012柴油机电控喷油技术

柴油机电控喷油技术,主讲：舒华教授军事交通学院,第二章柴油机电控喷油技术,第一节柴油机电子控制技术基础第二节位置控制式柴油喷射系统第三节时间控制式柴油喷射系统第四节高压共轨式柴油喷射系统,汽车新技术参考文献,汽车为何采用电子控制技术?,汽车为什么要采用电子控制技术（原因）？全球性的能源危机与环境保护促使汽车油耗法规、排放法规、安全法规要求提高;电子控制技术能够满足汽车发展要求。汽车采用电子控制技术的目的（目的）？降低油耗：节约能源减少排放：保护环境提高性能：动力性、经济与排放性能、安全性、舒适性、操稳性、通过性,汽车电子控制系统基本组成,控制原理：电子控制单元ECU根据传感器采集的信号和开关信号计算确定控制量，并向执行器发出控制指令，由执行器完成具体控制动作，从而实现预期的控制目标。,汽车电子控制系统的功用,由传感器、电器开关、电子控制器和执行器等组成的、能够提高汽车性能的有机整体。如发动机电子控制系统、底盘电子控制系统和车身电子控制系统等子系统。,电子控制系统,提高汽车的整体性能。（动力性、经济性、排放性、安全性、舒适性、操纵性与通过性）,第一节柴油机电控技术基础,一、柴油机电控系统分类按控制方式分：三种类型位置控制式柴油喷射系统时间控制式柴油喷射系统高压共轨式柴油喷射系统按供油机构的结构型式分：四种类型直列泵式电控喷油系统分配泵式电控喷油系统泵喷嘴式电控喷油系统单体泵式电控喷油系统,二、柴油机电控系统控制功能,（一）喷油量控制：基本喷油量控制启动喷油量控制怠速转速（喷油量）控制加速时喷油量控制各缸不均匀油量补偿控制恒定车速（巡航）控制,三、喷油定时与辅助控制功能,喷油压力控制喷油率控制故障自诊断控制故障应急处理控制进气量控制EGR控制,三、电控柴油喷射技术控制策略,第一代：70年代，位置控制式电控喷油系统第二代：80年代，时间控制式电控喷油系统第三代：90年代，高压共轨式电控喷油系统,四、喷油量的计算,当转速升高时，发动机在一个工作循环内所占的时间缩短，其进气量将减小，所以基本喷油量Qj减小。发动机工作时，每循环基本喷油量的变化：1.0Qj1.5Qj启动喷油量为：Qq=（1.31.5）Qj怠速喷油量为：Qd=（0.20.25）Qj,第二节位置控制式柴油喷射系统,一、电装ECD-V1型电控分配泵系统组成传感器：9-油泵转速传感器；1-滑套位置传感器；7-喷油提前器活塞位置传感器；执行器：10-线性电磁线圈；6-喷油定时控制阀；5-滑套。2-最大供油量调节螺钉；3-断油电磁阀；4-出油阀；8-叶片式输油泵；,二、ECD-V1型电控系统结构特点,（1）喷油量采用电子调速器控制保留了博世VE型分配泵的油量控制滑套，取消了原有离心式调速器，采用了电子调速器来控制喷油量；（2）喷油定时采用电子提前器控制。保留了博世VE型分配泵原有的液压提前器，采用了电子提前器来控制喷油定时。,三、ECD-V1型电控系统喷油量控制,控制喷油量：电子调速器喷油泵转速传感器油门开度传感器ECU和线性电磁铁机构喷油量反馈控制：控制喷油修正量滑套位置传感器ECU和线性电磁铁机构,（一）ECD-V1系统喷油量控制方法,当油门开度增大需要增大喷油量使发动机转速升高时：ECU占空比增大线圈平均电流增大电磁吸力增大滑套右移量增大喷油器喷油量增大发动机转矩增大、转速升高。当油门开度减小时：滑套右移量减小喷油量减小发动机转矩减小、转速降低从而实现电子调速。滑套右移最大位移量：2mm。,（二）ECD-V1系统喷油量反馈控制,当滑套左右移动时，ECU根据实际位移量与目标位移量之差，对喷油量进行反馈控制：当滑套的实际位移量小于目标位移量时，ECU控制占空比增大，线圈平均电流增大，电磁铁机构带动滑套右移量增大。当滑套实际位移量大于目标位移量时，ECU控制占空比减小，使线圈平均电流减小，滑套右移量减小，喷油量闭环控制。,四、ECD-V1型电控系统喷油定时控制,电子提前器：控制喷油定时喷油泵转速传感器、油门开度传感器、ECU和喷油定时控制阀TCV、定时控制活塞反馈控制：控制喷油提前角修正量活塞位置传感器、ECU和定时控制阀TCV、定时控制活塞,（一）喷油定时控制阀TCV,两位（打开位置、关闭位置）两通（进油口、出油口）电磁阀TCV阀门设在活塞高、低压腔之间的管路上。进油口为高压端，与喷油泵内腔和定时控制活塞的高压腔连接；出油口为低压端，经油道与叶片式输油泵的进油口和细滤器连接。,（二）定时控制活塞位置传感器,类型：螺管型差动变压器式功用：检测活塞的位移量信号结构：壳体：固定机件铁芯：随活塞一同移动感应线圈：一个初级线圈两个次级线圈,（三）喷油定时控制原理,当活塞左移时，就会经连接销、传力销推动滚轮架绕其轴线沿顺时针方向（与凸轮盘转向相反）转动一定角度，使凸轮盘端面的凸峰提前一定角度与滚轮相抵靠，分配泵转子向右移动时刻提前，从而实现提前喷油。即活塞左移量增大时，喷油提前角增大；反之，活塞左移量减小时，喷油提前角减小。,（四）喷油定时控制方法,ECU根据喷油泵（或发动机）转速和加速踏板位置信号计算确定喷油提前角以及定时控制活塞的目标位移量，并向定时控制阀发出占空比信号进行控制。当需要增大喷油提前角时，ECU向TCV发出占空比减小的控制信号，高电平短，低电平长，电磁阀平均电流减小，阀门开度减小，两腔压差增大，活塞左移量增大使喷油提前角增大。,（五）喷油定时反馈控制方法,当实际位移量小于目标位移量时，ECU控制占空比减小，电磁阀平均电流减小，阀门开度减小，两腔压差增大，使活塞左移量增大；当实际左移位移量大于目标位移量时，ECU将控制占空比增大，阀门开度增大，两腔压差减小，使活塞左移量减小，从而实现喷油提前角闭环控制。,五、位置控制式电控系统的特点,（1）升级改造成本较低。保留喷油泵、高压油管、喷油嘴等部件。（2）喷油量采用电子调速器控制。（3）喷油定时采用电子提前器EVT控制。（4）柴油机性能得以改善。动力性和经济性得到改善。缺点：由于燃油的压送机构与机械式燃油系统相同，仍由凸轮驱动压油，燃油喷射压力没有提高，因此，难以改善柴油机的排放性能。,第三节时间控制式电控喷油系统,概念：时间控制利用高速电磁阀控制喷油结束时刻来调节喷油量。一、控制方法将控制柴油机齿杆（或滑套）的位移改为直接控制电磁阀阀门打开，使高压柴油立即卸压溢流结束喷油。,一、时间控制式电控系统控制方法,ECU根据油门开度AC和转速ne信号从MAP图中查寻目标喷油量数值；根据目标喷油量和喷油泵转角信号计算确定对应的喷油目标转角；向高速电磁阀发出控制指令；电磁阀动作，从而实现喷油量控制。,二、时间控制式电控系统的特点,喷油始点：端面凸轮行程决定，油压开始上升时刻为喷油开始。喷油终点：高速电磁阀控制喷油结束时刻。显著特点：喷油结束时刻越晚，喷油量越大；结束时刻越早，喷油量越小。响应速度快：已达0.25ms，控制喷油结束时间就可控制喷油量，故称为“时间控制”。（位置控制：系统为40ms50ms）,三、电装ECD-V3型电控分配泵系统特点,曲轴位置传感器、喷油泵转角传感器、加速踏板位置传感器、燃烧始点光电传感器、ECU、电磁溢流阀和定时控制阀TCV等组成。去掉了ECD-V1系统的电子调速器，在喷油泵的泄油通道上设置了一只电磁溢流阀，利用该电磁阀控制喷油结束时刻来控制喷油量的大小；喷油定时（喷油提前角）控制策略与ECD-V1型电控分配泵系统相同。在滚轮架上设置了一只喷油泵转角信号发生器，利用曲轴位置信号与喷油泵转角信号之间的相位差作为喷油定时（喷油提前角）的反馈控制信号；增设了燃烧始点传感器。检测燃烧闪光产生的信号，对喷油定时（喷油提前角）进行补偿调节，消除柴油品质（十六烷值）和大气压力等变化对柴油机性能的影响。,（一）电磁溢流阀结构原理,功用：控制喷油结束时刻（喷油终点）组成：一个电磁阀（导向阀）和一个液压自动阀（主阀）主阀：设有高压油道和溢流通道，高压油道与柱塞右侧的高压腔连接，溢流通道与喷油泵泵腔连接。,（1）电磁溢流阀通电时工作情况,当电磁溢流阀通电时：两阀关闭，压油与喷油。图（c）示。电磁阀产生电磁吸力克服复位弹簧张力左移阀门关闭。与此同时，高压腔燃油既作用在主阀正面（左面），也通过主阀上的小孔作用于主阀背面（右面）。因为阀座面的密封截面小于主阀直径，所以主阀右面的作用力大于主阀左面的作用力主阀阀门也关闭不会溢流。柱塞高压腔油压随柱塞右移而升高并通过喷油器喷油。,（2）电磁溢流阀断电时工作情况,电磁阀断电：导向阀开主阀迅速打开溢流卸压停止喷油断电时：弹簧张力使导向阀右移复位阀门打开，图d）导向阀开时：由于主阀小孔节流使左面油压下降缓慢，因此，主阀左面压力大于右面压力主阀迅速打开溢流卸压停止喷油，图e）示。导向阀响应时间：全开为1.1ms，全关为1.2ms。,（二）喷油泵转角传感器,功用：向ECU提供喷油泵转速与转角信号，控制喷油终点。信号发生器：安装在滚轮架上。信号齿圈：安装在喷油泵驱动轴上。设凸齿和齿缺，大齿缺段缺两个凸齿，大齿缺数与发动机气缸数相等。四缸机：凸齿52个、小齿缺48个、大齿缺4个每个凸齿或小齿缺信号占喷油泵轴转角均为3，大齿缺占15。,四、ECD-V3系统喷油量的控制,当ECU接收到大齿缺后的第一个上升沿信号时，说明凸轮开始压油使喷油器喷油，图（b）示，ECU开始对转角信号进行计数。当喷油泵转角等于目标喷油角度时（图中=24），ECU立即向电磁溢流阀发出低电平控制信号，使电磁溢流阀断电，导向阀和主阀迅速打开，柱塞高压腔内燃油迅速溢流卸压使喷油停止将喷油角度（喷油量）控制在目标喷油角度值（目标喷油量数值）。喷油量ECD-V3型080mm3/行程、ECD-V4型为090mm3/行程、ECD-V5型为050mm3/行程。,五、ECD-V3系统喷油定时控制,控制方法：ECD-V3型同ECD-V1型由TCV控制定时控制活塞两端的压差来控制喷油定时（喷油提前角）。反馈控制信号不同：由曲轴位置传感器信号与喷油泵转角传感器大齿缺后第一个上升沿信号之间的相位差决定转角信号发生器安装在滚轮架上可角位移,（一）喷油定时反馈控制信号的确定,反馈信号实际喷油提前角当喷油提前角=0时，滚轮架处于图a中间位置，大齿缺后第一个凸齿信号上升沿对应于气缸活塞的压缩上止点TDC，图d所示；当=1时，齿圈位置不动，信号发生器转动1度，图b所示；信号上升沿提前1度产生，图e所示；ECU计算：=-1=36-18=18ECD-V3：025、ECD-V4、ECD-V5：036(曲轴转角),（二）喷油定时反馈控制方法,ECU向TCV发出占空比信号进行控制。若实际喷油提前角小于目标喷油提前角时：ECU向TCV发占空比减小信号，TCV平均电流减小，阀门开小，两腔压差增大，活塞左移量增大使喷油提前角增大；反之，占空比增大，阀门开大，压差减小，活塞左移量减小使提前角减小，实现提前角闭环控制。,第四节高压共轨式电控喷油系统,一、东风朝柴公司高压共轨系统组成,1-油压传感器；2-共轨；3-限压阀；4-电控喷油器；5-进气温度传感器；6-冷却液温度传感器；7-大气压力传感器；8-加速踏板位置传感器；9-凸轮轴位置传感器；10-曲轴位置传感器；11-ECU；12-高压油泵；13-压力控制阀PCV；14-油滤器；15-油箱；16-电动燃油泵,（二）高压共轨式柴油喷射系统组成,图3-19Bosch高压共轨式柴油喷射系统组成,（三）博世共轨系统控制部件安装位置,图3-20Bosch高压共轨式柴油喷射系统控制部件的安装位置,（四）博世高压共轨系统组成,空气供给系统：空气流量传感器进气温度传感器大气压力传感器增压压力传感器燃油供给系统：低压通道：燃油箱、输油泵（电动燃油泵）、柴油滤清器（粗滤器和细滤器）、低压输油管、低压回油管高压通道：高压泵、高压油管、共轨、限压阀、流量限制阀和喷油器电子控制系统：电控油压系统：共轨油压传感器、ECU和共轨压力控制阀PCV电控喷油系统：曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、加速踏板位置传感器、冷却液温度传感器、ECU和电控喷油器,二、高压共轨式喷油系统关键技术,朝柴电控发动机采用的（Bosch）控制部件,（一）高压共轨电控系统控制部件,朝柴电控发动机采用的（Bosch）控制部件左上高压泵；右上喷油器；左下共轨；右下电控单元ECU,（2）高压共轨系统的控制部件特点,传感器：同汽油喷射系统电控单元：EDC16C执行器：电磁喷油器燃油油轨（直径增大）高压供油泵（CP1H）,（3）朝柴CPS/CIS传感器安装位置,曲轴转速传感器信号发生器安装在飞轮壳上作用：计算曲轴位置、发动机转速、喷油定时、喷油量凸轮轴相位传感器信号发生器安装在齿轮室内作用：确定一缸压缩上止点TDC、各缸的TDC位置曲轴与凸轮轴位置传感器同型：DG6，磁感应式信号发生器，信号发生器可互换使用,（二）Bosch电控喷油器,电控喷油器分类：电磁控制式喷油器电磁式喷油器压电晶体式喷油器压电式喷油器,1.电磁式喷油器,（1）电磁式喷油器结构组成,电磁控制机构：电磁阀电磁线圈+阀芯（铁芯）复位弹簧（上部）球阀液压伺服机构：柱塞：控制腔连两节流孔孔式喷油器：针阀（锥面、阀座）复位弹簧（下部）连接：高压油管接口（入口）低压回油口（出口）喷油器线束插座,电磁喷油器=电磁控制机构+液压伺服机构+孔式喷油器,（2）电磁式喷油器工作原理,当电磁阀断电时：图（c）复位弹簧张力使球阀压在阀座上，高、低压通道关闭，柱塞控制腔压力+针阀复位弹簧力大于针阀锥面压力，针阀关闭，不喷油。当电磁阀通电时：图（d）电磁力克服弹簧张力使球阀阀芯上移，球阀打开回油通道接通，部分高压燃油经进油和回油节流孔节流后流回油箱，柱塞控制腔压力降低，针阀锥面压力大于控制腔压力+柱塞弹簧力，针阀上移，阀门打开，喷油。,回油通道：高压油轨高压油管接头进油节流孔柱塞控制腔回油节流孔球阀回油口油箱,（3）电磁式喷油器工作结论,当电磁阀通电时：电磁阀球阀阀门打开，喷油器针阀阀门打开，喷油器开始喷油。当电磁阀断电时：电磁阀球阀阀门关闭，喷油器针阀关闭，喷油器停止喷油。结论：通电时间=喷油持续时间断电时间=停止喷油时间,当燃油压力一定时：通电时间越长，喷油量越大；通电时间越短，喷油量越小。,2.压电晶体式喷油器,PZT：压电控制机构+液压伺服机构+孔式喷油器,（1）压电晶体式喷油器特点,压电控制机构：压电晶体：多层陶瓷（层厚20200m）烧结成压电晶体堆芯，层间设有电极。生产技术与电容器相似大活塞小活塞球阀单向阀线束插头液压伺服机构：同电磁式孔式喷油器：同电磁式,压电：指由机械压力引起电介质晶体放电，或应用电压而使电介质晶体产生压力。,（2）压电晶体式喷油器工作原理,当压电晶体断电时，喷油器不喷油（图3-29c）球阀关闭，控制腔建立高压，针阀关闭，不喷油。当压电晶体通电时，喷油器喷射燃油。（图3-29d）晶体堆芯伸长球阀打开回油回油通道为：共轨高压接头进油节流孔柱塞控制腔回油节流孔球阀小活塞油腔回油口回油管油箱。控制腔压力降低针阀上升阀门打开喷油。结论通电时间越长，喷油量越大；通电时间越短，喷油量越小。,基本原理：压电晶体受电压作用而伸长推动活塞移动球阀打开燃油回流使柱塞控制腔压力降低针阀锥面燃油压力使针阀上升阀门打开喷油。,（三）高压泵供油泵,组成：偏心轮柱塞组件：3套进油阀、出油阀壳体和油道,功用：提供高压燃油,（2）高压泵工作原理,当柱塞下行时（左图）：柱塞腔容积增大，压力降低使进油阀打开，低压燃油由进油阀进入柱塞腔，对高压泵进行充油。当柱塞上行时（右图）：柱塞腔容积减小，压力增大使进油阀关闭，燃油建立起高压。当柱塞上行行程增大使腔内压力高于共轨中的燃油压力时，出油阀被打开，高压燃油在压力控制阀PCV的控制下供入共轨管内。,（3）供油切断电磁阀与单向阀,断油电磁阀功用：适时切断柱塞供油，减少高压泵的功率消耗。高压泵按最大供油量设计，发动机怠速和部分负荷时，多余燃油经压力控制阀PCV和共轨上的限压阀等流回油箱，损失压缩能量，还使燃油升温。当发动机怠速和部分负荷时，电磁阀通电使进油阀打开，燃油不受压缩又流回低压通道，柱塞腔不会建立高压。高压泵与发动机的传动比：i=2（或2.5）,单向阀功用：保持低压油路油压，保证再次启动可靠。当高压泵停止转动时，关闭回流通道，保持一定的燃油压力（50kPa以上），保证再次启动发动机能可靠启动。,（四）压力控制阀PCV,PCV功用：根据发动机负荷和转速变化，自动调节供入共轨管内的燃油压力(喷油压力)。PCV组成电磁阀：电磁线圈：电阻值为3.2衔铁（铁芯）、球阀复位弹簧,（3）压力控制阀PCV工作原理,原理：调节供油量：供油量越大，油压越高；供油量越小，油压越低当线圈断电时：球阀关闭。燃油压力弹簧设计负荷=10MPa当线圈通电时：燃油压力=弹簧预紧力+线圈电磁力ECU发出占空比RC控制：RC线圈平均电流IA衔铁电磁力FE球阀减小回油量共轨燃油压力p；RC平均电流IA衔铁电磁力FE球阀开度回油量共轨燃油压力p。RC=Cp=C试验证明：f=1kHzp不波动,（五）共轨公共油轨高压油轨,功用：储存一定数量和一定压力的燃油，保证启动和怠速时燃油迅速升压；减小喷油器开闭以及高压泵工作时引起的油压波动燃油具有可压缩性。特点：粗油管共轨容积很小：30ml左右燃油压力很高：p=160MPa200MPa,（六）限压阀压力限制器,图3-251-高压燃油；2-锥形阀；3-节流孔；4-锥形活塞；5-复位弹簧；6-限位套；7-阀体；8-通孔；9-回油孔功用：限制共轨燃油的最高压力，防止损坏发动机机件。组成：阀体7、锥形活塞4、复位弹簧5、限位套6原理：ppmax时，锥形活塞压缩复位弹簧并右移高压燃油流回油箱燃油压力降低限定最高压力。回油通道：共轨阀座节流小孔活塞锥面节流孔3活塞4内腔限位套6内腔通孔8回油孔回油管9燃油箱。,（七）流量限制阀流量限制器,组成：阀体(壳体)5：制作有阀座7阀芯(柱塞)