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发动机电子控制技术课时：32使用班级：汽车系本科生使用时间：四年级第二学期主讲教师：曾科内容提要本课程包括两大部分：1、汽油机电子控制技术重点讲述典型汽油机管理系统的构造与工作原理。2、柴油机电子控制技术讲述柴油机电控供油系统的各种类型的构造和工作原理，重点讲述电控高压共轨系统的构造和工作原理。第二部分柴油机电子控制技术主要参考书1、发动机电子控制技术，西安交通大学汽车系自编教材。2、王尚勇编，柴油机电子控制技术，北京理工大学第一章柴油机电子控制技术概论第一节柴油机电子控制技术出现的必然趋势在刚刚过去的20世纪中，一方面科学技术的发展突飞猛进，另一方面人类的生存与发展也遇到了前所未有的挑战。人类文明已陷入了非常尴尬的境地：人类在创造一个丰富的物质世界的同时，也付出了牺牲整个生存空间的沉重代价。人类面临两大问题：节能和环保。车用发动机是能源消耗的大户。据国际汽车工程师协会（FISITI)1996年公布的资料，公路运输是当今世界上最主要的运输方式,世界客运总量的80％和世界货运总量的42％由公路承担。在世界能源消耗中，公路运输要占石油消耗的42％，约占人类能源总消耗的16％。由于车用发动机的油耗在世界能源消耗中占有举足轻重的地位，所以降低发动机油耗一直是全人类共同关注的问题。如从日本载货汽车发动机性能改善的历史来看，全负荷的最低比油耗已从20世纪60年代的250g/(kW·h)下降到90年代的180g/(kW·h)水平，下降近30％。欧洲75kW以下不同类型轿车发动机每百公里油耗的统计表明，采用直喷式柴油机后，油耗比汽油机下降35％～40％。直喷式增压中冷柴油机油耗，又比非增压直喷式柴油机下降15％。现在电子控制技术的应用，使发动机在降低油耗、改善性能方面跨入了一个新阶段。20世纪后，中国汽车产量迅速上升，2004年我国汽车保有量已达到2830万辆。预计到2010年，汽车保有量将达到4500～5000万辆。汽车在我国能源消耗中的地位也将更为重要。我国是一个能源紧缺的国家，1997年生产石油1.5亿吨，不能满足需要，紧缺3000万吨，靠进口解决。因此，不断地降低发动机的油耗，节约能源将是一项长期的任务。另外，车用发动机是环境污染的罪魁祸首之一。内燃机对环境的污染问题已不容忽视。为此，许多国家都对车辆排放制定了严格的限制标准。我国对车辆的排放法规与国外发达国家相差甚远，如欧洲1992年已实施EURO－I排放标准，1995年已实施EURO—II排放标准，2000年已实施EURO－Ⅲ排放标准，2005年将实施EURO－IV排放标准。周边国家如泰国、新加坡等国，在2000年也已实施了EURO一1I排放标准。我国在2001年才在一些局部地区执行EURO－I排放标准，在2004年执行EURO－II排放标准，北京将在2005年执行EURO－III排放标准，2010年与世界接轨。面对日益严重的能源危机和环境污染，国际内燃机界不停地在寻找实现汽车工业可持续发展的途径。在不断的技术发展中，人们对柴油机、车用柴油机有了更新、更深入的认识。自20世纪90年代以来，由于排放控制技术的发展，柴油机在车用动力中占据着越来越重要地位。在中、重型汽车动力中，柴油机保持着其独占的地位；在轻型车动力领域内，柴油机的应用不断扩大；在轿车领域，低油耗、低污染的柴油机轿车在欧洲得到迅速发展。目前，欧美国家的100％的重型车、90％的轻型车采用柴油机。欧洲柴油机轿车已占轿车年产量的32％，法国、西班牙等国家大于50％以上。人们逐渐认识到柴油机是当今保持汽车大批量、低成本生产中，解决环保与节能双重压力的最有效、最经济的手段之一。因此，无论是欧洲排放更清洁的经济型轿车的开发，还是美国的“新一代汽车合作计划(PNGV)”，都无一例外地将柴油机作为最佳的选择方案，3L轿车(百公里油耗3L)的开发成功，则标志着柴油机技术的又一次飞跃。欧洲和日本等国政府计划在今后相当长的时期内，继续实施低燃油税收的政策，以促进柴油机的发展。现在，国外在柴油机方面已普遍采用电子控制技术，直喷式高压喷射技术，以及增压，特别是增压中冷、废气再循环技术和四气门技术。电子控制共轨喷射技术也已进入实用阶段，并且正在迅速地推广应用。而在国内，由于缺乏技术开发与投入，车用柴油机的水平相当落后，对国外现在采用的或正在研究的新技术总体上还较陌生。但采用电子控制技术是当前柴油机技术发展的重要方向之一。从20世纪70年代以来，世界上许多技术发达国家已竞相开发柴油机电子控制技术并研制新产品。到目前为止，已研制并生产出了许多功能各异的柴油机电子控制系统，其中大部分已产品化并投放市场，取得了显著的经济效益，也有力地推动了柴油机电子控制系统的进一步发展。柴油机电子控制技术的出现与发展是一个必然趋势，究其原因，主要有以下两个方面：一是由于石油能源危机及严重的环境污染，对柴油机这一主要移动式动力装置的燃油经济性和排放指标，提出了几乎是十分苛刻的要求所导致的。很久以来，为了降低柴油机的油耗和减少排放，除了对柴油机本身的各个系统进行了研究和改进外，先后出现了各种各样的机械式控制机构。这些控制机构如机械式调速器、喷油提前装置等，实现了对影响发动机经济性和排放的主要参数的控制，曾取得了不容忽视的成果。但由于它们不可能实现更为复杂的调控并存在一些先天缺陷，其控制结果终是不能令人满意。有结果证明：喷油始点改变1CA，燃油消耗率会增加2％，HC排放量增加16％，NOx排放量增加6％。另一方面，无论是柴油机的循环供油量(齿杆位移量的控制)还是喷油提前角(喷油始点的控制)，实际上均受很多因素的制约，其每一瞬时的最佳值均不同。要想实现发动机的最优运行，必须实现多参量的实时检测与控制，显然，这又是机械式控制无能为力的。因此，当人们对柴油机的经济性和排放提出更高的要求时，传统的机械式控制系统就有可能被别的更好的系统所取代。美国国会通过的“大气污染防治法”，要求将重型载货汽车柴油机的排放污染降低90％，欧盟的排放法规也日趋严格。图1－l为美国重型载货汽车柴油机排放标准，图1－2则为欧洲重型载货汽车柴油机排放标准，图1－1美国重型载货汽车柴油机排放标准图1－2欧洲重型载货汽车柴油机排放标准图1－3为不同阶段欧洲的柴油轿车的排放标准限值。可见对氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的限制已经达到相当严的程度。图l－3不同阶段欧洲的柴油轿车的排放标准限值注：1．ECER15／04标准：当量惯量限值为1590kg。2．排放限值单位为g／km。要降低柴油机NOx排放，就要减小柴油机气缸内的最高压力和最高温度，不使其喷射正时滞后会引起烟度(颗粒)排放上升，经济性和动力性下降。矛盾的统一，除提高压力和速率，缩短喷射持续时间外，主要是通过电子控制方式寻求最优化的喷油定时。废气再循环对降低NOx大有好处，但会引起颗粒排放量增加，也需要用电子控制技术来寻求最佳的废气再循环时刻和排量。可变涡流增压、废气催化这些先进技术对排放有利，但也必须采用电子控制技术才能与柴油机运行工况配合起来，达到其应有的效果。为降低燃烧噪声和NOx排放，柴油机要求喷射系统在主喷射之前，有一个如图1－4所示小的预喷射。而且预喷射量、预喷射与主喷射之间的间隔，都能根据不同运行工况有所变化。显然这些只有在柴油机电子控制的某些系统(如共轨系统)才能实现。为降低排放，还要对喷油嘴喷出的瞬时喷油速率进行控制，希望实现喷射初期低的喷油速率，以降低NOx和噪声；喷射结束时又要能快速断油，以降低颗粒和HC，并且也要随着不同工况进行适当调整。这些都只有采用电子控制技术才能应用自如。图1－5是美国Caterpillar公司在柴油机有或没有对喷油速率的控制对排放指标影响的试验结果。柴油机采用电子控制技术后，由于其控制精度高、控制自由度大、控制功能齐全，因此能实现整个运行范围内参数优化，不仅能改善排放，改善经济性，还可有效地改善低速性能，改善低温启动和怠速性能，以及改善操作性能，从而也改善了汽车的舒适性。柴油机电子控制技术的发展，明显地提高了使用性能和降低了排放。图1—4预喷射图图1—5额定工况时喷油速率控制效果我国对降低柴油机排放已提出了明确要求，并已在1997年10月1日和2000年元月1日对于总质量大于3500kg的中重型汽车柴油机分别实施相当于欧洲1986年的排放法规和1992年实施的欧洲1号排放法规，并且北京市还将在2005年实施欧Ⅲ标准，进一步降低柴油机排放指标。具体指标见表1－1。这样，柴油机电子控制技术在我国的应用已势在必行。电控柴油机的发展是一个必然趋势的另一个原因，是单片微型计算机的出现，大大地促进了柴油机控制系统的更新换代，使柴油机电子控制技术的出现与发展成为必然趋势。自20世纪70年代以来，微电子技术有了长足的发展。随着大规模集成电路的出现，微电子产品的成本大幅度下降，在功能强化、功耗降低的情况下，可靠性逐步提高，且性能日臻完善，使柴油机这一特殊设备采用微型计算机控制技术成为可能。特别是当单片机以崭新的面貌出现以后，采用单片机的柴油机数字控制系统异军突起，发展十分迅速。可以说电子模拟控制已比传统的机械控制太大前进了一步。以单片机为中心配备适当的硬件和软件，足以形成一个功能十分齐全、体积很小的监测、控制、诊断及支撑系统，来完成柴油机所需要的高精度的实时控制。微机控制系统的两大显著特点是：控制精度高和处理信息的能力强。这两点正是机械式控制系统所不及的，也是微机控制系统之所以能够理所当然地取代柴油机机械控制系统的主要原因所在。第二节柴油机电子控制系统的主要特点柴油机电子控制的一个突出特点是借助单片机的功能，可以实现更为复杂的控制规律，而这在以前则是不可能的。在采用单片机电子控制系统之后，柴油机的面貌大为改观，且随着单片机电子控制系统的逐步发展和不断成熟，人们对柴油机所提出的种种苛刻要求逐步得以满足。下面介绍单片机电子控制系统的特点：1．改善柴油机的经济性和排放。2．提高发动机的工作可靠性。当一个单片机控制系统建立以后，可以很方便地扩展其控制功能。如为柴油机提供各项保护功能就是一例。借助传感器的输入信号，单片机控制器可随时检测影响发动机工作可靠性的一些参数，如润滑系统的机油压力、排气温度、曲轴轴瓦温度及发动机的转速等。一旦某一项或某些项的参数或状态超出或低于设定值，控制系统会立即显示报警，同时控制执行器进行相应的调节，直到这些参数或状态正常为止。对于一些影响发动机运转可靠性的重要参数，控制系统还可为发动机提供双重甚至是多重保护，以免造成巨大损失。例如，当柴油机发生重大事故时，控制系统一方面控制直列式喷油泵调节齿杆迅速减油回复零位，同时也控制喷油泵进油管路上的电磁阀切断燃油通路或关闭进气阀，使发动机迅速停车。3．响应快、控制精度高响应要快是对一个控制系统的基本要求。控制系统从接收到一个信息开始，到处理完毕并输出控制信号所需的时间一般为毫秒级。这个时间要远远小于发动机或其他机械控制机构的响应时间。因此，一旦发动机及其系统的运行参数或状态稍微偏离目标值，微机控制系统就能立即进行跟踪并予以实时调节和控制。正是由于响应快这一特点，使得单片机控制系统能实现机械控制系统所不能实现的一系列功能。控制系统的控制精度越高，被控对象的性能指标就越容易接近最优值。单片机控制系统的控制精度，远高于机械控制和模拟电路控制的主要原因是对输入、输出信号实现了数字化传输，且单片机控制系统中有关硬件的位数愈高，控制精度就愈高。4．控制策略灵活单片机电子控制系统的最大特点之一是其控制策略的灵活性。对于不同用途的柴油机，其控制策略往往不同，当需要改进或与其他机型匹配时，传统办法是改变相应的机械式控制系统，重新设计、试制和加工，因而其周期长、成本高、极不方便。单片机电子控制系统则能很方便地与各种不同用途的柴油机或动力装置匹配，需要改变的仅仅是EPROM中的软件程序，而基本上不涉及硬件系统。在有些情况下，电子控制系统甚至不需要任何变更便能用于不同种类的柴油机。另外，柴油机电子控制技术与汽油机电子控制技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元，及