汽車發(fā)動機工作原理是通過燃燒氣缸內的燃料，產生動能，驅動發(fā)動機氣缸內的活塞往復的運動，由此帶動連在活塞上的連桿和與連桿相連的曲柄，圍繞曲軸中心作往復的圓周運動，而輸出動力的。
發(fā)動機是由曲柄連桿機構和配氣機構兩大機構，以及冷卻、潤滑、點火、燃料供給、啟動系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成。
圖1.1 發(fā)動機結構圖
主要部件有氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪等。往復活塞式內燃機的工作腔稱作汽缸，汽缸內表面為圓柱形。在汽缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，曲軸由氣缸體上的軸承支承，可在軸承內轉動，構成曲柄連桿機構?；钊谄變茸魍鶑瓦\動時，連桿推動曲軸旋轉。反之，曲軸轉動時，連桿軸頸在曲軸箱內作圓周運動，并通過連桿帶動活塞在氣缸內上下移動。曲軸每轉一周，活塞上、下各運行一次，汽缸的容積在不斷的由小變大，再由大變小，如此循環(huán)不已。汽缸的頂端用汽缸蓋封閉。汽缸蓋上裝有進氣門和排氣門。通過進、排氣門的開閉實現向汽缸內充氣和向汽缸外排氣。進、排氣門的開閉由凸輪軸驅動。凸輪軸由曲軸通過齒形帶或齒輪驅動。
汽車傳感器把汽車運行中各種工況信息，如車速、各種介質的溫度、發(fā)動機運轉工況等，轉化成電訊號輸給計算機，以便發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)。車用傳感器很多，判斷傳感器出現的故障時，不應只考慮傳感器本身，而應考慮出現故障的整個電路。因此，在查找故障時，除了檢查傳感器之外，還要檢查線束、插接件以及傳感器與電控單元之間的有關電路。
圖1.2 發(fā)動機氣缸活塞組內部結構
學習發(fā)動機構造，掌握發(fā)動機的一些基本術語是必要的。因此接下來將對常用的一些基本術語進行總結。
圖1.4 發(fā)動機氣缸內部結構
- 上止點：活塞在氣缸里做往復直線運動時，當活塞向上運動到最上面，這一位置稱為上止點。
- 下止點：活塞在氣缸里做往復直線運動時，當活塞向下運動到最下面，這一位置稱為下止點。
- 活塞行程：活塞從一個止點運動到另一止點的距離，即上、下止點之間的距離稱為活塞行程。
- 燃燒室容積：活塞位于上止點時，其頂部與氣缸蓋之間的容積稱為燃燒室容積。
- 氣缸工作容積：活塞從一個止點運動到另一個止點所掃過的容積，稱為氣缸工作容積。
- 氣缸總容積：氣缸總容積就是氣缸工作容積和燃燒室容積之和。
- 發(fā)動機排量：多缸發(fā)動機各氣缸工作容積的總和，稱為發(fā)動機排量。
- 壓縮比：氣缸總容積與燃燒室容積之比。
對于汽油機來講，壓縮比越高，對燃油的要求越高。對柴油機來講壓縮比越高就意味著活塞和連桿承受更大的作用力，就需要增大零件的質量，從而增大發(fā)動機的體積。所以發(fā)動機的壓縮比在設計時都應選擇合適的數值。
（1）作用
汽油機點火系統(tǒng)是汽油機、煤氣機中用電火花點燃混合氣的裝置。它的功用是按氣缸點火次序定時地向火花塞提供足夠能量的高壓電，使火花塞電極間產生火花，從而點燃氣缸內被壓縮的可燃混合氣。
點火系統(tǒng)通常由電源、點火線圈、分電器（包括斷電器）和火花塞等組成。其中電源、斷電器和點火線圈的初級線圈構成低壓電路部分；點火線圈的次級線圈、分電器和火花塞構成高壓電路部分。
圖1.43 點火系統(tǒng)結構示意圖1
點火線圈由初、次級線圈和鐵芯組成。初級線圈的導線粗而匝數少，次級線圈導線細而匝數多，相當于一個升壓變壓器。斷電器有機械式和晶體管式兩種，機械式的應用較普遍。當發(fā)動機運轉時，凸輪軸驅動分電器中凸輪旋轉，控制斷電器觸點啟閉。當斷電器將低壓電路閉合時，初級線圈中即產生低壓電流，在點火線圈內形成磁場。當電流達到一定值時，斷電器將低壓電路斷開，磁通消失，在次級線圈中感應出10～24千伏的電動勢，通過分電器依次傳到相應氣缸的火花塞電極上，即產生電火花。當觸點斷開時，初級線圈會感應出自感電動勢，使觸點間產生電弧而引起燒蝕，并減緩磁通消失速度，降低次級線圈感應的電動勢。為了消除自感電動勢，與觸點并聯(lián)有一只0.15～0.30微法的電容器。
（2）工作原理
發(fā)動機工作時， ECU 根據接收到的各傳感器信號，按存儲器中存儲的有關程序和數據，確定出最佳點火提前角和通電時間(電子點火系統(tǒng)與機械式點火系統(tǒng)完全不同，它有一個點火用電子控制裝置，內部有發(fā)動機在各種工況下所需的點火控制曲線圖(MAP圖)。通過一系列傳感器如發(fā)動機轉速傳感器、進氣管真空度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、曲軸位置傳感器等來判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)，在MAP圖上找出發(fā)動機在此工作狀態(tài)下所需的點火提前角，按此要求進行點火。然后根據爆震傳感器信號對上述點火要求進行修正，使發(fā)動機工作在最佳點火時刻。)，并以此向點火器發(fā)出指令。點火器根據指令，控制點火線圈初級電路的導通和截止。當電路導通時，有電流從點火線圈中的初級電路通過，點火線圈將點火能量以磁場的形式儲存起來。當初級電路被切斷時，次級線圈中產生很高的感應電動勢，經分電器或直接送至工作氣缸的火花塞。
?在電控點火系統(tǒng)中，用凸輪軸位置傳感器產生 G 信號和曲軸位置傳感器產生的 Ne 信號作為主控制信號，以 G 信號為基準，按 1°曲軸轉角分頻，用既定的曲軸角度產生點火控制信號（ IGT?信號）。
- G 信號：指活塞運行到上止點位置的判別信號，它是根據凸輪軸位置傳感器產生的信號經過整形和轉換而獲得的脈沖信號。 發(fā)動機工作時，ECU 根據 G 信號可準確地計算出曲軸每轉 1°所用的時間，并根據其他傳感器輸入信號， ECU 按其內存的控制模型確定點火提前角和點火線圈的通電時間。
- Ne 信號：指發(fā)動機的曲軸轉角信號，它是根據曲軸位置傳感器產生的信號經過整形和轉換而獲得的脈沖信號。在電控點火系統(tǒng)中， Ne 信號主要是用來計量點火提前角和通電時間。
- IGT信號：是 ECU 向點火器中功率晶體管發(fā)出的通斷控制信號。
- IGF信號：是完成點火后，點火器向 ECU 輸送的點火確認號。
圖1.44 點火系統(tǒng)結構示意圖2
- 分電器是受曲軸傳動的循環(huán)開關，它將高壓按次序供給各缸火花塞；
- 火花塞是高絕緣高溫陶瓷做成的高壓跳火裝置；
- 點火線圈是一個有鐵芯的自藕變壓器，他把脈沖電流升至為萬伏的高壓脈沖；
- 點火控制器是電子子開觸發(fā)電路，它將直流電流轉為電流脈沖。
（1）CAN總線簡介
- 是一種串行通信協(xié)議，能有效的支持具有很高安全等級的分布實時控制；
- 應用范圍十分廣泛，從高速網絡到低價位的多路接線都可以使用CAN；
- 主要運用于汽車電子航天等行業(yè)，使用CAN連接發(fā)動機的控制單元等汽車部件；
- 具有可靠，實時以及靈活的特性。
（2）CAN工作原理
- 以廣播的形式發(fā)送報文．當CAN總線上的某個節(jié)點需要給其他節(jié)點發(fā)送消息時，會以廣播的形式發(fā)送給總線上所有的節(jié)點，因為總線上的節(jié)點不適用地址來進行配置CAN系統(tǒng)，而是根據報文的開頭的11位標識符決定是否要接受其他節(jié)點發(fā)來的報文；
- 每個節(jié)點都有自己的處理器和CAN總線接口控制器；
- 當一個節(jié)點需要發(fā)送數據到另一個節(jié)點時，自身節(jié)點的處理器需要將要發(fā)送的數據和自己的標識符傳給自身的總線控制接口，處于準備狀態(tài)；當獲取到總線的使用權后，將數據和標識符組裝成報文，將報文以一定格式發(fā)出，此時其他的節(jié)點處于接收狀態(tài)．至于其他節(jié)點是否接收，由其他節(jié)點決定，是都會對某些報文進行過濾；
- 當新增的節(jié)點僅僅是純粹的數據接收設備時，只需要該設備直接從總線上接收數據即可。
（3）總線工作的特點
- 特權階級：不論計算機還是真是社會中，都有特權階級的存在，CAN總線上的節(jié)點會被劃分為不同優(yōu)先級，為滿足的是不同的實時要求，采用的是非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動的停止數據發(fā)送，優(yōu)先級高的就可以不受影響繼續(xù)傳輸數據。仲裁(Arbitration) 只要總線空閑，任何節(jié)點都可以向總線發(fā)送報文。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發(fā)送時，數據幀優(yōu)先于遠程幀。在仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監(jiān)視到的是“顯性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。
- 報文(Message)總線上的數據以不同報文格式發(fā)送，但長度受到限制。當總線空閑時，任何一個網絡上的節(jié)點都可以發(fā)送報文。
- 信息路由(Information Routing)在CAN中，節(jié)點不使用任何關于系統(tǒng)配置的報文，比如站地址，由接收節(jié)點根據報文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴展時，不用對應用層以及任何節(jié)點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點。
- 標識符(Identifier) 要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個域)，它給出的不是目標節(jié)點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播方式在網絡上發(fā)送，所有節(jié)點都可以接收到。節(jié)點通過標識符判定是否接收這幀信息。
- 數據一致性應確保報文在CAN里同時被所有節(jié)點接收或同時不接收，這是配合錯誤處理和再同步功能實現的。
- 位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。
- 優(yōu)先權 ：由發(fā)送數據的報文中的標識符決定報文占用總線的優(yōu)先權。標識符越小，優(yōu)先權越高。
- 遠程數據請求(Remote Data Request) 通過發(fā)送遠程幀，需要數據的節(jié)點請求另一節(jié)點發(fā)送相應的數據。回應節(jié)點傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由相同的標識符命名。
- 總線狀態(tài) 總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態(tài)，“顯性”對應邏輯“0”，“隱性”對應邏輯“1”?！帮@性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以兩個節(jié)點同時分別發(fā)送“0”和“1”時，總線上呈現“0”。CAN總線采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實現方式。
- 故障界定(Confinement) CAN節(jié)點能區(qū)分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點會被關閉。
- 應答接收節(jié)點對正確接收的報文給出應答，對不一致報文進行標記。
- CAN通訊距離最大是10公里（設速率為5Kbps）,或最大通信速率為1Mbps(設通信距離為40米)。
- CAN總線上的節(jié)點數可達110個。通信介質可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。
- 報文是短幀結構，短的傳送時間使其受干擾概率低，CAN有很好的校驗機制，這些都保證了。
CAN通信的可靠性：
- 具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；
- 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；
- 具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網絡；
- 可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
- 可靠的錯誤處理和檢錯機制；
- 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；
- 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；
- 報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。
（4）總線協(xié)議層次結構
① 物理層
- 在物理層中定義實際信號的傳輸方法,包括位的編碼和解碼、位的定時和同步等內容,作用是定義不同節(jié)點之間根據電氣屬性如何進行位的實際傳輸；
- 在物理連接上, CAN 總線結構提供兩個引腳 –CANH 和 CANL ,總線通過 CANH 和 CANL 之間的差分電壓完成信號的位傳輸；在不同系統(tǒng)中, CAN 總線的位速率不同;在系統(tǒng)中, CAN 總線的位速率是唯一的,并且是固定的,這需要對總線中的每個節(jié)點配置統(tǒng)一的參數。
② 傳輸層
- 傳輸層是 CAN 總線協(xié)議的核心。傳輸層負責把接收到的報文提供給對象層,以及接收來自對象層的報文。傳輸層負責位的定時及同步、報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定、故障界定。
③ 對象層
- 在對象層中可以為遠程數據請求以及數據傳輸提供服務,確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文,并且為恢復管理和過載通知提供手段．
（1）LIN總線介紹
LIN總線是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網絡，是對控制器區(qū)域網絡（CAN）等其它汽車多路網絡的一種補充，適用于對網絡的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用。LIN總線是基于SCI（UART）數據格式，采用單主控制器/多從設備的模式，是UART中的一種特殊情況。
（2）LIN總線工作原理
LIN總線所控制的控制單元一般都分布在距離較近的空間，傳輸數據是單線，數據線最長可以達到40m。在主節(jié)點內配置1kΩ電阻端接12V供電，從節(jié)點內配置30kΩ電阻端接12V供電。各節(jié)點通過電池正極端接電阻向總線供電，每個節(jié)點都可以通過內部發(fā)送器拉低總線電壓。
圖2.1 LIN總線控制系統(tǒng)
（3）主控制單元
LIN主控制單元連接在CAN數據總線上，監(jiān)控數據傳輸過程和數據傳輸速率，發(fā)送信息標題，決定何時將哪些信息發(fā)送到LIN數據總線上多少次，在LIN數據總線系統(tǒng)的LIN控制單元與CAN總線直接起“翻譯”作用，能夠進行LIN主控制單元及與之相連的LIN從屬控制單元的自診斷。
（4）主控制單元的信息結構
LIN主控制單元控制總線導線上的每條信息的開始處都通過LIN總線主控單元發(fā)送一個信息標題，它由一個同步相位構成，后面部分是標識符字節(jié)，可以傳輸2、4、8個字節(jié)的數據。標識符用于確定主控單元是否會將數據傳輸給從屬控制單元。信息段包含發(fā)送到從屬控制單元的信息。校驗區(qū)可為數據傳輸提供良好的安全性。校驗區(qū)由主控制單元通過數據字節(jié)構成，位于信息結束部分。LIN總線主控制單元以循環(huán)形式傳輸當前信息。
（5） LIN從屬控制單元
在LIN數據總線系統(tǒng)內，LIN從屬控制單元的通信受到LIN主控制單元的完全控制，只有在LIN主控制單元發(fā)出命令的情況下，LIN從屬控制單元才能通過LIN總線進行數據傳輸。單個的控制單元、傳感器、執(zhí)元件都相當于LIN從屬控制單元，傳感器是信號輸入裝置，傳感器內集成有一個電控裝置，它對測量值進行分析，分析后的數值是作為數字信號通過LIN總線進行傳輸的。有的傳感器或者是執(zhí)行元件只是用LIN主控制單元插口上的一個針腳，就可以實現信息傳輸，也就是單線傳輸。
LIN執(zhí)行元件都是智能型的電子或機電部件，它們通過LIN主控制單元的LIN數字信號接收任務。LIN主控制單元通過集成的傳感器來獲取執(zhí)行元件的實際的工作狀態(tài)，然后就把規(guī)定狀態(tài)和實際狀態(tài)進行對比，并發(fā)出相應的控制指令。LIN主控制單元發(fā)出控制指令后之后，傳感器和執(zhí)行元件才能夠做出反應。LIN從屬控制單元等待主控制單元的指令，根據需要與主控制單元進行通信。如果要結束休眠模式，LIN從屬控制單元可自行發(fā)送喚醒信號。LIN總控制單元安裝在LIN總線系統(tǒng)設備上。
（1）SENT與CAN和LIN的區(qū)別
SENT (Single Edge Nibble Transmission) 是由SAE推出的一種汽車傳感器與ECU通信的新標準(SAE J2716)，協(xié)議簡單且具有很多優(yōu)勢，SENT接口是Analog input 的替代品。SENT不能替代CAN或是LIN，因為SENT是連續(xù)單向傳輸的, CAN和LIN都需是雙向傳輸。
圖2.2 SENT 傳輸示意圖
（2）SENT總線的硬件連接
SENT總線常用于傳感器信號，其基本引腳連接如下：
圖2.3 SENT總線的硬件連接和邏輯電平
其高低信號的電平要求：0~0.5V為邏輯電平0，4.1~5V為邏輯電平1。
（3）SENT總線的協(xié)議
SENT總線協(xié)議的數據使用半個字節(jié)Nibble，即4bit來進行編碼定義的，一個半字節(jié)Nibble是通過2個下降沿之間的時間差來定義的。如下是一個Nibble的電壓邏輯信號：
圖2.4 SENT總線協(xié)議
時間精度以1個節(jié)拍Tick來定義（一般1個Tick的時間是3~10us），每一個Nibble從一個下降沿開始，并且之后再邏輯0狀態(tài)至少維持4Ticks，之后下一個下降沿距離第一個下降沿的時間差作為Nibble值的編碼依據。需要注意的是，后一個下降沿距離第一個下降沿至少相隔12Ticks，至多27Ticks，且相隔Tick數減去12即為最終的Nibble值，如此Nibble值最小為0，最大為15（27Tick-12Tick），二進制表示時即為4bit。
（1）簡介
FlexRay車載網絡標準已經成為同類產品的基準，將在未來很多年內，引導整個汽車電子產品控制結構的發(fā)展方向。FlexRay是繼CAN 和LIN之后的最新研發(fā)成果，可以有效管理多重安全和舒適功能。
FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標。FlexRay聯(lián)盟 （FlexRay Consortium）推進了FlexRay的標準化，使之成為了新一代汽車內部網絡通訊協(xié)議。FlexRay關注的是當今汽車行業(yè)的一些核心需求，包括更快的數據速率，更靈活的數據通信，更全面的拓撲選擇和容錯運算。
因此，FlexRay可以為下一代的車內控制系統(tǒng)提供所需的速度和可靠性。CAN網絡最高性能極限為1Mbps。LIN和K-LINE分枝網絡最高性能極限為20Kbit/s。而FlexRay兩個信道上的數據速率最大可達到10Mbps,總數據速率可達到20Mbit/秒，因此，應用在車載網絡，FlexRay 的網絡帶寬可能是CAN的20倍之多。
FlexRay還能夠提供很多CAN網絡所不具有的可靠性特點。尤其是FlexRay具備的冗余通信能力可實現通過硬件完全復制網絡配置，并進行進度監(jiān)測。FlexRay同時提供靈活的配置，可支持各種拓撲，如總線、星型和混合拓撲。設計人員可以通過結合兩種或兩種以上的該類型拓撲來配置分布式系統(tǒng)。
另外，FlexRay可以進行同步（實時）和異步的數據傳輸，來滿足車輛中各種系統(tǒng)的需求。譬如說，分布式控制系統(tǒng)通常要求同步數據傳輸。
為了滿足不同的通信需求，FlexRay在每個通信周期內都提供靜態(tài)和動態(tài)通信段。靜態(tài)通信段可以提供有界延遲，而動態(tài)通信段則有助于滿足在系統(tǒng)運行時間內出現的不同帶寬需求。FlexRay 幀的固定長度靜態(tài)段用固定時間觸發(fā)（fixed-time-trigger）的方法來傳輸信息，而動態(tài)段則使用靈活時間觸發(fā)的方法來傳輸信息。
FlexRay不僅可以像CAN和LIN網絡這樣的單信道系統(tǒng)一般運行，而且還可以作為一個雙信道系統(tǒng)運行。雙信道系統(tǒng)可以通過冗余網絡傳輸數據——這也是高可靠系統(tǒng)的一項重要性能。
（2）FlexRay 節(jié)點運算
每個FlexRay節(jié)點都包括一個控制器和一個驅動器部件?？刂破鞑考ㄒ粋€主機處理器和一個通信控制器。驅動器部件通常包括總線驅動器和總線監(jiān)控器（可選擇）。總線驅動器將通信控制器與總線相連接，總線監(jiān)控器監(jiān)視接入總線的連接。主機通知總線監(jiān)控器通信控制器分配了那些時槽。接下來，總線監(jiān)控器只允許通信控制器在這些時槽中傳輸數據，并激活總線驅動器。若總線監(jiān)控器發(fā)現時間時序有間隔，則斷開通信信道的連接。
（3）FlexRay 的應用
FlexRay 面向的是眾多的車內線控操作(X-by-Wire)。FlexRay 導線控制應用的例子包括：
- 線控操作轉向－典型的是使用電子控制單元。
- 防抱死制動系統(tǒng)(ABS)-包括車輛穩(wěn)定控制(VSC)和車輛穩(wěn)定助手（VSA）。
（4）FlexRay的節(jié)點有幾個基本的運行狀態(tài)
- 配置狀態(tài)（默認配置/配置）-用于各種初始化設置，包括通信周期和數據速率。
- 就緒狀態(tài)-用于進行內部的通信設置。
- 喚醒狀態(tài)-用于喚醒沒有在通信的節(jié)點。在該狀態(tài)下，節(jié)點向另一節(jié)點發(fā)送喚醒信號，喚醒并激活總線驅動器、通信控制器、和總線監(jiān)控器。
- 啟動狀態(tài)-用于啟動時鐘同步，并為通信做準備。
- 正常狀態(tài)（主動/被動）-可以進行通信的狀態(tài)。
- 中斷狀態(tài)-表明通信中斷。