第6讲 柴油机电子控制系统(2)

第6讲柴油机电子控制系统（2）四、柴油机电子控制系统的类型结构各种柴油电控系统的区别在于控制功能、传感器的数量和类型、执行元件的类型、ＥＣＵ控制软件、主要电控元件的结构原理和安装位置，通常分为电子控制式喷油泵、泵喷嘴、单体泵和高压共轨系统。1、电子控制式喷油泵主体是普通喷油泵，电子控制调速器和喷油提前角调节器电控式喷油泵分：直列式、分配式（1）电子控制直列式喷油泵装用直流电动机式电子调速器的直列柱塞泵电控系统，用电子调速器取代原有的机械调速器，以实现对喷油量的控制；用正时控制器取代原有的机构离心式供油提前角自动调节器，来对喷油正时进行控制；并设有油量调节拉杆（或齿条）位置传感器和正时传感器，对喷油量和喷油正时的控制均采用闭环控制方式。（2）分配泵电控喷射系统分为轴向和径向两种分配泵。其中轴向的以VP37为代表，主要用在捷达1.9SDI上，而径向的以VP44为代表，主要用在ISUZU的4KH1－TCK发动机上，同时也用在奥迪2.5TDI上。1.9lSDI发动机轴向压缩式分配泵（VP37）滑套位置传感器G149油量调节器N146供油提前角调节阀N108燃油温度传感器G81径向压缩式分配泵（VP44）滑片式输油泵转角传感器分配柱塞驱动轴凸轮环喷射调节器喷射起始阀门分配套筒喷射泵控制器供油量控制电磁阀滚子柴油柱塞凸轮环泵喷嘴泵喷嘴必须安装到位。若泵喷嘴与缸盖不垂直，紧固螺栓会松动，引起泵喷嘴或缸盖的损坏。2、泵喷嘴（PDE）电控系统泵喷嘴是一个单缸喷油泵，集成有喷嘴和直接装在柴油机气缸盖上的电磁阀，每个气缸都配有单独的泵喷嘴，由摇臂操作，该摇臂由发动机凸轮轴上的喷射凸轮驱动。高速电磁阀控制喷射始点和喷射油量。在不通电的状态下，电磁阀是打开的。这意味着从低压系统进油口到油泵及返回到发动机缸盖中的低压通路的油流不受限制，因此，柱塞的吸入行程允许燃油被充入油泵腔室。在油泵供油行程中，电磁阀通电后关闭旁通油路，在高压油路产生高压。一旦超过喷嘴开启压力，燃油即喷入发动机燃烧室。3、单体泵单体泵是一种模块化、时间控制的单缸高压泵系统，如图所示由集成高速电磁阀的单缸高压泵、短的高压管和喷油器组成。单体泵一般作为整体部件装在柴油机的气缸体上，直接由发动机凸轮轴上的喷射凸轮经滚柱挺杆驱动，电磁阀动作模式与泵喷嘴系统相同。4、高压共轨喷射HEUI电控喷油系统（Caterpillar公司）特点：喷油泵的柱塞采用液压驱动，喷油压力等控制不受发动机转速及负荷影响。柱塞式高压润滑油泵将压力升高到4-23Mpa泵入蓄压总管，控制阀作用在增压柱塞上，使增压柱塞下面的小活塞能产生30-120Mpa的喷油压力由喷油嘴喷出。电控单元ECM根据各有关信号控制喷油正时喷油量（喷油持续时间）。无液压放大的高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。共轨电控喷射系统基本特点高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。五、柴油机电子控制系统的组成与汽油机一样仍然有传感器、电控单元、执行器三部分。1、传感器也称信号输入装置。它的作用是进行信号的采集和转换，是柴油机实现电控的关键技术革新之一。发动机主要通过安装在发动机和车辆上的各种传感器来实时监测当前的运行参数，不同的机型在传感器类型和数量上会有所不同，通常包括以下几种类型的传感器：（1）油门踏板位置传感器。柴油机在转速一定时，进气量基本不变，而喷油量随负荷的大小而变化，负荷增大，喷油量就增大，加速踏板位置的大小就反映了柴油机负荷的大小，ECU根据它传输的信号最进行喷油量的调节，它直接反应发动机的负荷信号及怠速确认，是柴油机电子控制系统的主控信号传感器。通常分为接触式（电位器式角位移）传感器和非接触式（霍尔式）传感器两种类型。（2）转速传感器、曲轴位置和气缸识别传感器。曲轴位置传感器在控制燃烧、降低排放、提高燃油经济性中占有最重要的作用，其作用是实时判断曲轴的瞬态，以满足ECU决定喷油定时的需要。这类传感器通常有电磁式、霍尔式和光电式等几种类型。（3）温度传感器。柴油机电控系统中经常使用的温度传感器包括冷却液温度传感器、进气温度传感器、燃油温度传感器和机油温度传感器，通常是一个两线式系数的热敏电阻。其要作用是修正喷油量与喷油正时。（4）压力传感器。柴油机电控系统中典型的压力传感器有进气压力传感器、燃油压力传感器、机油压力传感器、大气压力传感器。其要作用是修正喷油量与喷油正时。值得注意的是有时温度传感器与压力传感器会集成到一起形成一个复合传感器，如进气温度传感与进气压力传感器复合成为进气压力压力温度传感器。（5）空气质量流量计。在早期的柴油机电子控制系统中未采用，但现在为了优化柴油机燃烧、有效地控制排放，尤其是采用废气再循环（EGR）后，都需要知道进气的质量流量。目前用得比较多的是热线式和热膜式空气流量计。（6）其它位置传感器。如泵转角传感器、溢流环位置传感器、正时活塞位置传感器、控制杆位置传感器、控制套筒位置传感器、针阀行程位置传感器等位置传感器，其中泵转角传感器、溢流环位置传感器和正时活塞位置传感器是用在转子泵上的传感器，其中控制杆位置传感器和控制套筒位置传感器是用在直列泵上的传感器。泵转角传感器的作用是检测泵转角与曲轴位置传感器共同控制喷油量保证喷油正时改变时不影响喷油量。溢流环位置传感器的作用是检测溢流控制电磁铁的电枢位置，以反馈控制溢流环位置。正时活塞位置传感器的作用是检测电子控制定时器正时活塞位置，将喷油正时提前量信号输入ECU。控制杆位置传感器的作用是检测电子控制柱直列喷油泵调速器中控制杆位置将喷射量的增减信号反馈给ECU。控制套筒位置传感器的作用是检测喷油泵调整器中控制筒位置将喷油量增减信号反馈给ECU。针阀行程位置传感器的作用是确定喷嘴喷油始点信号，根据转速、负荷和温度与针阀行程位置传感器，组成闭环控制并控制EGR。此外还有用于检测燃烧室开始燃烧时刻修正喷油正时的着火正时传感器，以及点火开关、空调开关、动力转向油压开关、空挡起动开关或离合器开关信号等传感器，因为我们可以把开关认为是提供开关两个信号的信号输入装置，那么也可以认为是传感器。2、电子控制单元（ECU）ECU是整个控制系统的核心，它利用内部存储的软件与硬件，处理从传感器输入的诸多信号，并以这些信号为基础，结合内部软件的其他信息，制定出各种控制命令，送到各个执行器，从而实现对柴油机的控制。目前的ECU型号与类型很多，不同的厂家生产不同的系列，即使是同一厂家的所用的ECU也不同。3、执行器由于电控柴油机燃油系统的多样性，各种不同的电控燃油系统，其所具有的执行器就各不相同。常见的执行器主要有电磁阀、电机、继电器、开关以及指示灯等。电磁阀根据工作的方式不同可分为开关型和占空比型（PWM），常开型只有两个状态（ON/OFF），因此常用于燃油切断等，占空比型其开度可以根据控制信号的不同实现连续的变化，所以可实现灵活的控制，如共轨系统中的计量阀。电机通常是直流电机，是为了完成某个机械动作而设置的，如电控直列泵电动调速器中的齿条驱动电机。继电器主要是用于实现小电流对大电流的控制，或者是一个电路对多个电路的控制。指示灯主要是ECU向使用者输出指示信号的执行器，通常包括故障信号灯、停机警告灯、保养提示灯等。补充内容：电热塞控制系统集成在电控单元中，控制分为两部分：预热和后热。预热：由于直喷柴油机的启动性能好，预热只需在温度低于+9℃以下进行，冷却水温传感器为电控单元提供准确的温度信号，驾驶员通过仪表盘上的预热报警灯了解预热情况。后热：发动机启动以后，就要进入后热阶段，后热可以减少发动机的噪音，改善怠速工况的发动机性能，并且降低碳氢排放。发动机转速达到2500rpm时后热阶段停止。柴油机的排放主要由氮氧化物、碳氢、一氧化碳和微粒组成。有氧催化转化器可以降低碳氢、一氧化碳以及部分微粒，氮氧化物排放要通过废气再循环等方式进行控制，而微粒则由微粒捕捉器处理。目前最新的技术还有SCR技术。排放处理系统氧催化转化器柴油机工作在富氧的环境下，不适宜采用三元催化器，这里采用氧催化转化器。氧催化转化器是一个圆筒形的陶瓷载体，中间有许多细长的通道，可以大大增加陶瓷载体内部的表面积。活性催化材料是用真空金属化的方法加到陶瓷表面的，有害物质与催化材料接触时就会被转化。在氧催化转化器中，大约80%未燃烧或部分燃烧的HC被转化成水蒸气和CO2，有害的CO被转化成CO2，氮氧化物NOx不能被氧传感器转化，因此采用废气再循环的方法减少NOx排放。废气再循环系统废气再循环EGR是为了减少排气中的氮氧化合物。直喷系统的缸内温度相对较高，而且柴油机工作在富氧的环境下，因此排气中生产大量的氮氧化合物。部分的排气通过EGR阀与新鲜空气混合进入发动机，这样缸内混合气的含氧量就降低，从而降低氮氧化合物排放。废气再循环率要受到限制，因为过多的废气会使碳氢、一氧化碳和微粒排放恶化。微粒捕捉器微粒捕捉器主要用来净化柴油机排气中的颗粒物，是现代柴油机满足欧Ⅲ以上排放法规的有效手段。柴油机微粒捕捉器的核心是过滤体和过滤体再生装置。过滤体由多孔陶瓷过滤材料或多孔金属材料制成，目前的过滤体的过滤效率可达90％以上而不会引起过高的排气阻力。当过滤体过滤的颗粒物引起柴油机排气不畅时，需要及时消除这些颗粒物，以免造成对发动机性能的影响。再生装置一般是通过直接加热微粒，同时利用催化剂降低微粒着火点，使微粒氧化达到过滤体再生的目的。