柴油机电子控制技术

柴油机的电控技术•第一节柴油机的排放和电控系统图7-1日、美、欧柴油机排放标准的变化趋势一、柴油机有害排放物及其产生•柴油机的有害排放物主要有CO、HC、NOx以及微粒（碳烟）等。其中CO和HC由燃烧过程产生。如前所述，由于柴油机总是在平均空燃比A/F147（过量空气系数大于1）的稀混合气浓度下运行，所以CO排放量相对点燃式发动机（汽油机）低得多；而且柴油机是在接近压缩上止点附近开始喷油压燃，燃油停留在燃烧室中的时间比较短，因而受气缸壁面冷激效应、[JP+1]狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附等作用小，HC排放也比较低。1NOx的生成•在发动机有害排放物中的NOx，一般是指NO和NO2。在发动机燃烧过程中主要形成NO（约占总量的95%），而在膨胀过程中的低温条件下部分NO被氧化而形成少量的NO2•图7-2不同喷射时间NOx的变化规律2•微粒状物质（碳烟）可分为可溶性有机成分（SOF）和不可溶成分两种，主要由燃烧时生成的含碳粒子（碳烟）及其表面上吸附的多种有机物组成。在高温环境下，由于热分解而形成的低级碳氢化合物中，没有与空气再接触的部分最终变成微粒。•图7-3碳烟随温度的变化关系•图7-4柴油机排放物浓度随曲轴转角位置的变化规律二、柴油机排放控制策略•从图7-5所示柴油机燃烧过程中NO和碳烟的生成领域可知，控制NO和碳烟的基本原则就是如何控制火焰温度及其火焰领域内的混合气浓度，以避开NO和碳烟的生成领域。•图7-5柴油机NOx和微粒的生成领域•图7-6放热规律的控制策略]•图7-7a）传统型b）理想型四、柴油机电控系统的特征及分类•（一）特征•1）控制自由度宽，喷油量、喷射时刻、喷射规律•2）控制精度高，直接检测控制对象进行反馈控制。•3）增设自诊断系统和故障应急机能，以提高维修•4•5）通过改变ECU的程序，易开发各种控制机能。（二）分类•１、位置控制系统（第一代）：•主要有直列泵和分配泵两种；•２、时间控制系统（第二代）：•主要有直列泵、单体泵、分配泵和泵喷嘴等；•３、共轨喷油系统（第三代）：•有高压共轨和中压共轨两种。第一代位置控制系统•即将传统的柴油机燃油系统绝大部分保留下来，只是对齿条或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为微机控制。•日本Denso公司的ECD－V1，德国Bosch公司的EDC和日本Zexel公司的COVEC等都属于位置控制的电控分配泵系统。日本Zexel公司的COPEC，德国Bosch公司的EDR系统和美国Caterpillar公司的PEEC系统等都属于位置控制的电控直列泵系统。位置控制喷油系统1位置控制喷油系统2位置控制系统特点•位置控制系统的特点是不仅保留了传统的喷油泵—高压油管—喷油嘴系统，而且还保留了喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上控油螺旋槽等控制油量的机械传动机构．只是对齿条或滑套的运动位置，由原来的机械调速器控制改为电子控制，使控制精度和响应速度得以提高。柴油机的结构几乎无需改动，故生产继承性好，便于对现有机器进行升级改造。其缺点是控制自由度小，控制精度差，喷油率和喷射压力难于控制，而且不能改变传统喷射系统固有的喷射特性，也很难大幅度地根高喷射压力。位置控制式喷油主要是在直列泵和分配泵上进行改进。第二代时间控制系统•保留传统柴油机喷油系统，用高速强力电磁阀直接控制高压燃油喷射。一般电磁阀关闭开始喷油，电磁阀打开喷油结束，所以由电磁阀关闭时间决定喷油始点，电磁阀关闭的持续时间决定喷油量。从而对喷油定时和定量的控制更为灵活。日本Zexel公司的Model-1电控分配泵，美国Detroit公司的DDEC电控泵喷嘴、德国Bosch公司的EUP13电控单体泵都属于时间控制系统。时间控制喷油系统1电控单体泵系统工作原理时间控制喷油系统2时间控制喷油系统3时间控制喷油系统特点•时间控制系统既可以实现喷油量控制又可以实现喷油时间控制，所以控制自由度更大。•但是这种喷油系统喷油压力依旧利用脉动柱塞供油，因此其对转速的依赖性很大。在低速、低负荷时，其喷油压力不高，而且难以实现多次喷射，极不利于降低柴油机的噪声和振动。第三代共轨电控喷射系统•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。高压共轨系统被世界内燃机行业公认为20世纪三大突破之一，已成为21世纪柴油机燃油系统的主流。德国Bosch公司、日本Denso公司和英国Lucas公司都研制出了电控高压共轨系统，并开始向市场供货。博世高压共轨燃油系统带水分离器的预滤器主滤清器带过滤器的油箱高压传感器执行器喷油器轨压传感器EDC7ECU轨CP3.3低压0~1barrel1.2barabs7.4bar1.8bar压差1、低压进油部分－齿轮泵2、持续高压部分－CP3.33、低压回油－润滑、冷却4、ECU输出轨压控制－闭环，PWM5、ECU输出喷油控制－MV高速脉冲6、安全保护－高压泄油共轨高压油泵各接口说明输油泵进油输油泵出油(至滤清器)高压油出口高压油泵回油高压油泵进油油量控制单元控制器ECU接插件1（整车功能）接插件2（传感器）接插件3（执行器）控制器ECU功能（发动机部分）喷油方式控制高达4次喷射（现只用2次）喷油量控制预喷油量自学习控制减速断油控制喷油正时控制主喷正时预喷正时正时补偿轨压控制正常和快速轨压控制轨压建立和超压保护喷油器泄压控制轨压Limphome控制扭矩控制瞬态扭矩加速扭矩低速扭矩补偿最大扭矩控制瞬态冒烟控制增压器保护控制过热保护各缸平衡控制EGR控制辅助起动控制(电机和预热塞)系统状态管理电源管理故障诊断高压共轨喷油系统（日本电装公司）高速电磁阀喷油器美国Caterpiller公司的HEUI共轨式液压喷油系统共轨电控喷射系统－－基本特点•共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。•通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。•通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。共轨控制系统共轨电控喷射系统－－喷射规律第二节电控柴油机的基本控制内容•电控柴油机的主要控制内容包括喷射量的控制、喷射时间的控制以及怠速控制等。一、喷射量的控制•（1）基本喷射量控制图7-8喷射量的控制•图7-9基本喷射时间（目标拉杆位置）设定的流程图（2）起动喷射量控制•为了保证正常起动，需要控制在各种不同起动条件下所对应的最佳起动喷射量。为此，首先要正确判断是否是起动工况。一般判定起动工况的条件为，设最小加速踏A1n1，则当同时满足加速踏板开度A1（%）、20r/minnn1、且起动开关ON时，认为是起动工况，并实施起动喷射量控制。起动喷射量由基本起动喷射量和冷却液温度的修正量确定。•图7-10起动喷射量的控制（3）各缸不均匀量补偿控制•所谓各缸不均匀量的补偿控制，是指控制各缸的喷射量相对一致，以保证各缸的爆发压力相等。一般情况下，由于各缸的不均匀性使得各缸的爆发压力不均匀，造成转速波动，特别是怠速时发动机的振动更大，所以为了保证发动机的工作平稳性和车辆的舒适性，需要控制各缸的不均匀量。•图7-11各缸不均匀量控制原理框图（4）全负荷喷射量的控制•图7-12所示为全负荷速度特性上全负荷喷射量的控制方法，目的就是在各种转速下将燃料喷射量控制在全负荷喷射量以下。•图7-12最大喷射量的计算方法二、喷射时间的控制•喷射时间的控制一般有三种控制模式，即•正常控制模式是指发动机实际使用中的常用工况，以及起动怠速工况。常用工况下喷射时间的控制如图7-13所示。•图7-13喷射时间的控制•图7-14冷态下目标喷射时间的确定•控制怠速转速的目的就是为了提高怠速稳定性、降低油耗同时实现快怠速，主要控制内容是根据怠速实际工况，控制最佳怠速喷射量，以保证怠速转速稳定控制或实现快怠速控制。怠速稳定控制是当喷油泵以及发动机内部参数等，因某种原因（如长时间使用）引起变化，以及冷却液温度随怠速时间逐渐升高而改善燃料蒸发条件时，为保证怠速转速稳定而实施的怠速喷油量的控制。•图7-15怠速转速控制逻辑框图•图7-16调速器的控制脉谱对怠速特性的影响a）调速器控制脉谱b）怠速转速波动四、可变增压[HTSS]（VGS/VNT）[HTH]控制•增压技术作为改善发动机动力性、经济性和排放特性的有效措施，得到广泛的应用。特别是近年来，为了适应日趋严格的排放法规，国内外对增压中冷、可变增压（VGS）、复合增压、多级增压等技术以及增压匹配技术进行了深入开发研究和应用。•图7-17面径比•图7-18面径比对柴油机性能的影响•图7-19VGS控制逻辑框图•图7-20VGS控制脉谱图•图7-21进气涡流对性能的影响•图7-22可变进气涡流控制系统•图7-23进气涡流控制脉谱图•图7-24进气涡流控制逻辑框图六、EGR•废气再循环（EGR）技术作为控制NOx排放的有效措施，在汽油机和柴油机上被广泛应用。但是采用EGR后，发动机的耐久性和可靠性有所恶化，而且大量的EGR实施后燃油消耗率和排烟恶化等问题尚未很好地解决。因此，根据不同工况精确控制再循环废气量，是在保证发动机动力性和经济性的前提下，有效降低NOx排放的重要措施。•图7-25EGR对NOx排放的影响•图7-26放热率曲线•图7-27EGRa）EGR阀b）三向电磁阀•图7-28外部EGRa）EGR入口在压气机入口前b）EGR1—增压器2—中冷器3—进气门4—排气门5—排气凸轮6—EGR阀7—EGR回流管8—ECU•图7-29内部EGR1—增压器2—中冷器3—进气门4—排气门5—排气相位凸轮6—EGR（副）凸轮七、极限速度的控制•图7-30极限速度控制脉谱图第三节分配泵电控喷射系统••分配泵是靠其柱塞（分配转子）的转动实现泵油和燃油分配的。其典型结构是轴向压缩式分配泵（VE型泵）。VE型分配泵是20世纪80年代初期由德国博世公司研制出的一种新型分配泵，主要由驱动机构、滑片式输油泵、喷油提前器等组成。其中，滑片式输油泵由凸轮盘、滚轮机构以及柱塞、柱塞套筒、油量控制滑套等构成（图7-31）。•图7-31VE1—高压阀2—驱动轴3—滑片式输油泵4—驱动齿轮5—喷油提前器6—凸轮盘7—8—回位弹簧9—柱塞10—出油阀11—柱塞套筒12—断油阀13—张力杠杆14—15—停车手柄16—调速弹簧17—调速手柄18—调速套筒19—飞锤二、位置式电控分配泵•根据分配泵喷射量、喷射时间的控制方式不同，分配泵的电控技术分为位置式控制•位置式电控分配泵是在VE型分配泵的基础上，将油量控制滑套的控制方式由机械式调速器改为线性比例电磁阀的控制方式，所以其供油和泵油原理和结构特点基本上与VE型泵相同，只是在油量控制机构和喷油时刻的控制机构上进行了微小改动，•图7-321—线性电磁阀2—转速传感器3—定时器位置传感器4—定时控制阀5—滑套位置传感器•图7-331—油量控制滑套2—柱塞3—驱动轴4—定子线圈5—回位弹簧6—滑套位置传感器7—转子铁心8—柱塞套（1）喷油量的控制•图7-34所示为位置式电控分配泵的喷射量控制原理。控制单元（ECU）根据发动机的运转条件，演算出适应该工况的目标滑套位置，并与来自滑套位置传感器的实际滑套位置进行比较，演算确定控制量，并通过输出电路将对应于控制量的控制信号传输到驱动电路，由驱动电路根据ECU的指令反馈控制流经线性比例电磁阀线圈的信号占空比，由此控制铁心的位移，使油量控制滑套位置控制•图7-34位置式电控分配泵的喷射量控制原理1—油量控制滑套2—平面凸轮3—柱塞4—线圈5—回位弹簧6—滑套位置传感器7—喷油器（2）喷射时间的控制•喷射时间控制系统主要由定时柱塞、定时器位置传感器、回位弹簧