柴油机电控技术

长安大学工程机械发动机构造课教学制作：展朝勇第六章柴油机电控技术第六章柴油机电控技术第一节柴油机电控技术概述第二节柴油机供（喷）油量控制第三节柴油机供（喷）油正时控制第四节柴油机电控燃油喷射系统实例第一节柴油机电控技术概述一、柴油机电控技术的发展柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来的。汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验。柴油机电控系统的开发研究从20世纪70年代开始，共经历了三代：第一代——位置控制第二代——时间控制第三代——时间－压力控制位置控制保留传统的基本结构，只是将原有的机械控制机构用电控元件取代，在原机械控制循环喷油量和喷油定时的基础上，控制油量调节拉杆位移和提前器运动装置的位移，实现循环喷油量和喷油定时的控制。时间控制时间控制系统有许多比纯机械式或第一代系统优越的地方，但其燃油喷射压力仍然与发动机转速有关。另外电磁阀的响应直接影响喷射特性，特别是在转速较高或瞬态转速变化很大的情况下尤为严重。共轨系统共轨系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理。电控喷射系统具有公共控制油道(共轨管),高压油泵向公共油道供油以保持所需的共轨压力,通过连续调节共轨压力来控制喷射压力,采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程。根据柴油机的工况,适时地控制喷油量与喷油定时,使其达到与工况相适应的最优数值,使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能，系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。二、电控柴油机控制系统组成位置控制电喷系统工作示意图（二）时间控制方式在分配泵上实施时间控制的有：日本电装公司的ECD-V3系统；美国Stanadyne公司的DS型和RS型（DS型已用于GM公司1994年的增压柴油机上，RS型已用于GM公司的客货两用车和越野车）；日本丰田公司的ECD-2系统等。电控泵喷嘴系统有：德国波许公司的PDE27/PDE28系统等。时间控制电喷系统工作示意图（三）时间-压力控制方式（共轨式）优点：可实现高压喷射（最高达200Mpa），喷射压力独立于发动机转速，可实现理想喷油规律，具有良好的喷射特性。国外典型共轨喷射系统有：日本电装公司的ECD-U2系统；美国BKM公司的servojet系统；美国卡特匹勒（Caterpiller）公司的HEUI系统，等等。国外于20世纪90年代中期研制的一种新型柴油机电控技术。四、柴油机电控燃油喷射系统的优点1.改善发动机低温起动性电子控制系统能够以最佳的程序替代驾驶员进行这种麻烦的起动操作，使柴油机低温起动更容易。2.降低发动机氮氧化物的排放采用柴油机电控技术，可精确地将喷油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时根据发动机工况调节喷油时刻，从而有效地抑制排烟。3.提高发动机运转稳定性采用柴油机电控系统，无论负荷怎样增减都能保证发动机怠速工况下以最低转速稳定运转，有利于提高其经济性。四、柴油机电控燃油喷射系统的优点4.提高发动机动力性和经济性柴油机电控系统中，ECU根据传感器信号精确计算喷油量和喷油正时。从而提高发动机的动力性和经济性。5.控制涡轮增压采用电子控制技术可以对增压装置进行精确的控制。6.适应范围广只要改变ECU的控制程序和数据，一种喷油泵就能广泛用在各种柴油机上，而且柴油机燃油喷射控制可与变速器控制、怠速控制等各种控制系统进行组合实现集中控制，有利于缩短柴油机电控系统开发周期，并降低成本，从而扩大柴油机电控系统的应用范围。五、柴油机电控系统的功能与组成（一）柴油机电控系统的功能燃油喷射控制主要包括：供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制、供（喷）油速率控制和喷油压力控制等。怠速控制主要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制。进气控制主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。（一）柴油机电控系统的功能增压控制根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过各种措施，实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制。排放控制主要是废气再循环（EGR）控制。起动控制包括供（喷）油量、正时控制和预热装置控制。巡航控制ECU根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。故障自诊断包含故障自诊断和失效保护两个子系统。柴油机与自动变速器的综合控制（二）柴油机电控系统的组成柴油机电控燃油喷射系统除了控制喷油量外，对喷油正时和喷油的压力都有很高的要求（柴油机电控燃油喷射系统的喷油压力较高约19.6MPa）。柴油机电控燃油喷射系统主要由传感器、电控单元（ECU）、执行元件三部分组成。（二）柴油机电控系统的组成2.电控单元ECU根据各传感器输入信号和内存程序，计算出供（喷）油量和供（喷）油开始时刻，并向执行元件发出执行令信号。3.执行元件执行ECU的指令，调节柴油机的供（喷）油量和供（喷）油正时。1.传感器包括加速踏板位置传感器、反馈信号传感器、燃油温度传感器等和信号开关一、位置控制方式第二节柴油机供（喷）油量控制位置控制系统不仅保留了传统的泵－管－嘴系统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。供（喷）油量控制特点用电子调速器取代传统机械离心式调速器。用发动机转速传感器和加速踏板位置传感器代替原有的转速和负荷传感机构（如离心飞块、真空室等）；用ECU控制的电子执行元件来代替机械离心式调速执行机构和加速踏板传动机构。（一）直列式柱塞泵位置控制方式执行元件：控制型电磁阀反馈元件：齿条位置传感器工作中ECU控制电磁阀线圈的占空比→铁芯产生电磁力→铁芯推动供油齿条移动至与回位弹簧平衡→改变供油量通过齿条位置传感器的反馈信号，得到齿条的实际位置，以此进行反馈控制。（一）直列式柱塞泵位置控制方式位置控制过程通过滑套位置传感器的反馈信号得到滑套的实际位置，以此进行反馈控制。（二）转子分配泵位置控制方式ECU控制电磁阀线圈的占空比→线圈的输入电流变化→转子轴转动的电磁力矩变化→偏心钢球绕转子轴中心线左右转动→滑套左右移动→改变柱塞的回油时间→改变供油量。二、时间控制方式（以VE泵为例）在回油通道中安装一个由ECU控制的高速强力电磁阀来取代滑套控制回油通道的开闭。二、时间控制方式（以VE泵为例）一般情况下，电磁阀关闭开始喷油；电磁阀打开喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。可取消油量控制滑套，还可取消泵油柱塞上的回油槽。三、时间－压力控制方式第三代柴油机电控系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，各缸喷油器共用一个高压油轨（即高压油管）。对喷油量的控制采用时间－压力控制或压力控制，用的最多的是时间－压力控制方式。三、时间－压力控制方式三、时间－压力控制方式高压供油泵高速电磁阀喷油器共轨（Common-rail）燃油压力传感器三、时间－压力控制方式四、压力控制方式在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由ECU根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。在系统中，ECU根据实际的共轨压力信号对共轨压力进行闭环控制。共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理，通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或者高压共轨等形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程，可以实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。第三节柴油机供（喷）油正时控制一、直列柱塞泵供油正时电控系统1.组成由正时控制器、电磁阀、柴油机转速传感器、正时传感器和ECU等组成。2.工作过程二、转子分配泵供油正时电控系统1.组成在原供油提前角自动调节器活塞两侧油腔之间增加一条液压通道，并由ECU通过电磁阀控制该液压通道来实现。二、转子分配泵供油正时电控系统2.工作过程ECU控制电磁阀的占空比→正时活塞两端的压力差变化→正时活塞左右移动→由滑销带动滚轮架转动→改变供油正时；通过正时传感器的信号，得到实际的供油正时，以进行反馈控制。一、日本电装公司ECD－V1系统第四节柴油机电控燃油喷射系统实例日本丰田公司柴油轿车最早装的就是日本电装公司开发的ECD－V1系统。该系统是在转子分配式喷油泵的基础上，加装电子控制装置而形成的。主要传感器包括：发动机转速传感器、加速踏板位置传感器、滑套位置传感器、正时活塞位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、车速传感器;控制功能包括：燃油喷射控制、进气节流控制、预热塞控制、自诊断和安全保护功能等。空档开关、起动开关、空调开关等。日本电装公司ECD-V1系统图日本电装公司ECD-V1系统图二、日本电装公司ECD－V3系统日本电装公司开发的ECD－V3系统是在转子分配式喷油泵基础上，增加电子控制装置形成的柴油机电控燃油喷射系统。与ECD－V1系统相比，主要是喷油量控制方法不同，ECD－V3系统是通过控制喷油时间来实现对喷油量控制的，即ECU在确定喷油器的喷油开始时刻后，再通过溢流控制电磁阀来控制柱塞泵回油的时刻（即停止喷油的时刻），以此来控制喷油量。为控制喷油时间，在转子分配式喷油泵内增设了泵角传感器。泵角传感器采用电磁感应式，向ECU提供喷油泵凸轮轴位置和转角信号。ECD－V3系统装用光电式着火正时传感器，对喷油正时实施反馈控制。发动机转速传感器安装在曲轴上。日本电装公司ECD-V3系统图EDU：ElectronicDriverUnit电子驱动单元SPV：SpillControlValve溢流控制阀TCV：TimingControlValve正时控制阀1.ECD-V3系统工作示意图光电式着火正时传感器2.着火正时传感器着火正时传感器用以检测气缸内混合气燃烧的实际开始时刻，以此信号对供油正时进行反馈控制。混合气燃烧→石英晶体棒检测到光的变化→光敏晶体管将光信号变成电压信号→信号输出到ECU。3.电磁溢流控制阀工作原理4.喷油量控制原理三、日本五十铃公司L－TEC系统五十铃公司L－TEC（全电子控制式）是在转子分配式喷油泵基础上，增加电子控制装置形成的全电子控制式柴油机电控燃油喷射系统。系统的主要特点：具有巡航控制功能，设有燃油温度传感器，不对喷油正时进行反馈控制。此外，加速踏板位置传感器采用差动电感式；进气节流（节气门）不受ECU控制。四、直列柱塞泵电控系统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；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。五、美国Caterpillar公司HEUI系统HEUI＝HydraulicElectronicUnitInjector该系统具有共轨式柴油机电控燃油喷射系统的基本组成和结构，属第三代电控共轨式燃油喷射系统。系统控制功能包括：燃油喷射控制、进气控制、起动控制、故障自诊断、失效保护和应急备用，同时还具有与其他控制系统进行数据传输的功能。喷油量控制采用了压力控制方式，通过由传感器、ECU和执行元件等组成的控制系统，对循环喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力进行控制。1.HEUI系统组成与工作过程2.HEUI系统的工作特点为中压共轨电控液压式喷射系统；系统共轨中采用燃油和柴油机润滑油两条共轨，因此系统中有润滑油和燃油两套油路；采用机油共轨油道驱动燃油增压活塞对燃油增压，实现高压喷油；利用高速开关电磁阀控制共轨油道中机油进出增压活塞，实现燃油压力的上升与下降，从而实现喷油的定时控制；通过采用预喷射量孔控制初期喷油率实现预喷；喷油