汽车电器与电子控制技术课程设计华夏HX7180轿车汽车电器与电子设备线路设计———发动机电控系统线路设计与分析
学院：交通与车辆工程学院
专业：交通运输
班级：交运1003班
姓名：xiaowei
学号：1011122042
指导教师：韩加蓬
内容摘要
发动机电控系统又称发动机管理系统EMS(Engine Management System),可分为汽油机管理系统和柴油机管理系统。
华夏HX7160轿车电子控制系统采用汽油机电子控制系统，其有电子控制单元控制发动机汽油喷射、点火时刻、怠速和排放。发动机工作时，电控单元根据控制程序和各传感器输入的信号控制发动机的燃油喷射、点火时刻、怠速、燃油箱燃油蒸汽控制和排气再循环等。本文对华夏HX7160轿车汽车发动机电子管理系统进行了相关的设计和对各主要电器设备的选用，并对其工作原理进行了论述。
关键词
发动机电控系统传感器电控单元执行元件ECU 燃油喷射
点火系统
一华夏HX7160轿车的相关数据
HX7160轿车汽车与电器与电子设备线路设计相关的基本技术数据见表1-1
表1-1 线路设计相关的基本技术数据
车型华夏HX7160 轮距（前/后）mm 1480/1485
驱动形式4×2前轮驱动最高车速km/h 150
自重kg 1000 功率(kw/r/min) 76/5600
总重kg 1600 排量L 1.6
整车外形尺寸（长×宽×高）mm 4770 ×1800 ×
1450
发动机型号/压缩
比
10.0
轴距mm 2700 电源系统电压V 12
二 充电系统、启动系统的计算 （一）起动机和蓄电池的参数选择 1.起动机功率的选择
起动机的选择应根据发动机的功率、起动机与发动机曲轴的最佳传动比、蓄电池容量这三个参数来确定。
起动机必须具有足够的的功率才能保证迅速、可靠地起动发动机。功率的大小由发动机的最低起动转速n q 和发动机的起动阻力矩M
q
决
定，即
9550
n M q
q
P ?≥
式中：M q 的单位为N ·m ，n q 的单位为r/min
发动机的起动阻力矩有摩擦力矩、压缩损失力矩和发动机附件损失力矩三部分组成。其中摩擦力矩是活塞与缸壁的摩擦、曲轴轴承摩擦及搅油阻力等产生，占起动阻力矩的60%。压缩力矩与气缸容积和压缩比有关，约占起动阻力矩的25%。发动机附件阻力矩是发动机用 于驱动发电机、分电器、汽油泵、风扇、水泵等所消耗的力矩，约占起动阻力矩的15%。qM 一般由试验测定，也可用式M q =CL 来计算，即 M
q
=CL=40×1.6=64 N ·m
式中：C 表示系数，取30～40，L 为发动机排量。
发动机的最低起动转速qn 是保证发动机可靠起动曲轴的最低转速。汽油机在0～20℃时，根据汽油机的雾化条件，最低起动转速为应30～40r/min 。为保证低温起动，通常取起动转速为50～70r/min 。即
KW p n M q
q
47.0955070
649550
=?=
?≥
考虑到要有一定的功率储备，合理选取P 为0.75KW 。
2.起动机的传动比选择
（1）最佳传动比的计算。所谓最佳传动比，即起动机工作在最大功率时，对应的起动机转速n S 与发动机能可靠起动的曲轴转速n f 之比，即
Z
Z n
n
s
f f
s i =
=
=14
式中：Z f —表示飞轮齿圈齿数；Z S —表示起动机驱动齿轮齿数。
（2）传动比的实际选择 根据计算的最佳传动比，结合飞轮齿圈的节圆直径和齿轮模数(m)，确定实际传动比为14。
3.起动机的选用
起动机采用成都国海汽车电器有限公司生产的QD128型起动机。QD128型起动机的主要性能指标
型号QD128 最大输出转矩/N·M 不小于13
额定电压/V 12 驱动齿轮齿数(个) 9
制动电流/A 480 压力角/(°) 12
起动电流/A 110 模数 1
额定功率/KW 0.8 质量/Kg
4.5
4.蓄电池容量的选择
汽车蓄电池的容量主要由起动机的功率确定，一般可按下式来选择蓄电池的额定容量：
U P
Q
?=
)
810
610
(至
式中：Q为蓄电池的额定容量（Ah）；P为起动机的额定功率（kW）；U为起动机的额定电压(V)。则
U P
Q
?=
)
810
610
(至
=750×0.75/12=47 Ah
5.蓄电池的选用
蓄电池选用6-QA-47D。其含义为六格电池，启动型蓄电池，20小时放电率时的额定容量为47Ah，低温起动性能好。
（二）充电系统的计算
1.汽车用电设备及其功率
汽车上的用电设备数量较多,大致可分为起动装置、点火装置、照明信号装置、仪表和辅助装置以及电子控制装置等。汽车上的各用电设备及其功率见表2-1。
表2-1 汽车上的各用电设备及其功率
灯泡名称数量功率灯泡名称数量功率前大灯 2 60W 油压报警灯 1 3W 前雾灯 2 75W 仪表灯 1 3W 倒车灯 2 20W 远光指示灯 1 3W 牌照灯 1 5W 开关照明灯 1 3W
1 3W
前小灯 2 5W 制动液位指
示灯
1 200W
前转向灯 2 20W 暖风/空调设
备
后转向灯 2 20W 刮水电动机 1 40W
制动灯/尾灯 2 20/5W 点火系统 1 50W 室内灯 1 10W 音响系统 1 12W
1 70W
示宽灯 4 5W 发动机电子
控制系统
1 150 W 充电指示灯 1 3W ABS与其它
电子控制系
统
制动报警灯 1 3W 其他设备 1 100W
2.整车用电设备负载电流的计算
汽车用电设备按其工作性质不同可分为长期用电负荷、连续工作用电
负荷和短时间歇用电负荷；按其运行条件不同可分为冬季和夏季，白天和夜间，晴天和雨天等情况。因此计算整车用电设备负载电流时，应根据各个用电设备的工作性质确定其权值K （即用电设备的工作时 间与发动机工作时间之比），然后再进行加权计算。表2-2列出了部分汽车用电设备的权值。
另外，用电设备标定的额定电压（U ），和其实际工作电压（即发电机的输出的电压Ue ）还有差别，所以要计算每个用电设备的负载电流时应考虑其电压系数U Ue
K
V
=
。
综上所述，整车用电设备负载电流I f 的计算公式为：
A
U
m
i i
i
V
f
P K K I
2.451
=??=∑
=
式中：m —整车用电设备的数量；K V —电压系数；K i —第i 个用电设备的权值；P i —第i 个用电设备的额定功率（W ）；U —用电设备的额定电压（V ）。
表2-2 部分汽车用电设备的权值
负荷类型
部件名称 权值 负荷类型 部件名称
权值
长期工作
点火系 1.0 连续工作 空调
0.5
仪表
1.0 刮水器
0.3 发动机电子
1.0
ABS 与其它
0.5
控制系统
电子控制系
统
夜间长期 工作
小灯 1.0
收音机
0.5
前照灯近光 0.2 短时间歇 工作
电喇叭
0.1 前照灯远光 0.8 转向信号
0.1 尾牌照灯
1.0
制动灯
0.1
辅助前照灯
0.3
SRS 系统
0.1
3.发电机功率的计算
4.确定的发电机输出电流Ie 即发电机功率只是达到发电机供电系统的电能平衡（即0
=-I I f e
）但是，为了保证蓄电池可靠地充电，使蓄
电池的充、放电达到平衡，通常取一个蓄电池的充电系数τ，τ一般取0.15左右。于是发电机的输出电流Ie 应为：
A
I
I f
e 2.531=-=
τ
求取Ie=53.2A 从而所需发电机功率为：
KW
U
I P e
e
e
75.0=?=
4发动机与发电机传动比的计算
通过合理确定发动机与发电机之间的传动比，使汽车处于怠速时发电机的转速要大于发电机的空载转速，并且发动机在最高转速工作时，发电机不允许超过其最高转速。
取发动机怠速时的转速为800r/min ，发电机的最低转速为2000r/min （2000r/min 时发电机发出的电流已经超过额定电流的60%）。则
5.2800
2000
==
=
n
n i e
e
当发动机以最高转速5200r/min 运转时，发电机的转速13000r/min 在发电机最高转速范围内故 取2.5时合理的。
5 发电机的选用
发电机采用金华市风驰工贸有限公司生产的JF158型发电机。
JF158型发电机的主要性能指标
发电机型号
JF158 额定输出电压 /V
14
额定输出电流 /A
50 开始充电转速 /r/min
1900
最高充电转速/r/min 18000
工作环境温度/℃-40～+90
调节器形式集成电路式
调节电压/V 12.5—14.5
单机质量/Kg 5.0
JF158型发电机是内装调节器、外打铁、整体式发电机。
三汽油发动机管理系统组成和工作原理
发动机电控系统又称发动机管理系统EMS(Engine Management System),可分为汽油机管理系统和柴油机管理系统，此课程设计对象是华夏HX7160轿车电器与电子设备线路设计，此设计采用AJR型发动机，发动机电控管理采用博士公司开发的模特朗尼可系统（MOTRONIC）。
（一) 燃油喷射系统
燃油喷射系统的作用是按照发动机各工况要求控制喷油量，以实现空燃比的最佳控制，其主要包括供油系统、进气系统、电控系统三个子系统。采用LH多点燃油顺序喷射，通过空气流量传感器和发动机转速传感器确定基本喷油脉宽；每个进气岐管各安装一个喷油器；喷油压力约为0.25Mpa。
传感器：
包括热模式空气流量传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、节气门位置传感器、爆燃传感器、氧传感器、发动机转速传感器等。热膜式空气流量传感器：
热膜式空气流量传感器本身就是一段进气道，在通道的中心线上安装一片热敏电阻和热敏元件制成一体的热膜，它与电路板相连。工作室始终保持热膜本身的温度不变，由于进气流量大小不同，热膜的散热也跟随变化。在散热量大时，电路板必须供给较大的电流，热膜才能保持温度不变；当进气气流小时，则相反，只要供给较小的电流就能保持温度恒定，也就是说进气流量与电流的大小建立固定关系，电流经电阻换算成电压由传感器输送给电脑。
冷却液温度传感器：
它是利用负温度系数的热敏电阻阻值随温度变化的特性，即阻值随温度升高而降低的特性，在实际应用中，传感器能感知冷却液温度的变化，并将这种变化由电路转化为电信号输送给ECU，ECU根据输入的信号来修正喷油时间及喷油量，同时调整空燃比，使混合气能稳定在较好的状态燃烧，并使发动机发挥较好的动力及经济性。
进气温度传感器：
其作用是检测发动机进气温度，也是采用负温度系数的热敏电阻组成，即温度高时传感器的电阻降低，用来检测发动机的进气温度，并将这个信号通过电路连接以电信号的形式传给ECU,ECU则根据输入的电信号对喷油量进行修正。
节气门位置传感器：
采用的是电位计式节气门位置传感器，特点是动触点作为检测信号，其检测输出电压信号与节气门开度线性增加。节气门电位计（G69）直接与节气门轴相连，当驾驶员踩下节气门踏板时，节气门
轴转动，节气门电位计同时转动，怠速电动机位置传感器（G88）与节气门相连接，当节气门转动时，怠速电动机位置传感器也转动，电阻变化。节气门电位计和怠速电动机位置传感器这两个部件起着节气门位置传感器的作用，电脑能够根据发动机负荷和温度来控制节气门体的开闭，保证发动机维持在最佳怠速转动。放松加速踏板，节气门有怠速电动机控制逐渐关闭直到达到最佳转速。怠速开关（F60）用以向怠速控制单元提供怠速位置信号，在怠速控制范围内怠速开关是闭合的，有怠速马达（V60）来决定怠速时节气门开度，节气门控制组件有发动机控制单元控制。怠速开关，节气门电位计和怠速马达位置传感器输入给发动机控制单元当前的节气门信息，发动机控制单元命令节气门动作，使发动机调节在规定转速范围内。
爆燃传感器：
非共振型压电式爆燃传感器，每两缸共用一个传感器（G61,白色插头）使一、二缸的，安装在缸体一、二缸之间进气管侧；爆燃传感器（G66,蓝色插头）是三、四缸的，安装在三、四缸进气管侧。当发动机产生爆燃时，安装在缸体上的爆燃传感器内部平衡中因受震动的影响而产生加速度，平衡中将此加速惯性力变为作用在压电晶体上的压力，压电晶体受到此加速度惯性压力后产生压电信号输出，输出电压有两个压电晶体中央取出，该传感器结构简单，制造是不需要调整，在发动机爆燃发生时，由于这种传感器输出地电压不大，制造是不需要调整，具有平缓的输出特性，因此需要将反应发动机振动频率的输出电压信号送到识别爆燃的滤波中，以判别是否具有爆燃产生的信
号。
转速传感器、1号爆震传感器、氧传感器安装位置
l-转速传感器插头（灰色） 2-l号爆震传感器插头（白色）3-氧传感器插头（黑色）
氧传感器：
采用的是二氧化锆式氧传感器，它的基本元件是锆管，锆管固定在带有安装固定泸定的套管中，其内表面通大气，外表面与排气相通，传感器的接线端上有一个金属护套，其上设有用于锆管内腔和大气相通的透气孔，电线将锆管内表面的铂极经絶缘套从此接线端上引出。高管内的陶瓷是多孔的，渗入其中的氧气在温度较高时发生电离，只要内外侧氧的浓度不一致，存在浓度差,氧离子从大气侧向排气侧扩散，从而使锆管成为一个微电波，在两波极间产生电压，当供给发动机的可燃混合气较稀时，由于排气中央含量较高，锆管内外侧的氧浓度差较小，因此电位差较小，只产生很小的电压，传感器的输出电压几乎为零；当供给发动机的混合气较浓时，排气中含氧量少，电机两侧就产生较高电压。
电控单元：
是计算机控制系统的核心，分为硬件和软件两个部分，包括输入回路、微处理器、输出回路、电源电路等部分。由各传感器输送来的数字信号和模拟信号经过输入回路的处理转化成为微处理器接受的信号，经微处理器处理后的信号通过输出回路到达相应的执行元件。执行元件：
电动燃油泵：向燃油系统输送一定压力的燃油。
压力调节器：调节供油压力与进气管压力差保持不变，使喷油器的喷油量不受近期压力的影响，而由喷油器的喷油时间决定。
喷油器：在电控单元的控制下向各缸进气歧管定时定量的喷油。
AJR型发动机电子喷射系统结构示意图
1-热膜式空气流量计 2-电子控制单元 3-电动汽油泵 4-节气门控制组件 5-怠速电机（与节气门控制组件一体） 6-进气温度传感器 7-油压调节器 8-喷油器 9-爆震传感器 10-汽油滤清器11-点火线圈 12-氧传感器 13-冷却液温度传感器 14-转速传感器
汽油喷射系统和点火系统位置布置图
l-霍尔传感器（G40）2-喷油器（N30－N33）3-活性炭罐 4-热膜式空气流量计（G70） 5-活性炭罐电磁阀（N80） 6-ECU（J220） 7-氧传感器（G39） 8-水温传感器（G62） 9-转速传感器插接器（灰色） 10-l号爆震传感器插接器（白色）11-氧传感器插接器（黑色）
12-2号爆震传感器插接器（黑色）13-节气门控制组件（J338） 14-2号爆震传感器（G66）15-转速传感器（G28）16-进气温度传感器（G72）17-点火线圈（N152） 18-1号爆震传感器（G61）
(二) 怠速控制系统
采用微机控制点火系统，控制点火提前角和闭合角，包括各种传感器、电控单元、分电器、点火线圈等。
传感器：
发动机转速传感器、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、进气压力传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、爆燃传感器、节气门位置传感器。
这里采用带缺齿环的发动机转速传感器。安装在气缸体左侧后端，靠近飞轮处。
曲轴位置传感器：
作用在于检测活塞上止点位置，以便控制初始喷油时刻和开始点火时刻。
曲轴位置传感器安装在缸盖左侧从动凸轮轴端，霍尔传感器是利用霍尔效应的原理制成的电子开关，霍尔传感器的转子上有一个缺口，曲轴每转两周就产生一个信号，这个信号就是缸上止点信号，并将此信号传给发动机电控单元,如果该传感器有故障，爆燃控制会终止，同时发动机中电控单元会略微延迟点火提前角，以避免爆燃。
电控单元：
在发动机工作中，电控单元根据各传感器输入的信号，确定发动机最佳点火提前角，然后根据曲轴位置传感器输入的信号判断发动机曲轴到达规定位置时输出控制信号至点火器。
执行元件：
点火器：根据电控单元输出信号，通过内部的大功率三极管的导通和截止，控制初级电流的通断完成点火工作。
点火线圈：采用闭磁路点火线圈，整个铁芯只有一个微小的气隙，磁力线经铁芯构成闭合回路，减少了磁滞损失。
(三) 排放控制系统
燃油箱燃油蒸汽控制（EV AP）
燃油箱蒸汽控制系统是指将燃油箱整齐通入活性炭罐吸附，发动机工作时，电控单元向电磁阀输出电流信号使电磁阀开启，活性炭罐中的燃油蒸汽通过真空管进入发动机岐管内，再进入发动机气缸燃烧室。
排气再循环控制
通过安装在排气管内的氧传感器自主测量排放废气，当电控系统发现排气状态废气有变化时，便随时改变喷油器的喷油信号，调整可燃混合气浓度，直至回到最佳状态为止，使排放有害物质达到最少。排气再循环控制是将一定量的排气引入进气管与可燃混合气一起燃烧，降低发动机燃烧温度，减少排放中氮氧化物等有害气体的排放。(四) 怠速控制
怠速控制系统的作用是满足发动机怠速时暖车运转、空调运行、起步等发动机负荷变化和降低燃油消耗率。主要由传感器、电控单元、怠速执行机构组成。发动机怠速运行时，电控单元根据冷却液温度传感器、空调开关、档位开关和怠速控制程序，向怠速执行机构输出控制信号，改变怠速进气量，实现怠速控制。
传感器:
冷却液温度传感器、转速传感器、节气门位置传感器、车速传感器等。执行元件：
主要是怠速电磁阀，电控单元根据各种传感器输入的信号和怠速设定值，控制电枢电流的大小和方向，是电枢正方向旋转，带动旋转阀片改变旁通空气道面积，以改变进气量，进行怠速控制。将输入转速信号与设定转速相比较，即可实现怠速的闭环控制了。
(五)进气增压系统
为了改善发动机的动力及经济性，汽油机常采用废气涡轮增压和谐波增压等方式进行进气增压，这里采用废气涡轮增压系统。
发动机排出的高温、高压废气，驱动涡轮增压器的废气涡轮3高速旋转，并驱动动力涡轮一起旋转，将空气加压后吸入气缸。为保证发动机在不同转速及工况下都得到最佳增压值，并防止发动机爆燃，同时限制热负荷，对涡轮增压系统常采用增压控制与爆燃控制相结合的控制方式。在电控单元11的存储器中，存储着发动机增压特性的有关数据，在发动机工作时，电控单元根据传感器输入的信号，可以确定实际的进气增压，然后将实际进气压力与存储器的理论压力进行比
较，若实际值与理论值不符合，电控单元11则输出控制信号，对增压电磁阀进行控制，改变旁通阀5的压力，改变其开度。当发动机出现爆燃时，电控单元根据传感器输入的爆燃信号，减小点火提前角，同时减小增压。当爆燃消失时，再增加点火提前角和进气压力。（六) 可变气门正时与气门升程控制系统
可变气门正时与气门升程电子控制又称VTEC，随进气门正时与升程的不同而不同，使发动机在低速时具有较高的燃烧效率和较低的燃油消耗，而在高速时可以较好的发挥其动力，从而改善汽车的动力及经济性。
发动机的凸轮轴除有驱动两个进气门的主凸轮和辅助凸轮外，还增设中间凸轮，中间凸轮的升程最大，进气门摇臂也因此分成三个部分，即主摇臂、中间摇臂及辅助摇臂。3根摇臂轴的内部装有液压控制的同步活塞A和B,液压系统则由发动机控制模块根据发动机的转速、负荷、冷却液温度及车速等参数进行控制。
（七) 故障自诊断系统
故障自诊断系统的作用是检测、诊断电子控制系统中各传感器、执行器、以及电子控制单元的工作是否正常，当控制单元的输入输出电压都在规定范围内变化时，故障自诊断系统就判断电子控制系统工作正常，当电子控制系统某一电路中出现超出范围的信号时，故障自诊断系统就判断该电路及相关传感器及执行器发生故障，并使故障指示灯闪烁。同时故障信息以故障码的形式存储在电控单元内部的存储器中，故障信息一旦被存储，即使断开点火开关或故障已清除，它仍存