电控共轨技术的应用与分析

1、商丘工学院商丘工学院 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题目题目 电控共轨技术的应用与分析 院 别 机械工程学院 专 业 汽车检测与维修 学生姓名 成 绩 指导教师 徐雁波 2013 年 1 月 摘 要 随着世界能源危机和环境污染的加重，为了节约能源、降低排放，使得柴 油机电控喷射技术得到了飞速的发展。既要想保住直喷柴油机卓越的燃油经济 性能，又要满足日益严格的排放法规，最重要的一步还是改善燃烧过程，而燃 油喷射系统的性能又是影响柴油机燃烧过程至关重要的环节。高压共轨电控燃 油喷射技术的应用则发挥了巨大的威力，进一步降低燃油消耗、增强了动力性 能和满足了更加严格的排放法规，并使系统具有更高的喷

2、射压力和更加灵活的 喷油方式。因此，被认为是内燃机行业的一大突破，并成为柴油机电控喷射系 统的主流，新一代绿色柴油机的标志。并且随着电控共轨技术的不断提高，其 在发动机的应用上越加广泛，也越加重要。 关键词：关键词：柴油机；电控；高压共轨；应用；发展 目 录 前 言.1 1 电控共轨技术的影响与发展趋势 .2 1.1 电控共轨技术的影响 .2 1.2 电控共轨技术的发展趋势 .2 2 共轨式电控燃油喷射技术简介 .3 2.1 共轨式电控燃油喷射技术的组成 .3 2.2 共轨式电控燃油喷射技术的原理 .3 2.3 共轨式电控燃油喷射技术的特点 .3 3 电控共轨喷油系统的原理和类型 .4 3.1

3、 电控喷油系统原理 .4 3.2 电控喷油系统类型 .4 3.2.1 位置控制式（第代）.4 3.2.2 时间控制式（第代）.5 3.2.3 时间压力控制式（第代）.5 4 发动机电控共轨技术的应用 .6 4.1 喷油压力控制技术 .6 4.1.1 变排量技术.6 4.1.2 进油节流调节技术.6 4.2 喷油量控制技术 .7 4.2.1ECDU2 电控喷油系统的喷油量控制框图.8 4.2.2 喷油量计算.8 4.3 喷油率控制技术 .9 4.4 喷油定时控制技术 .9 结论.11 参考文献.12 前 言 如今，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段， 主流加上环保意识的增强

4、对未来的汽车技术要求将越来越严格化，在过去的几 十年里，我国车用柴油机虽然得到了飞速的发展，但是柴油机产品的质量一般 不高，可靠性较差，能耗高，排放污染严重，动力性、紧凑性、振动和噪音等 指标也较低。近年来，国外柴油机普遍采用电子控制技术、直喷式高压喷射技 术以及增压中冷、废气再循环和多气门技术，电子控制共轨喷射技术也进入了 实用普及阶段。要实现内燃机工业的可持续发展，电控共轨喷射技术已势在必 行。柴油机工作噪声大，尾气排放超标，为了解决这些缺陷，现代柴油机都采 用共轨电控燃油喷射技术。 1 电控共轨技术的影响与发展趋势 1.1 电控共轨技术的影响 高压共轨电控燃油喷射技术的出现使得车用柴油机

5、的发展获得了新生，它 不仅保留了传统柴油机卓越的燃油经济性能，还进一步降低了颗粒物和碳烟的 排放，使其更节能，排放更环保，在性能上已远远超过了传统汽油机。同时， 该技术还具备很大的发展潜力，进一步的研究主要体现在以下几个方面：提高 喷射压力；减小喷孔直径；增加喷孔数目；进一步开发压电喷油器；研制新型 智能传感器；进一步解决共轨压力波动问题；加强控制模式与算法的研究；加 强安全保护、故障诊断及紧急运行能力的研究；进一步优化系统匹配；不断提 高系统可靠性和寿命；降低成本。总之，共轨电控燃油喷射系统的进一步发展 与优化涉及到执行器、传感器、计算机和控制技术，是一门综合性的新兴技术， 只有在发展中不断

6、完善。 1.2 电控共轨技术的发展趋势 正是由于共轨电控燃油喷射技术具有很多优点，所以该技术一经问世，就 得到世界上大多数柴油机制造厂商的青睐，其中，高压共轨系统被认为是 20 世 纪内燃机技术的三大突破之一。现在国内外许多内燃机专家学者都在致力于该 项新技术的研究，并着手开发新一代的高压共轨系统产品及其与之配套的产品。 目前，这一项技术的发展方向有：1，可靠保证高压共轨系统的恒高压密封性； 2，尽量降低高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀；3， 进一步优化高压共轨系统三维控制数据；4，解决微结构、高频响电磁开关阀涉 及与制造过程中的关键技术。 2 共轨式电控燃油喷射技术简介

7、2.1 共轨式电控燃油喷射技术的组成 共轨电控喷射系统的组成高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共 轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。 2.2 共轨式电控燃油喷射技术的原理 共轨式电控燃油喷射技术通过共轨直接或间接地形成恒定的高压燃油，分 送到每个喷油器，并借助于集成在每个喷油器上的高速电磁开关阀的开启与闭 合，定时、定量地控制喷油器喷射至柴油机燃烧室的油量，从而保证柴油机达 到最佳的燃烧比和良好的雾化，以及最佳的点火时间、足够的点火能量和最少 的污染排放。现在该项新技术已开始在国外以柴油机提供动力的汽车上投入使 用，这是世界汽车工业为满足日益严格的废气排放标准的必然趋

8、势。 2.3 共轨式电控燃油喷射技术的特点 柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，因为它集成了计算机 控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身,故其特点如下： 1采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀，使得喷油过程的控制 十分方便，并且可控参数多，益于柴油机燃烧过程的全程优化。 2采用共轨方式供油，喷油系统压力波动小，各喷油嘴间相互影响小，喷 射压力控制精度较高，喷油量控制较准确。 3高速电磁开关阀频响高，控制灵活，使得喷油系统的喷射压力可调范围 大，并且能方便地实现预喷射、后喷等功能，为优化柴油机喷油规律、改善其 性能和降低废气排放提供了有效手段。 4系统结构移植方便，

9、适应范围宽，不像其它的几种电控喷油系统，对柴 油机的结构形式有专门要求。 3 电控共轨喷油系统的原理和类型 3.1 电控喷油系统原理 柴油机燃油喷射具有高压、高频和脉动等特点，其喷射压力高达 60150MPa，是汽油机喷射的几百倍甚至上千倍。另外，柴油机喷射对喷射量 和定时精度要求非常高，相对于柴油机活塞压缩上止点角度位置的测量，远比 汽油机要求精确，这就导致了柴油机喷射的电控传感器、执行器和控制器比汽 油机要复杂得多。 柴油机在机械控制时代就已经有直列泵、分配泵、泵喷嘴和单体泵等结构 完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，又有多种不同的结构，实 施电子控制技术的执行机构也相对比较复杂

10、，因此形成了柴油机电控喷射系统 的多样化。 柴油机电控喷油系统由传感器、电控单元 ECU 和执行器 3 部分组成。传感 器包括柴油机转速传感器、加速踏板位置传感器、供油拉杆位置传感器、喷油 时刻传感器、车速传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、燃油温度传感 器及冷却水温度传感器等。电控单元（ECU）根据各种传感器实时检测到的柴油 机运行参数，与 ECU 中预先已经存储的技术参数值或参数脉谱（MAP）图相比较， 按其最佳值或计算后的目标值把指令输送给执行器，执行器根据 ECU 的指令， 控制喷油量、喷油时刻和喷油规律，从而实现各工况下的最佳控制。 3.2 电控喷油系统类型 3.2.1 位置控制

11、式（第代） 在原有喷油泵、高压管和喷油嘴系统的基础上，只是对齿条式滑套的移动 位置由原来的机械调速控制改为电子控制。其仅能控制喷油量，控制范围小， 精度也较差，在直列泵和分配泵上都有应用。 3.2.2 时间控制式（第代） 用高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射，仍然保留原有的喷油泵、高 压油管和喷油嘴系统，也有采用新型高压燃油系统的。用高速电磁阀直接控制 高压燃油的喷射，喷油始点取决于电磁阀开闭时刻，喷油量取决于电磁阀开闭 的长短，因而既可控制喷油量，也可控制喷油时刻。 3.2.3 时间压力控制式（第代） 电控共轨式喷油系统是用一个高压油泵在柴油机的驱动下，以一定的速比 连续将高压燃油输送到共

12、轨（共用高压油道）内，高压燃油再由共轨送入各缸 喷油器。高压油泵不但向共轨供油以维护所需的共轨压力，而且通过连续调节 共轨压力来控制喷射压力。同时，采用压力时间式燃油计量原理，用高速电 磁阀控制喷射过程、喷油压力、喷油量、喷油定时及喷油规律，由电控单元 （ECU）根据各传感器的适时信息进行适时控制。该系统可实现高压喷射，最高 已达 200MPa。喷油定时和喷油量可适时调节，并能实现预喷射，调节喷油速率， 实现理想的喷油规律，从而优化燃烧过程，使发动机油耗、烟度、噪声及排放 等性能指标明显改善。 4 发动机电控共轨技术的应用 4.1 喷油压力控制技术 在普通液压传动系统中，对定量泵系统均采用溢流

13、阀来调节系统的压力。 在车用柴油机共轨喷油系统中，高压油泵在柴油机的驱动下，会随发动机转速 的变化而变化，且变化范围很大。高压油泵的输出流量也会大幅度变化。若高 压油泵按低速最大喷量的要求设计，会使高压油泵在高速时输出超高压的油液， 致使大部分高压燃油通过溢流阀泄走，从而损耗功率，降低发动机总效率。因 此，在共轨喷油系统中，常采用其它方法来调节喷油压力。 4.1.1 变排量技术 变排量就是根据发动机的转速和负荷变化来调节高压油泵的排量，从而实 现对喷油压力调节的功能。ECD 系统要进行两级计算：第一级是由各种传感器 信号确定的目标喷射压力 f1p；第二级是为实现 f1p ，确定接通压力控制阀的

14、 脉冲启动时间 fT。f1p 靠基本的目标喷油压力 fbp 来确定，fbp 由发动机转速 eN 和负荷 f1Q 来确定，还要进行冷却水温、进气压力和进气温度的补偿。根据 目标压力 f1p 和共轨压力传感器所测得共轨内实际喷油压力 cp 的差值，应用模 糊 PID 的校正得到 fbkT，然后与基本的控制阀启动时间 fbT 进行相加，得到最 后的控制阀变动时间 fT。最后，经过时间间隔 fT(以气缸检测传感器的信号作 为计时标准的开始） ，压力控制阀 PCV 启动关闭。在启动、柴油机空转或油机低 速运转时，对 PCV 阀进行开环控制，以迅速获得共轨油压，随着发动机转速的 升高或共轨油压的升高，PC

15、V 阀将自动转入闭环控制。 4.1.2 进油节流调节技术 进油节流调节技术就是在高压油泵的进油口（即吸油口）处安装一节流阀， 通过调节该节流阀流截面的大小来调节油泵的吸油量，从而实现对油泵输出油 量的调节，达到对共轨油压的调节。进油节流阀可以是电磁比例节流阀或电磁 溢流阀，通过电磁吸力与弹簧力的平衡位置来实现压力调节，如图 4-1 所示。 图 4-1 电磁溢流阀的结构 1-钢球 2-阀杆 3-电磁铁 4-弹簧 5-电气接头 6-衔铁 4.2 喷油量控制技术 共轨电控喷油系统的喷油量控制都采取高速电磁开关阀。电磁阀关闭时刻 为喷油始点，电磁阀关闭时间长短即为喷油量的大小。但是，驱动电磁阀的脉 宽

16、不仅取决于喷油量，而且还取决于共轨压力的大小。 4.2.1ECDU2 电控喷油系统的喷油量控制框图 图 4-2 ECD 一 U2 喷油系统的喷油量控制框图 1-发动机转速传感器 2-加速踏板位置传感器 3-水温传感器 4-进气歧管压力传感器 5-进气温度传感器 6-启动器 SW 7-高压供油泵 8-共轨管 9-燃油压力传感器 10-电源驱动 器 11-喷油器 4.2.2 喷油量计算 在电控单元内进行两级运算：第一级计算喷油量，在由各传感器提供信息 的基础上确定每次喷射的目标喷量 vbq；第二级是确定驱动电磁阀的脉宽。在 计算喷油量时，要分别检索 vbq 和 vfuq。vbq 取决于发动机转速

17、eN 和加速踏板 位置 cepA；vfuq 为允许的最大喷油量，取决于发动机转速 eN、进气压力 imP 和进气温度 hAT。为了得到目标喷油量，要从 vbq 和 vfuq 中选择最小值。 因 为喷油量 vf1q 是电磁阀控制脉宽 qT 和共轨压力 cP（喷油压力）的函数，即 vf1q=f(qT,cP)，它是精确的“时间压力计算系统” ，所以根据目标喷油量 vf1q 和共轨压力就可以得到 qT。ECU 在得到 qT 后，指令驱动电磁阀动作。 BOSCH 公司的 CR 共轨喷油系统采用二位二通常闭式电磁阀，通过控制腔实现燃 油的喷射控制。二位二通电磁阀不仅可实现喷油量和喷油定时的精确柔性控制，

18、还可实现喷油速率的精确控制。 4.3 喷油率控制技术 喷油率是指喷油量对喷油时间（或喷油角度）的微分随时间或曲轴转角的 变化关系，即喷射率的波形，也就是喷油规律。喷油率是柴油机燃烧的重要参 数之一，改善燃烧过程的关键技术之一是通过控制喷油率来控制燃烧过程，以 实现其理想化。一般喷油率曲线可分为 3 部分：一是喷油初期（即着火延迟期） ， 从喷油到着火燃烧；二是喷油中期，即从着火燃烧到喷油压力升至最高；三是 喷油后期，从喷油压力最高值到喷油结束。理想的喷油率形状曲线如图 4-3 所 示。 图 4-3 理想喷油率曲线 1.预喷射 2.靴形喷射 3.主喷射 4.后喷射 日本电装公司的 ECDU2 高

19、压共轨电控喷油系统，由三通阀（TWV）通过控 制喷油器控制腔中的压力来实现喷油过程控制；美国的 HEVI 共轨液压式喷油系 统，是通过其电控喷油器中增压柱塞和柱塞套上的精密孔道回油控制来实现喷 油速率形状控制的；而德国 BOSCH 公司的 CR 共轨喷油系统是通过给高速电磁阀 多次通电，实现多段喷射、预喷射和后喷射。 4.4 喷油定时控制技术 在 ECU 中进行两级计算：第一级是根据各种传感器信号确定目标喷射始点 时刻 fi；第二级是为了实现目标喷射始点时刻 fi，确定三通电磁阀通电启 动时刻 cT。图 5 中，b 是由发动机转速和负荷来确定基本喷射定时 fi 的。 为了确定目标喷射定时 fi，还要加上进气压力补偿 p 和水温补偿值 w。 因 fi 是以曲轴转角（上止点前）值表示的，所以要根据发动机转速换算成时 间，然后再得到从参考计时标准 30信号算起的时间间隔 cT，最后得到三通阀 通电起点。三通阀通电后，喷油器控制室内的高压燃油在针阀快速打开时迅速 喷出。 与喷油量控制不同，喷油定时的控制含有从曲轴转角到时间的换算。受到 发动机转速的影响，转速的测量精度至关重要。因此，柴油机转速传感器和测 量电路精度要求很高，转速传感器多为磁电式或霍尔式。