本书系统地介绍了汽车各个电子控制系统的组成、其主要部件的结构和工作原理、控制策略和发展趋势等问题。全书详细阐述了动力传动控制系统、底盘和车身电子控制系统、汽车电子控制系统的可靠性和故障诊断,同时在附录中列出了汽车电子学实验指导书的试用版。
本书可作为汽车工程专业和动力机械与工程专业内燃机方向的本科生的教材或参考书,也可作为从事汽车和发动机电子控制系统产品开发和性能研究的工程技术人员的参考书。
法规和市场一直是汽车工业向前发展的两个推进器。随着世界上汽车保有量的增加,能源、排放、安全法规不断加严,加上人们对舒适、便利、豪华的追求,对汽车的性能提出了更高的要求。使用传统的机械方法已不能使汽车的性能进一步得到明显的改善和提高。近年来,微电子技术的飞速发展,特别是微型计算机技术的巨大进步,使上述问题的解决成为可能。汽车电子技术使汽车工业进入一个全新的时代。
目前,汽车电子技术已广泛应用于汽车的发动机控制、底盘控制、车身控制、故障诊断以及音响、通信、导航等各个方面。汽车电子化的程度逐年增加,被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。当今世界,汽车电子化的程度已被看作是衡量一个国家汽车工业水平的重要标志。
在国外,平均每辆汽车上的电子装置在整车成本中占20%~25%,一些豪华轿车上装有40多个微处理器,有的汽车电子产品甚至占整车成本的50%以上。汽车电子工业正处在前所未有的发展时期,据估计到2005年全球汽车电子信息产品的总销售额将达到1000亿美元。根据市场研究公司InStat/MDR发布的信息,2007年全球非娱乐性汽车电子市场将发展到354亿美元。汽车制造商认为,增加汽车电子装备的数量,促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的有效手段。
汽车设计人员普遍认为,电子技术在汽车上的应用,已成为汽车设计研究部门考虑汽车结构革新的重要手段,且已取得了显著效果。比如,汽油发动机采用电控汽油喷射系统精确地控制空燃比,实现了闭环控制并采用三元催化转化器取代了传统的化油器,因而使汽油机的有害排放物降低95%以上,燃油效率较20年前提高近两倍。又比如,由于安装了防抱死制动系统(ABS),使汽车在湿滑冰雪路面上伤亡事故的发生率降低了24%~28%。与一般人的观点恰好相反,大多数情况下,汽车电子控制系统比它们所代替的机械系统价格要便宜、可靠、有效,性能价格比高,且更有利于环境保护。
现代汽车的电子化、多媒体化和智能化,使汽车已不仅仅是一个代步工具,还同时具有交通、娱乐、办公和通信的多种功能。
为了适应汽车工业迅猛发展的要求,清华大学开设了“汽车电子学”课程。我们总结了近20年教学和科研的经验,并利用清华大学与国内外各院校和各大汽车公司有长期、广泛交流的优势,收集了大量新成果和技术资料,并在此基础上编写了本教材。由于涉及的内容广泛,很难由少数人完成,因此本书大部分是由各课题组的主要科研人员编写的。绪论由袁大宏教授编写。第1章由王绍教授和张云龙高级工程师编写;第2章由李建秋副教授编写;第3章由赵六奇教授编写。第4章4.1节、4.2节由夏群生教授编写;4.3节由赵六奇教授编写;第5章5.1节由姚阳研究生、韩晓凌研究生和张金换研究员编写,5.2~5.6节由韩晓东高级工程师编写。第6、7章由王绍教授编写。附录由李建秋副教授编写。本书编写过程中得到各个课题组的大力支持,谨在此向他们致以深切的谢意。
本书是在北京市高等教学精品教材立项项目《汽车电子学》的基础上精选了主要内容编写而成,以满足更广泛读者的要求。
由于编写的时间较短、资料不足和水平有限,想必有许多不足之处,恳切地希望同行和读者不吝指正。
绪论1
1汽油发动机管理系统7
1.1电控汽油喷射系统8
1.1.1概述8
1.1.2电控汽油喷射系统的特点8
1.1.3EFI系统的分类9
1.1.4EFI系统的组成10
1.1.5空燃比控制策略和控制方法32
1.2电子点火控制48
1.2.1汽车点火系统的要求48
1.2.2点火控制系统的组成48
1.2.3点火控制50
1.3怠速控制62
1.3.1概述62
1.3.2怠速控制系统的功能62
1.3.3怠速控制装置(步进马达型)63
1.3.4怠速控制策略64
1.4排气再循环66
1.4.1工作原理66
1.4.2EGR阀67
1.4.3EGR的控制策略69
1.4.4内部EGR70
1.5发动机管理系统新发展的技术70
1.5.1可变进气流量控制70
1.5.2可变配气相位71
1.5.3宽范围氧传感器74
1.5.4丰田稀燃发动机74
1.5.5缸内直喷汽油发动机76
参考文献80
2柴油机电子控制系统82
2.1第一代电控柴油喷射系统(位置控制式)82
2.1.1在分配泵上实施的位置式电控系统82
2.1.2在直列泵上实施的位置式电控系统84
2.1.3第一代电控燃油喷射系统的控制特点88
2.2第二代电控燃油喷射系统(时间控制式)88
2.2.1在分配泵上实施的时间控制式88
2.2.2在直列泵上实施的时间控制式91
2.2.3电控单体泵和电控泵喷嘴系统93
2.2.4第二代时间控制式的特点96
2.3第三代电控燃油喷射系统(高压共轨系统)97
2.3.1高压共轨系统97
2.3.2高压共轨系统的特点103
2.4柴油机空气系统的电子控制104
2.4.1增压压力控制系统104
2.4.2排气再循环控制系统106
2.4.3排放后处理系统106
2.4.4柴油机空气系统电子控制的特点109
2.5柴油发动机整机管理110
2.5.1发动机管理系统的基本框架111
2.5.2柴油发动机管理系统的匹配标定115
2.5.3柴油发动机管理系统的故障诊断115
2.6小结117
参考文献118
3自动变速器的电子控制120
3.1概述120
3.2自动变速器的主要控制目标121
3.3电控机械式自动变速器122
3.3.1电控半自动变速器122
3.3.2AP Borg和Beck ACTS半自动变速器123
3.3.3Valeo的电控离合器变速器——Valeo TEE 2000125
3.4电控液力自动变速器125
3.4.1基本结构与工作原理126
3.4.2GF4AEL液力自动变速器电控系统130
3.5电控无级变速器137
3.5.1Subaru ECVT138
3.5.2ZF电控ECVT141
3.5.3ECVTMultitronic141
参考文献142
4底盘电子控制系统143
4.1汽车防滑控制系统143
4.1.1ABS与TCS的发展历史143
4.1.2汽车防滑控制系统的基本原理145
4.1.3ABS的构成146
4.1.4驱动防滑系统168
4.1.5汽车稳定性控制系统178
4.2汽车转向电子控制系统185
4.2.1电子可变量孔助力转向系统186
4.2.2旁通式助力转向系统188
4.2.3电动液压助力转向系统188
4.2.4电动助力转向系统192
4.3悬架电子控制系统201
4.3.1概述201
4.3.2丰田EMAS弹簧刚度和减振器阻尼力综合控制的空气悬架201
4.3.3GM连续可调路面感应悬架208
4.3.4雪铁龙油气悬架210
参考文献213
5车身电子控制系统215
5.1安全气囊和安全带215
5.1.1概述215
5.1.2安全气囊216
5.1.3安全带223
5.1.4安全系统展望225
5.2汽车仪表226
5.2.1概述226
5.2.2驾驶员抬头显示技术230
5.3汽车空调系统231
5.3.1概述231
5.3.2暖风及空调系统231
5.4座椅系统236
5.4.1电动座椅结构236
5.4.2座椅加热系统238
5.4.3座椅控制系统239
5.5车灯控制系统239
5.5.1引言239
5.5.2LED照明系统240
5.5.3照明控制电路242
5.6车门控制单元250
5.6.1车门控制单元的结构251
5.6.2挡风玻璃刮水器和清洗器261
5.6.3刮水器的电子控制系统262
参考文献266
6汽车电子系统的可靠性268
6.1概述268
6.2汽车电子系统的可靠性268
6.3电磁兼容性270
6.4电磁兼容性的测试275
参考文献275
7汽车电子系统故障诊断277
7.1各种故障诊断技术277
7.2车载故障诊断系统(OBD Ⅱ)和车载诊断系统(OBD)284
参考文献294
附录A汽车电子学实验指导书(试用)295
实验1基于单片机的模拟量采集实验295
实验2基于单片机的转速信号测量与处理实验298
实验3汽油机喷油器驱动电路实验301
实验4步进电机驱动电路设计和驱动实验304
实验5汽车电子系统的SCI通信实验308
实验6控制器PID算法调试实验311
实验7xPC Target硬件在环仿真实验316
实验报告模板320
缩略语322