先进的发动机管理系统－－ ME7-Motronic

1. 先进的发动机管理系统－－ ME7-Motronic

2. 目录 1 系统综述 2 ME7的主要控制系统 3 ME7系统的主要控制策略 4 主要传感器与执行器介绍 5 电控单元（ECU） 6 ME7系统的综合诊断 7与其它系统的接口 8结束语

3. 系统接口 系统特点 系统辅助功能 系统组成 系统扩展 系统诊断 系统基本功能 系统基本控制策略 系统综述 本章将从以下几个方面对ME7系统进行初步介绍。其中的系统组成和控制策略将在后面进行重点论述。

4. 系统综述 系统特点 ME7系统是目前国内采用的德国BOSCH公司生产的Motronic系列发动机管理系统（Engine Management System 简称EMS）的最先进的一种，与之前的M1和M3系统的最大不同在于ME7系统的控制策略是基于扭矩控制的。 这种控制策略可以灵活地将众多系列的Motronic系统功能移植到不同的发动机和使用环境。 ME7系统采用了电子节气门（Electronic Throttle Control,简称ETC)，使得发动机的进气量不直接由加速踏板来控制，而是由电控单元采集分析诸多信号后通过控制节气门开度来精确确定。

5. 系统综述 系统特点 ME7系统的电控单元（EMS ECU）采用了两片高性能CPU，大容量的闪存（Flash Memory），在提高系统运行处理能力和程序、匹配数据升级方面有明显的提高。 电控单元（EMS ECU）中的CPU还集成了CAN总线控制器，与车内其它电子控制系统组成了CAN总线网络，进一步提高了系统性能，并同时也为诊断和维修提供了方便。 此外，ME7系统集成了众多先进的传感器和执行器，可以更加准确、可靠地测量和执行动作，所有这些都为提高整个汽车的综合性能奠定了坚实的基础。

6. ME7组成示意图： 系统综述 系统组成

7. 系统综述 如上图所示，ME7系统包括以下三个部分： -传感器 负责记录当前发动机和车辆运行的各种数据以及驾驶者的驾驶意愿 -执行机构 火花塞式发动机管理系统所要求的所有的伺服单元或终端控制元件 -中央电控单元(ECU） 对传感器信号进行采集处理并生成相应输出控制信号

8. 主要传感器： 空气流量传感器 氧传感器 加速踏板位置传感器 增压压力传感器 转速传感器 凸轮轴相位传感器 爆震传感器 节气门位置传感器 发动机温度传感器 系统综述

9. 此外，根据扩展功能的不同，还可能有以下执行器：此外，根据扩展功能的不同，还可能有以下执行器： 主要执行器： - 喷油器 - 增压压力调节阀 - 点火线圈 - 废气旁通阀 - 电动燃油泵 - 二次空气进气阀 - 炭罐控制阀 - 电子节气门体 - 废气再循环阀 系统综述

10. 系统综述 系统基本功能 ME7发动机管理系统的基本功能是根据驾驶者的意愿设置相应的扭矩输出。 具体地说，就是利用加速踏板位置传感器反映当前驾驶者的驾驶意愿，中央电控单元将认为当前的加速踏板位置传感器的测量值对应着一个特定的输出扭矩，为了获得这个对应的扭矩，中央电控单元将在采集各类发动机工况参数和车辆运行参数的基础上，协调各个输出控制信号，如： - 气缸进气量 - 喷油量 - 点火正时 以达到要求的输出扭矩，同时系统将监测当前运行参数的变化情况。

11. 系统综述 系统辅助功能 ME7系统同时广泛采用了辅助的开环和闭环控制功能，包括： — 怠速控制 — 闭环控制 — 燃油蒸发排放控制 — 巡航控制 — 降低NOx排放的排气再循环控制(EGR) — 降低HC排放的二次空气喷射控制

12. 系统综述 由于多种因素的共同作用，这些辅助功能已被提高到了一个重要的位置。这些因素包括： —　要求降低尾气排放的法规 —　对进一步提高燃油经济性的不懈追求 —　对安全性和驾驶舒适性的更高要求

13. 系统综述 系统扩展 ME7系统也可进行扩展，以集成以下配置： - 涡轮增压器和可变进气歧管控制(可提高动力输出) - 发动机阀门正时可变的凸轮轴控制 (可降低燃油消耗和排放，同时提高动力输出) - 爆震控制、发动机转速控制和车速控制(可保护发动机和车辆)。

14. 系统综述 系统基本控制策略 M7系列的发动机管理系统采用的是基于扭矩控制的控制策略。 使用该控制策略，可以使系统针对不同发动机和使用环境，方便灵活地集成众多Motronic系列产品的功能。 大多数辅助开环和闭环控制功能都会体现在对发动机扭矩的影响上，这经常导致同时出现相互矛盾的要求。 该控制策略则能够区分出这些相互矛盾的需求的优先程度，并执行最至关重要的需求,这也是基于扭矩控制的控制策略的优势所在。

15. 系统综述 系统接口 在ME7系统中，中央控制单元采用CAN(Controller Area Network,控制器局域网)总线与车内掌管其它系统的不同控制单元保持通信与互相协作。 这种协作的一个例子是当进行换档时，Motronic控制单元可操纵自动变速箱的ECU来执行扭矩的减少，从而减少变速箱的磨损。 同样，如果安装了TCS(牵引控制系统)，当感受到车轮滑动时，它的ECU会把相应的数据传递给Motronic控制单元，使其降低发动机扭矩。 这也是采用基于扭矩的柔性响应控制的另一个好处。

16. 系统综述 系统诊断 由于器件故障将可能导致严重的安全或排放问题，在线诊断系统(On-Board Diagnosis)是Motronic系列发动机管理系统的标准配置。 利用在线诊断，系统可以诊断出象空气流量计、电子节气门体、氧传感器、碳罐阀等诸多器件的故障。 ME7系统可满足OBDⅡ和EOBD标准。

17. ME7的主要控制系统

18. ME7的主要控制系统 发动机管理系统主要通过控制：进气、喷油、点火来实现对整个发动机的运行管理，本章将主要就以下三个分系统介绍ME7主要的控制系统： 进气系统 燃油系统 点火系统

19. 进气系统 进气系统 节气门控制 对火花塞式发动机而言，决定功率输出的首要因素是气缸进气量。 发动机管理系统主要是通过调节节气门开度来控制气缸进气的。

20. 1 怠速旁通阀 2 ECU 3 节气阀 4 旁通管 进气系统 常规系统 常规的设计是依靠机械的连接来控制节气门，借助系缆或机械拉杆传递加速踏板的运动，相应地转变成节气门的动作。 发动机冷车启动时，为了克服较大的内部摩擦消耗需要吸入较多的空气和喷入额外多的燃油；同时，当辅助设备如空调压缩机被打开时，气缸也需要吸入更多的空气来弥补驱动功率的损失。

21. 进气系统 这些额外的空气要求可通过空气旁通执行器来满足，这种执行器能控制一个绕过节气门的额外气流通道。 另一种选择是使用一种可随发动机需求变化而相应调整节气门最小开度的节气门执行器来满足这种要求。 但这两种情况下为满足发动机需求波动而对空气流量进行电子控制的范围都是有限的，仅局限在某些特定工况，比如说怠速控制。

22. 电子节气门控制系统： 执行器 传感器 监测模块 电子节气门总成 加速踏板 电子节气门体 EMS ECU 进气系统 带有ETC的系统 如下图所示，ETC(电子节气门控制)控制涉及部件包括：加速踏板、EMS ECU、和电子节气门总成。

23. 进气系统 ETC系统部件说明： - 加速踏板：内有两个输出信号同向变化的电位器负责监控踏板的位置。踏板的位置由驾驶员决定。 - 电子节气门体：包括节气阀门、节气门执行器(一直流电机)、节气门开度传感器。其中开度传感器是两个输出反向互补的电位器。 ME-Motronic系统将ETC控制与负责点火、喷油和大量辅助功能的发动机管理ECU集成在一起，而无需为ETC配备一个专门的ECU。

24. ETC控制系统部件： 1 电子节气门体 2 EMS ECU 3 加速踏板 进气系统 下图给出的是一典型的ETC系统部件的图片：

25. 进气系统 ETC系统控制原理： 加速踏板位置传感器将感受到的加速踏板位置信号传递给ECU， ECU计算出相应的节气门开度，在根据发动机当前运行工况作适当调整后，产生一个相应的控制信号传递给电子节气门总成的节气门执行器。 节气门执行器能够对ECU的输出控制信号做出精确的响应，同时两个节气门位置传感器又将当前的节气门开度信息反馈给ECU，由ECU再做适当的反馈控制。 电子节气门总成上的两个反相互补节气门位置传感器连同加速踏板上监控踏板运动行程的两个电位器，构成了整个ETC监控功能的一部分，能提供系统所期望的冗余度。

26. 进气系统 在整个发动机运行期间，ETC控制系统会不断地检查和监测所有能影响节气门开度的传感器信号和计算。 一旦遇到故障，系统的初始反应是回复到基于冗余传感器信号的状态并进行数据处理。如果没有冗余的信号可用，则节气门开度调整到默认的位置。

27. 进气系统 尽管节气门控制是控制发动机进气的主要方式，仍然有许多其它的系统型式也能够实现对进入气缸中的新鲜空气和残留废气数量的调整，包括： - 可变进排气阀门正时 - 排气再循环(EGR) - 可变进气歧管布置(动态增压） - 废气涡轮增压

28. 燃油系统 燃油系统 燃油供应与传送 电动燃油泵从油箱中泵出燃油，经燃油滤清器强制过滤后，燃油被送往燃油分配管。 燃油分配管上装有由电磁控制的喷油器，可以精确地将一定数量的燃油喷入进气歧管。 在配有回油管的系统中，燃油流经油压调节器后多于的部分会返回油箱中。

29. 带回流管的燃油系统 1 油罐 2 电动燃油泵 3 燃油滤清器 4 油压调节器 5电磁喷油器 4 5 3 1 2 燃油系统 燃油系统可分为带回流管和不带回流管的两种，在无回油管的系统中，油压调节器紧挨着油泵安装。回油管就可省略了，这不仅可减少生产的成本，而且可降低油箱里的温度。 温度的降低意味着不仅碳氢化合物的排放更少，而且燃油蒸发排放系统的表现会更佳。 右图给出的是带回流管的燃油系统。

30. 燃油系统 燃油系统的组成： 1）电动燃油泵 2）燃油分配管 3）燃油滤清器 4）油压调节器 5）电磁喷油器

31. 两级电动输油泵（侧道泵和内啮合齿轮泵） 1 第一级（侧道泵） 2 主级（内啮合齿轮泵）3 电动机转子 4 换向器 5 单向阀 6 电线接头 燃油系统 1）电动燃油泵 电动燃油泵维持着由油箱而来的连续不断的燃油流动。它可以安装在油箱里或者油箱外的油路中。 目前多采用的是在油箱内安装油泵总成，这种油泵总成集成了油泵与油位传感器，并设有一涡旋状隔板结构以去除回油管中的油蒸汽。

32. 燃油系统 2）燃油分配管 燃油经油泵后流过燃油分配管，燃油分配管上装有喷油器，在这里燃油被均匀的分配到各个喷油器。在有回油管的系统中还有压力调节器。 燃油分配管的尺寸经过精心设计，以防止由于喷油器的开关引起谐振造成局部的油压波动。这就避免了在负荷或转速变化的过渡工况时喷入不规则数量的燃油。 视不同车型的特殊需要，燃油分配管可采用钢制、铝制或塑料材料制造。同时燃油分配管也可集成一个测试阀，供检修时卸压以及测试之用。

33. 燃油滤清器 1 纸质滤芯 2 滤网 3支承板 燃油系统 3）燃油滤清器 燃油杂质造成的污染会影响油压调节器与喷油器的工作。 因此有必要在油泵的下游安装一个燃油滤清器。 滤清器中含有纸制的滤芯，滤芯上带有许多平均直径仅10μm的微孔。

34. 油压调节器 1 进气歧管接头，2 弹簧，3 压板， 4 膜片，5 阀片，6 进油口，7 回油口。 燃油系统 4）油压调节器 喷油量由喷油脉宽和燃油分配管与进气歧管的压差决定。 有回油管的系统由油压调节器负责维持燃油系统与进气歧管的压差恒定。

35. 油压衰减器 1 弹簧，2 弹簧座板，3 膜片， 4 进油口，5 回油口。 燃油系统 5）油压衰减器 喷油器的循环工作与正排量燃油泵的周期性燃油卸压特性都会引发燃油系统内的压力波。在恶劣的环境条件下，电动油泵、油路以及燃油分配管的支架会将这种压力波动传递给油箱和车身。 通过使用特别设计的支架和油压衰减器可以抑制这些噪声源。油压衰减器的设计与油压调节器类似，由一个有弹簧预设力压住的膜片将燃油腔与空气腔分割开。

36. 燃油系统 6）电磁喷油器 当电磁线圈中没有电流通过时，由于弹簧力与燃油压力的共同作用，阀针被压向阀座，从而将燃油供应系统与进气歧管隔断。 当电磁线圈通电时，线圈周围产生磁场，从而提升衔铁，阀针离开阀座，燃油便通过喷油器喷出。 电磁喷油器的结构可参考下图。

37. EV6 喷油器 1 O形圈 2 滤网 3带导线接头的喷油器壳体 4 线圈绕组 5弹簧 6带电磁衔铁的针阀体 7带喷嘴盘的阀座 燃油系统 电磁喷油器的结构示意图：

38. 燃油系统 燃油喷射 为满足汽车平稳运行和低排放的严格要求，每一个工作循环都需要提供完全精确的混合气配制。 喷射的燃油量必须精确计量以匹配吸入的空气量。如今，准确的喷油正时也变得越来越重要，因此，ME7系统采用的是多点燃油喷射，即每个气缸都配有一个电磁喷油器。 喷油器由ECU控制，可在准确的时间点将精确的燃油量直接喷向气缸进气门附近，这样大大避免了喷出燃油沿进气管壁的凝结。因为这种凝结将导致所需混合气空燃比的偏离。 此外，对于多点燃油喷射系统来说，因为发动机进气歧管只通过供燃烧的空气，所以可以优化其形状和尺寸来实现发动机的动态增压。

39. 多点燃油喷射 • 1 燃油 • 2 空气 • 3 节气门 • 4 进气歧管 • 5 喷油器 • 6 发动机。 燃油系统 多点燃油喷射示意图如下：

40. 燃油系统 混合气配制 可以采用各种不同的燃油调节方法来实现有效的燃油雾化，最大程度保证空燃混合气的均匀性，同时使在进气管壁凝结程度最小。 燃油雾化模式取决于喷油器出口端的几何形状、角度以及油滴的尺寸。 对特定的气缸头与进气歧管几何形状而言，采用的喷油器应有所不同。

41. 单火花点火线圈 1 驱动信号输入端 2 多片铁芯 3 初级线圈 4 次级线圈 5 弹簧接触的 高压输出端 6 火花塞接头 1 2 3 4 5 6 点火系统 点火系统 点火系统的首要任务是保证在规定时间内点燃混合气。为此，点火系统必须严格控制点火正时，同时也要确保火花塞能够释放足够的能量点燃混合气。 右图给出的是一典型的点火线圈。

42. 点火线圈（简图） a）单火花点火线圈 (旋转分配) b）单火花点火线圈(静态分配) c）双火花点火线圈(静态分配) 。 点火系统 点火系统主要由点火电子驱动电路、点火线圈、火花塞和高压导线等组成。 中央电控单元根据曲轴位置传感器和转速、水温、电压等信号计算出点火时刻和通电时间，并将此计算结果送至点火电子驱动电路。 由点火电子组件控制点火线圈的初级电路的接通和断开。 点火线圈形式参见右图。

43. 点火系统 点火电路 点火电路产生点火所需的高压，然后在准确的时刻供给相应的火花塞。 点火线圈 点火线圈在闭合时储存能量，在断开时产生高压，通过火花塞放电生成火花。

44. 电控单元（ECU） 电控单元 电控单元ECU是发动机管理系统的“处理与控制中心”。它采用预先存储的功能或算法(处理程序) 对由传感器送来的信号进行处理，并以这些传感器信号为基础计算得到控制信号，并通过驱动级直接将控制信号送往相应的执行器(例如点火线圈和喷油嘴)实施控制。 ME7发动机管理系统的电控单元采用的是专门为发动机管理系统而设计定义的16位高性能微处理器，此外还为微处理器配有闪存（Flash Memory）可方便地实现程序和匹配数据的更新。

45. ME7电控单元： 1 多端插头 2 电路板 3 驱动芯片 4 内含ROM的功能处理器 5 闪存（储存针对不同车型补充程序） 6 EEPROM 7 内含ROM的扩展处理器 8 闪存（储存扩展处理器的部分程序） 9 大气压力传感器 10CJ910芯片组（集成了5V电压调节器和感应式传感器的处理电路） 在背面还有外置RAM 电控单元（ECU） 主要结构：

46. 电控单元（ECU） 物理设计 电控单元（Electric Control Unit,简称ECU）是由金属外壳与敷有电子元器件的印刷电路板构成。 具有混合电路的紧凑型ECU可以直接安装在发动机上，独特的设计使它能抵抗较高的热应力。 通过一个多引脚的线束插头将ECU与各传感器和执行器、当然还有电源相连。这种接头的引脚数目取决于ECU所包含的相应功能的多少。在ME-Motronic系统中，接头引脚不会少于100个。 在PCB板的输出功放电路下方（反面）有层金属底板，利用穿孔连接来实现向金属底板下表面的热传递,并从那儿把输出放大电路所产生的热量通过“热桥”传递给金属外壳。

47. 电控单元（ECU） ECU必须承受一些极端的考验，比如温度、湿度和物理应力，并抵抗所导入的电磁干扰，抑制向外发射的高频电磁静电噪声。 正常运行状态下，ECU应能实现在实际工作环境温度和正常电源电压下正确无误地进行信号处理。 电源 电压调节器为ECU提供数字电路所需的5V恒定工作电压。

48. 电控单元（ECU） 信号输入 传感器信号首先经过保护电路，再经过信号转换器和放大器进入ECU，主要类型如下： - 模拟信号 ECU内部集成了模数转换器(A/D)负责把模拟信号(例如加速踏板位置、空气流量、发动机温度、电源电压比等信息)转换成数字信号。 - 数字输入信号 例如空调、换档选择手柄等的开关信号，以及来自霍尔传感器的转速脉冲可以直接供微处理器处理。

49. 电控单元（ECU） — 由感应式传感器送来的脉冲输入信号提供了诸如车速、曲轴转速和转角等信息。它们由特殊电路进行处理，并被转换成方波信号。 根据系统集成度的不同，对原始信号的处理可以部分或完全由传感器自身来完成。通过数据总线（CAN）传递的信息不需要进行预处理。

50. 电控单元（ECU） 信号处理 输入信号由在ECU内部的微处理器进行处理。 为使系统能正常运作，必须为微处理器配备已固化在非易失性存储器(ROM或EPROM或Flash Memory)中的信号处理程序。这些存储器中还包含用来指导发动机管理系统(EMS)工作的特定曲线和MAP图（数据）。 为适应不同的发动机和车辆对各自不同数据范围的需要，ECU直到生产的最后环节才进行程序写入（当然在这一过程里没有必要打开ECU）。这样就可减少应任何一家汽车厂商的特殊要求而专门生产的ECU的类型。