例如进气系统中的电动节流阀、带有电磁或压电喷油器的高压共轨喷射系统、可变凸轮轴、可变气门总成和可变几何涡轮增压器。机电元件可细分为电动执行机构、气动或液压辅助能源执行机构、开关注入阀和电磁阀以及电动驱动器、泵和风扇。其中一些是分散的机电一体化元件，带有传感器和电子元件的局部集成，另一些是由发动机控制单元(ECU)集中控制的，见第5章。
1.2.3替代驱动器
汽车电气化的另一个步骤是发展混合动力。内燃机和电力驱动相结合的一个原因是，通过在较好的具体燃料消耗、再生制动和电力驱动范围内使用内燃机，进一步节省燃料消耗和排放。微型混合动力车通常有一个带离合器和启停控制的起动器/发电机。温和和完整的混合在平行配置的特点是通过一个更强的起动器/发电机或发电机/电机与两个离合器。串联式结构由一个内燃机驱动发电机和一个独立的电力驱动来运行。完全混合动力与动力分离系统有一个分开的发电机和电机耦合通过行星齿轮。根据混合程度的不同，混合驱动需要一个高压牵引板网，一个供底盘板网供电的DC/DC转换器，电力电子和一个非常强大的电池作为能量存储。
所有这些发展意味着电子和电子和许多控制功能的强劲增长，并意味着机电一体化的整体设计。效率的一个主要影响因素是电池的比容量、寿命、可靠性、安全性和成本的进一步提高，例如镍氢电池或锂离子电池。部件的增加也突出了故障诊断功能的重要性。
1.3发动机控制与诊断
电子发动机控制单元(ECU)的任务是控制、优化和监督内燃机(ICE)的所有相关功能。首先看这个包括：
bull;根据驾驶员的油门踏板产生扭矩
bull;低油耗
bull;低排放、低噪音(符合法规要求)
bull;良好的驾驶行为。
关于内燃机总成，控制功能可专用于以下发动机子系统或发动机零件：
1. 进气系统(空气系统)
2. 喷射系统
3. 燃料供应
4. 燃烧和曲轴驱动
5. 润滑
6. 排气系统
- 冷却系统。
部分子系统基本由机械控制，如四冲程发动机进、出口气门正时及通过凸轮轴举升，燃油压力和油压采用超压安全阀，冷却液温度采用恒温膨胀阀。许多其他重要的变量是电子控制的，如空气流量，燃料流量，燃烧，扭矩，速度和废气处理。然而，也可以电子控制凸轮轴的情况下，可变气门列车(VVT)和燃油压力的共轨直喷系统，以及油压。因此，需要电动执行器，它与电气、气动或液压辅助能源一起工作，并在发动机上与电气输出传感器一起工作。
内燃机的热力、流体动力和机械设计与构造的优化，使得执行机构和传感器的数量不断增加，电子控制功能也得到了强有力的提高。图1.1.3和1.1.5描述了传感器和执行器数量的增加。电子控制单元(ECU)控制启动、怠速、预热和正常运行。以数字微机为基础的系统的程序和数据的大小说明了控制功能的提高。在过去的15年里微处理器的时钟频率从12增加到了150 MHz, databus宽度从8位到32位,程序存储来自32个千字节5兆字节,计算时间从10到300指令每秒(MIPS)和校准标签从大约2500年到30000年(近似数字,看到教派。5.1。在这15年的时间窗内，这些特性增加了以下因素:内存:1:100，计算机能力(MIPS): 1:30和校准参数1:10，比较图1.3.1。
这种发展主要受优化燃烧和废气处理的可变性增加的影响。对汽油发动机重新弯曲首先,例如,在气门正时的优化和提升结合注射,根据负载,均匀或分层操作,lambda;-control。在柴油发动机的情况下，这导致优化多次注射，气门正时，涡轮增压，废气再循环和微粒过滤器的再生周期。
图1.3.2是汽油发动机的简化信号流程图。发动机控制系统必须针对6-8个主要操纵变量和5-8个实测输出变量进行设计，从而形成复杂的非线性多输入多输出系统。由于在量产汽车中，扭矩和一些排放等几个输出变量无法测量，因为它们太昂贵或者不够健壮，所以发动机的一些输出变量由前馈结构控制，也称为开环结构。这就要求驾驶员的位置、发动机转速、气量流量、空气温度和压力、机油和冷却剂温度等几个影响变量必须被测量，并对主要操纵变量必须指定前馈控制动作。汽油发动机的反馈控制和闭环控制是用于lambda;-控制和爆震控制。柴油机采用增压压力、气量流量和超速反馈控制，见图1.3.3。两种发动机都有怠速和冷却液温度反馈控制。前馈结构的优点是不存在稳定性问题，但主要影响变量需要相对精确的发动机模型和传感器。闭环结构也不补偿被测扰动，但其控制器必须精确、鲁棒地适应发动机的非线性动态特性。所有的控制功能都与负载和速度以及启动阶段、预热、正常状态、空转、超限和停机等运行状态密切相关。
下一节首先概述汽油和柴油发动机的一些基本控制功能。
1.3.1汽油发动机的控制
图1.3.4为直喷式汽油发动机的主要部件及其执行机构和传感器。为了在曲轴上产生一定的扭矩，汽油发动机需要非常特殊的空气燃料混合物。他们需要的最佳燃烧接近化学计量的空气和燃料的混合物在0.8 lt;lambda;lt; 1.4和因为催化剂主要应用三方的空气/燃料比必须精确的范围0.98 lt;lambda;lt; 1.02。因此，通常通过节流阀对空气进行部分节流，使气缸以亚大气压从歧管中吸出空气。气缸吸入的空气质量(空气电荷)与燃料一起决定产生的扭矩。它由空气质量传感器测量或由歧管压力传感器间接测定。然而，与柴油发动机相比，传统的由上游节流阀控制的发动机负荷会产生充电损失。控制单元(ECU)根据驾驶员油门踏板位置控制电动节流阀，并通过前馈控制与燃油喷射系统一起调节燃油喷射量。燃料或通过低压泵(4-6 bar)注入进气歧管上游的进气阀(端口注入)，或通过控制高压油泵(120-200 bar)直接注入燃烧室。
在气缸感应行程时，进气歧管内的喷射可由多个喷射脉冲(多点喷射)组成，用于传统的均质燃烧。ECU将油门踏板位置转换为所需的计算扭矩值。通过使用各种校正功能的空气费用和相应的燃油喷射质量每缸和最佳点火角相对于计算曲轴上死点和操纵变量节流阀角,燃油喷射角度和持续时间和前馈控制的点火线圈的激活是查找表。通过（级联）lambda反馈控制器校正喷射的燃油质量，在催化剂前后测量排气系统中的lambda;，以达到化学计量燃烧，从而在三元催化剂中实现CO、HC和NOx的最佳转化。
缸内的直接喷射作为额外的操作在燃料轨道的高压，并允许不同类型的燃烧。在较低的发动机转速和扭矩下，可以达到分层气缸充电，在一个区域产生可燃空气/燃料混合物云，并转移到火花塞。另一个区域含有过量的空气和剩余的废气。这些区域由管汇中的湍流襟翼控制。这样就可以打开节流阀，避免节流和充电损失，从而提高效率。燃料是在压缩过程中注入的。然而，稀薄燃烧产生更大的氮氧化物浓度，由于过量的空气，不能使用三向催化剂。因此，采用废气再循环(EGR)、废气再循环阀和氮氧化物蓄能器催化转化器控制NOx排放。由于无法实现分层条件的产生，发动机在高速和扭矩条件下必须以均质模式运行。因此，这种双模式(也是三模式)燃烧需要对多个变量的精确控制功能，并通过使用具有可变空气/燃料比设定值的通用(宽带)lambda传感器进行操作。还可以使用氮氧化物传感器。此外，爆震反馈控制通过在曲轴箱上安装一个或两个爆震传感器来修正点火角，以防止爆震燃烧，从而导致发动机损坏。
基于这些主要控制任务，图1.3.5给出了一种面向控制的汽油机缸体结构。发动机控制系统的总体功能经常用“电子发动机管理”一词来概括。个体的前馈和反馈控制函数呈现出由上一级控制函数和下一级控制函数组成的层次结构。高级控制功能可以分组在控制子系统或模块中，用于扭矩控制、喷射和空气/燃料控制、点火控制、爆震控制、空气充电和EGR控制。分段控制功能，例如，执行器的位置控制或低燃油压力控制。图1.3.5显示了7个主要执行机构，它们控制空气流量、喷射质量和角度、导轨压力、点火时间、凸轮轴相位和循环废气流量。冷启动、预热阶段、正常运行、空转、停机等不同工况，控制功能也会发生变化
带变矩器和行星齿轮的自动变速器或带正齿轮的双离合器变速器的控制主要通过与变速器壳相连的专用电子控制单元实现。发动机的转速与耗电负荷（这里是变速箱和车辆）一起产生。
1.3.2关于柴油机的控制
涡轮增压器柴油机的主要部件如图1.3.6所示。如果不使用涡轮增压器，扭矩由注入的燃料质量控制，柴油发动机的空气就会被吸入略低于大气压的气缸中。然而，大多数现代柴油发动机都有涡轮增压器来增加扭矩和动力。然后，空气充电取决于充电(升压)压力，这是由充电压力控制器控制的，例如通过改变废气门位置或可变几何涡轮增压器(VGT)的位置。在低负载,柴油发动机的运作大型过量空气,即有大量空气/燃料比表达的过量空气系数lambda;。只有在高负载,lambda;是接近1。如果太小，柴油发动机就会冒烟。与汽油发动机相比，缸内相对较高的压缩比，以及进气门不工作导致的较低的充电损失，因此良好的空气供应，特别是在部分负荷下，导致了更高的效率。然而，燃烧温度越高，热力学效率越高，由于空气中氮气的氧化而产生的氮氧化物气体就越多。为了降低燃烧温度和NOx浓度，可以将废气再循环到进气道上，降低燃油效率的成本。
现代柴油发动机要么有一个共同的轨道或一个单位泵喷射系统的压力，直到2200巴。ECU根据驾驶员油门踏板的位置来控制注入气缸的燃油量。为了在优化油耗的前提下影响燃烧过程，采用了前、主、后脉冲三种方式，对NOx、烟灰的形成及产生的噪声进行了多次喷射。进气系统的空气质量流量由EGR阀(主要是客车柴油机)间接控制。由于圆柱体所吸收的新鲜气体混合物在一定的操作点上是恒定的，所以增加EGR流量可以减少空气流量。这意味着/的比例改变了。封闭的气团控制回路的控制变量是测量质量流量和计算其参考价值过剩空气系数所需的参考。另一种反馈控制是增压压力控制回路，它可以控制固定几何涡轮增压器的废气门，也可以控制可变几何涡轮增压器的导叶。两个闭环控制回路是强耦合的。
柴油发动机需要一个最大转速的速度控制器，以便通过减少燃油质量来限制转速。否则，超速会损坏发动机。这是因为缺少通过进气节流进行的负载控制。速度控制也适用于空转，但不适用于车辆柴油发动机的正常工作范围。
废气后处理具有降低HC、CO、NOx和颗粒物的作用。在大多数客车柴油发动机中，HC、CO和一些煤烟是用氧化催化剂除去的。这可能是紧随其后的是一个氮氧化物存储催化剂(NSC),在加载阶段NO2在哪里存储在30到300年代在精益废气(lambda;gt; 1)。再生和清除NO2在丰富的废气(lambda;lt; 1)在2 - 10 s。这种去除或减少NO2是通过延迟喷射角和节流进气口，与CO和H2在一个丰富的废气中执行。存储的控制需要温度传感器和NOx-sensor或lambda;-sensor催化剂。另一种选择是选择性催化还原(SCR)，其中氮氧化物被氨NH3除去，氨NH3来自液体尿素。这个过程通过从一个额外的容器中注入尿素/水溶液(“添加蓝色”)持续进行，并通过使用NOx和nh3传感器进行反馈控制。
柴油微粒过滤器(DPF)可以去除排放的烟尘颗粒。它们由多孔陶瓷或烧结金属组成，必须由烟尘燃烧产生，废气中有氧气，温度至少升高600◦C，导致二氧化碳。当超过了基于差压增加和储存模型计算的煤烟储存相结合的标准时，再生就开始了。然后，根据发动机的工作状态，通过延迟主喷油或超迟喷油和进气节流来提高排气温度。这种再生大约需要10到20分钟，发动机是这样控制的，扭矩没有显著降低。DPF的控制需要一个差压和一个温度传感器。
图1.3.7描述了一个面向块的电子柴油管理系统结构。它作为汽油机的控制系统，采用分层结构，按上、下两级控制功能进行细分。高层控制功能可分为转矩控制、喷油和燃油控制、空气充电和EGR控制、排放控制等子系统或模块。较低水平的控制功能，例如，位置控制执行机构和控制涡流和滚筒式襟翼。图1.3.7为空气流量、喷射质量和角度、钢轨压力、EGR流量、凸轮轴相位和涡轮增压器的7个执行机构。空气流量、共轨压力、增压压力以及废气后处理通常采用闭环控制。这是由许多前馈控制功能。
除了主要控制功能外，还需要几个子级控制，如油门位置控制、喷射泵、凸轮轴、涡流和滚筒式襟翼、燃油和润滑油的压力控制。对于特殊工况或状态，可实现辅助控制功能，如限烟控制(CI)、空速控制、冷启动控制和预热控制。
大多数前馈控制函数都是基于网格的三维查表(3D-maps)或二维特性实现的。这是由于集成电路发动机具有强非线性的静态特性，微处理器具有良好的解释性和直接编程性。其中一些功能是基于带有修正因子的物理模型，但许多查找表和控制算法是在发动机试验台和车辆上进行测量后校准的。然而，随着发动机的复杂性和变型的增加，基于发动机模型的识别和控制设计方法变得越来越重要，详见第3、5和6章。自动变速器的控制，对于汽油发动机来说，主要是在一个特殊的传动控制单元中实现的。
这是对内燃机基本控制功能的初步概述。个别的控制系统在书中被更详细地处理，特别是在第5、6、7和8章。
1.3.3发动机诊断
现代汽车中传感器、执行器、机电元件和电子控制单元的大量增加，使发动机和底盘都变得非常复杂。因此，这些发展是并行的，实现在车上诊断的车辆。特别是加州空气资源委员会(CARB)自1988年以来对发动机排放相关部件(如传感器、执行机构和ECU)的机载诊断(OBD I)和欧盟(EOBD)自1998年以来的要求，有力地扩大了诊断功能的发展。所采用的方法有:测量值的极限检验、可信性检验和电路测试。与此同时，这些OBD功能约占ECU容量的50%。在服务站的船外诊断允许在电缆连接到车间测试设备后加强故障诊断
为了提高故障检测和诊断的性能，开发了基于过程的信号模型和方法，Isermann (2013)， Isermann (2015)
1.3.4发动机控制开发步骤
随着内燃机功能的不断增加和多变量化，电子管理的发展成为一项十分复杂的任
英语原文共 18 页
资料编号：[4724]
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