柴油机电子控制系统的发展.doc

精品文档 柴油机电子控制系统的发展摘要：柴油机是迄今为止热效率最高的热动力机械，柴油机的发展水平一直是车辆发展水平的重要标志，大力发展柴油机对于节约能源和解决温室效应的问题具有重要意义。由于世界石油危机和严重的环境污染，柴油机面临着日趋严格的排放法规和降低油耗等要求，采用电子控制技术是使柴油机同时满足各种要求的有效手段。柴油机的结构比较复杂，尤其是新兴的电子控制技术，对于广大汽车驾驶与维修人员来说有着十分重要的意义。本文介绍了柴油机电子控制系统中各种技术的控制原理、应用特点以及柴油机电子控制系统的发展趋势和未来的研究方向。 关键词：柴油机 电子控制 发展 I1欢迎下载。精品文档 Development of diesel electronic control systemAbstract：Diesel engine is by far the highest thermal efficiency thermodynamic machinery, the development level of diesel engine has been the important symbol of the levels of vehicle development, vigorously develop diesel engine to save energy and solve the problem of the greenhouse effect is of great significance. Due to world oil crisis and serious environmental pollution, diesel engine is faced with increasingly stringent emission regulations and reduce fuel consumption and other requirements, using electronic control technology is to make the diesel engine at the same time meet the requirements of various effective means. The structure of the diesel engine is more complex, especially the emerging of electronic control technology, for the broad masses of vehicle driving and maintenance personnel has very important significance. Diesel engine electronic control system were introduced in this paper the control principle, the application characteristics of the various technologies and the development trend of diesel engine electronic control system and the future research direction.Keywords: diesel engine; electronic control ;developmentIII欢迎下载。 目 录 1 绪论11.1引言11.2何谓柴油机电子控制系统11.3柴油机电子控制系统的特点21.4柴油机电子控制系统的发展历程22 柴油机电子控制技术介绍52.1电控泵喷嘴技术52.1.1商用车电控泵喷嘴62.1.2轿车用电控泵喷嘴62.2电控单体泵技术62.2.1电控单体泵的优点72.2.2电控单体泵的不足72.3高压共轨技术72.3.1高压共轨系统的优点93 电控柴油机新技术应用103.1柴油机电子控制新技术分析103.2新型喷油系统的研发应用103.2.1 电控单体泵和高压共轨喷油器组成的混合式喷油系统113.2.2电控单体泵和高压共轨喷油器加共轨管组成的混合式喷油系统114 柴油机电子控制系统的发展趋势124.1柴油机电子控制系统的发展趋势12结论13参考文献14谢辞15IV欢迎下载。精品文档1 绪论 1.1引言自1897年Rudolf Diesel发明的第一台柴油机至今，柴油机已经历了一个多世纪的发展。早期的控制系统是以机械为主，随后又开发了液压、气压的自动控制系统。 在机械控制系统中的调速器，通过飞锤支持力与弹簧恢复力的平衡过程，改变柱塞有效行程位置，或利用分配泵上的滑套位置，对燃油进行定量控制。机械式供油自动提前器利用与调速器相似的原理，改变凸轮轴的相对转角位置，对燃油进行定时控制。传统的机、液、气控制系统的控制精度低、无法实现多参量的实时检测与控制，实难满足人们对柴油机性能不断提高的要求。到20世纪70年代，随着电子技术飞速发展、计算机技术的广泛应用，柴油机电子控制系统应运而生。1.2何谓柴油机电子控制系统 柴油机电子控制系统是将电子技术引入机械控制中，主要是利用传感器检测机械运动，将检测的信息输入控制器（ECU)，经计算得到能够实现预期运动的控制信号，驱动执行器，实现对柴油机的优化控制。柴油机电子控制系统主要由传感器、控制器（ECU)和执行器三部分组成，如图1-1所示。 图1-1柴油机电子控制系统的组成它的主要任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的变化而进行实时控制。采用转速、加速踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却液温度等传感器，将实时检测的参数同时输入ECU，与已储存的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量(供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间)和喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳。1.3柴油机电子控制系统的特点 （1）改善柴油机性能和排放，提高工作可靠性。 （2）响应快、控制精度高，控制策略灵活。 （3）柴油机电子控制系统具有高压、高频、脉动等特点，其喷射压力高达180Mpa，甚至250Mpa，为汽油喷射压力的几百倍，甚至上千倍。对高压燃油喷射系统实施喷油量的电子控制很困难，而且对喷射正时的精度要求很高，因此柴油机电子控制技术的关键和难点是电控执行器。 （4）柴油机在机械控制时代就已经有了直列泵、分配泵、泵喷嘴、单体泵等结构完全不同的系统，每个系统各有特点和适用范围，每个系统都有多种不同结构。形成了柴油机电子控制系统的多样化。1.4柴油机电子控制系统的发展历程 柴油机电子控制系统的开发研究从20世纪70年代开始，至今已经历了三代。 第一代电子控制系统是位置控制式。它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传统机械，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。其优点是柴油机的机构几乎无需改动，故生产继承性好，便于对现有机器进行升级改造。缺点是控制自由度小、精度差，喷油率和喷射压力难于控制，也不能改变传统喷油系统固有的喷射特性。第二代电子控制系统是时间控制式。所谓时间控制，就是用高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。这种系统可以是保留原来的喷油泵-高压油管-喷油嘴系统，也可采用新型的产生高压的喷油系统。其优点是使传统的喷油泵结构得以简化，强度得以提高，设计自由度提高，高压喷油能力大大加强。可以实现喷油量控制又可实现喷油定时的控制。缺点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。第三代电子控制系统是时间-压力控制式，是以基本改变了传统喷油系统基本组成和结构为特征的。通过设置传感器、控制器和高速电磁阀或电/液控制执行器等组成的电子控制系统，对循环喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行“时间-压力控制”或“压力控制”。在电子控制共轨式喷油系统中，对循环喷油量采用最多的是“时间-压力控制”。如图1-2所示。 在该系统中用高压泵代替传统使用的泵-管-嘴脉动供油形式 ，在柴油机的驱动下，以一定速比将连续高压燃油输送到共轨内，再由共轨送入各缸喷油器。在这里，高压油泵并不直接控制喷油，而是向共轨供油以维持所需的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，采用压力-时间式计量原理，用高速电磁阀控制喷射过程。喷油压力喷油量及喷油定时由ECU灵活控制。如图1-3所示。 图1-2（高压电子控制喷油系统） 图1-3 电/液控制柴油机电子控制系统 2 柴油机电子控制技术介绍随着柴油机技术不断发展，人们越来越发现柴油机的独特优势：能量利用率高，耗油量低，废气排量小，工作可靠性好。由于社会不断进步，人们对柴油发动机的安全性、动力性、经济性、排放性和舒适性提出了更高的要求，而满足上述要求最有效手段是对柴油机进行电子控制。柴油机电子控制技术，是一种用计算机来实现对柴油机工作过程优化控制的技术。它使用计算机控制技术代替了传统柴油机中通过机械、液力和电气手段对喷油定时、喷油量、转速、起动特性、限速特性、超速保护等参数和工况的控制，为的是获得更好的控制效果。柴油机电子控制技术主要包括：电控泵喷嘴技术，电控单体泵技术，高压共轨技术。2.1电控泵喷嘴技术柴油机作为热效率最高的热动力机械，对于节能减排有着重要意义，可是也存在振动噪声大，氮氧化物颗粒物质排放高的问题，而电控泵喷嘴系统就能解决上述问题，其结构图如图2-1所示。 图2-1泵喷嘴结构图及示意图电控泵喷嘴系统是将泵油柱塞和喷油器组合安装在一个壳体内的柴油机燃料喷射系统。由于无高压油管，所以可消除长的高压油管中压力波和燃油压缩的影响，高压容积大大减少，因此喷射压力可达220MPa，成为目前各类喷油系统之首，对改善柴油机各项性能都有重大意义。常用的电控泵喷嘴有以下两种：商用车电控泵喷嘴和轿车用电控泵喷嘴。2.1.1商用车电控泵喷嘴商用车电控泵喷嘴的关键技术是由常开式两位两通的高速电磁阀直接控制喷油过程，从而控制电磁阀的通电时刻，即可以实现对喷油定时的控制，而控制高速电磁阀的通电时间，皆可实现对喷油量的控制，但是，喷油压力和喷油速率是不可控制的，这是因为驱动泵油柱塞的凸轮轴的凸轮形线设计加工后是不能改变的，当然发动机转速的变化也会影响喷射压力和喷油速率。2.1.2轿车用电控泵喷嘴轿车用量大，又常用在人口密集的城市，对其排放和噪声的要求比商用车更为严格。为降低噪声、改善排放，常带有预喷功能，所以装有一个由机械、液压控制的预喷控制阀，电磁阀安装位置也有区别，其他零件与商用车泵喷嘴基本相似。预喷和主喷是两次喷出，之间约有0.20.6ms的短暂停喷，是由于喷射控制阀的位移是发动机的转速决定的，但是在一个工作循环内完成，通常高速电磁阀通电，电磁阀阀芯密封面关闭的时刻，即预喷的始点，关闭时间的长短决定了喷油量的多少。2.2电控单体泵技术 图2-2单体泵的外形图 电控单体泵是一种模块式结构的高压喷射系统，并且每个气缸都装配一个电控单体泵，燃油喷射由各自的喷射单元完成。它的燃油喷射一般由ECU通过电磁阀控制，在ECU的指令下，电磁阀可精确控制喷油器的喷射时刻和喷射持续时间，喷油6欢迎下载。量则由电磁阀通电时间长短来确定。电控单体泵如图2-3所示。 图2-3电控单体泵 2.2.1电控单体泵的优点 （1）能承受很高的泵端压力，有利于高压喷射，最高压力可达250MPa。 （2）功率覆盖面大，最小单缸功率为1kW，最大单缸功率可达1000kW，远远超过了合成泵所能达到的单缸功率。 （3）可靠性、耐久性好，成本低。 （4）喷射规律为先缓后急的三角形，与燃烧系统配合较好，有利于降低NOX的排放。 （5）喷油时刻与凸轮型面关联，可实现预喷。 （6）达到欧排放，加上电控喷油器可以达到欧。2.2.2电控单体泵的不足单体泵在结构上虽弥补了高压共轨系统的高压油管长而带来的高压密封等问题的隐患，但在控制特性上，由于采用短高压油管，通过喷油泵的供油特性间接控制喷油规律，所以高速响应特性及动态控制特性等方面不及泵喷嘴系统和高压共轨系统。2.3高压共轨技术 共轨技术不仅是指用一个公共油轨，还包括用高压（或中压）输油泵压力传感器和ECU组成的闭环系统独立控制喷油压力的供油方式。高压共轨系统采用一个设置在高压油泵和喷油器之间的具有较大容积的共轨管，把喷油泵输出的燃油积蓄起来并抑制压力波动，再通过各高压油管输送到每个喷油器上，ECU根据工作需要控制高速电磁阀的开关，电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，其起作用的持续时间和共轨压力同时决定喷油量。 BOSCH公司是柴油机输出泵和喷油器制造业的先驱，为提高柴油机性能，满足越来越严格的排放法规，致力于高压共轨技术的研究，已研发了三代高压共轨系统。 第一代高压共轨系统使用的高压油泵是径向三柱塞定量泵，其排量固定不变，随着转速的增长，输出流量不断增长，因此多余的高压燃油只能通过高压溢流阀泄走，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。 第二代高压共轨系统使用的高压油泵为带有电控压力调节器的径向柱塞泵，可实现部分停缸控制，可降低功率消耗，共轨压力在15140MPa范围内自由调节，能实现低的喷油率、预喷射和多次喷射。 第三代高压共轨系统的它的特点体现在其技术的复杂度和精密度上。高压输油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出，通过燃油滤清器送入具有泵油量可调节功能的高压油泵进行升压，分配单元将进入的燃油分成两路，一路供给泵油元件，另一路用于冷却。高压油泵将燃油压缩至最高压力达到160MPa左右，并将其输入共轨。共轨上的压力传感器、溢流阀和电控装置形成共轨压力闭环控制。高压燃油经共轨传送到喷油器。压电执行器内置于喷油器主体上，减少了75%的运动件及75%的质量，开关速度得到很大提高，该系统可满足欧排放法规标准。 图2-4第三代高压共轨系统1-电动输油泵 2-燃油滤清器 3-回油阀 4-回油储存器 5-CP1 高压泵 6-高压控制阀 7-共管压力传感器(RPS) 8-共管 9-喷油器 10-ECU控制单元 11-油温传感器 12-其它传感器BOSCH公司的第三代适用于商用车的高压共轨喷油系统CRSN3性能更加优越，可实现一个循环内多达6次的连续喷射能力，喷射压力到2012年已达250MPa，而且该系统没有静态泄漏，使得液压效率明显改善，同时，该系统控制的泄漏量大大减少。2.3.1高压共轨系统的优点 （1）可实现高压喷射，最高已达250MPa,喷油压力可弹性调节，根据柴油机不同工况确定最佳的燃油喷射压力。 （2）喷射压力独立于发动机转速，可以改善发动机低速、低负荷性能。 （3）可以实现多次喷射，调节喷油速率形状，实现理想喷油规律，确保良好的动力性和经济性。 （4）喷油定时和喷油量可自由选定。 （5）具有良好的喷射特性、可优化燃烧过程，使油耗、烟度、噪声和排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性。 （6）结构简单，可靠性好，适应性强，可在所有新老发动机上应用。3 电控柴油机新技术应用 3.1柴油机电子控制新技术分析 随着车用柴油机的不断发展，现代柴油机电子控制系统的控制范围日益广泛，除了对喷油系统实施电子控制外，还对其他系统进行电子控制，才能使整个柴油机处于最佳状态。 （1）废弃再循环 电子控制的废弃再循环装置，通过闭环式电-气伺服机构控制再循环阀，从而能在各种工况和大气压下，精确控制再循环排气量，使柴油机排放达到最优。 （2）进气涡流调节 直喷式柴油机喷油系统和进气涡流比=的匹配是十分重要的，要使柴油机获得好性能，高速时涡流比要低，低速时涡流比要高，在冷起动时因怕火焰被吹灭，也希望涡流比低。当高=低，耗油率下降1%，冷起动时间减少10%,白烟消失时间缩短35%。 （3）可调机构的进气系统柴油机低负荷时，所需空气量少，过多空气量会增加换气损失，使油耗升高。日野公司在EK100型柴油机上采用进气量控制系统，使柴油机在高低负荷时的进气量达最佳。此系统是在进气管中段，设置由压缩空气驱动的控制阀，控制器根据负荷及转速传感器检测的信号来输出信号控制电磁阀开关，电磁阀控制着进入气缸的压缩空气，从而实现对进气量的电子控制。 （4）可变气门定时控制 通过控制气门定时，来调节发动机的实际排量，从而改善部分负荷运行时的经济性。控制器根据工况优化所选择的排量，快速而准确地控制气门定时。现在已研究出电磁进、排气机构，它能使柴油机在不同转速与负荷下，保持最佳换气时面值与排气定时，因而使发动机在各个工况下都有最佳充气效率，并使强制排气损失最小。3.2新型喷油系统的研发应用柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧，而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素，虽然高压共轨系统有很多的优点，但是不能忽视的问题是如何进一步提高其喷射压力，进而提高柴油机性能且降低烟度和颗粒的排放。由于共轨系统不仅有高压油管还有共轨管，使其高压容积增大，因此进一步提高喷射压力比较困难。另外，共轨压力的调整比较复杂，有较大的滞后性，如果缩短调节时间将可能导致共轨压力振荡超调。为防止压力波动太大，一般需要通过几个发动机工作循环才能建立稳定的共轨压力，而电控单体泵可以实现喷射循环间燃油压力的单独建立，而且响应速度快，但是电控泵喷嘴和电控单体泵的喷射压力随发动机转速的变化而变化，而且它们的喷射特性决定了预先设计的凸轮型线，喷油开启和关闭也不能灵活调整。因此人们又在探索将电控单体泵（或电控泵喷嘴）和高压共轨系统结合，各自发挥其优势，这样就出现混合式电子控制系统。3.2.1 电控单体泵和高压共轨喷油器组成的混合式喷油系统该系统是通过将现有的电控单体泵和高压共轨喷油系统的优点进行整合，采用电控单体泵来灵活建立和控制高压燃油供给，采用高压喷油器来灵活实现燃油的喷射。它实现了供油和喷油的独立控制，根据喷射需要能及时产生高压，降低了系统的加工难度，提高了系统的安全性。3.2.2电控单体泵和高压共轨喷油器加共轨管组成的混合式喷油系统 （1）由传统电控单体泵、高压共轨喷油器和共轨管组成的混合式喷油系统。这是美国Delphi公司提出的一个技术。这里的“传统电控单体泵”是指其中常开电磁阀的阀芯依然是菌状倒圆锥形阀加圆柱形的导向杆组成。该系统减少泵油过程对喷油过程的影响，但由于常开电磁阀是压力平衡式的菌状倒圆锥形，会产生高压燃油的泄漏和系统压力的非正常振荡，进而影响喷油特性。 （2）针对上述系统存在的问题，Delphi公司提出来新的技术方案，采用新型电控单体泵、高压共轨喷油器和共轨管组成的混合式喷油系统。新型电控单体泵的电磁阀是具有自锁功能的常开电磁阀，有效的解决高压燃油的泄漏，而且降低了阀芯和阀体内孔的加工精度，使成本大大减小，提高了可靠性，实现了灵活、柔性的喷油控制。 4 柴油机电子控制系统的发展趋势4.1柴油机电子控制系统的发展趋势电子控制技术的引入，开创了柴油机控制技术机电一体化的新时代，可以说今后的电子控制系统将会是高喷射压力、喷油量和喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的一个趋势，而柴油机各系统的全电子控制也是必然的趋势。综合分析柴油机电子控制系统的历史和现状，它的主要发展动向有以下几点： （1）改善柴油机的燃油经济性在世界发生石油危机的条件下，改善柴油机的燃油经济性已成为研究热点。而高的喷射压力、独立的喷射压力控制、小孔径喷油、较高的平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高燃油经济性。 （2）可变的预喷射能力 预喷射可降低颗粒排放，又不会增加NOX的排放，还可改善柴油机冷起动性、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速转矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。因