Chapter7.汽車電子引擎()

 

 

 

 

7.1電子引擎的由來

 

7.2噴油系統的種類

 

7.3進氣系統

 

 

 

 

 

7.1電子引擎的由來

 

 

(1)引擎的設計標準

 

通常在設計引擎時,主要會考慮兩點,分別

1.引擎燃燒產生的廢氣是否能達到法定排放標準

2.引擎所產生的推力為是否達到需求

 

引擎所排放的廢氣在燃燒不完全的情況下,會含有一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)NOx等有害物質,而現有的排放標準如下表所示。通常車子的排量越大功率就越大,自然会消耗更多的燃油同时放出更多的有害物质

 

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(2)電腦化的歷程

 

由於傳統的引擎並無法有效的控制這些排放廢氣,因此後來有了電子化的轉變想法。6070年代除了電晶體、IC技術已取得技術突破外,另一個促使微電腦在汽車中廣為應用的因素之一,是汽車尾氣排放法規的制定及能源危機後油料價格的上漲

 

1977年美國通用公司(General Motors CorporationGM)首先在轎車上成功安裝MISAR微電腦控制的點火装置,正式開啟了車用電腦的時代。引進微電腦(ECM)控制後的引擎,除了具有較高的穩定性及精確度外,並同時也可以提高燃油的經濟性,使行駛的距離較長。

 

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(3)引擎排放系統的改良

 

70年代以後,為因應政府制定的排放標準,汽車廠商開始找尋問題的解決之道,而美國通用汽車國內政策發布的一年內即發明觸媒轉化器,大幅減少汽車的排氣污染。它被放置在排放管的末段部,可藉由與排放的廢氣產生化學反應降低汙染。

 

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如下圖所示,為引擎排放系統的簡圖,藍線表示氣體的流動方向。從圖中可看到當空氣通過節氣門後,與噴油器噴出的油料混和進入氣缸燃燒,而後通過排放管,一部份的空氣進入廢氣在循環的管道(EGR)大部分經由觸媒轉換器過濾後排放出來。在這一路徑中,裝置了各種傳感器來量測溫度、壓力、氣體成份等,傳回微電腦來判斷出與空燃比的關係並加以修正

 

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其中:

     節氣門位置感知器(TPS

     空氣流量感測器(MAF

     氧感知器(EGO

     引擎溫度感知器(ECS)

     曲軸位置傳感器(EPS)

     廢氣再循環控制閥門(EGR valve

 

 

 

廢氣循環系統(EGR)

 

廢氣循環(Exhaust Gas Recirculation 簡稱EGR指在引擎排氣過程中,將一部分廢氣引入進氣管油氣混合氣混合後進入氣缸燃燒。由於燃燒過程中會吸收熱量所以降低了引擎溫度廢氣中的氮氧化物(NOx)主要是在高溫富條件下生成的,因而廢氣再循環再降低引擎溫度的同時也減少NOx的生成,但是如果廢氣再循環若過度則會影響正常運行。

 

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1.含氧感知器(EGO)

 

(1)概述

 

氧感測器(Exhaust gas oxygen sensorEGO)可以用來檢測廢氣中的含氧量來向ECM回饋混合氣的濃度資訊。當EGO測得的氧氣含量多時表示空燃比太稀,引擎燃燒不完全;反之氧氣含量少,則空燃比高。

 

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含氧感知器原理

 

氧化鋯(ZrO2)為固態電解質的一種,它有一種特性就是在高溫時氧離子易於移動。當氧離子移動時即會產生電動勢,而電動勢的大小是依氧化鋯兩側的白金所接觸到的氧而定。

 

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外層白金面所大氣接觸,所以氧氣濃度高,內層白金與排氣接觸,氧氣濃度低。當空燃比較低時,排放的廢氣所含的氧相對地減少,因此氧化鋯兩側的白金所接觸到的氧氣高低落差大,所產生的電動勢也相對高(將近1V);當空燃比高時,燃燒完所多餘的氧氣較多,氧化鋯兩側的白金層的氧氣落差小,因此所產生的電動勢低(將近0V)

 

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現代車輛上一般會裝有兩個含氧感測器,其位置如圖3所示,分別安裝在觸媒催化劑之前和之後的排氣管上。其中一個EGO主要是測量廢氣中的含氧量以確定實際空燃比與所需的值較大還是小,並向ECU回饋相應的電壓信號,而後面的EGO感測器則是來測量觸媒轉換器是否正常工作用,故其正常工作時回傳的電壓應為一定值,表示從觸媒轉換器通過後的氧氣含量正常。

 

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(2)EGO運作模式

EGO在實際運作時又可分開回路和閉迴路兩種工作模式,分別如下:

a.開迴路模式:

 

EGO開迴路操作時,ECM不會參考EGO的電壓值,而是以一預設的值來代替,一般出現在冷車或加速時的情況發生,其控制方塊圖如下圖所示。此時的ECM只參考其他感測器的數值(:轉速、引擎溫度)來設定空燃比

 

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EGO開迴路情形分析

 

冷車時:因為排氣溫度還尚未達到含氧感測器所能正常運作的標準而執行開迴路模式

 

加速時:則是由於其空燃比已超過其所能測得的範圍所導致的。

(便宜的EGO感測器只能測得空燃比在14-15的範圍內,其他範圍都不會有訊號輸出)

 

b.閉迴路循環

  

在閉迴路運作時,ECM接受EGO回傳的訊號後,發出所需的燃料訊號來使噴油器提供燃料產生ECM設定的空燃比,其方塊圖如下圖所示。混合氣體在汽缸燃燒後,產生的廢氣經由排氣管導出。此時,EGO傳感器產生一排氣的含氧量當回授訊號,使ECM進而對噴油器進行調整而完成循環。

 

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(3)EGO傳感器的訊號運作

 

如圖所示,代表了安裝在觸媒轉換器前面的EGO回傳訊號與燃油噴射量的時態情形,當圖中EGO的電壓處在高位時,表示空燃比是低的,燃油噴射器的量就會開始降低直到EGO的訊號變低位時才開始提高

 

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工作週期(Duty Cycle)

 

簡單而言,在噴油系統中的占空比是指噴油嘴在引擎的運動循環週期(進氣、壓縮、爆炸、排氣)中所占有的時間比。

 

EX:一個引擎運動循環需要60ms,噴油時間為45ms,所以占空比就是75%

 

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2.EGR控制閥

 

廢氣循環管道上裝有一個控制閥,如左圖所示,它裝在一個將排氣歧管與進氣歧管連通的特殊通道上,通過控制EGR閥的開度來控制廢氣再循環的量,而閥於車子的位置則如右圖所示

 

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(1)傳統EGR閥作用原理:

 

傳統EGR閥的開啟和關閉由上方真空氣室的真空程度來控制,如圖中可以清楚看到,真空源的管線是接到節氣閥門附近的,其中另有接到一溫控閥的通道可控制廢氣是否進入進氣歧管內,溫控閥的開啟與關閉和引擎的溫度有關。

 

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EGR門開啟時:

 

門開起程度與節氣門的開啟程度有關,若引擎怠速運轉,節氣門稍上方真空較小,無法開啟EGR控制閥。當節氣門半開時,真空較大,EGR閥門開啟。此時廢棄進入進氣管內,如圖所示。 

 

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EGR閥門關閉時:

 

即溫控閥關閉,節氣門稍上方的真空無法到EGR控制閥,此時無廢氣回流,如圖所示。

 

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(2)電腦控制EGR系統

 

ECM控制一個電磁閥門來調整EGR閥的開閉,其簡化的電路圖形 如下圖所示,當電腦不提供搭鐵時,EGR閥門無法被進氣管吸無廢氣循環發生。而當電腦提供搭鐵後,電磁閥打開,使EGR膜片被進氣管提供的真空源吸起,使得EGR閥打開。現代汽車上,由電腦控制的EGR閥門會加裝一位置傳感器來傳回閥門的位置,以便控制廢氣的體積流率

 

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3.觸媒轉換器

 

觸媒轉換器又可分為氧化轉換器和三元催化轉換器兩種,其主要得差別在於是否有加入還原觸媒來分別,其分類如下表所示。而其結構由一金屬外殼、絕緣材料和含有觸媒塗層的鋁擔體三部分部分組成,通常安裝在消音器之前。

 

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元催化轉換器

 

  元催化轉換器為含有鉑和銠的催化劑配方所製成,其裝置位置與氧化轉換器相同,其結構圖所示。由於此轉換器比氧化轉換器多加了還原劑銠(Rh)的成分,故可將NOx改變成NO2但是NOx的轉換效率與HCCO的適成對比的,下右圖所示,故排氣設計時常設定在14-15的最佳區間內使各種廢棄的比例排放平均。

 

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轉換原理

 

其內部有著極為細微的孔洞並含有大量的貴金屬:鉑(氧化觸媒)及銠(還原觸媒),它能將三種有害的氣體(一氧化碳、乙烷及一氧化氮)藉由氧化及還原的作用,轉化成無害的氣體或是一般的廢氣,其化學作用如下:
 

2CO + O2 → 2CO2
2C2H6 + 2CO → 4CO2 + 6H2O
2NO + 2CO → N2 + 2CO2

 

 

觸媒轉換器的更換

 

 

 

一般問題是出在所使用機油含硫量太高造成, 因為硫粒子無法完全燃燒會隨廢氣進入排氣管,硫粒子會在觸媒轉化器內起化學作用附著在觸媒金屬表面上造成轉化效能差使行車電腦亮燈。

 

 

4.空氣流量計

 

 

翼板式空氣流量計由ECM中送出5V參考電壓給Vc端,並由Vs端輸出電壓。流量計中的電位計與翼板同軸,當有氣流時會隨著翼板一起轉動,轉動時會改變電阻值的大小讓Vs產生變化。

 

 

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5.節氣門位置感知器

 

在節氣門轉軸上一端接上TPS,當節氣門轉動時,TPS亦會跟著轉動。由此可改變電阻的大小值,電壓跟著改變,藉由此電壓值可反映節氣門的位置。

 

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6.曲軸位置感知器

 

負責感測引擎訊號及活塞上死點位置訊號,透過傳送到ECM的訊號,判別指定汽缸的位置,並求出引擎轉速,一般有「電磁感應式、霍爾感應式、光電式」等種類。
 
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a.光電式曲軸感知器

 

光電式曲軸位置感知器,大部份用在早期有分電盤的引擎上。

 

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光電式原理

 

利用發光二極體把光投射到另一端的光敏電晶體,在兩者間安裝有孔槽的信號盤來遮斷或接通光源,當光照射在光電晶體時產生輸出電壓,使光電晶體產生出斷續的輸出電壓,ECM即利用此輸出電壓來計算引擎轉速及曲軸位置轉角信號。

 

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b.電磁式曲軸感知器

 

電磁感應式曲軸位置感知器,又稱為拾波線圈式。當轉子旋轉時,會使拾波線圈產生交流電壓。若轉子旋轉越快,則產生電壓越大,產生的頻率也越高。

 

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c.霍爾感應式曲軸感知器

 

當轉子旋轉時會產生磁力線,使霍爾感知器內部產生出0V5V的方波訊號。當轉子轉速越快,則產生的方波數越多,頻率高。

 

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7.冷卻液溫感知器

 

利用熱敏電阻的原理,藉由溫度改變其電阻值,及分壓原理由ECU量定其電壓,經換算後得其溫度,其目的有二:

 

a.防止引擎過熱

b.維持引擎最佳運轉溫度

 

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8.怠速控制閥

 

怠速閥(ISC Valve : idle speed control valve;或稱IAC : idle air control),當油門踏板放開時,節氣門完全關閉,引擎燃燒所需的空氣量完全就由怠速閥控制,怠速閥孔開大一點進氣量就多、引擎轉速就會拉高,例如冷車啟動與開冷氣時就需要自動拉高轉速,以免引擎抖動或熄火!!當不需要較高轉速時就將閥孔關小以免耗油

 

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9.噴油嘴

 

利用ECU對噴嘴內的電磁線圈進行控制,決定噴油嘴的開與關。

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eatontseng

曾教授與古董保時捷

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