第九章 典型发动机集中控制系统
第一节 丰田TCCS系统
TCCS是丰田计算机控制系统的英文缩写。控制容主要包括发动机控制、电子控制自动变速器（ECT）、制动防抱死系统（ABS）、电控悬架（TEMS）、牵引控制（TRC）、空调（A／C）、巡航控制（CCS）和安全气囊（SRS）等方面容。而发动机控制系统又包括电子控制汽油喷射（EFI）、电子控制点火提前（ESA）、怠速控制（ISC）、废气再循环控制（EGR）、蒸发污染控制（ECS）、谐波进气增压系统控制（ACIS）、故障诊断（DIAGN）、失效保护与后备功能和怠速混合气浓度调节（CO排放控制）等容。不同的车型，其控制容及方式略有差异。下面着重介绍凌志LS400轿车1UZ-FE型发动机控制系统的组成及工作情况, 图9-1为控制系统电路。 图9-1 1UZ-FE型发动机控制系统电路图 一、汽油供给系统 1．汽油供给系统的特点
目前生产的1UZ-FE发动机取消了冷起动喷油器和温度—时间开关，而采用全电脑控制的冷起动。在冷态下起动时，ECU会发出增加喷油的指令，从而使冷起动的空燃比控制得更为精确，排气净化功能更好。
汽油泵实行ECU控制，分为高、低速的两级控制，转速可变，既减少了汽油泵的磨损和省电，又能满足发动机不同工况下所需的供油量。
2．系统描述：
图9-2为1UZ－FE型发动机汽油供给系统的结构，它主要由汽油泵、汽油过滤器、汽油压力调节器、油压脉动减振器、喷油器、冷起动喷油器和温度—时间开关（1992年前车型）、供油总管和汽油箱等组成。
汽油泵安装于汽油箱，通电后将汽油加压到0.5Mpa左右，汽油压力调节器则将汽油压力调节到比进气歧管的压力高 284 kPa的恒定压力，再通过供油总管分配到各喷油器，喷油器的电磁阀根据ECU的指令打开，汽油持续地由喷油器喷出，在进气歧管与空气混合后再进入气缸。多余的汽油通过回油管回流到汽油箱。油压脉动减振器的作用是消除喷油时产生的汽油压力波动，使空燃比控制得更精确。 图9-2 1UZ-FE汽油供给系统 1-汽油泵 2-油压脉动减振阀 3-冷起动喷油器 4-右总输油管 5-汽油压力调节器 9-喷油器 7-左总输油管 8-汽油供给过滤器 二、进气系统 1．系统描述
1UZ－FE型发动机进气系统主要由空气过滤器、空气流量计、节气门体、进气室、各种连接管和真空软管等组成。此外还有计量节气门开度的节气门位置传感器和用于发动机怠速控制的怠速控制阀（ISC阀）。
2．进气系统的主要组件：
（1）空气流量计（本书第二章）。
（2）节气门体 节气门体装有主节气门和副节气门，用于控制进气量（即发动机的负荷）的大小，外部装有主节气门位置传感器、副节气门位置传感器、节气门缓冲器和主节气门强制开启器。图9-3为节气门体的外部配置。 图9-3 节气门体的外部配置 1- 节气门缓冲器 2-主节气门强制开启器 3-主节气门位置传感器 4-副节气门位置传感器 由于凌志LS400型轿车设有牵引控制系统（TRC），在TRC控制行驶状态下，发动机
的主节气门由主节气门强制开启器强制打开（全开），进气量由副节气门控制，节气门开度信号也由副节气门位置传感器负责将信号传送给ECU。
（3）进气室和进气歧管 进气室位于V形气缸体的中间，进气室有如一只大容量的空气室，其作用是减少进气脉动和各缸的相互干涉，有利于提高各缸的充气量。进气室的两侧各设有4个进气管，此8个进气歧管相互交叉布置，目的是增加进气歧管的长度，提高进气谐波压力，有利于进一步提高充气量。进气室的前端装有ISC阀，左侧装有EGR阀。
（4）怠速控制阀（ISC阀） 怠速控制阀安装于进气室的前端，开度受ECU控制，ECU则根据发动机的冷却液温度、是否已接入空调（A/C信号）和动力转向输出等工况来确定ISC阀的正常怠速或快怠速状态。1UZ—FE型发动机常态下的额定怠速为650±50r／min。ISC阀为步进电动机式，它主要由阀门、阀杆、转子、定子和壳体等组成。ECU对ISC阀的启闭位置控制共有125个步级，从而令怠速得到了非常精确的控制。 发动机每次停机时，一旦点火开关转至“0FF”位置，ISC阀会回复至全开位置，以利于下一次的起动。
三、电子控制系统
1UZ－FE型发动机的电子控制系统主要包括电子控制单元、各类传感器和控制开关和各类执行器
1．电子控制单元（ECU）
凌志LS400型轿车采用的是发动机和变速器集中控制的ECU，安装在仪表板右端杂物箱的右侧。
2．传感器和控制开关等
（1）空气流量计 1UZ－FE型发动机常用的是卡门旋涡式空气流量计。近期1UZ－FE型发动机也开始装用热线式空气流量计。
（2）节气门位置传感器 1UZ－FE型发动机设有主、副两个节气门位置传感器。它安装于节气门体的外侧，传感器的转轴与节气门联动。主节气门位置传感器采用有两组滑道和主、副触点的线性节气门位置传感器，利用变化的电阻值，可知节气门开度，节气门开度输出信号VTA则使ECU对喷油量进行控制，以获得相应的功率。当节气门闭合时，怠速触点闭合，ECU便感知到发动机处于怠速状态。
副节气门位置传感器的结构与上述的节气门传感器基本相同，当车辆行驶工况处于牵引控制（TRC）状态时（主要是在泥泞、湿滑的路面中行驶时，防止车轮打滑的控制），在主节气门强制开启器的作用下，主节气门处于全开位置，进气量由副节气门传感器控制。
（3）进气温度传感器 进气温度传感器安装在空气流量计，其感温元件为热敏电阻，
它具有负的温度电阻系数，发生故障时，ECU会自动地将进气温度设定在20℃．维持基本喷油量。
（4）冷却液温度传感器 冷却液温度传感器安装在节温器的下方，其感温元件也为热敏电阻。当温度过高时（发动机过热），则会发出故障保护指令，将冷却液的温度信号设定于80℃，维持基本喷油量。
（5）曲轴转速和凸轮位置传感器 1UZ－FE发动机的曲轴转速和凸轮轴位置传感器均为磁电式。
1）曲轴转速传感器。曲轴转速传感器安装于曲轴正时齿轮的左下方，以曲轴正时齿轮后面的信号盘为触发元件。曲轴转速传感器包括一个12齿的信号盘和一个磁电式感应头，曲轴每转过30°便送出1个脉冲信号（Ne）给ECU，ECU再将每个脉冲信号细分成30份，便得到了精确度为1°的曲轴转速信号。
2） 凸轮轴位置传感器。凸轮轴位置传感器用于识别一、六气缸活塞的上止点位置，以左、右侧凸轮轴皮带轮的凸缘为触发元件。其由一个单凸的信号盘和一个磁电式感应头组成，1UZ－FE型发动机有两个凸轮轴位置传感器G1和G2，用于分别代表左、右列气缸的基准曲轴位置。信号盘的凸缘固定于左右两侧基准气缸（一缸、六缸）活塞上止点前10°的位置，曲轴每转2圈，凸轮轴才转l圈，信号盘的凸缘便切割磁力线1次，向 ECU送出一个 G1、G2信号，ECU便可以判别出六缸、一缸已处于上止点前（BTDC）10°的位置并将它作为点火的基准信号。
（6）车速传感器 1UZ－FE发动机的车速传感器安装于变速器的输出端附近，通过软轴再与仪表板的车速表连接。传感器为舌簧开关式，它主要由转子、转轴、舌簧管和外壳等组成。
（7）爆震传感器 1UZ－FE发动机采用的是共振型压电式爆震传感器，当发生爆震时，振动片处于共振状态，振幅最大，压电元件输出的压电信号也最大，ECU即判别发生了爆震，随即向点火器发出推迟点火的指令，使爆震即时消失。
（8）氧传感器 1UZ－FE发动机设有二个三元催化净化器，每一个TWC具有主、副两个氧传感器，因而整机便有4只氧传感器。
1UZ－FE发动机采用氧化锆型氧传感器，其电信号元件为具有固体电解质特性的氧化锆（ZrO2）。氧传感器安装于TWC前（或后）部的排气管中，外侧与废气接触，部与大气相通，为了防止废气对铂膜的腐蚀，在铂膜上又覆盖了一层多孔性瓷层，并加装了防护套管。在传感器设有电热丝，用于暖机或轻负荷工况下的部加热，电热丝的加热工况由ECU控制。
（9）可变电阻器 可变电阻器用于调整怠速时可燃混合气的空燃比，从而进一步控制怠速时的CO排放浓度。可变电阻器安装于空气流量计后端的进气软管附近，其外形见图9-4，部结构见图9-5。可变电阻器为一只可变电阻元件，VAF为活动触点，与怠速混合气调整螺钉联动，顺时针转动，VAF向VC端移动，输出高电压，ECU便稍为增加喷油量，混合气变浓，怠速较为稳定，但废气中的CO含量会有所提高。相反，如果逆时针转动时，喷油量则减少。混合气变稀，废气中的CO含量有所减少。可变电阻器的正反向调整围仅限于260°。
图9-4 可变电阻器外形 1-调整工具（SST） 2-可变电阻器 图9-5 可变电阻器的部结构
1-连接器 2-怠速混合气调节螺钉 3-电阻器
（10）海拔高度补偿器（HAC） 海拔高度补偿器（HAC）就是用来检测大气压力的传感器，它由压电晶体制成，根据环境气压的变化而输出不同的电压信号，气压越大输出的电压越高，ECU依据HAC电压信号的高低转换成进气密度，再向喷油器发出修正喷油量的信号。 海拔高度补偿器安装在ECU，如果HAC发生故障，ECU会执行故障保护功能，将进气压力定于105 kPa，维持行驶。
3．电控汽油系统工作过程
起动时，ECU根据冷却液温度传感器的信号，由存的冷却液温度—喷油时间图找出相应的基本喷油时间，再进行进气温度修正和电瓶电压修正，得到起动时的喷油持续时间。
当发动机的转速超过预定值时，ECU根据其的存三元脉谱图，以空气流量计的信号和发动机转速确定基本喷油时间，再根据冷却液温度、空气温度、节气门开度（VTA信号或IDL信号）、A/C信号、车速等因素，对喷油量进行修正。起动后喷油量的修正通常包括起动后加浓、暖机加浓、进气温度修正 、大负荷修正、过渡工况空燃比的修正和怠速的稳定性修正等。
ECU除了空气流量计和其他各种传感器的输入信号控制喷油量外，为了确保车辆行驶的安全、延长发动机的寿命、节省燃油和减少废气污染，ECU还具有以下的切断汽油喷射功能和汽油泵的控制功能：
（1）高速燃油切断 当发动机的转速超过了额定转速（5400 r／min）时，为避免机件的损坏，ECU会立即发出停止汽油喷射的指令，转速下降到约5200 r／min时，ECU又会发出恢复汽油喷射的指令。
（2）减速燃油切断 当车速处于从高速工况减速行驶时，ECU通过节气门的关闭速率、车速和发动机转速以及冷却液温度等信号，会发出停止汽油喷射的指令，以节省燃油。
（3）换挡燃油切断 换挡时如果继续喷射汽油，则容易造成齿轮的碰撞和换挡的困难，ECU便设置了换挡燃油切断功能。
（4）汽油泵的控制 l992年以后，1UZ－FE型发动机改用专用的汽油泵，ECU对汽油泵进行高、低转速的二级控制。发动机起动时，ECU向汽油泵发出一个高电平信号，汽油泵便作高速运转，供油量提高；当发动机处于怠速或中小负荷工况时，ECU便向汽油泵输出一个低电平信号，汽油泵便低速运转，以减少高速磨损；当发动机以大负荷或高转速运转时，ECU便向汽油泵ECU输出一个高电平信号，汽油泵便作高速运转，提高供油压力。
第二节 福特EEC-IV系统
目前福特轿车均采用了福特汽车公司1988年推出的第四代电子发动机控制组件，用质量流量型空气流量计取代了以往的进气歧管绝对压力传感器，并采用功能最强、最先进的微处理器，根据各传感器输入的信号优化发动机工作，使发动机控制能力进一步增强，改善了冷起动和可驾驶性，同时还具有很强的故障自检测性能。
下面主要介绍X型和U型发动机控制系统的结构特点和工作原理 一、电控汽油喷射系统
X型、U型发动机汽油喷射系统为电控、多点、进气门口、间歇、顺序喷射系统，它包括汽油供给装置、空气供给装置、电控单元、传感器和执行器几大部分。
汽油由安装在油箱的电动汽油泵吸出，经汽油过滤器输送到汽油分配管，再经分配
管处电磁式喷油器将汽油以雾状的形式喷射到每一缸进气门口处。每个喷油器的喷油时刻和喷油量由电控单元根据发动机工况和各传感器输入的信号、发动机点火顺序等因素确定。喷油量由电控单元通过控制施加到喷油器电磁线圈的电脉冲宽度来精确地控制。为了使喷油器喷油量唯一地决定于喷油器通电时间，在汽油分配管末端安装有一个膜片式压力调节器，通过真空管路将膜片室上方与进气歧管相通，使喷油压力与进气歧管压力差保持恒定。
表9-1列出了福特92款轿车采用的传感器和执行器。
表9-1福特轿车用传感器和执行器 测量（控制）参数 传感器/执行器 曲轴位置及转速 分电器处霍尔效应式传感器 节气门位置 线性式节气门位置传感器 发动机冷却液温度 负电阻系数温度传感器 发动机进气温度 负电阻系数温度传感器 排气中氧浓度 加热型氧化锆氧传感器 起动信号 点火起动开关 空调 空调压缩机离合器开关 离合器位置 离合器接合开关 变速器位置 变速器位置开关 动力转向 动力转向压力开关 EGR系统排气压力 压力变送器 发动机进气流量 热线式空气流量传感器 空燃比控制 喷油器 点火正时控制 TFI－IV点火系统 怠速控制 占空比型旁通空气阀 排气再循环量控制 EGR真空度调节器 汽油蒸气排放控制 电磁式排气阀 空调及冷却风扇转速控制 A／C及风扇控制系统 电动汽油泵控制 汽油泵继电器 1．空气流量计（MAF） 早期的福特公司生产的轿车采用进气歧管压力传感器测量进气量，在92款轿车中，用在进气管旁通管路中安装的热线式质量空气流量传感器测量发动机进气量，以电压变化的形式输出给电控单元，来感知进气量的质量流量，其输出电压围为0.5V～5.0V。为了防止污物污染热线，在进气系统中空气过滤器后装有滤网。
2．进气温度和发动机冷却液温度传感器 当进气温度和发动机冷却液温度变化时，电控单元要相应地根据温度变化对喷油器喷油量及怠速空气量进行调整。发动机进气温度由热线式空气流量计的冷线测量，冷却液温度由安装在缸体上的温度传感器测定，两种温度传感器均采用负系数电阻制成，随温度的升高，传感器电阻值相应减小，由此产生一相应的电压信号传送给电控单元，由电控单元控制执行器对进气系统及供油系统进行校正。其输出电压围为0.3V～3.7V。
3．节气门位置传感器
为了感知节气门开启的位置及开启的速率，以实现对在不同节气门开度及加、减速工况下调节混合气浓度，X型、U型发动机采用了安装在节气门轴上的线性旋转式电位计测量节气门的开启，输出电压围0～5V，电控单元根据节气门位置信息控制空燃比，点火提前角以及废气再循环数量。
汽车电器与电子控制电子书第9章
