隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微機技術(shù)在汽車上的廣泛應用，使得汽車的內(nèi)涵和功能不斷拓展和延伸，汽車機電一體化—汽車電子化正逐漸成為現(xiàn)代汽車（特別是轎車）的基本特征。
發(fā)動機電控作為汽車電控中的重要一環(huán)，為適應日趨嚴格的排放、安全法規(guī)，已受到國內(nèi)外汽車廠商的高度重視，并得到了空前發(fā)展。
一、概述
現(xiàn)代轎車電控技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是現(xiàn)代控制理論。從早期的經(jīng)典控制到目前的智能控制，控制理論在汽車電控中得到了廣泛的應用。主要有PID控制、最優(yōu)控制、自適應控制、滑?？刂啤⒛：刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及預測控制等。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展使得電控系統(tǒng)更能適應復雜的多變量系統(tǒng)、時變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，甚至對于數(shù)學模型不甚精確的系統(tǒng)也能實施精確有效的控制。而這正是發(fā)動機電控得以實現(xiàn)的前提。就其結(jié)構(gòu)而言，電控系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制組件（ECU）、執(zhí)行器 3個部分組成。傳感器作為輸入部分，用于測量物理信號（溫度、壓力等），將其轉(zhuǎn)換為電信號；ECU的作用是接收傳感器的輸入信號，并按設(shè)定的程序進行計算處理，輸出處理結(jié)果；執(zhí)行器則根據(jù) ECU輸出的電信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，使之按要求變化。
（一）電子控制組件（ECU）
ECU以微機為中心。還包括前置的A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號緩沖器以及后置的信號放大器等。微機運算速度快、精度高，能實時控制，并具備多中斷響應等功能。目前除了8位、16位微機外，32位特別是64位微機已開始逐步使用。而且，不僅有通用型微機和單片機，專用的汽車微機也已研制出來。正是微機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展促進了汽車電控技術(shù)的不斷完善?？梢哉f，當前 ECU的發(fā)展總趨勢是從單系統(tǒng)單機控制向多系統(tǒng)集中控制過渡。不久以后，汽車電控系統(tǒng)將采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把發(fā)動機電控系統(tǒng)、車身電控系統(tǒng)、底盤電控系統(tǒng)及信息與通信系統(tǒng)等各系統(tǒng)的ECU相聯(lián)結(jié)，形成機內(nèi)分布式計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)汽車電子綜合控制。
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汽車傳感器的工作條件極為惡劣，因此，傳感器能否精確可*地工作至關(guān)重要。近年來在該領(lǐng)域中，理論研究及材料應用發(fā)展較為迅速，半導體和金屬膜技術(shù)、陶瓷燒結(jié)技術(shù)等迅猛發(fā)展。毋庸置疑，智能化、集成化和數(shù)字化將是傳感器的未來發(fā)展趨勢。
?。ㄈ﹫?zhí)行器
執(zhí)行器用來精確無誤地執(zhí)行 ECU發(fā)出的命令信號。因此，執(zhí)行器工作的精確與否將最終影響電控的成敗，正因如此，其工作可靠性和精確性一直作為研究重點而倍受關(guān)注。目前，汽車電控系統(tǒng)的執(zhí)行器類型繁多，有電磁閥、電動機、壓電元件、點火器、電磁繼電器、熱電偶等，結(jié)構(gòu)與功能不盡相同。執(zhí)行器的發(fā)展方向是智能化執(zhí)行器和固態(tài)智能動力裝置。
二、發(fā)動機電控技術(shù)及應用
發(fā)動機電控技術(shù)可分為電控汽油噴射、電子點火、怠速控制、排氣再循環(huán)控制、增壓控制、故障自診斷、故障保險、備用控制以及其它控制技術(shù)。
?。ㄒ唬╇娍仄蛧娚洌‥FI）系統(tǒng)
電控汽油噴射系統(tǒng)（簡稱電噴系統(tǒng)）是60年代末開始發(fā)展起來的，較之早期普遍使用的化油器供油系統(tǒng)，其突出優(yōu)點在于空燃比的控制更為精確，可實現(xiàn)最佳空燃比；而且電噴技術(shù)提高了汽油的霧化、蒸發(fā)性能 ,加速性能更好 ,發(fā)動機功率和扭矩顯著升高。
目前，電噴系統(tǒng)主要采用開環(huán)與閉環(huán)控制（反饋控制）相結(jié)合的方式。對諸如暖機、怠速等需要供給濃混合氣的工況采取開環(huán)控制，此外則通過排氣管中設(shè)置的氧傳感器，測量實際空燃比來進行反饋控制。由空氣流量計或進氣歧管絕對壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器測量進氣空氣量，由ECU根據(jù)冷卻水溫、進氣溫度、氧傳感器信號等確定合適的空燃比，計算所需噴油量，進而對執(zhí)行器（噴油器和電路斷開繼電器）進行控制。按照噴油器的安裝位置的不同，電噴系統(tǒng)可分為3種型式：單點噴射（SPI）、多點噴射（MPI）和缸內(nèi)直接噴射。單點噴射用 1～2個噴油器安裝在進氣管節(jié)氣門處。多點噴射將各個噴油器分別安裝在各缸的進氣歧管中，使各缸混合氣分配較均勻，故而在轎車中應用較廣。并且，按照其噴油時序的不同，多點噴射又可細分為同時噴射、分組噴射和順序噴射 3種，其中順序噴射使噴油器能按各缸的點火順序進行噴油，每循環(huán)噴一次，該種方式較前兩種應用效果更好。缸內(nèi)直噴特別是四沖程汽油機缸內(nèi)直噴是當前轎車汽油噴射中的前沿技術(shù)，最早由日本三菱公司研制開發(fā)，其噴油器安裝在氣缸蓋上，工作時直接將汽油噴入氣缸內(nèi)進行混合燃燒。直噴技術(shù)的實現(xiàn)大大降低了汽油機的油耗，動力性能也較多點噴射更為優(yōu)越；同時，配合其他機構(gòu)，使得高空燃比稀燃技術(shù)得以實現(xiàn)。
?。ǘ╇娮狱c火控制系統(tǒng)
早在 2 0世紀初 ,點火系統(tǒng)在汽車發(fā)動機上已開始應用，從有觸點式、普通無觸點式、集成電路式，發(fā)展到現(xiàn)今的微機控制電子點火系統(tǒng)。微機控制電子點火系統(tǒng)可控制并維持發(fā)動機點火提前角（ESA）在最佳范圍以內(nèi)，使汽油機的點火時刻更接近于理想狀態(tài)，進一步 挖掘發(fā)動機的潛能。
在微機控制點火系統(tǒng)中，目前出現(xiàn)了一種無分電器點火（DLI）系統(tǒng)，它取消了普通微機控制點火系統(tǒng)中的分電器，改由 ECU內(nèi)部控制各缸配電。這樣點火線圈產(chǎn)生的高壓電，不需經(jīng)過分電器分配，直接就送至火花塞發(fā)生點火。無分電器點火系統(tǒng)可消除分火頭與分電器蓋邊電極的火花放電現(xiàn)象，減少電磁干擾。無分電器點火系統(tǒng)根據(jù)點火順序的不同，有兩缸同時點火和各缸獨立點火兩種。在兩缸同時點火方式中，每兩缸一組，合用一個點火線圈，所有缸體分成若干組按組依次進行點火；在各缸獨立點火方式中，每缸的火花塞都設(shè)有單獨的點火線圈（特別是隨著超小型塑料包裝的點火線圈的出現(xiàn)，使之與火花塞合為一體），這樣各缸可依次輪流點火。
在發(fā)動機的點火控制中，同樣采用了開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的控制形式。起動階段的點火時刻由ECU中的專門信號進行開環(huán)控制；正常運行期間，則通過增設(shè)爆震傳感器進行爆震反饋控制，根據(jù)爆震傳感器的反饋信號調(diào)整點火時刻使發(fā)動機在臨界爆震狀態(tài)。
?。ㄈ┑∷倏刂疲↖SC）系統(tǒng)
怠速性能的好壞是評價發(fā)動機性能優(yōu)越與否的重要指標，怠速性能差將導致油耗增加，排污嚴重，因此，需進行必要的控制?，F(xiàn)代轎車中一般都設(shè)有怠速控制系統(tǒng)，由ECU控制并維持發(fā)動機怠速在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。因此，怠速控制通常是指怠速轉(zhuǎn)速控制，其實質(zhì)就是對怠速工況時的進氣量進行調(diào)節(jié)（同時配合噴油量及點火提前角的控制）。 怠速控制的基本原理是 ECU根據(jù)冷卻水溫、空調(diào)負荷、空檔信號等計算目標轉(zhuǎn)速，并與實際轉(zhuǎn)速相比較，同時檢測節(jié)氣門全關(guān)信號及車速信號，判斷是否處于怠速狀態(tài)，確認后則按目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間的差值來驅(qū)動執(zhí)行器調(diào)整控制進氣量。
目前，除了怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制之外，怠速控制還可以實現(xiàn)起動控制、暖機控制以及負荷變化控制等功能，這樣多種功能的集中，不僅簡化了機構(gòu)，而且也提高了怠速控制的精確性。
怠速控制系統(tǒng)根據(jù)進氣量控制方式的不同可分為節(jié)氣門直動式和旁通空氣式兩種，后者的應用較廣，其中的執(zhí)行器—怠速控制閥的發(fā)展較快，相應有步進電機型、旋轉(zhuǎn)電磁閥型、占空比型和開關(guān)控制型等，各自在怠速控制中有不同程度的應用。
?。ㄋ模┡艢庠傺h(huán)（EGR）電控系統(tǒng)
國外的早期研究發(fā)現(xiàn)，將少量的排氣（5%～20 %）再次循環(huán)進入氣缸與新鮮可燃混合氣混合后燃燒，可有效抑制 NOx 的產(chǎn)生。事實上，除了可采用氣門重疊產(chǎn)生排氣回流的內(nèi)部EGR方式外，更常用的措施是用專門的管道將部分排氣引至進氣管，由ECU控制EGR閥改變流通截面來調(diào)節(jié)排氣量，實現(xiàn)再循環(huán)排氣率的變化。通常在發(fā)動機暖機、怠速、低負荷、高負荷等工況不需進行EGR控制。
EGR控制的一般過程是：ECU根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，計算最佳再循環(huán)排氣率，再通過控制 EGR閥的開度來實現(xiàn)EGR控制。而ECU對EGR閥的控制，實質(zhì)上是通過對真空調(diào)節(jié)閥的控制來實現(xiàn)的。真空調(diào)節(jié)閥一般是電磁式的，用于將ECU輸出的電信號轉(zhuǎn)換為氣壓變化，從而實現(xiàn)對氣動式EGR閥的控制。并且，ECU還通過壓力傳感器測量再循環(huán)排氣率信號來進行反饋控制。在實施反饋控制時，最初使用的是獨立式壓力或壓差傳感器，而今又出現(xiàn)了與EGR閥共為一體的EGR位置傳感器，提高了控制精度。
?。ㄎ澹┰鰤弘娍叵到y(tǒng)
發(fā)動機中增壓系統(tǒng)的安裝日漸增多，其目的是為了提高進氣效率。電控增壓系統(tǒng)的研制開發(fā)使增壓技術(shù)又跨上了一個新臺階。目前，應用較普遍的是電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)。通常增壓器是為與發(fā)動機低速小負荷工況相匹配而設(shè)計的，當發(fā)動機大負荷運行時容易導致增壓器超速運行而損壞，為此，電控廢氣渦輪增壓系統(tǒng)專門在排氣管中廢氣渦輪室處增加了一旁通氣道，由ECU控制切換閥的開度大小進行調(diào)整。通常情況下切換閥閉合，廢氣通過渦輪氣室排出；一旦發(fā)動機大負荷運行將導致廢氣渦輪轉(zhuǎn)速升高，當進氣壓力超過限值，ECU便會通過相應機構(gòu)開啟切換閥，使旁通氣道導通，廢氣不經(jīng)渦輪室而直接由旁通氣道排出，增壓器停止工作。
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現(xiàn)代轎車發(fā)動機的電控系統(tǒng)中，ECU一般都帶有故障自診斷系統(tǒng)，自行監(jiān)測、診斷發(fā)動機控制系統(tǒng)各部分的故障。對于傳感器，可通過檢測其信號是否超出規(guī)定范圍來直接進行判斷；對于執(zhí)行器，則在其初始電路中增設(shè)專門回路來實現(xiàn)監(jiān)測，對于ECU本身，也有專用程序進行診斷。
故障自診斷系統(tǒng)時刻監(jiān)測各控制系統(tǒng)的工作情況，當出現(xiàn)故障時，一般轎車儀表板上的故障指示燈可閃爍報警，同時將故障信息以代碼的形式保存在微機的存儲器中，維修時不僅可以通過故障指示燈間斷閃爍來顯示，也可以通過專用的檢測儀器以數(shù)字的形式顯示故障代碼，以便進一步通過手冊查出故障原因。自診斷系統(tǒng)很好地解決了復雜電控系統(tǒng)難以判斷故障的問題。
?。ㄆ撸┕收媳ｋU系統(tǒng)及故障備用控制系統(tǒng)
當自診斷系統(tǒng)檢測出傳感器及其電路故障后，ECU中的故障保險系統(tǒng)隨之自動啟動發(fā)揮作用。故障保險系統(tǒng)會用程序設(shè)定的數(shù)據(jù)取代故障部分輸入的非正常信號，進行直接控制。故障保險系統(tǒng)一般通過軟件編程來實現(xiàn)。
而當微機或主要傳感器（如進氣歧管壓力傳感器）出現(xiàn)故障時，ECU立即將主控權(quán)由微機切換至故障備用系統(tǒng)中，由其代替微機工作。故障備用系統(tǒng)作為 ECU的一個集成電路模塊，根據(jù)起動信號和怠速觸點狀態(tài)信號，一般只能確定維持汽車運行的最簡單的控制方案，保證轎車“緩慢回家”以便修理，而不能達到微機控制時的最佳性能。
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1．進氣渦流電控系統(tǒng)進氣渦流可以促進汽油蒸發(fā)以及與空氣的均勻混合，提高燃燒效率。電控進氣渦流在某些轎車（特別是采用稀燃技術(shù)的轎車）上應用較多。其結(jié)構(gòu)是在進氣口附近增設(shè)一渦流控制閥，通過ECU采集轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度、冷卻水溫等信號，并加以處理后控制其旋轉(zhuǎn)角度，引導氣流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流，調(diào)節(jié)渦流比，實現(xiàn)渦流控制。
2．可變進氣控制系統(tǒng)可變進氣控制系統(tǒng)是從增加進氣量、提高進氣效率的角度出發(fā)來改善發(fā)動機動力性能的，該系統(tǒng)有兩種類型：一種是可變流通面積控制方式，它通過ECU控制安裝在進氣管道中的控制閥的旋轉(zhuǎn)角度來改變其進氣流通截面，滿足不同工況對進氣量的需求；另一種是可變流通長度控制方式，由ECU控制進氣管道中的控制閥來調(diào)整進氣管的長度。實踐證明，可變進氣控制系統(tǒng)可增強發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。
3．進氣溫度預熱控制系統(tǒng) 進氣溫度預熱控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)低溫起動時的進氣溫度來促進汽油蒸發(fā)，改善排放性能。預熱方式主要有排氣管預熱、水溫預熱和正溫度元件（PTC）預熱3種型式。
4．燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)燃油蒸發(fā)電控系統(tǒng)用來降低燃油箱中汽油蒸氣排向大氣所造成的污染。目前，活性炭罐蒸發(fā)電控裝置得到了廣泛應用。停車期間，利用活性炭罐吸收汽油蒸氣，防止向大氣擴散；發(fā)動機運行后，ECU控制活性炭罐與進氣管之間的導通，利用進氣真空度將活性炭罐中吸附的汽油蒸氣吸入進氣管，這樣可有效防止汽油蒸氣的外逸，降低 HC的排放污染。
5．曲軸箱強制通風電控系統(tǒng)曲軸箱強制通風電控系統(tǒng)的目的是將氣缸中經(jīng)活塞環(huán)間隙滲入曲軸箱內(nèi)的氣體再次循環(huán)進入進氣管中，以減少該部分氣體直接排向大氣造成的污染。現(xiàn)代電控系統(tǒng)中，由ECU根據(jù)節(jié)氣門位置信號、轉(zhuǎn)速信號等控制強制通風閥，從而實現(xiàn)曲軸箱內(nèi)氣體與進氣管之間的導通，再利用曲軸箱內(nèi)氣體。
6．二次空氣噴射系統(tǒng)二次空氣噴射作為早期控制污染物排放的措施之一，目前與催化轉(zhuǎn)換器配合使用。它同樣由ECU控制二次空氣噴射氣道的導通，將空氣引入催化轉(zhuǎn)換器中，實現(xiàn)對 NOx、CO、HC的轉(zhuǎn)變。在將空氣引入排氣管的方式中，除了空氣泵控制外，還可用排氣脈沖波來實現(xiàn)。另外，隨著研究的進一步深入，又出現(xiàn)了許多新技術(shù)。如停缸控制，它可根據(jù)負荷的不同要求，停止部分氣缸的燃油供給與點火控制，減少浪費，提高發(fā)動機效率；再如加速踏板電控系統(tǒng)，可避免機械式加速踏板因為磨損而產(chǎn)生的誤差，增加控制精度。
三、結(jié)束語
從上述發(fā)動機電控系統(tǒng)的應用技術(shù)中不難看出，轎車汽油發(fā)動機的微機控制時代已經(jīng)來臨，并且，隨著微機、電子技術(shù)的日臻完善以及材料工藝的蓬勃發(fā)展，再加上控制理論的不斷成熟完善，發(fā)動機電控技術(shù)有望取得更大的突破。因此，可以確切地講，發(fā)動機電控技術(shù)的開發(fā)研究仍將是2 1世紀汽車工業(yè)的重要課題。
