柴油机电子控制技术.ppt

第七章 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/F14 7 （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。 1 NOx 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碳烟的生成条件 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 三、对柴油机喷射系统的要 求 图7-7 对喷射系统的要求 a）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 等可任意控制。 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 性和安全性。 4）增设数据通信机能，提高总体系统的功能。 5）通过改变ECU的程序，易开发各种控制机能。 （二）分类 、位置控制系统（第一代）： 主要有直列泵和分配泵两种； 、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； 、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ECDV1，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 EDC7 ECU 轨 CP3.3 低压 01bar rel A1（%）、 20r/min n n1、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、极限回位控制和停止控制。 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 三、怠速控制 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7-19 VGS控制逻辑框图 图7-20 VGS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的控制 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7-25 EGR对NOx 排放的影响 图7-26 放热率曲线 图7-27 EGR阀结构示意图 a）EGR阀 b）三向电磁阀 图7-28 外部EGR系统 a）EGR入口在压气机入口前 b）EGR入口在压气机出口后 1增压器 2中冷器 3进气门 4排气门 5排气凸轮 6EGR阀 7EGR回流管 8 ECU 图7-29 内部EGR系统 1增压器 2中冷器 3进气门 4排气门 5排气相位凸轮 6EGR（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 一、概述 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7-31 VE型分配泵 1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油量控制滑套 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溢流节流孔 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 方法和时间式控制方法两种。 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7-32 位置式电控分配泵结构 1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7-33 旋转式比例电磁阀执行器 1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 制在目标值上，以确定最佳喷油量。 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、定时控制阀、 转子以及ECU等组成。定时柱塞将柱塞室分 为吸油室和压力室（泵室），定时控制阀 设在压力室入口处，主要控制压力室内的 油压大小。当压力室内的油压发生变化时 ，定时柱塞的位置相应地变化，此时通过 传动杆带动转子相应地偏转，由此调节喷 射时间。 图7-35 喷射定时控制系统示意图 1油箱 2定时器位置传感器 3弹簧 4定时控制阀 5 电源 6压力室 7柱塞 8滚轮 9溢出阀 10调节 阀 11吸油室 图7-36 时间式电控分配泵的控制系统 1进气温度传感器 2电磁阀 3泵角传感器 4供油定时 控制阀 5节流阀 6进气压力传感器 7冷却液温度传感器8 曲轴转角位置传感器 9VSV（EGR用） 图7-37 时间式电控分配泵喷射量的控制原理 1驱动轴 2泵角传感器 3电磁阀 4 高压室 5柱塞 6喷油器 图7-38 电磁溢出阀的结构 1磁芯 2线圈 3导向阀 4主阀 图7-39 电磁溢出阀的工作原理 1柱塞室 2主阀 3导向阀 图7-40 泵角传感器结构及其安装 1缺齿部分 2脉冲发生器 3驱动轴 4泵角传感器 5滚轮环 （3）JP喷射时间的控制 时间控制方式的喷射时间的控制机构，基 本上与上述位置控制方式相同，但取消了 定时器位置传感器，喷射时间的反馈信号 来自设在喷油泵驱动轴上的泵角传感器的 缺齿段信号与曲轴转角位置传感器的曲轴 位置信号的相位差。 第四节直列式喷油泵的电控 技术 一、直列式电控喷油泵的组成 第一代直列式电控喷油泵的典型结构是TICS（ Timing Injection Control System）泵。TICS泵的 泵体是在原P型泵的基础上进行改进的，所以具 有与P型泵相似的结构特点。TICS泵主要由控制 单元、电控调速器、滑阀式喷射定时控制系统 以及喷油泵等组成。 图7-41 TICS控制单元结构框图 图7-42 REDIII型电子调速器 1扁平电缆 2印制电路板 3柔性端头销 4齿杆位置传感器 5连杆 6永久磁铁 7移动式线圈 8内芯 9外芯 10润滑油回路 11连杆轴 12调节齿杆 13外线束 图7-43 齿杆控制装置 1线圈套筒 2连杆 3齿杆位置传感器 4铜片 5齿杆 二、喷射量的控制系统 TICS泵的喷射量控制系统如图7-43所示，主 要由齿杆位置传感器、线性直流步进电动 机以及连杆等构成。发动机工作时，根据 控制单元输出的控制指令，驱动电控调速 器内的线性步进电动机，此时设置在步进 电动机内位于径向磁场中的可移动线圈套 筒上下移动，将线圈套筒的上下移动通过 连杆转换成齿杆（节气门拉杆）位置的左 右移动，由此控制喷射量。 图7-44 线性直流步进电动机 1盘座 2线圈 3永 久磁铁 4外壳 图7-45 磁场与电流方向 图7-46 线圈电流驱动开关电路 图7-47 占空比 a）平衡状态 b）上升时 （2）齿杆位置传感器 齿杆位置传感器如图7-48所示，由E形铁心 、检测线圈和可动铜片、温度修正线圈和 固定铜片等组成。其中，可动铜片固定在 齿杆末端上，并滑套在E形铁心上随齿杆移 动。 图7-48 齿条位置传感器 1E形铁心 2可动铜片 3齿杆 4检 测线圈 5固定铜片 6温度修正线圈 三、滑套式可变预行程控制 机构 滑套式可变预行程控制机构，是在柱塞偶 件上增加了一个控制滑套，通过控制滑套 相对柱塞上的上下位移来改变预行程或供 油时刻。滑套式可变预行程控制系统，主 要由滑套控制 图7-49 铜片位置与磁场变化 1可动铜片 2检测线圈 3E形铁心 图7-50 滑套控制机构 图7-51 滑套驱动机构 1角位移传感器 2线圈 3铁心 4转子 5驱动轴 图7-52 滑套位置传感器 1可动短路铜环片 2固定短路铜环片3 铁心 四、可变预行程喷油泵的工作原 理 （1）泵油原理 图7-53所示为可变预行程（TICS）喷油泵的供 油原理。当柱塞下行使进油孔露出滑套下端时 （图7-53a），由于压油室内的体积增加而产生 真空，所以存油室的燃油经进油孔及柱塞内部 油道进入压油室。 图753 TICS泵的供油原理 （2）喷射时间的控制 可变预行程喷油泵通过控制滑套相对柱塞 的位置来实现喷射时间的控制。当控制滑 套的转动轴旋转角度减小时，滑套相对柱 塞位置下移，使柱塞的压油开始时刻提前 ，即供油时刻提前；当转动轴旋转角度增 大时，滑套相对柱塞位置上移，则压油开 始时刻迟后，供油时刻延迟。 图7-54 供油速率控制 五、TICS泵的控制内容 随着排放法规的日趋严格，电控柴油机的 控制内容不断增多。为了适应排放法规的 要求，改善柴油机动力性和经济性，柴油 机上采用了一系列的可变机构，如可变增 压系统、可变进气涡流系统等。因此，TICS 泵的控制内容，除了电控调速器及滑套位 置控制以外，还包括喷射定时器的控制、 可变增压控制、可变进气涡流控制以及怠 速控制等。 1 电控调速器的控制 一般调速器的控制有3种模式，即通常控制 模式、解除（Pulldown）调速器控制模式、 带故障行驶控制模式。 （1）全负荷喷射量 q V f 设定 图7-55 全负荷速度特性喷射量标定 图7-56 根据进气压力进行修正 图7-57 起动喷射量控制脉谱 2 滑套位置的控制 图7-58 滑套位置控制逻辑框图 图7-59 学习修正范围 3 喷射定时器的控制 图7-60 定时器的结构原理 1位移变换器 2销 3偏心凸轮 4液压柱塞 5液压室 6凸轮轴 7电磁阀 图7-61 定时器控制逻辑框图 第五节 共轨式电控高压喷射系 统 一、概述 尽管在机械式柴油机的基础上，通过开发 应用电控技术，如上述电控分配泵、TICS泵 ，有效地改善了动力性、经济性和排放特 性，适应了不同时期的排放法规要求，但 是这些电控技术在结构上仍受原机械式喷 射系统的限制，而不能自由、灵活控制喷 射规律。 图7-62 喷射压力对喷雾直径和烟度的影响 图7-63 高压喷射和预喷射方式 二、高压共轨式电控喷射系统的 特点及类型 综上所述，高压共轨系统主要有以下几方面的优点： 1）共轨系统中的喷油压力可柔性调节，根据柴油机不同 工况确定对应的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能 。 2）可独立控制喷油正时，控制范围宽，配合喷射压力（ 120200MPa）柔性控制喷射时间，有利于降低NOx 和微 粒（PM）排放，以满足排放法规的要求。 3）喷油速率的柔性控制，可实现理想喷油规律，容易实 现预喷射和多次喷射，保证优良的动力性和经济性，有效 控制排放。 4）由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不 会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内 ，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而 减轻柴油机的振动，降低排放。 1 ECD-U2型高压共轨喷射系统 （1）系统组成 ECD-U2型高压共轨喷射系统常用于中重型车用 柴油机上。ECD-U2系统主要由直列式多山凸轮 式高压输油泵、共轨、二位三通电磁阀一体的 喷油器、控制单元（ECU）以及传感器等组成 。 图7-64 ECD-U2系统 1压力控制阀PCV 2压力传感器 3三向电磁阀4 燃油箱 5小孔节流阀 6液压活塞 7针阀体 8喷油器 9高压输油泵 图7-65三向电磁阀的结构 1喷油器 2液压活塞 3阀 体 4外阀 5内阀 6弹簧 7内座 8外座 9小孔通道 （2）电控喷油器及高压共轨喷 射系统工作原理 发动机工作时，高压输油泵输送的高压燃 料，不断地储存在共轨（蓄压室）中。然 后通过喷油器上的三向电磁阀（TWV）控制 喷油器针阀的开或关，以控制喷射量和喷 射时间。 （3）高压输油泵的供油原理 高压输油泵的作用是，为了产生和控制一 定的共轨压力，控制输油泵的供油量。ECD- U2系统采用的直列式高压输油泵，主要由 凸轮、挺柱、柱塞，以及用来控制供油量 的外开式压力控制（PCV）电磁阀等组成。 其结构特点主要体现在高压输油泵每缸都 设置一个PCV电磁阀，而且凸轮采用多山凸 轮。 a）高压输油泵结构 b）高压输油泵的控制 1接头 2电磁阀 3柱塞套 4柱塞 5柱塞弹簧6 挺柱 7凸轮 8溢出阀 9出油阀 （4）共轨（蓄压室）的作用 共轨的作用是将高压输油泵提供的高压燃 油进行蓄压后分配到各缸喷油器中。图7 - 67所示为ECD-U2系统的共轨。 图7-67 ECD-U2系统的共轨 1液流缓冲器 2压力传感器 3压力限 制器 4衬套 （5）ECD KG*8U2的特点 ECD-U2型高压共轨电控喷射系统是一个精 确的压力时间油量控制系统，其共轨压 力波动很小，没有常规电控喷射系统中存 在的由压力波而产生的难控区、失控区以 及调速器能力不足等问题，喷射压力完全 独立于转速和负荷，可根据柴油机的工况 要求任意调节，所以可以实现柴油机所需 要的理想喷射量的控制特性。 图7-68 喷射量特性 图7-69 喷射压力变化特性 2德国BOSCH公司的CR型高压共 轨喷射系统 （1）系统组成 德国BOSCH公司是柴油机输油泵和喷油器制 造业的先驱，为了提高轿车柴油机的性能 ，满足欧洲越来越严格的排放法规，研制 出了一种叫做CommonRail（简称CR型）的 高压共轨系统。 图7-70 BOSCH公司的高压共轨（CR）系统 1高压输油泵 2燃油滤清器 3油箱 4ECU 5传感器 6喷油器 7共轨 8压力传感器 9溢出阀 （2）工作原理 当发动机工作时，燃油箱的燃油在低压输 油泵的作用下，经过燃油滤清器过滤后， 进入高压输油泵柱塞腔。此时，如果由ECU 控制的高压输油泵的电磁阀通电时，电磁 阀关闭柱塞腔的回油孔，柱塞腔便成为一 个封闭的空间。已进入柱塞腔的燃油随高 压输油泵的凸轮轴旋转被柱塞压缩而压力 升高，并通过出油阀和高压油管送入共轨 （蓄压室）。 （3）三缸径向高压输油泵 BOSCH公司在CR型高压共轨喷射系统中采用 了由发动机曲轴驱动的三缸径向柱塞式高 压输油泵，如图7-71所示，主要由柱塞缸（ 泵体）、泵盖、气门组件、柱塞泵组件、 柱塞弹簧、凸轮轴等组成。其主要作用是 将低压燃油加压成高压燃油，并输送到共 轨中保证其设定的高压共轨压力。 图7-71 高压泵的组成 a）结构组成 b）结构示意图 1泵体 2外壳 3凸轮轴 4油封 5滑动轴承 6凸轮 7柱塞弹簧 8柱塞泵组件 9电磁阀 10泵盖 11进油口柱塞阀 3美国Caterpillar公司的HEUI型中 压共轨系统 图7-72 HEUI型共轨系统 1油箱 2燃油泵 3燃油滤清器 4喷射装置 5高压机油共轨 6高压机油泵 7压力控制阀 8机油滤清器 9机油冷却器 10低压机油泵 11机油箱 12控制模块 图7-73 HEUI喷油器结构 1喷油器 2控制阀 3增压柱塞套 4增压柱塞 图7-74 HEUI系统响应特性 图7-75 具有预喷射功能的HEUI系统喷油器 1喷油嘴 2柱塞套 3控制阀 4增压柱塞 5柱塞 6回油孔 7进油孔 三、高压共轨喷射系统喷射量的 控制策略 柴油机负荷调节方式为“质”调节，即根据车 辆行驶过程中对牵引力的要求，通过节气 门直接控制向气缸内喷入的燃料量。前述 电控直列泵（TICS泵）等位置式电控燃料喷 射系统是由驾驶员通过节气门控制喷油泵 的齿条（或拉杆）位置来调节供油量的。 图7-76 高