第六章--柴油机电控燃油供给系统

本章主要介绍的内容有：第一节柴油机电控喷油系统概述第二节电控直列泵喷射系统第三节电控分配泵喷射系统第四节电控共轨式燃油喷射系统第五节柴油机燃油供给系统的检修第六章柴油机电控燃油供给系统第一节柴油机电控喷油系统概述本节主要介绍的内容有：一、发展历程二、组成和原理三、主要控制内容一、发展历程1.第一代（凸轮压油+位置控制）如下图所示。第一代电子控制式燃油喷射装置中，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机构。燃油压送机构和机械式燃油系统相同。2.第二代（凸轮压油+电磁阀时间控制）如下图所示。第二代电控喷油装置是在第一代位置控制式的基础上发展起来的。采用高速电磁阀对喷油量和喷油时间进行时间控制。3.第三代（燃油蓄压+电磁阈时间控制）第三代柴油机电控燃油系统是第二代的进一步发展，将喷油量和喷油时间控制融为一体，使燃油的升压机构独立，亦即燃油压力与发动机转速、负荷无关，具有可以独立控制压力的蓄压器共轨。喷油量、喷油时间等参数直接由装在各个气缸上的喷油器控制；如下图。第三代电控共轨式燃油系统是全新的一代燃油系统。在21世纪将会发挥巨大的作用，特别是降低柴油机的排放，保护环境方面将会起到不可替代的作用。具体实施方法与第二代相同，采用高速电磁阀。下图是第三代柴油机电控燃油系统电控共轨式燃油系统的控制原理框图。二、组成和原理如下图所示。电控柴油机喷射系统主要由传感器、ECU（中央控制单元）和执行器三部分组成。三、主要控制内容1.喷油量控制电子控制系统的喷油量控制方法如下图。（1）基本喷油量控制不同的发动机要求不同的转矩特性。为了得到不同的转矩特性通常是通过控制喷油量来实现的。代表的特性如下图。特别是等速特性，与发动机负荷无关，始终保持恒定的转速。该特性广泛地应用于发电机用发动机中。在机械式调速系统中调速率约为3％；负荷变化，转速随之变化。但在电控燃油系统中，通过发动机转速的反馈控制，可以得到恒定不蛮的转速。（2）怠速转速控制怠速转速的控制流程图如下图。发动机的实际转速和发动机的目标转速由发动机的冷却水的温度、空调压缩机的负荷状态决定进行比较，根据两者的差值求得回复到目标转速时所必需的喷油量从而进行反馈控制。（3）起动油量控制汽车加速踏板和发动机转速决定基本喷油量，冷却液温度等决定补偿喷油量，比较两者的关系之后，控制启动喷油量。如下图所示。（4）不均匀油量补偿控制不均匀油量补偿控制。如下图所示。（5）恒定车速控制汽车在高速公路上长距离行驶时，驾驶员为了维持车速一直要操纵加速踏板，很容易疲劳。对此，不要驾驶员操纵加速踏板而维持定速行驶的控制过程就是恒定车速控制。如下图所示。2.喷油时间控制电子控制燃油喷射系统中喷油时间的控制经过了三次改革，如下图。目标喷油时间采用下图中的方法进行计算。3.喷油压力控制共轨式燃油系统中喷油压力的控制方法如下图所示。4.喷油率控制最新电控燃油系统中喷油率的控制，特别是预喷射的控制可以用下图进行说明5.附加功能（1）自我故障诊断功能最近，将专用故障诊断装置插入上述接线座内，则可以显示出更加具体详细的诊断信息，下图是其一例。（2）故障应急功能①传感器的故障诊断和故障应急功能传感器的故障可以由软件来判定。如果传感器发出了异常数据，或者从发动机方面送来了不可能的信号，则可判定传感器故障。温度传感器的故障诊断实例如下图所示。②ECU故障诊断和故障应急功能系统构成示意图如下图所示。在发动机控制系统和变速控制系统ECU之间通过数据通讯的方法，将二者结合在一起，就可以作为一个ECU工作。第二节电控直列泵喷射系统本节主要介绍的内容有：一、第一代电控直列泵二、第二代电控直列泵（TICS系统）三、第三代电控直列泵（PPVI系统）一、第一代电控直列泵直列式喷油泵的电子控制系统中，在喷油泵方面带有如下电子部件：◆对喷油量进行电子控制的电子调速器。◆对喷油时间进行电子控制的电子提前器。喷油泵本体的燃油压送机构和传统的机械式喷油泵完全相同。电子调速器和电子提前器则根据发动机机型可以装用其中某一种，或将两者都装上。但是，调节喷油量的元件仍然是调节齿杆，由调速器执行器进行位置控制；喷油时间的控制则是根据ECU的指令通过提前器执行器控制发动机驱动轴和凸轮轴之间的相位差实现的。因此，ECU通过各种传感器检出发动机的状态和环境，计算出最适合于发动机状态的控制量，再向执行器发出指令。这是第一代电子控制直列式喷油泵的基本特征，如下图所示。二、第二代电控直列泵（TICS系统）如下图所示。TICS以传统的直列泵为基础，在柱塞部分附加上一个可动的定时套筒，定时套筒可以根据需要改变预行程，按照发动机的转速和负荷改变喷油定时，控制喷油率。TICS可以配装不同的提前器和不同的调速器，组成不同的系统。TICS系统是配装了RED系列电子调速器和预行程执行机构的直列泵系统，通过计算机控制直喷式柴油机的喷油量、喷油定时和喷油率，如下图所示。RED-IV型电子调速器的控制部分可以分成三部分：输入单元、演算单元和驱动单元，如下图所示。三、第三代电控直列泵（PPVI系统）如下图所示。PPVI系统保留了喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，便是高压油管上加一个高速电磁阀，变成了泵一管一阀一嘴系统。采用高速电磁溢流阀控制油量和喷油正时后，柱塞只承担供油加压功能，使喷油泵简化和强化，高压供油能力提高。通过凸轮和柱塞强化设计，使主供油速率进一步提高。当高速电磁阀快速打开，高压燃油高速泄流，喷射结束。它能形成初期喷油速率低、主喷射速率高、快速溢流切断而又不致产生穴蚀的理想喷油速率图形。第三节电控分配泵喷射系统本节主要介绍的内容有：一、ECD-V5电控分配泵二、喷油量控制三、喷油时间控制一、ECD-V5电控分配泵ECD-V5分配泵外形如下图所示，其结构如下图所示。SPV截止阀或电磁溢流阀TCV流量控制阀或定时控制阀1.电控分配泵的传感器布置在ECD-V5型电控分配泵系统中，计算机根据各种传感器发动机转速传感器、油门开度传感器、进气压力传感器和冷却水温传感器等信号，检测出发动机的运行状态，实现多种控制功能。ECD-V5型电控分配泵的传感器布置，如下图所示。在ECD-V5型电控分配泵系统中。（1）电磁溢流阀电磁溢流阀（下图）是直接控制喷油量的，是一种耐高压、具有高度响应特性的直动式电磁阀。电磁溢流阀的结构如下图所示，工作原理如下图所示。（2）定时控制阀定时控制阀（TCV）安装在喷油泵内，根据计算机送来的信号，适时开启或关闭喷油泵压力腔和定时活塞低压腔之间的燃油通道。当电流流过线圈时，定子磁芯被磁化，可动铁心被吸引而压缩弹簧，燃油通路开启。TCV的开启程度是根据计算机送来的通过线圈的电流的ON-OFF时间比（占空比）进行控制的。如果ON时间长，则阀的开启时间亦长。（3）断油阀断油阀（FCV）的结构如下图所示。在发动机处于停止状态或类似停止状态时，断油阀将燃油油路切断。通电以后，断油阀开启，燃油被吸入柱塞腔内。2.ECD-V5型分配泵的电子驱动单元-EDUECD-V5电控分配泵的EDU线路图如下图所示。二、喷油量控制1.控制机理和工作过程喷油始点与传统的喷油泵一样，由凸轮的型面形状决定。喷油量的多少由喷油终点决定。啧油终点就是电磁溢流阀开启、高压燃油流回喷油泵腔的时刻。ECD-V5型电子控制分配泵的喷油量控制机构，如下图所示。为了确定电磁溢流阀的开启时间，采用转速传感器检测出对应凸轮升程的凸轮转角，从而确定开启时间。下图中示出了凸轮升程、电磁溢流阀开闭定时和喷油量的关系。利用冷却水温度修正起动喷油量的方法。2.控制内容（1）基本喷油量（2）最大喷油量根据油门开度和发动机转速计算出理论上的必要的喷油量。最大喷油时的计算流程图如下图所示。以上述基本喷油量为基础，还要考虑到进气压力、进气温度、燃油温度等，对基本喷油量进行修正，从而计算出发动机在该工况下的最大喷油量。最终喷油量就是比较上述两项喷油量，选择其中比较小的一项。在起动状态时，根据发动机的转速和水温计算出起动喷油量。在非起动状态时，比较基本喷油量和最大喷油量，选择其中较小的喷油量，并利用其所对应的MAP图中调速特性决定喷油量。三、喷油时间控制1.喷油时间控制方法电控分配泵中喷油时间控制方法如下图所示。喷油时间控制部分的结构与机械式VE分配泵的相关部分基本相同，所不同的是增加了定时控制阀（TCV）。通过改变定时控制阀的开启时间调节施加在提前器活塞上的提前器低压腔内的燃油压力，使滚轮环移动，从而控制喷油时间。2.控制项目如下图所示。（1）目标喷油时间（2）喷油时间修正（3）起动时喷油时间（4）反馈控制第四节电控共轨式燃油喷射系统本节主要介绍的内容有：一、电控共轨燃油喷射系统历程二、电控共轨燃油喷射系统组成及特点三、喷油量控制四、喷油时间控制一、电控共轨燃油喷射系统历程20世纪30年代，人们在航空汽油机上开始试验汽油喷射技术，到第二次世界大战后期汽油喷射装置已经成功地用到军用飞机的发动机上。20世纪50年代末，汽油喷射装置在赛车汽油机上广泛采用；20世纪末，各型汽油机已经顺利地完成了从机械式供油系统向电控燃油系统的全面转换。20世纪60年代后半期，瑞士的Hiber教授开发成功柴油机电控共轨系统的“原型”。其后，以瑞士工业大学的Ganser教授为中心对电控共轨系统进行了一系列研究。20世纪90年代，柴油机的供油系统开始向电控供油系统过渡。进入21世纪以后将会有一个迅速发展的阶段。1995年年末日本电装公司将ECD-U2型电控高压共轨系统成功地应用于卡车柴油机而开始批量生产，从此开创了柴油机电控共轨燃油系统的新时代。ECD-U2型电控共轨系统是电装公司和丰田汽车公司共同研制开发的。二、电控共轨燃油喷射系统组成及特点下图是博世公司的第一代高压电控共轨燃油系统，其主要由燃油箱、滤清器、油泵、溢流阀、压力传感器、燃油轨、喷油器、ECU等组成。1.电控喷油器博世电控喷油器的代表性结构如右图。喷油器可分为几个功能组件：孔式喷油嘴，液压伺服系统和电磁阀等。（1）喷油器关闭（以存有的高压）电磁阀在静止状态不受控制，因此是关闭的，图（a）。回油节流孔关闭时，电枢的钢球通过阀弹簧压在回油节流孔的座面上。控制室内建立共轨的高压，同样的压力也存在于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液压力，针阀处于关闭状态。（2）喷油器开启（喷油开始）喷油器一般处于关闭状态。当电磁阀通电后，在吸动电流的作用下迅速开启，图（b）。（3）喷油器关闭（喷油结束）如果不控制电磁阀，则电枢在弹簧力的作用下向下压，钢球关闭回油节流孔。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，进油节流孔的进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。针阀关闭速度决定于进油节流孔的流量。2.供油泵供油泵的主要作用是将低压燃油加压成高压燃油，储存在共轨内，等待ECU的喷油指令，如下图。供油压力可以通过压力限制器进行设定。所以，在共轨系统中可以自由地控制喷油压力。博世公司电控共轨系统中采用的供油泵如下图所示。3.ECUECU的基本功能是结合实时工况和外界条件，始终使发动机控制在最佳燃烧状态。ECU按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，如下图。经过处理以后，并把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。4.特种传感器（1）共轨压力传感器共轨压力传感器如下图所示。作用：以足够的精度，在相应较短的时间内，测定共轨中的实时压力，并向ECU提供电信号。燃油经一个小孔流向共轨压力传感器，传感器的膜片将孔的末端封住。高压燃油经压力室的小孔流向膜片。膜片上装有半导体型敏感元件，可将压力转换为电信号。通过连接导线将产生的电信号传送到一个向ECU提供测量信号的求值电路。（2）流量限制器流量限制器的作用是防止喷油器可能出现的持续喷油现象。为此，由共轨流出的油