柴油机电控技术1

发动机构造课教学柴油机电控技术引言：为什么柴油机需采用电控技术第一节柴油机电控技术概述第二节柴油机供（喷）油量控制第三节常见的柴油机电控系统第四节柴油机电系统总结柴油机电控技术第五节柴油机电控系统实例为什么柴油机需采用电控技术§1柴油机面临的问题与汽油机比较：–HC和CO排放相对较少–CO2少–NOx排放和汽油机基本相当，但是汽油机可以加三效催化装置–微粒排放较高–噪声较大§2解决方案：电子控制：–电子控制燃油喷射–电子控制可变截面涡轮–电子控制废气再循环–电动进排气门–电子控制单元实现理想的喷油速率是解决柴油机排放的基础，配合空气系统和电子控制，是柴油机发展的根本途径。§3电控是柴油机技术的发展需要目前对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完全按最佳工况运转的求。􀁺近年来，随着计算机、传感器及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。􀁺因此，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。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（共轨式）§1.1第一代位置控制式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，只是取消了机械控制部件（调速器等），增加了传感器、ECU、执行器等组成的控制系统，对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。使控制精度和响应速度得以提高。优点：柴油机的结构几乎不需改动，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点：响应慢，控制精度不高，供油压力不能控制。例：带电子调速器的直列泵、电控分配泵等位置控制电喷系统工作示意图§1.2第二代时间控制式基本保留了传统燃油供给系统的组成和结构，通过高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。因此可实现供油量控制，又可实现供油正时的控制。优点：控制自由度更大，供油加压与供油调节在结构上相互独立，使喷油泵结构得以简化，强度得到提高。高压喷油能力大大加强。缺点：供油压力无法控制。例：电控单体泵、电控泵喷嘴§1.2.1时间控制电喷系统工作示意图§1.3第三代高压共轨系统国外于20世纪90年代中期研制的一种新型柴油机电控术。基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行时间-压力控制。油压油泵并部直接控制喷油，而仅仅向共轨供油以维持所需的共轨压力，并通过连续调节共轨压力来控制喷射压力。共轨喷射系统是柴油机燃油系统的一个发展方向。目前在卡车和轿车柴油机上得到广泛应用，发展速度十分惊人。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例：高压共轨系统、HEUI§2.1柴油机电控系统的总体构成二、柴油机电控系统的组成柴油机电控系统主要由传感器、电控元件（ECU）执行元件三部分组成。§2.2柴油机电控系统的组成柴油机控制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。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。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§2.3电控柴油机控制系统元件组成三、柴油机电控系统的优点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。降低发动机氮氧化物和烟度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。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。三、柴油机电控系统的优点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。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。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。四、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。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五、柴油机与汽油机电控技术的比较1.对混合气浓度的控制方式不同汽油机为1左右;柴油机没有严格要求2.对喷油压力的要求不同汽油机为0.25~0.35Mpa;柴油机的喷油压力达100~200Mpa.3.对燃烧过程的控制途径不同汽油机用点火正时和点火能量来控制燃烧过程;柴油机通过控制喷油正时、喷油持续时间和喷油速率来控制燃烧过程。4.柴油机的电控执行器复杂5.柴油机电控燃油喷射系统形式多样一、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)直列式柱塞泵油量控制元件（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。第三节常见的柴油机电控系统1、直列泵的位置控制式系统2、分配泵系统3、带电控调速器的直列泵、电控VE泵系统4、PPVI液力系统5、电控单体泵/泵喷嘴系统6、共轨系统（1）HEUI蓄压式系统（液力放大式）－－中压共轨、增压式喷油器，利用发动机润滑油作为燃油增压的工作介质（2）电控高压共轨系统3.1常见柴油机电控系统§3.1.1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§3.1.1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，对油量和喷油正时的控制均采用闭环控制方式。§3.1.2直列泵的电控系统方框图§3.2.2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。§3.2.2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。§3.3另一种位置电控VE泵§4PPVI液力系统结构框图PPVI系统的特点：传统的齿条被取消；柱塞斜槽被取消，只起加压的作用；喷油量控制和喷油脉宽完全由电磁阀控制；电磁阀关闭时刻决定喷射定时；电磁阀关闭持续时间决定喷油量；§5泵喷嘴和单体泵系统§5.1泵喷嘴和单体泵系统方框图§5.2电控单体泵系统的功能§5.3单体泵高低压油路剖面低压油路高压油路单体泵工作原理溢油泵油预泵油充油§6共轨控制系统1中压共轨—HEUI系统、喷油器2高压共轨—线圈电磁阀喷油器3高压共轨—压电晶体喷油器共轨控制系统的类型§6.1.1HEUI的控制系统§6.1.2HEUI系统组成与工作过程§6.1.3HEUI的预喷射、主喷射功能预喷射主喷射§6.1.4HEUI的机油压力控制控制实际工作压力§6.1.6HEUI的控制特点1.机油压力和增压活塞配合完成喷射压力控制，以较低的共轨压力来实现高压喷射；2.需要活塞增压，增压过程响应慢；30ms3.可以实现预喷射，但是预喷射不能灵活调节；4.电磁阀采用高电压驱动，实现电磁阀的快速闭合控制。5.整个控制系统的复杂程度较高。§6.2BOSCH的高压共轨系统§6.2.1高压供油泵结构和传统的直列柱塞泵相似（以VE泵为例）。高压供油泵的控制（1）高压供油泵通过压力控制阀PCV调整供油泵供入共轨内的燃油量来调整共轨内的燃油压力。PCV阀断电和通电时刻决定了高压供油泵向共轨内供入的燃油量。§6.2.2共轨（Common-rail）高压溢流阀常闭，当共轨内油压超过设定值时，阀门打开泄压。燃油压力传感器检测共轨内的燃油压力。溢流缓冲器通过高压油管与喷油器相连，可使共轨内和高压油管内的油压波动减小，且一旦流出油量过多时，切断燃油通道，停止