内燃机电子控制起源

内燃机电子控制内燃机电控技术的发展历程本课程的结构电控起源电控结构柴油机控制典型系统/原理电控汽油机发展历史柴油机发展历史传感器结构类型工作原理传输技术量化原理ECU结构控制策略汽油机策略柴油机策略实现技术嵌入式设计实时操作系统RCP/HILS执行机构汽油机系统柴油机系统动力特性发动机特性负载特性能控型参数提前角共轨压力EGR喷油模式自控分析发动机模型控制器设计控制性能分析排放性能及控制排放原理排放特性各系统的特性汽油机系统柴油机系统共轨蓄压HEUI高压共轨内燃机电控的发展历史汽油机电控的发展历史内燃机电控起源于汽油机飞机用汽油机的燃油喷射（1930s）1950s在赛车上应用Goliath,Gutbrod,Benz（Bosch生产）在1950s用于轿车Bendix公司1957年首次开发电控喷油系统，用于Chrysler汽车汽油机电控发展历史汽油机电控历史1957-1960，美国公布了污染调查报告，1960年，加州公布排放法规，1965年实施。1967年，Bosch发表D-Jetronic系统1972年，Bosch发表K-Jetronic,L-Jetronic系统70年代以后，发达国家陆续推出日益严格的排放法规。1976年，GM首次将微机用于点火控制。以Bosch公司为例汽油喷射系统：D-Jetronic/1967~1979K-Jetronic/1973~1995L-Jetronic/1973~1986LH-Jetronic/1981~1998KE-Jetronic/1982~1996Mono-Jetronic/1987~1997以Bosch公司为例汽油喷射及点火系统：M-Motronic/1979~KE-Motronic/1987~1996Mono-Motronic/1989~BOSCH电控系统汽油喷射系统单点喷射／Mono-Jetronic+电子点火＝Mono-Motronica多点喷射机械控制电子控制K-JetronicD-Jetronic(进气压力测量／数字控制)Digi-Jetronic(数字控制)KE-Jetronic+电子点火＝KE-Motronic+电子点火＝M-MotronicL-Jetronic(模拟电路)LH-Jetronic(热线法空气测量)+电子点火＝Digifant汽油机供油系统化油器和汽油喷射系统有共同的设计目标：在任何工况都应向发功机提供最佳的空气—燃油混合气。汽油喷射系统尤其是电子控制的喷射系统，在精确控制混合气浓度上更胜一筹，因此可获得更好的燃油经济性、舒适性、操纵性和动力件。越来越严格的排放控制法规使得化油器面临被淘汰而燃油喷射则越来越普及。汽油机供油系统目前应用的混合气形成系统几乎全部都是在燃烧室外形成混合气，但缸内混合气形成的概念，即燃油直接喷入燃烧室(GDI)，在降低燃油消耗上的具有优越性能，现在正变成不可忽视的发展趋势。电控混合气形成系统缸外混合气形成：多点喷射系统(MPI)机械喷射系统：K-Jetronic机械-电子燃油喷射系统：KE-Jetronic电子喷射系统：L-Jetronic,LH-Jetronic单点喷射系统(TBI)：Mono-Jetronic缸内混合气形成：缸内直喷(DI)：MED-Motronic分层燃烧匀质燃烧多点喷射节流阀体喷射缸内直喷汽油机电控分类按控制方式划分按喷射方式划分按控制方式分类控制方式的种类是按空气量的检测方式划分直接检测方式：质量流量方式间接检测方式：空气流量与被测量函数关系比较复杂速度-密度方式节气门-速度方式汽油机电控发展历史三种控制方式的特点：质量流量方式：通过空气流量计直接测量进气空气流量速度-密度方式：通过转速和进气管压力推算空气量，发动机转速变化范围为10倍，油量调节范围为80倍，因此有较好的调节精度节气门-速度方式：直接检测节气门开启动作，过渡响应好。汽油机电控发展历史按喷射方式分类：按喷射位置分按喷射时间分汽油机电控发展历史按喷射位置分类缸内喷射进气道喷射多点喷射（MPI）单点喷射（SPI）汽油机电控发展历史按喷射时间分类连续喷射间歇喷射与转速同步喷射独立喷射（可用于缸内喷射和进气管喷射）每转同时喷射分组喷射分2组喷射分3组喷射非同步喷射——频率同步喷射汽油机电控发展历史汽油喷射与化油器比较的优点：可以设计出提高发动机功率的进气系统各缸汽油分配均匀性好不易发生结冰现象不易产生汽阻现象加减速时的过渡响应特性好启动、暖机性能好可以相对进气温度和大气压力的变化修正空燃比汽油机电控发展历史汽油机电控的里程碑和关键环节机械喷射Bendix公司的电控喷射大功率晶体管的应用Bosch公司的开发研制GM公司应用微机技术的ECU汽油机电控发展历史汽油机控制实现微机化的优点实现复杂的控制和自由的特性，提高整机性能共用同一运转参数，集中控制燃油、点火系统通过控制特性的数字化，提高稳定性实现各种不同发动机硬件的通用化汽油机电控发展历史电控的数字化时代特点：各子系统实现集中控制，改善了发动机性能在反馈控制基础上，增加了学习控制速度-密度方式的控制方法开发广泛化出现了采用独立喷射方式的稀燃系统柴油机电控发展历史柴油机电控喷油技术发展的巨大推动力来自各国日益严格的排放法规。美国国会通过的“大气污染防治法”，要求将重型卡车柴油机的排放污染降低90%。90年代初，在欧洲出现了“3L轿车”热，即平均车速为90Km/h时，轿车的100Km体积油耗仅为3L。美国西南研究所与美、日、欧等国12家主要汽车发动机厂和五家国际上主要的燃料喷射装置生产厂正在研制低排放柴油机，并提出了一个清洁发动机的排放目标：NOx,2g/马力;HC,0.5g/马力;PM，0.1g/马力。柴油机电控发展历史柴油机电控技术在世界发达国家，如美国、德国、日本、英国等近15年发展十分迅速，现在已有较成熟的产品推向市场。德国BOSCH公司的电控分配泵和电控直列泵到1993年上半年在市场上已超过25万台。美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统，从1985年投产到1993年已有10万多台投放市场日本ZEXEL公司可变预行程的TICS系统直列泵，1992年产量达2万台，其中大部分是电控的。美国STANADYE公司的DS电控分配泵1995年产量达到15万台，1996年可达到24万台。柴油机电控发展历史柴油机电控燃油系统的发展已历经三代：位置控制系统时间控制系统时间加共轨式它们重点在柴油喷射电控执行器上进行区分。按照系统产生高压燃油的机构来看，柴油喷射系统又可分为直列式、分配泵式、泵喷嘴式、单缸泵式、共轨式电控喷射系统。柴油机电控发展历史柴油机电控燃油喷射系统主要由传感器、控制器和执行器组成柴油机电控发展历史位置式电控燃油喷射系统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。这种系统具有改动小，继承性好等优点，但是其精度低、控制自由度小。柴油机电控发展历史位置控制式电控燃油喷射系统的技术特征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，故相对其它电控系统，响应较慢、控制频率低和控制精度低。不能改变传统喷射系统固有的特性，电控可变预行程直列泵虽可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。柴油机的结构几乎无须改动，故生产继承性好。位置控制式电喷系统的技术关键是：油量和定时机构的位置伺服控制技术。柴油机电控发展历史时间式电控燃油喷射系统将原来的机械式喷油器改为高速强力电磁阀喷油器，以脉动信号来控制电磁阀的吸合与放开，以控制喷油器的开启与关闭。泵油机构和控制机构完全分开，燃油的计量是由喷油器的开启时间长短和喷油压力的大小来确定的。喷油正时由电磁阀的开启时刻控制，从而实现喷油量、喷油正时的柔性控制和一体控制，且极为灵活。柴油机电控发展历史时间式电控燃油喷射系统的技术特征脉动式高压燃油与开关式电磁阀直接接口。适合于高压喷射。与位置式电控燃油喷射系统相比，具有响应速度快、精度高的特点。由于系统仍采用原来的喷油泵—高压油管—喷油嘴结构，系统喷油压力仍与工况有关。电磁阀的开闭受其响应速度影响，难以精确控制。时间式电控燃油喷射系统的技术关键是：加快高速强力电磁阀的响应速度。柴油机电控发展历史共轨+时间式电控燃油喷射系统具有公共控制油道（共轨管），高压油泵并不直接控制喷油器，而是共轨中供油以保持所须的压力。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。在共轨系统中，压力形成和油量输送基本上与喷油过程无关。高压共轨系统：其典型代表为日本电装公司的ECD—U2系统；中压共轨系统：其典型代表为美国BKM公司的Servojet系统和Caterpillar公司的HEUI系统。柴油机电控发展历史共轨+时间式电控燃油喷射系统的技术特征共轨油压柔性可调，摆脱了凸轮的束缚，使供油压力不受工况的影响而能单独控制，对不同负荷与转速可确定最佳喷射压力。共轨中高压燃油的持续恒压反馈控制比较复杂。共轨+时间式电控燃油喷射系统的技术关键是：高压油控制技术、高速电磁阀技术和组合喷油器技术位置控制式电控柴油机直列泵日本ZexelCOPEC高速电磁阀控制喷油时刻，可变电感位移传感器控制喷油器1983年用于车辆发动机德国BoschEDR高速电磁阀控制齿条位置，可调凸轮相位1985年，用于苯茨OM422LA美国CaterpillarPEEC-ECD-P3无刷力矩电机控制齿条位置，线性电位器控制喷油时间1985年，用于本田公司3406B日本丰田ECD-P高速电磁阀控制齿条位置，可调凸轮相位1987年用于三菱6D22T等日本ZexelTICS高速电磁阀控制柱塞和齿条位置，可变预行程，可调凸轮速率1987年投产，1992年2万台德国BoschTICS高速电磁阀控制柱塞和齿条位置，可变预行程1989年投产，1993年25万台位置控制式电控柴油机分配泵日本电装ECD-V1线性电磁阀控制滑套位置，电磁阀控制喷油时刻1982年，用于丰田2L-TE型美国StanadyneDCF,DS1985年V6、V8上实验日本ZexelCOVEC用于五十铃4FB1英国LucasEPIC1993年，用于苯茨4气门柴油机德国BoschEDC-COVEC旋转电磁阀控制滑套位置，电磁阀控制喷油时刻1993年用于苯茨E290，4气门柴油机时间控制式电控柴油机泵喷嘴美国底特律DDEC在机械泵喷嘴道中设高速电磁阀，电磁阀关-始喷，开-停喷1985年投产，1993年10万台，15t卡车德国BoschDDEC英国LucasEUI日本先进燃烧研究所A.C.E日本东京工大A.C.E时间控制式电控柴油机分配泵日本ZexelECD-V3用溢油控制阀调整流量1987年用于丰田3缸直喷机美国StanadyneDS,RS用高速电磁阀控制喷油时刻和流量1994年用于GM6。5L柴油机时间控制式电控柴油机中压共轨柴油液压美国BKMServojet轴向柱塞泵，电子调压器，高速电磁阀，蓄压增压式，2~10MPa1995年曾在贵柴6135柴油机上作过实验日本丰田用螺线管驱动增压活塞1996年实验机油液压美国CaterpillarHEUI斜盘柱塞泵，电子调压器，高速电磁阀，机油增压式，4~23Mpa1994年Perkins300系列，五十铃及本田卡车美国ComminsHPI1994年用于GM6。5L柴油机日本小松KOMPICS1982年实验时间控制式电控柴油机高压共轨日本电装ECD-U2高压柱塞泵，高速电磁阀，预喷射1992年实验德国Bosch电磁阀通电-始喷，断电-停喷1998年苯茨柴油轿车10万台英国Lucas菲亚特轿车，MTU4000系列谢谢各位！