发动机基础原理知识

汽车发动机工作原理是通过燃烧气缸内的燃料,产生动能,驱动发动机气缸内的活塞往复的运动,由此带动连在活塞上的连杆和与连杆相连的曲柄,围绕曲轴中心作往复的圆周运动,而输出动力的。

发动机是由曲柄连杆机构和配气机构两大机构,以及冷却、润滑、点火、燃料供给、启动系统等五大系统组成。

图1.1 发动机结构图

主要部件有气缸体、气缸盖、活塞、活塞销、连杆、曲轴、飞轮等。往复活塞式内燃机的工作腔称作汽缸,汽缸内表面为圆柱形。在汽缸内作往复运动的活塞通过活塞销与连杆的一端铰接,连杆的另一端则与曲轴相连,曲轴由气缸体上的轴承支承,可在轴承内转动,构成曲柄连杆机构。活塞在汽缸内作往复运动时,连杆推动曲轴旋转。反之,曲轴转动时,连杆轴颈在曲轴箱内作圆周运动,并通过连杆带动活塞在气缸内上下移动。曲轴每转一周,活塞上、下各运行一次,汽缸的容积在不断的由小变大,再由大变小,如此循环不已。汽缸的顶端用汽缸盖封闭。汽缸盖上装有进气门和排气门。通过进、排气门的开闭实现向汽缸内充气和向汽缸外排气。进、排气门的开闭由凸轮轴驱动。凸轮轴由曲轴通过齿形带或齿轮驱动。

汽车传感器把汽车运行中各种工况信息,如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等,转化成电讯号输给计算机,以便发动机处于最佳工作状态。车用传感器很多,判断传感器出现的故障时,不应只考虑传感器本身,而应考虑出现故障的整个电路。因此,在查找故障时,除了检查传感器之外,还要检查线束、插接件以及传感器与电控单元之间的有关电路。

图1.2 发动机气缸活塞组内部结构

学习发动机构造,掌握发动机的一些基本术语是必要的。因此接下来将对常用的一些基本术语进行总结。

图1.4 发动机气缸内部结构

  • 上止点:活塞在气缸里做往复直线运动时,当活塞向上运动到最上面,这一位置称为上止点。
  • 下止点:活塞在气缸里做往复直线运动时,当活塞向下运动到最下面,这一位置称为下止点。
  • 活塞行程:活塞从一个止点运动到另一止点的距离,即上、下止点之间的距离称为活塞行程。
  • 燃烧室容积:活塞位于上止点时,其顶部与气缸盖之间的容积称为燃烧室容积。
  • 气缸工作容积:活塞从一个止点运动到另一个止点所扫过的容积,称为气缸工作容积。
  • 气缸总容积:气缸总容积就是气缸工作容积和燃烧室容积之和。
  • 发动机排量:多缸发动机各气缸工作容积的总和,称为发动机排量。
  • 压缩比:气缸总容积与燃烧室容积之比。

对于汽油机来讲,压缩比越高,对燃油的要求越高。对柴油机来讲压缩比越高就意味着活塞和连杆承受更大的作用力,就需要增大零件的质量,从而增大发动机的体积。所以发动机的压缩比在设计时都应选择合适的数值。

(1)作用

汽油机点火系统是汽油机、煤气机中用电火花点燃混合气的装置。它的功用是按气缸点火次序定时地向火花塞提供足够能量的高压电,使火花塞电极间产生火花,从而点燃气缸内被压缩的可燃混合气。

点火系统通常由电源、点火线圈、分电器(包括断电器)和火花塞等组成。其中电源、断电器和点火线圈的初级线圈构成低压电路部分;点火线圈的次级线圈、分电器和火花塞构成高压电路部分。

图1.43 点火系统结构示意图1

点火线圈由初、次级线圈和铁芯组成。初级线圈的导线粗而匝数少,次级线圈导线细而匝数多,相当于一个升压变压器。断电器有机械式和晶体管式两种,机械式的应用较普遍。当发动机运转时,凸轮轴驱动分电器中凸轮旋转,控制断电器触点启闭。当断电器将低压电路闭合时,初级线圈中即产生低压电流,在点火线圈内形成磁场。当电流达到一定值时,断电器将低压电路断开,磁通消失,在次级线圈中感应出10~24千伏的电动势,通过分电器依次传到相应气缸的火花塞电极上,即产生电火花。当触点断开时,初级线圈会感应出自感电动势,使触点间产生电弧而引起烧蚀,并减缓磁通消失速度,降低次级线圈感应的电动势。为了消除自感电动势,与触点并联有一只0.15~0.30微法的电容器。

(2)工作原理

发动机工作时, ECU 根据接收到的各传感器信号,按存储器中存储的有关程序和数据,确定出最佳点火提前角和通电时间(电子点火系统与机械式点火系统完全不同,它有一个点火用电子控制装置,内部有发动机在各种工况下所需的点火控制曲线图(MAP图)。通过一系列传感器如发动机转速传感器、进气管真空度传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器等来判断发动机的工作状态,在MAP图上找出发动机在此工作状态下所需的点火提前角,按此要求进行点火。然后根据爆震传感器信号对上述点火要求进行修正,使发动机工作在最佳点火时刻。),并以此向点火器发出指令。点火器根据指令,控制点火线圈初级电路的导通和截止。当电路导通时,有电流从点火线圈中的初级电路通过,点火线圈将点火能量以磁场的形式储存起来。当初级电路被切断时,次级线圈中产生很高的感应电动势,经分电器或直接送至工作气缸的火花塞。

 在电控点火系统中,用凸轮轴位置传感器产生 G 信号和曲轴位置传感器产生的 Ne 信号作为主控制信号,以 G 信号为基准,按 1°曲轴转角分频,用既定的曲轴角度产生点火控制信号( IGT 信号)。

  • G 信号:指活塞运行到上止点位置的判别信号,它是根据凸轮轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。 发动机工作时,ECU 根据 G 信号可准确地计算出曲轴每转 1°所用的时间,并根据其他传感器输入信号, ECU 按其内存的控制模型确定点火提前角和点火线圈的通电时间。
  • Ne 信号:指发动机的曲轴转角信号,它是根据曲轴位置传感器产生的信号经过整形和转换而获得的脉冲信号。在电控点火系统中, Ne 信号主要是用来计量点火提前角和通电时间。
  • IGT信号:是 ECU 向点火器中功率晶体管发出的通断控制信号。
  • IGF信号:是完成点火后,点火器向 ECU 输送的点火确认号。

图1.44 点火系统结构示意图2

  • 分电器是受曲轴传动的循环开关,它将高压按次序供给各缸火花塞;
  • 火花塞是高绝缘高温陶瓷做成的高压跳火装置;
  • 点火线圈是一个有铁芯的自藕变压器,他把脉冲电流升至为万伏的高压脉冲;
  • 点火控制器是电子子开触发电路,它将直流电流转为电流脉冲。
(1)CAN总线简介
  • 是一种串行通信协议,能有效的支持具有很高安全等级的分布实时控制;
  • 应用范围十分广泛,从高速网络到低价位的多路接线都可以使用CAN;
  • 主要运用于汽车电子航天等行业,使用CAN连接发动机的控制单元等汽车部件;
  • 具有可靠,实时以及灵活的特性。
(2)CAN工作原理
  • 以广播的形式发送报文.当CAN总线上的某个节点需要给其他节点发送消息时,会以广播的形式发送给总线上所有的节点,因为总线上的节点不适用地址来进行配置CAN系统,而是根据报文的开头的11位标识符决定是否要接受其他节点发来的报文;
  • 每个节点都有自己的处理器和CAN总线接口控制器;
  • 当一个节点需要发送数据到另一个节点时,自身节点的处理器需要将要发送的数据和自己的标识符传给自身的总线控制接口,处于准备状态;当获取到总线的使用权后,将数据和标识符组装成报文,将报文以一定格式发出,此时其他的节点处于接收状态.至于其他节点是否接收,由其他节点决定,是都会对某些报文进行过滤;
  • 当新增的节点仅仅是纯粹的数据接收设备时,只需要该设备直接从总线上接收数据即可。
(3)总线工作的特点
  • 特权阶级:不论计算机还是真是社会中,都有特权阶级的存在,CAN总线上的节点会被划分为不同优先级,为满足的是不同的实时要求,采用的是非破坏性位仲裁总线结构机制,当两个节点同时向网络上传送信息时,优先级低的节点会主动的停止数据发送,优先级高的就可以不受影响继续传输数据。仲裁(Arbitration) 只要总线空闲,任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文,就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时,数据帧优先于远程帧。在仲裁期间,每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同,则这个单元可以继续发送,如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性”电平,那么这个单元就失去了仲裁,必须退出发送状态。
  • 报文(Message)总线上的数据以不同报文格式发送,但长度受到限制。当总线空闲时,任何一个网络上的节点都可以发送报文。
  • 信息路由(Information Routing)在CAN中,节点不使用任何关于系统配置的报文,比如站地址,由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时,不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变,可以直接在CAN中增加节点。
  • 标识符(Identifier) 要传送的报文有特征标识符(是数据帧和远程帧的一个域),它给出的不是目标节点地址,而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送,所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。
  • 数据一致性应确保报文在CAN里同时被所有节点接收或同时不接收,这是配合错误处理和再同步功能实现的。
  • 位传输速率不同的CAN系统速度不同,但在一个给定的系统里,位传输速率是唯一的,并且是固定的。
  • 优先权 :由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小,优先权越高。
  • 远程数据请求(Remote Data Request) 通过发送远程帧,需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。
  • 总线状态 总线有“显性”和“隐性”两个状态,“显性”对应逻辑“0”,“隐性”对应逻辑“1”。“显性”状态和“隐性”状态与为“显性”状态,所以两个节点同时分别发送“0”和“1”时,总线上呈现“0”。CAN总线采用二进制不归零(NRZ)编码方式,所以总线上不是“0”,就是“1”。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式。
  • 故障界定(Confinement) CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。
  • 应答接收节点对正确接收的报文给出应答,对不一致报文进行标记。
  • CAN通讯距离最大是10公里(设速率为5Kbps),或最大通信速率为1Mbps(设通信距离为40米)。
  • CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线,同轴电缆,光纤中选择。
  • 报文是短帧结构,短的传送时间使其受干扰概率低,CAN有很好的校验机制,这些都保证了。
CAN通信的可靠性:
  • 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点;
  • 采用双线串行通信方式,检错能力强,可在高噪声干扰环境中工作;
  • 具有优先权和仲裁功能,多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上,形成多主机局部网络;
  • 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;
  • 可靠的错误处理和检错机制;
  • 发送的信息遭到破坏后,可自动重发;
  • 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;
  • 报文不包含源地址或目标地址,仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。
(4)总线协议层次结构
① 物理层
  • 在物理层中定义实际信号的传输方法,包括位的编码和解码、位的定时和同步等内容,作用是定义不同节点之间根据电气属性如何进行位的实际传输;
  • 在物理连接上, CAN 总线结构提供两个引脚 –CANH 和 CANL ,总线通过 CANH 和 CANL 之间的差分电压完成信号的位传输;在不同系统中, CAN 总线的位速率不同;在系统中, CAN 总线的位速率是唯一的,并且是固定的,这需要对总线中的每个节点配置统一的参数。
② 传输层
  • 传输层是 CAN 总线协议的核心。传输层负责把接收到的报文提供给对象层,以及接收来自对象层的报文。传输层负责位的定时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定、故障界定。
③ 对象层
  • 在对象层中可以为远程数据请求以及数据传输提供服务,确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文,并且为恢复管理和过载通知提供手段.
(1)LIN总线介绍

LIN总线是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通讯网络,是对控制器区域网络(CAN)等其它汽车多路网络的一种补充,适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用。LIN总线是基于SCI(UART)数据格式,采用单主控制器/多从设备的模式,是UART中的一种特殊情况。

(2)LIN总线工作原理

LIN总线所控制的控制单元一般都分布在距离较近的空间,传输数据是单线,数据线最长可以达到40m。在主节点内配置1kΩ电阻端接12V供电,从节点内配置30kΩ电阻端接12V供电。各节点通过电池正极端接电阻向总线供电,每个节点都可以通过内部发送器拉低总线电压。

图2.1 LIN总线控制系统

(3)主控制单元

LIN主控制单元连接在CAN数据总线上,监控数据传输过程和数据传输速率,发送信息标题,决定何时将哪些信息发送到LIN数据总线上多少次,在LIN数据总线系统的LIN控制单元与CAN总线直接起“翻译”作用,能够进行LIN主控制单元及与之相连的LIN从属控制单元的自诊断。

(4)主控制单元的信息结构

LIN主控制单元控制总线导线上的每条信息的开始处都通过LIN总线主控单元发送一个信息标题,它由一个同步相位构成,后面部分是标识符字节,可以传输2、4、8个字节的数据。标识符用于确定主控单元是否会将数据传输给从属控制单元。信息段包含发送到从属控制单元的信息。校验区可为数据传输提供良好的安全性。校验区由主控制单元通过数据字节构成,位于信息结束部分。LIN总线主控制单元以循环形式传输当前信息。

(5) LIN从属控制单元

在LIN数据总线系统内,LIN从属控制单元的通信受到LIN主控制单元的完全控制,只有在LIN主控制单元发出命令的情况下,LIN从属控制单元才能通过LIN总线进行数据传输。单个的控制单元、传感器、执元件都相当于LIN从属控制单元,传感器是信号输入装置,传感器内集成有一个电控装置,它对测量值进行分析,分析后的数值是作为数字信号通过LIN总线进行传输的。有的传感器或者是执行元件只是用LIN主控制单元插口上的一个针脚,就可以实现信息传输,也就是单线传输。

LIN执行元件都是智能型的电子或机电部件,它们通过LIN主控制单元的LIN数字信号接收任务。LIN主控制单元通过集成的传感器来获取执行元件的实际的工作状态,然后就把规定状态和实际状态进行对比,并发出相应的控制指令。LIN主控制单元发出控制指令后之后,传感器和执行元件才能够做出反应。LIN从属控制单元等待主控制单元的指令,根据需要与主控制单元进行通信。如果要结束休眠模式,LIN从属控制单元可自行发送唤醒信号。LIN总控制单元安装在LIN总线系统设备上。

(1)SENT与CAN和LIN的区别

SENT (Single Edge Nibble Transmission) 是由SAE推出的一种汽车传感器与ECU通信的新标准(SAE J2716),协议简单且具有很多优势,SENT接口是Analog input 的替代品。SENT不能替代CAN或是LIN,因为SENT是连续单向传输的, CAN和LIN都需是双向传输。

图2.2 SENT 传输示意图

(2)SENT总线的硬件连接

SENT总线常用于传感器信号,其基本引脚连接如下:

图2.3 SENT总线的硬件连接和逻辑电平

其高低信号的电平要求:0~0.5V为逻辑电平0,4.1~5V为逻辑电平1。

(3)SENT总线的协议

SENT总线协议的数据使用半个字节Nibble,即4bit来进行编码定义的,一个半字节Nibble是通过2个下降沿之间的时间差来定义的。如下是一个Nibble的电压逻辑信号:

图2.4 SENT总线协议

时间精度以1个节拍Tick来定义(一般1个Tick的时间是3~10us),每一个Nibble从一个下降沿开始,并且之后再逻辑0状态至少维持4Ticks,之后下一个下降沿距离第一个下降沿的时间差作为Nibble值的编码依据。需要注意的是,后一个下降沿距离第一个下降沿至少相隔12Ticks,至多27Ticks,且相隔Tick数减去12即为最终的Nibble值,如此Nibble值最小为0,最大为15(27Tick-12Tick),二进制表示时即为4bit。

(1)简介

FlexRay车载网络标准已经成为同类产品的基准,将在未来很多年内,引导整个汽车电子产品控制结构的发展方向。FlexRay是继CAN 和LIN之后的最新研发成果,可以有效管理多重安全和舒适功能。

FlexRay是戴姆勒克莱斯勒公司的注册商标。FlexRay联盟 (FlexRay Consortium)推进了FlexRay的标准化,使之成为了新一代汽车内部网络通讯协议。FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求,包括更快的数据速率,更灵活的数据通信,更全面的拓扑选择和容错运算。

因此,FlexRay可以为下一代的车内控制系统提供所需的速度和可靠性。CAN网络最高性能极限为1Mbps。LIN和K-LINE分枝网络最高性能极限为20Kbit/s。而FlexRay两个信道上的数据速率最大可达到10Mbps,总数据速率可达到20Mbit/秒,因此,应用在车载网络,FlexRay 的网络带宽可能是CAN的20倍之多。

FlexRay还能够提供很多CAN网络所不具有的可靠性特点。尤其是FlexRay具备的冗余通信能力可实现通过硬件完全复制网络配置,并进行进度监测。FlexRay同时提供灵活的配置,可支持各种拓扑,如总线、星型和混合拓扑。设计人员可以通过结合两种或两种以上的该类型拓扑来配置分布式系统。

另外,FlexRay可以进行同步(实时)和异步的数据传输,来满足车辆中各种系统的需求。譬如说,分布式控制系统通常要求同步数据传输。

为了满足不同的通信需求,FlexRay在每个通信周期内都提供静态和动态通信段。静态通信段可以提供有界延迟,而动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求。FlexRay 帧的固定长度静态段用固定时间触发(fixed-time-trigger)的方法来传输信息,而动态段则使用灵活时间触发的方法来传输信息。

FlexRay不仅可以像CAN和LIN网络这样的单信道系统一般运行,而且还可以作为一个双信道系统运行。双信道系统可以通过冗余网络传输数据——这也是高可靠系统的一项重要性能。

(2)FlexRay 节点运算

每个FlexRay节点都包括一个控制器和一个驱动器部件。控制器部件包括一个主机处理器和一个通信控制器。驱动器部件通常包括总线驱动器和总线监控器(可选择)。总线驱动器将通信控制器与总线相连接,总线监控器监视接入总线的连接。主机通知总线监控器通信控制器分配了那些时槽。接下来,总线监控器只允许通信控制器在这些时槽中传输数据,并激活总线驱动器。若总线监控器发现时间时序有间隔,则断开通信信道的连接。

(3)FlexRay 的应用

FlexRay 面向的是众多的车内线控操作(X-by-Wire)。FlexRay 导线控制应用的例子包括:

  • 线控操作转向-典型的是使用电子控制单元。
  • 防抱死制动系统(ABS)-包括车辆稳定控制(VSC)和车辆稳定助手(VSA)。
(4)FlexRay的节点有几个基本的运行状态
  • 配置状态(默认配置/配置)-用于各种初始化设置,包括通信周期和数据速率。
  • 就绪状态-用于进行内部的通信设置。
  • 唤醒状态-用于唤醒没有在通信的节点。在该状态下,节点向另一节点发送唤醒信号,唤醒并激活总线驱动器、通信控制器、和总线监控器。
  • 启动状态-用于启动时钟同步,并为通信做准备。
  • 正常状态(主动/被动)-可以进行通信的状态。
  • 中断状态-表明通信中断。
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