6 柴油發(fā)動機電控技術(shù)簡介

第六章柴油發(fā)動機電控技術(shù)簡介1目標(biāo)要求1、掌握柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)基本組成；2、掌握柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制內(nèi)容；3、掌握柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制特點；4、了解柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的類型；5、了解柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的優(yōu)點；6、了解典型的柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作原理及控制特點。2一、概述1、柴油電控技術(shù)的發(fā)展柴油機電控技術(shù)是在解決能源危機和排放污染兩大難題的背景下，在飛速發(fā)展的電子控制技術(shù)平臺上發(fā)展起來的。汽油機電控技術(shù)的發(fā)展為柴油機電控技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。柴油機電控系統(tǒng)的開發(fā)研究從20世紀70年代開始，經(jīng)歷了三代：位置控制時間控制時間－壓力控制（壓力控制）3第一代（位置控制方式）柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)（常規(guī)壓力電控噴油系統(tǒng)）保留了傳統(tǒng)柴油機供給系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)，只是取消了機械控制部件（調(diào)速器等），增加了傳感器、ECU、執(zhí)行器等組成的控制系統(tǒng)，使控制精度和響應(yīng)速度得以提高。優(yōu)點：柴油機的結(jié)構(gòu)幾乎不需改動，便于對現(xiàn)有柴油機進行升級換代。缺點：響應(yīng)慢，控制精度不高，供油壓力不能控制。在直列柱塞泵上實施位置控制的有：日本電裝公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3系統(tǒng)；德國波許公司的EDR系統(tǒng)；美國的PEEC系統(tǒng)等。在分配泵上實施位置控制的有：日本電裝公司的ECD-V1系統(tǒng)；德國波許的EDC系統(tǒng)；美國的PCF系統(tǒng)等。4第二代（時間控制方式）柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)（高壓電控噴油系統(tǒng)）基本保留了傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，通過高速電磁閥直接控制高壓燃油的適時噴射。一般情況下，電磁閥關(guān)閉，執(zhí)行噴油；電磁閥打開，噴油結(jié)束。因此可實現(xiàn)供油量控制，又可實現(xiàn)供油正時的控制。優(yōu)點：控制自由度更大，供油加壓與供油調(diào)節(jié)在結(jié)構(gòu)上相互獨立，使噴油泵結(jié)構(gòu)得以簡化，強度得到提高。高壓噴油能力大大加強。缺點：供油壓力無法控制。在分配泵上實施時間控制的有：日本電裝公司的ECD-V3系統(tǒng)；美國Stanadyne公司的DS型和RS型（DS型已用于GM公司1994年的增壓柴油機上，RS型已用于GM公司的客貨兩用車和越野車）；日本豐田公司的ECD-2系統(tǒng)，等等。電控泵噴嘴系統(tǒng)有：德國波許公司的PDE27/PDE28系統(tǒng)，等等。5第三代（時間-壓力方式）這是國外于20世紀90年代中期研制的一種新型柴油機電控技術(shù)。基本改變了傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，主要以電控共軌（各缸噴油器共用一個高壓油管）式噴油系統(tǒng)為特征，直接對噴油器的噴油量、噴油正時、噴油速率和噴油規(guī)律、噴油壓力等進行時間-壓力控制。油壓油泵并不直接控制噴油，而僅僅向共軌供油以維持所需的共軌壓力，并通過連續(xù)調(diào)節(jié)共軌壓力來控制噴射壓。優(yōu)點：可實現(xiàn)高壓噴射（最高達200Mpa），噴射壓力獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)理想噴油規(guī)律，具有良好的噴射特性。共軌噴射系統(tǒng)是柴油機燃油系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。目前在卡車和轎車柴油機上得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展速度十分驚人。國外典型共軌噴射系統(tǒng)：日本電裝公司的ECD-U2系統(tǒng)；美國BKM公司的servojet系統(tǒng)；美國Caterpiller公司的HEUI系統(tǒng)，等等。62、電控柴油發(fā)動機優(yōu)點1）改善了柴油發(fā)動機的經(jīng)濟性能和排放性能柴油機電控系統(tǒng)中，ECU根據(jù)傳感器信號精確計算噴油量和噴油正時。從而提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。2）提高了控制的靈活性只要改變ECU的控制程序和數(shù)據(jù)，一種噴油泵就能廣泛用在各種柴油機上，而且柴油機燃油噴射控制可與變速器控制、怠速控制等各種控制系統(tǒng)進行組合實現(xiàn)集中控制，有利于縮短柴油機電控系統(tǒng)開發(fā)周期，并降低成本，從而擴大柴油機電控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。3）降低氮氧化物和煙度的排放采用柴油機電控技術(shù)，可精確地將噴油量控制在不超過冒煙界限的適當(dāng)范圍內(nèi)，同時根據(jù)發(fā)動機工況調(diào)節(jié)噴油時刻，從而有效地抑制排煙74）改善低溫起動性電子控制系統(tǒng)能夠以最佳的程序替代駕駛員進行這種麻煩的起動操作，使柴油機低溫起動更容易。5）提高發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性采用柴油機電控系統(tǒng)，無論負荷怎樣增減，都能保證發(fā)動機怠速工況下以最低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，有利于提高其經(jīng)濟性。6）控制渦輪增壓采用電子控制技術(shù)可以對增壓裝置進行精確的控制。83、柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)的控制內(nèi)容1）燃油噴射控制主要包括：供（噴）油量控制、供（噴）油正時控制、供（噴）油速率控制和噴油壓力控制等。2）進氣控制主要包括進氣節(jié)流控制、可變進氣渦流控制、可變配氣正時控制和進氣預(yù)熱控制等內(nèi)容。3）怠速控制主要包括怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性控制和怠速時各缸均勻性的控制。4）廢氣再循環(huán)控制包括廢氣再循環(huán)工況的確定和廢氣再循環(huán)量的控制。5）廢氣渦輪增壓壓力控制目的與汽油機相同，即防止增壓壓力過高使發(fā)動機爆發(fā)壓力過高，或增壓壓力過低，造成空氣量不足使排氣溫度過高?？刂品绞揭曉鰤浩鞫悾饕袕U氣旁通通道控制和渦輪流通截面控制兩種方法。6）故障自診斷與帶故障運行控制94、柴油機電控系統(tǒng)的組成柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)除了控制噴油量外，對噴油正時和噴油的壓力都有很高的要求。（柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的噴油壓力較高約為）各種柴油電控系統(tǒng)的區(qū)別在于控制功能、傳感器的數(shù)量和類型、執(zhí)行元件的類型、ＥＣＵ控制軟件、主要電控元件的結(jié)構(gòu)原理和安裝位置，但基本組成與其他電子控制系統(tǒng)一致，也是由傳感器、ＥＣＵ、執(zhí)行元件三部分組成。1）傳感器加速踏板位置傳感器、反饋信號傳感器、燃油溫度傳感器等和信號開關(guān)2）柴油機控制ＥＣＵ根據(jù)各傳感器輸入信號和內(nèi)存程序，計算出供（噴）油量和供（噴）油開始時刻，并向執(zhí)行元件發(fā)出執(zhí)令信號。3）執(zhí)行元件執(zhí)行ＥＣＵ的指令，調(diào)節(jié)柴油機的供（噴）油量和供（噴）油正時。10二、柴油機供（噴）油量控制1、位置控制方式位置控制系統(tǒng)不僅保留了傳統(tǒng)的泵－管－嘴系統(tǒng)，還保留了原噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的機械傳動機構(gòu)，只是對齒條或者滑套的運動位置予以電子控制。供（噴）油量控制特點：用電子調(diào)速器取代傳統(tǒng)機械離心式調(diào)速器。用發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器和加速踏板位置傳感器代替原有的轉(zhuǎn)速和負荷傳感機構(gòu)（如離心飛塊、真空室等）；用ECU控制的電子執(zhí)行元件來代替機械離心式調(diào)速執(zhí)行機構(gòu)和加速踏板傳動機構(gòu)。11直列柱塞泵供油正時電控系統(tǒng)執(zhí)行元件：占空比控制型電磁閥反饋元件：齒條位置傳感器ECU控制電磁閥線圈的占空比→鐵芯產(chǎn)生電磁力→鐵芯推動供油齒條移動至與回位彈簧平衡→改變供油量通過齒條位置傳感器的反饋信號，得到齒條的實際位置，以此進行反饋控制。電磁閥回位彈簧轉(zhuǎn)速傳感器供油拉桿各種傳感器ECU電子調(diào)速器占空比電磁閥轉(zhuǎn)速傳感器齒條位置傳感器反饋控制12轉(zhuǎn)子分配泵位置控制方式ECU控制電磁閥線圈的占空比→線圈的輸入電流變化→轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)動的電磁力矩變化→偏心鋼球繞轉(zhuǎn)子軸中心線左右轉(zhuǎn)動→滑套左右移動→改變柱塞的回油時間→改變供油量通過滑套位置傳感器的反饋信號，得到滑套的實際位置，以此進行反饋控制柱塞線圈滑套位置傳感器定子轉(zhuǎn)子軸偏心鋼球滑套定子偏心鋼球轉(zhuǎn)子軸偏心鋼球132、時間控制方式在回油通道中安裝一個由ECU控制的高速強力電磁閥來取代滑套控制回油通道的開閉。一般情況下，電磁閥關(guān)閉開始噴油；電磁閥打開噴油結(jié)束。噴油始點取決于電磁閥關(guān)閉時刻，噴油量取決于電磁閥關(guān)閉的持續(xù)時間?？扇∠土靠刂苹?，還可取消泵油柱塞上的回油槽。發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器溢流控制閥（高速電磁閥）著火正時傳感器正時控制電磁閥噴油器143、時間－壓力控制方式第三代柴油機電控系統(tǒng)中最典型的是電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)。在電控共軌式燃油噴射系統(tǒng)中，各缸噴油器共用一個高壓油軌（即高壓油管）。對噴油量的控制采用時間－壓力控制或壓力控制，用的最多的是時間－壓力控制方式。共軌（Common-rail）噴油器燃油壓力傳感器高壓供油泵高速電磁閥15ECU加速踏板位置傳感器發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器凸輪軸位置傳感器高壓供油泵油泵壓力控制閥燃油壓力傳感器共軌管三通電磁閥單向節(jié)流閥控制室液壓活塞噴嘴針閥噴油器16三、典型柴油機電控系統(tǒng)1、日本電裝公司ECD－Ⅰ系統(tǒng)日本豐田公司柴油轎車最早裝的就是日本電裝公司開發(fā)的ECD－

Ⅰ系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在轉(zhuǎn)子分配式噴油泵的基礎(chǔ)上，加裝電子控制裝置而形成的。主要傳感器包括：發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、加速踏板位置傳感器、滑套位置傳感器、正時活塞位置傳感器、進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、車速傳感器、空檔開關(guān)、起動開關(guān)、空調(diào)開關(guān)等。控制功能包括：燃油噴射控制、進氣節(jié)流控制、預(yù)熱塞控制、自診斷和安全保護功能等。17ECU正時控制電磁閥TCV正時活塞位置傳感器滑套控制電磁閥滑套位置傳感器斷油電磁閥轉(zhuǎn)速傳感器182、日本電裝公司ECD－Ⅱ系統(tǒng)日本電裝公司開發(fā)的ECD－Ⅱ系統(tǒng)也是在轉(zhuǎn)子分配式噴油泵基礎(chǔ)上，增加電子控制裝置形成的柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)。與ECD－Ⅰ系統(tǒng)相比，主要是噴油量控制方法不同，ECD－Ⅱ系統(tǒng)是通過控制噴油時間來實現(xiàn)對噴油量控制的，即ECU在確定噴油器的噴油開始時刻后，再通過溢流控制電磁閥來控制柱塞泵回油的時刻（即停止噴油的時刻），以此來控制噴油量。為控制噴油時間，在轉(zhuǎn)子分配式噴油泵內(nèi)增設(shè)了泵角傳感器。泵角傳感器采用電磁感應(yīng)式，向ECU提供噴油泵凸輪軸位置和轉(zhuǎn)角信號。ECD－Ⅱ系統(tǒng)裝用光電式著火正時傳感器，對噴油正時實施反饋控制。發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器安裝在曲軸上。19正時控制電磁閥TCV溢流控制電磁閥SPV著火正時傳感器泵角傳感器201）噴油量控制原理噴油量控制系統(tǒng)如圖所示。脈沖發(fā)生器缺齒部分用于檢測平面凸輪頂起滾輪推動柱塞開始壓油的位置。ECU根據(jù)缺齒部的信號判斷燃油壓縮的開始位置，然后對泵軸轉(zhuǎn)過的角度計數(shù)，當(dāng)泵軸轉(zhuǎn)過一定的角度后，也即噴出的油量后，ECU控制電磁溢流閥開啟溢流通道，噴油停止。溢流角：自柱塞開始壓縮至電磁溢流閥打開，油泵轉(zhuǎn)過的角度θ。溢流角與油泵的噴油量相對應(yīng)，溢流角越大，噴出的燃油就越多。212）電磁溢流閥結(jié)構(gòu)與工作原理通常由輔助閥（電磁閥）和主閥（液壓閥）構(gòu)成。主溢流閥溢流控制電磁閥高壓室控制閥線圈22工作原理

當(dāng)高壓燃油壓力隨柱塞移動而上升時，燃油壓力作用在主閥的頭部。此時，電磁閥通電，輔助閥壓緊在閥座上。高壓燃油從噴油器噴出。若電磁閥斷電，則輔助閥打開，主閥背后的燃油就從輔助閥的輔助溢流通道流出，主閥背后壓力下降。主閥在頭部燃油高壓下打開，高壓油從主閥溢流通道流出，高壓室泄壓，噴油停止。噴射開始溢流控制閥開啟主溢流閥開啟溢流控制閥開啟指令信號233）著火正時傳感器著火正時傳感器用以檢測氣缸內(nèi)混合氣燃燒的實際開始時刻，以此信號對供油正時進行反饋控制。混合氣燃燒→石英晶體棒檢測到光的變化→光敏晶體管將光信號變成電壓信號→信號輸出到ECU。石英晶體棒光敏晶體管線束連接器光電式著火正時傳感器243、高壓共軌式噴油系統(tǒng)日本電裝公司ECD－U2系統(tǒng)系統(tǒng)主要用于載重汽車裝用的柴油機上，日本日野汽車公司、三菱汽車公司和日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)的載重汽車柴油機多數(shù)采用ECD－U2系統(tǒng)。系統(tǒng)具有共軌式噴油系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)，屬于第三代柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)。系統(tǒng)組成：由各種傳感器、ECU、燃油壓力控制閥和三通電磁閥等組成的控制系統(tǒng)，對噴油量、噴油正時、噴油速率和噴油壓力進行時間－壓力控制。25ECU加速踏板位置傳感器發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器凸輪軸位置傳感器高壓供油泵油泵壓力控制閥燃油壓力傳感器共軌管三通電磁閥單向節(jié)流閥控制室液壓活塞噴嘴針閥噴油器26日本電裝公司ECD-U2系統(tǒng)油路高壓供油泵低壓輸油泵回油管燃油濾清器共軌高壓溢流閥壓油管共軌高壓油管噴油器燃油箱27高壓供油泵結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的直列柱塞泵相似。壓力控制閥PCV的作用是通過調(diào)整供油泵供入共軌內(nèi)的燃油量來調(diào)整共軌內(nèi)的燃油壓力。PCV閥斷電和通電的時刻決定了高壓供油泵向共軌內(nèi)供入的燃油量。吸油壓油凸輪升程HPCV工作狀態(tài)閥關(guān)閉閥開啟預(yù)行程壓力控制閥PCV柱塞共軌高壓供油泵的控制28共軌（Common-rail）高壓溢流閥常閉，當(dāng)共軌內(nèi)油壓超過設(shè)定值時，閥門打開泄壓。燃油壓力傳感器檢測共軌內(nèi)的燃油壓力。溢流緩沖器通過高壓油管與噴油器相連，可使共軌內(nèi)和高壓油管內(nèi)的油壓波動減小，且一旦流出油量過多時，切斷燃油通道，停止供油。高壓溢