第一章 缸内直喷电控汽油机概述 1
1.1汽油直接喷射技术的应用与发展 1
1.2缸内直喷电控发动机优缺点 2
1.2.1缸内直喷发动机的优点 2
1.2.2缸内直喷发动机的缺点 4
第二章 汽油缸内直喷发动机技术解析 6
2.1缸内直喷发动机技术简介 6
2.2汽油直接喷射(GDI)发动机的结构 6
2.3 汽油缸内直喷发动机工作原理 7
2.4发动机燃油喷射控制模式 9
第三章 大众1.8TSI发动机 16
3.1概述 16
3.2大众TSI发动机结构特点 18
3.3大众TSI发动机燃油供给系统的结构特点 21
3.4大众TSI发动机电控系统的工作模式 22
3.5大众1.8TSI发动机电控系统的组成 22
典型故障案例分析 24
4.1宝马缸内直喷发动机启动困难 24
4.2别克新君威加速不良、怠速抖动 27
4.3蒙迪欧新致胜怠速抖动急速迟缓 28
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电控LPG发动机及其缸内直接喷射技术的研究.pdf108页
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博士学位论文
电控LPG发动机及其缸内直接喷射技术的研究
姓名：邵千钧
申请学位级别：博士
专业：动力机械及工程
指导教师：徐航;何文华
座机电话号码
论文题目：电控LPG发动机及其缸内直接喷射技术的研究
作者简介：邵千钧，男，1971年生，2000年师从徐航教授、何文华教授攻读博十学位。两位导师一
直从事发动机燃烧过 g及优化控制方面的研究。
本文利用电控喷射技术对LPG发动机进行改造和优化，对比研究缸内直接喷
射、进气道液态喷射和气态喷射的发动机性能，并对空燃比、点火提前角和喷射
时刻等控制参数进行优化和标定。将汽油缸内直接喷射技术 GDI 用于LPG发动
机，以根本解决其动力性下降的缺点，并进一步提高燃料经济性和排放水平，满
足现代车用发动机的要求。
本文涉及以下研究内容和相关研究结论。
研究了多种燃料供应方式下的燃料供应系统。其中缸内喷射系统创造性地采
用液压增压方式，其具备燃料适应性广、喷射压力可调 2～12MPa 、压力波动小、
密封性好等优点。研究了由电控阀和柴油机喷嘴构成的用于缸内直接喷射的组合
式电控喷射器，并成功地用于实验。对缸内喷射时LPG的喷雾特性进行了研究，
计算结果表明3MPa左右的压力可满足LPG缸内喷射的雾化要求。
对发动机的控制策略进行研究。首次将小脑模型神经网络 CMAC 用于电控
LPG发动机的优化控制，研究分析其用于空燃比控制和点火提前角控制的基本方
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电控汽油缸内直喷系统的研究28-10
系统接收传感器送来的转速信号以及喷油和点火的参考；图４．３所示为单片机系统电路原理图，综合考虑成本；单片机采用中断的方式进行转速测量，霍尔传感器每转；上述以ＰＣ机为核心的控制单元能胜任发动机运行监测；４．１．２传感器选用与驱动模块设计；对于汽油缸内直喷试验控制系统来说，控制单元是其核；（１）传感器选用应用于本试验控制系统的传感器主要；置用）、凸轮轴位置传感器
系统接收传感器送来的转速信号以及喷油和点火的参考信号。其中转速信号经数据采集卡Ｄ／Ｉ口读取，与其它模拟信号一并送入ＰＣ机，ＰＣ机进行运算处理并根据ＭＡＰ图给出控制信号，单片机通过串口通信获得控制量，向外输出控制燃油喷射和点火定时。需要说明的是，在实际控制过程中，考虑到发动机实时控制方面的需求，单片机收到喷油和点火参考信号时直接从其ＲＡＭ中读取控制量并输出，而ＲＡＭ中控制量在每次串口通信后被更新，由于本课题处于起步阶段，主要研究稳态工况下汽油缸内直喷系统的性能，因此这种控制方式对发动机控制精度影响不大。图４．３所示为单片机系统电路原理图，综合考虑成本与用途我们选用了８位的ＡＴ８９Ｃ５２单片机，其提供的主要功能由：８Ｋ字节Ｆｌａｓｈ闪速存储器，２５６字节内部ＲＡＭ，，３２个可编程Ｉ／Ｏ口线，３个１６位定时／计数器，８个中断源，一个全双功串行通信口，片内振荡器及时钟电路。单片机采用中断的方式进行转速测量，霍尔传感器每转一圈产生一个脉冲，脉冲信号触发１２位计数器ＭＣｌ４０４０Ｂ计数，数据采集卡通过Ｄ／Ｉ口读取计数值，直接测量单个脉冲的周期来得到发动机转速。系统中使用６ＭＨｚ的晶振，配合六个７４ＬＳ７４进行六次二分频，经计算最低可测转速为２０９ｒ／ｍｉｎ，满足发动机试验要求。单片机与ＰＣ机通信采用ＲＳ．２３２Ｃ串行接口，它是目前最常见的串行接口标准，用来实现计算机和计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。使用中把ＡＴ８９Ｃ５２设置成全双工的串行口，与ＰＣ机串行口连接仅需ＲＸＤ（接收）、ＴＸＤ（发送）、ＲＮＤ（地）三条电缆线。ＲＳ一２３２Ｃ标准电平采用负逻辑，规定一３Ｖ～．１５Ｖ之间的任意电平为逻辑０，＋３Ｖ～＋】５Ｖ之问的任意电平为逻辑１，这与ＣＭＯＳ和ＴＴＬ电平不兼容。而ＡＴ８９Ｃ５２的串口电平为ＴＴＬ电平，ＰＣ机串行口是ＲＳ一２３２控制电平，两者电平不一致，因此在串口通信是必须进行电平转换，在本系统中利用ＭＡＸ２３２芯片实现这一功能。上述以ＰＣ机为核心的控制单元能胜任发动机运行监测与实时控制的需要。ＰＣ机能对工作中的参数及时进行修正；数据采集卡实现了多路模拟信号并行采集且避免了复杂的底端编程；单片机的使用确保了控制的实时与迅速，并留有扩展的空间，为今后实现单片机全自动控制打下了基础。４．１．２传感器选用与驱动模块设计对于汽油缸内直喷试验控制系统来说，控制单元是其核心，但是一个完整的控制系统还包括传感器及驱动模块。传感器将发动机工作的状态参数传给控制单元，控制器能据此给出适合发动机运行的控制量。而驱动模块负责接收控制量并驱动相应部件完成控制任务。两者必不可少。（１）传感器选用应用于本试验控制系统的传感器主要有：霍尔传感器（测转速及曲轴位置用）、凸轮轴位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器。其适用于研究起步阶段开环控制系统，下面将对这些传感器进行介绍。１）霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应制作的，利用感应出的脉冲信号计算转速同时作为点火信号的参考。本试验所用的１７０Ｆ发动机在与曲轴相连的飞轮上装有磁钢，我们在发动机机体正对飞轮处装上半导体基片，两者组成了霍尔信号发生器，其没有线圈，信号发生不受转速和温度影响，同时输出电压稳定、工作可靠稳定。当半导体基片与磁钢相对时由于霍尔效应感生出电压，飞轮随着曲轴转动，可切割两者之间的磁力线，当磁力线被割断时输出电压消失。由于曲轴转速就是发动机转速，利用这一原理每转一圈输出一次脉冲，对其计算就可得到发动机转速。同时这一信号也作为点火的参考信号，由于半导体基片在发动机机体上的安装位置可调，因此在精确测量安装角度的前提下可手动调节发动机点火提前角；我们同样可以通过设定软件延迟控制点火电路通断的方式来实现点火提前角的改变。使用的霍尔传感器有三个端子，分别为输入、输出及公共地。其内部集成了处理电路，输出为矩形波，图４－４所示为霍尔传感器输入调理电路，由于传感器本身感应出的电压较小，因此采用三极管８０５０对其进行放大，放大后的信号为高平脉冲信号可直接输入ＰＣ机，同时采用了光耦ＴＩＬｌｌ７对输出信号进行光电隔离，避免外界干扰及保护后续电路，另外如图４―３所示，在ＰＣ机输入前利用７４ＬＳ０４对其反向并整形。图４－４霍尔传感器输入调理电路２）凸轮轴位置传感器对于汽油缸内直喷来说，喷射时刻是非常蕈要的控制参数，一般采取低负荷压缩冲程晚喷射，高负荷进气冲程早喷射的策略，因此我们需要确定一４３个喷射参考位置，在这里我们使用自制的光电传感器安装在凸轮轴上作为喷射参考时刻。光电传感器由发光二极管、光敏三极管和遮光盘组成。发光二极管与光敏三极管分别作为发光和接收器件，遮光盘上有一个缺口，凸轮轴每转～圈缺口到达发光和接收器件之间时三极管导通，输出脉冲信号，经过整形发大后输入单片机，就是喷射参考时刻，通过软件设计延迟时间就可以精确控制喷射时刻，其输入调理电路如４－５所示。“Ⅻ●●图４－５凸轮轴位置传感器输入调理电路３）进气压力传感器进气压力传感器用来表征发动机负荷的大小，发动机ＥＣＵ根据其以及发动机转速来确定每循环空气进气嚣，掂此给出控制量。随节气门的开大，进气量增加，进气歧管真空度减小，进气压力增大；而节气门关小，迸气量减少，进气歧管真空度增大，进气压力减小。利用膜盒式进气压力传感器，膜片中间薄周围厚，表面贴有连成桥式电路的电阻，两端一面是真空室一面导入进气压力，当进气压力发生变化时膜片随之收缩或伸张，这时传感电阻阻值发生变化，使输出电压正比于进气压力，发动机ＥＣＵ根据电压就可测得进气压力，这种传感器优点是不受较大范围的温度变化的影响。４）进气温度传感器我们知道随着温度的变化，空气的密度也会变化，因此我们通过测量进气温度对进气量进行修正，使对应输出的控制量更加精确。进气温度传感器使用的是负温度系数的热敏电阻，电阻值随着温度的升高而降低，其具有成本低耐用性好的优点。使用时将热敏电阻与一个标准电阻相串联，两端加上５Ｖ参考电压，从热敏电阻引出的电压就表征了进气温度信号，通过简单标定就可确定温度值。电压信号经过放大整形输入数据采集卡的模拟信号输入端。５）节气门位置传感器节气门开度主要用束判断发动机所处工况。节气门位置传感器其实是一个电位计，它与节气门同轴安装，当节气门位置发生变化时，电位计输出电阻随之变化，再通过分压方式将电阻变化转变为电压变化输入ＰＣ机，其输出信号与气门位簧在生产时进行过标定。ＰＣ机据此判断发动机所处工况，针对怠速、全负荷、加减速变工况进行有效控制。节气门位置传感器信号通过放大整形由数据采集卡送入ＰＣ机。（２）驱动模块设计由于单片机输出功率有限，因此其输出的控制信号要经过驱动模块才能达到控制对象的要求，本课题中输出的控制量为燃油喷射及点火定时，下面就驱动电路进行介绍。１）喷油器电磁阀驱动电路上文介绍过本系统使用普通喷嘴结合高速电磁阀实现燃油喷射。主要控制对象就是电磁阀的开启和关闭，喷油时刻取决于电磁阀开启时刻，喷油量取决于电磁阀开启时间长度。驱动电路如图４―６所示。柬粕单图４－６喷油器电磁阀驱动电路驱动电路采用电流驱动的方式，控制信号由单片机送来，经过光耦ＴＩＬｌｌ７隔离，然后经过８０５０及２０７３两级放大来驱动电磁阀线圈，使电磁阀开启。通过控制开启时刻及持续时间就可以起到控制喷油时刻和喷油量的目的，并且电流驱动的方式响应快，使控制更为迅速精确。２）点火驱动电路对于火花点燃式发动机来说，点火系统作用就是确保在合适的点火时刻，火花塞产生足够强的火花以保证点火可靠。传统点火系统依靠触点开闭来控制点火线圈初级绕组的电流，产生次级电压柬点火，它精度不足、点火能量不够、触点易烧蚀，现已逐渐被淘汰。之后出现的晶体管点火系统也属于触点式点火系统。后来发展了无触点点火系统，这种方式点火能量较强、时间精确、不受触点影响，较好地解决了点火的问题。浙江大学硕｝。学位论文对于汽油缸内直喷系统来说，由于燃油直接喷入气缸内，缸内充量温度低，稀燃条件下混合气不易正常点燃。为确保点火可靠需提高点火能量及精度，在此采用之前开发的ＥＣＵ直接控制的电容放电式点火系统１５３１，其提高了点火能量且点火提前角易于控制，有利于改善发动机的动力性、排放及燃油经济性。点火驱动电路如图４―７所示。图４－７点火驱动电路如上图所示其工作原理为：点火信号经光耦ＴＩＬｌｌ７隔离后到达整流三极管２０７３的基极，由三极管开关来驱动ＭＯＳ管。点火信号经常性为高电平，此时三极管导通，ＭＯＳ管基极低电位，处于截止状态，点火线圈中无电流通过，不点火，而电容通过可调直流电源充电，为点火储能；当ＥＣＵ送出一个瞬间低电平的点火信号时，三极管截止，ＭＯＳ管基极电位１２Ｖ，导通，此时电容向点火线圈的初级绕组放电，在次级线圈感应出很高的电动势，此电压经点火线圈再次升压使火花塞跳火。电容点火系统不存在电压上升时间的问题，点火系统次级电压最大值不受转速影响，能量利用率高，容易控制，ＰＣ机可连续送出两到三个点火信号，也能确保火花塞每次点火成功，这就实现了多次点火。实际应用中霍尔传感器信号作为点火参考信号，ＰＣ机根据转速和进气压力并修正后计算出点火提前角，确定延迟量，延迟后发出点火信号。本系统进行了多次点火的试验，其软件控制方法在下一节中给予介绍。４．２试验控制系统软件设计试验控制系统硬件功能的实现，以及硬件问信息的传递等都要依靠软件设计来完成，其是控制系统设计的重要内容。４．２．１软件设计概述一般发动机试验控制系统软件设计主要内容包括数据采集、数据处理、串行通信、中断响应等，这些内容具有相似的地方，如硬件不改动程序可以通用；但包含各类专业文献、行业资料、生活休闲娱乐、专业论文、各类资格考试、高等教育、文学作品欣赏、电控汽油缸内直喷系统的研究28等内容。　
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