毕业论文-汽车柴油发动机电控技术4

西安科技大学继续教育学院毕业论文(设计)汽车柴油发动机电控技术专业名称:汽车运用与维修班级:09高汽一班姓名:任宝指导老师:陈小红评阅老师:2011年09月目录摘要汽车柴油发动机电控技术摘要21世纪是绿色柴油机的时代，传统的燃油系统已经不能适应柴油机技术发展的需要，机械技术与电子技术的结合使得汽车技术发生了一系列深刻的变化。柴油机电控系统，是必然之选。到目前为止，世界上许多发达国家已经研究并生产了很多功能各异的柴油机电控系统。柴油机电子控制的内容已由当初的燃油喷射系统单一控制，逐步发展到了各个系统控制，如可变气门驱动系统、可变进气涡轮控制系统以及废气再循环等。21世纪柴油机电子控制系统将进入发展的鼎盛时期。目前我国生产的宝来、奥迪轿车以及长城哈弗、华泰圣达菲等一些SUV都已采用了柴油机电控技术，其中很多技术处于世界先进水平，如高压共轨喷射技术、泵喷嘴技术等。本篇突出了柴油机电控部分的构原理和目前先进的柴油机电控技术。关键词：绿色、环保、鼎盛第1章概述1.1电控柴油机发展情况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。早在20世纪70年代，世界上许多技术发达国家就已竞相开发柴油机电子控制技术。到目前为止，已研制出了许多功能各异的柴油机电子控制技术，其中大部分已经投放市场，取得了显著的经济效益。与此同时，也有利的推动了柴油机电子控制技术的进一步发展。柴油机电子控制系统的发展主要经历了电控直列喷油泵、电控分配泵、电控泵喷嘴和共轨燃油系统几个阶段。20世纪90年代共轨燃油系统出现，问世不久，已显示了它巨大的优越性。1.2电控柴油共轨系统的主要特点1改善柴油机的经济性由于柴油机具有优异的节油特性，行驶成本远远低于汽油轿车。在原油价格不断上涨的情况下，它的经济性无论是对社会还是个人，都显示出巨大的价值。2提高控制精度控制系统的控制精度越高，被控对象的功能指标就越容易接近最优值。计算机控制的精度主要体现在三个方面：输入信号的高保真、信号均以数字形式传输，只要计算机的位数够高，就能保证足够的精度、高分辨率的输出信号。3控制策略灵活柴油机电控燃油喷射系统的类型1.位置控制式系统保留传统喷射系统的基本结构，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，改进更新机构功能，使用直线比例式和旋转式电磁执行机构控制油量调节齿杆（或拉杆）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，使控制精度和响应速度较机械式控制方式得以提高。系统技术特征与系统特点:（1）数字控制器通过执行机构的连续式位置伺服控制,对喷射过程实现间接调节,故相对其它电控燃油喷射系统,执行响应较慢、控制频率较低和控制精度不太稳定。（2）不能改变传统喷射系统固有的喷射特性,电控可变预行程直列泵虽能对喷油速率起到一定的调节作用,但却使直列泵机构复杂性加大。（3）柴油机的结构几乎无须改动即可改造成位置控制式喷射系统,故生产继承性好,便于对现有机器进行升级改造。（4）由于燃油泵输送和计量机构基本不变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，很难实现喷油规律控制，凸轮机构、柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的进一步提高。2.时间控制式系统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关，喷射后残余压力不恒定。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，而且电磁阀必须承受高压，因此对电磁阀提出了很高的要求。3.共轨系统共轨控制式电控燃油喷射系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理。共轨式电控喷射系统具有公共控制油道(共轨管),高压油泵只是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。该系统根据柴油机运行工况的不同,不仅可以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,而且还使得喷油压力和喷油速率的控制成为可能。且系统的控制自由度及精度得到了大幅度提高。系统技术特征（1）不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理，高压油泵+共轨油管。(2）采用压力时间式燃油计量原理,用电磁阀控制喷射过程。（3）可以柔性控制喷油压力、喷油量、和喷油定时,喷油速率的控制也成为可能。对于不同的柴油机，其控制策略往往不同，当需要改进或与其他机型匹配时，传统的办法是改变机械控制系统，周期长成本高。计算机控制系统需要改变的仅仅是EPROM中的软件程序。有些情况下，甚至不需要变更便能用于不同的柴油机。4电子控制整个系统有传感器、电控单元和执行器三大部分组成。最明显的特点是柴油电控喷射系统的多样化，具有高压、高频、脉动等特点喷射压力高达60-150MPa，甚至200MPa。第2章电控柴油机喷油系统2.1柴油机电控喷油系统的组成柴油机电控系统由传感器、执行器和电控单元组成。传感器检测出发动机或喷油泵的运行状态，ECU根据个传感器信息，控制发动机的最佳喷油量、最佳喷油时间，执行器根据计算机的指令，准确的控制喷油量和喷油时间。2.2电控燃油共轨系统的组成电控高压共轨燃油系统可分成两大部分：电控系统和燃油供给系统。1电控系统电控系统可分为三大部分：传感器、执行器和ECU。ECU是电控燃油共轨的核心部分。根据各个传感器的信息，发动机电控单元计算出最佳喷油时间和最佳和最合适的喷油量，并计算出什么时刻、多长时间的范围内向喷油器发出开启电磁阀或关闭电磁阀的指令，从而精确控制发动机的工作过程。图2-1柴油机电控高压共轨系统管路布置1.高压油泵2.燃油滤清器3.电动燃油泵4.回油3通接头5.燃油压力调节阀6.共轨7.共轨压力调节器8.喷油器9.电控单元2燃料供给系统燃料供给系统的组成部分如图2-1所示。燃油供给系的主要构成是供油泵、共轨和喷油器。燃油供给系的基本工作原理是：供油泵将燃油加压成高压，供入共轨内。共轨实际是一种燃油分配管。储存在共轨内的燃油在适当的时刻通过喷油器喷入发动机气缸内。2.3喷油器2.3.1博世公司电控喷油器1博世公司电控喷油器结构如图ab图2-2博世喷油器的结构及工作原理1.球阀2.电枢轴3.高压燃油连接管4.线圈5.回位弹簧6.回油管7.针阀控制活塞8.承压腔9.喷油嘴10.针阀11.进油口12.泄油孔13.针阀控制腔喷油器主要由控制柱塞、喷油嘴针阀和电磁阀等组成。燃油从高压接头经进油通道送往喷油嘴，经进油节流孔送人控制室。控制室通过由电磁阀打开的回油节流孔与回油孔连接。回油节流孔在关闭时，作用在控制活塞上的液压力大于作用在喷油嘴针阀承压面上的力，因此喷油嘴针阀被压在座面上，燃油没有进入燃烧室。电磁阀动作时，打开回油节流孔，控制室内的压力下降，当作用在控制活塞上的液压力低于作用在针阀承压面上的作用力时，针阀立即开启，开始喷油。由于电磁阀不能直接产生迅速关闭针阀的所需的力，因此，经过一个液压力放大系统实现针阀的这种间接控制。在发动机和油泵工作时，喷油器的工作可分为四个工作状态：1）喷油器关闭，以存有的高压。2）喷油器打开，开始喷油。3）喷油器完全打开。4）喷油器关闭。2喷油器的工作原理1）喷油器关闭如图2-2a所示。电磁阀在静止状态不受控制，因此是关闭的。回油节流孔关闭时，电枢的钢球通过弹簧压在回油节流孔的座面上。控制室内建立公共的高压，同样的压力也存在与喷油嘴的内腔容积中。共轨压力在控制柱塞端面上施加的力及喷油器调压弹簧的力大于作用在针阀承压面上的夜压力，针阀处于关闭状态。2）喷油器开启（喷油开始）如图2-2b所示。当电磁阀通电后，在吸动电流的作用下迅速开启当电磁铁的作用力大于弹簧作用力时，回油节流孔开启，在极短的时间内，升高的吸动电流成为较小的电磁阀保持电流。随着回油节流孔的打开，燃油从控制室流入上面的空腔，并经回油通道回到油箱控制室的压力下降，于是控制室的压力小于喷油嘴内腔容积的压力。控制室中减小了的作用力引起作用在控制柱塞上的作用力减小，从而针阀开启，开始喷油。针阀开启速度决定于进、回油节流孔之间的流量差。控制柱塞达到上限位置，并定位在进、回油节流孔之间。此时，喷油嘴完全打开，燃油一近乎共轨压力喷入燃烧室。3)喷油器关闭（喷油结束）。如果不控制电磁阀，电枢在弹簧的作用力下向下压，关闭回油节流孔。电枢设计成两部分组合式，电枢板经一拨杆向下引动。但它可用复位弹簧向下回弹，从而没有向下的力作用在电枢和钢球上。回油节流孔关闭，进油节流孔进的油使控制室中建立起与共轨中相同的压力。这种升高了的压力使作用在控制柱塞上端的压力增加。这个来自控制室的作用力和弹簧力超过了针阀下方的液压力，于是针阀关闭。2.3.2电装公司的喷油器1电控喷油器的结构电装公司电控喷油器主要由喷油嘴、调压弹簧、控制喷油率的量孔、控制活塞和二通阀等组成。电控喷油器中由电磁阀直接控制喷油始点、喷油间隔、喷油终点，从而直接控制喷油量、喷油时间和喷油率。电控喷油器实际上完成了传统喷油器装置中的喷油器、调速器和提前器的功能。与直喷柴油机中的机械式喷油器相似，喷油器可用压板等安装在气缸盖内。设计良好的电控喷油器和传统的的机械式喷油器结构相近。因此，共轨式喷油器在直喷式柴油机中的安装不需要改变汽缸盖结构。2电控喷油器的工作原理电装公司的喷油器分为三通阀结构和二通阀结构。最初采用的是三通阀结构。在设计初期阶段，从理论上分析结构具有很多优越性，但实际试验和使用过程中发现，该三通阀结构并不如想象的好，因为燃油泄漏量较大。但是，燃油从何处泄漏，如何减少燃油泄漏又没有有效措施。因此，使用不久就废止了。改用了二通阀结构。工作原理如图2-3所示。图2-3电装喷油器工作原理当二通阀开启时，控制腔内的高压燃油经量孔2流入低压腔中，控制腔中的燃油压力降低，但是，喷油嘴压力室中的燃油压力仍然很高。压力室中的高压使针阀开启，向汽缸内喷射燃油。当二通阀关闭不同电时，通过量孔1，控制腔中的燃油压力升高，使针阀下降，喷油结束。这里有一个重要条件：量孔2的直径必须小于其左下方量孔1的直径。否则不能进行上述工作。二通阀的通电时刻确定了喷油始点，二通阀的通电时间长短确定喷油量。这些基本参数都是电子脉冲控制的。通过控制喷油控制腔内的压力来控制喷油的开始和喷油的终了。量孔大小既控制喷油嘴针阀的开启速度，也控制喷油率形状。2.3.3压电晶体式喷油器与电磁阀相比，压电执行器具有：没有滞后时间，切换十分迅速而且精确，可重现性非常好，没有因设计造成的以气隙之类的形式出现的偏差，寿命长，工作非常稳定等优点。压电式喷油器推出之后，立即受到个大公司的推崇。如图2-4汽车对共轨系统压电晶体基本要求如下：环境温度在-40℃-+150℃；高强度；大约100-200V的低压；压电晶体作用升程为其厚度的1/1000；开关迅速，全升程动作时间约30μS。1结构喷油器的主要组成包括：带弹簧的多空喷油嘴，控制活塞，进出油节流孔，二位二通阀，压电晶体部件。用于喷油器的压电晶体的结构采用多层技术。多层压电执行器由陶瓷层烧制而成，层与层之间有电极，生产技术与多层电容器相似。图2-4压电式喷油器的结构2工作原理在中低速范围内，喷射的机动灵活性特别重要，最理想的情况式，在2500转/分一下的转速范围每个工作循环喷射达5次，在中等转速范围内每个工作循环喷射2-3次，在标定转速每个工作循环喷射1次。压电式执行原件像一个在点压下立即就能充电的电容器，其关键原件式陶瓷压电薄膜，它在加上电压以后的0.1ms以内就会发生晶体晶格的畸变。为了使执行器达到足够的位移，必须将许多层陶瓷薄膜烧结成一块长方六面体。喷油器内30mm长的执行器由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80μm。压电原件加上电压后会膨胀大约40μm，通过杠杆比为1：1.5的杠杆，使得控制腔回油道中的阀开启。于是，控制阀内的压力下降，喷油嘴针阀开启。2.4油泵2.4.1低压油泵低压油泵可以是带有前置过滤器的电动燃油泵，也可以是齿轮式燃油泵。泵从油箱抽取燃油，然后不但地向高压泵输送定量的燃油。2.4.2高压油泵高压油泵将燃油增至最高1350bar的系统压力。加压燃油然后经过高压管路并进入管状的