汽车电子控制技术课件：柴油机电控系统

汽车电子控制技术柴油机电控系统学习目标通过本项目的学习，了解柴油机电控技术的发展历史与应用现状；了解柴油机电控系统的特点、基本组成和工作原理、应用在柴油机上的电子控制系统；了解电控共轨燃油系统的特点、技术优势、结构类型；掌握电控共轨燃油喷射系统的结构组成、控制原理、主要零部件的结构与工作原理、系统的检修方法，为全面系统地掌握柴油机电控系统故障检测与检修打下坚实的基础。课题一柴油机电控系统概述一、柴油机电控技术的发展历程二、柴油机电控系统的主要优点三、柴油机电控系统的基本组成与控制功能四、柴油机电控系统的控制内容五、柴油机电控技术的发展趋势课题二柴油机电控共轨燃油喷射系统一、电控共轨燃油喷射系统概述二、高压共轨燃油喷射系统三、压电式共轨燃油喷射系统柴油机电控系统课题一柴油机电控系统概述一、柴油机电控技术的发展历程第一代为凸轮压油，位置控制技术取消了机械控制部件如调速器等，增加了传感器、ECU、执行器等组成的控制系统,使控制精度和速度得以提高。优点:柴油机的结构几乎不需改动,便于对现有柴油机进行升级换代。缺点:响应速度慢,控制精度不够高,供油压力不能精确控制。第二代为凸轮压油，时间控制技术通过高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。可实现供油量控制,又可实现供油正时的控制。优点:控制自由度更大,供油加压与供油调节在结构上相互独立,使喷油泵结构得以简化,强度得到提高,高压喷油能力大大加强。其缺点是:供油压力无法精确控制。第三代为共轨蓄压，电磁阀时间控制技术以电控共轨式喷油系统为特征,直接对喷油器的喷油量、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。高压油泵并不直接控制喷油,而仅仅向共轨供油以维持所需的共轨压力,并通过连续调节共轨压力来控制喷射压力。二、柴油机电控系统的主要优点1.改善了柴油发动机的经济性能和排放性能计算机电控系统能在综合计入对喷油提前角有影响的各种因素后,在初步确定的喷油提前角的基础上,通过反馈控制使其达到或逼近最佳值。2.提高了控制的灵活性柴油发动机电控系统的最大特点之一是控制对策的灵活性。电控柴油机对与各种不同用途的柴油发动机或与其他动力装置的匹配,需要修改的仅仅是储存器中的程序。3.提高了柴油发动机运行工况的控制精度电控柴油发动机及其系统的运行参数或状态稍微偏离目标值,电控系统就能立即进行跟踪并予以及时调节和控制,完成同步调速、无波动转速控制和燃油喷射控制。4.提高了柴油发动机的工作可靠性柴油机电控系统的传感器一旦检测至影响发动机工作可靠性的参数或状态超出规定值的范围,电控系统会立即发出提示警告,同时通过控制执行器进行相应的调节,直到这些参数或状态恢复正常为止。另外,柴油机电控系统具有故障自诊断和带故障运行控制功能。三、柴油机电控系统的基本组成与控制功能1.柴油机电控系统的基本组成（1）信号输入装置信号输入装置（传感器和一些控制开关）用来检测柴油机与汽车的运行状态，并将检测结果转换成电压号输送给ECU。一般来说，电控柴油机一般主要有以下传感器和控制开关。进气温度和压力传感器曲轴信号传感器凸轮轴信号传感器冷却液温度传感器加速踏板位置传感器废气再循环阀位置传感器E/G开关A/C开关动力转向油压开关空档起动开关制动开关（2）电控单元（ECU）电控单元（ECU）的功用是根据各传感器输入信号和内存程序，计算出喷油量和喷油开始时刻，并向执行元件发出指令信号。电控单元（ECU）的软件系统完成的主要功能:单片计算机运行环境的配置、外部信号的输入操作、内部的逻辑运算和处理、对输出信号和驱动的控制、对其他信息系统的通信等。（3）执行元件柴油机电控系统中所用的执行元件远比汽油机复杂，技术含量也要高得多。柴油机电控系统执行元件主要包括以下部件:电控高压燃油设备废气再循环阀控制开关可调喷嘴增压器2．柴油机电控系统的控制功能柴油机电控系统的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电控单元（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。执行器根据电控单元（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。四、柴油机电控系统的控制内容1.燃油喷射控制（1）喷油量的控制（2）喷油正时控制（3）燃油喷射规律控制(4)各缸喷油量不均性控制2.进气控制（1)可变进气涡流控制(2)可变配气正时控制(3)进气节流控制（4）进气预热控制3.怠速控制

(1)怠速转速及怠速稳定性控制(2)怠速时各缸均匀性控制4.废气再循环控制5.废气涡轮增压压力控制

(1)废气旁通通道控制(2)涡轮流通截面或喷嘴截面控制6.故障自诊断与带故障运行控制五、柴油机电控技术的发展趋势1.高的喷射压力为了满足排放法规的要求,柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。2.独立的喷射压力控制供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力,就可选择最合适的喷射压力，使柴油机废气排放最低而经济性最优。3.改善柴油机的燃油经济性高喷射压力、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。4.独立的燃油喷射正时控制不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力,是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。5.可变的预喷射控制能力具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分有利。6.最小油量的控制能力供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力之间发生矛盾。柴油机电控技术容易实现最小油量控制。7.快速断油能力电控柴油机喷油器上采用高速电磁阀开关就很容易实现快速断油。8.降低驱动转矩冲击载荷柴油机电控技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动转矩冲击载荷。课题二柴油机电控共轨燃油喷射系统一、电控共轨燃油喷射系统概述1．电控共轨燃油喷射系统特点

(1)广阔的应用领域用于轿车和轻型载货车，每缸功率可达30kW；用于重型载货车以及机车和船舶的柴油机，每缸功率可达200kW）。(2)喷油压力柔性可调通过控制共轨压力而控制喷油压力。利用共轨压力传感器测量燃油压力，从而调整供油泵的供油量、调整共轨压力。(3)自由调节喷油量根据发动机的转速和喷油量等参数，计算出最佳喷油时间，并控制电控喷要在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。(4)可柔性控制喷油速率变化既可降低柴油发动机NOx排放和降低噪音,同时又能保证柴油发动机具有优良的动力性、经济性。(5)喷油压力与实际使用工况相适应喷油压力的建立与燃油喷射之间无互相依存的关系，喷油压力不取决于发动机转速和喷油量，喷油量由电子控制单元通过计算决定，受到其他制约条件很少。（6）可独立地柔性控制喷油定时配合高的喷射压力(120-170MPa),可同时使NOx和微粒(PM)的排放控制在较小的数值内,以满足排放标准的要求。（7）采用电磁阀控制喷油具有控制精度高,高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象,在柴油发动机运转范围内,喷油量循环变动小。2．电控共轨燃油喷射系统类型共轨柴油系统按油轨压力大小可分为高压油轨和中压油轨两种基本类型。按控制喷油器喷油的电控执行元件的不同,共轨系统可分为电磁阀式和压电式两种类型。（1）高压共轨系统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蓄积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根据柴油机的工作需要控制高速电磁阀迅速打开或关闭,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共同决定喷油量。（2）中压共轨系统中压共轨系统中,输油泵输出的燃油是中、低压燃油,压力为10-30MPa,由此压力燃油进入共轨,然后进入喷油器。喷油器中有液压放大结构(即增压器),燃油在此被加压到120MPa以上,然后再喷入气缸。（3）压电式共轨系统在压电共轨系统中,则是利用压电晶体作为执行元件,通过控制喷油器喷油开始与结束来实现燃油喷射控制。二、高压共轨燃油喷射系统1．系统的组成与控制原理从功能方面组成分析，电控共轨燃油喷射系统可以分成电子控制和燃油供给两大子系统，其组成框图如图5-1所示，组成原理图如图5-2所示。（1）系统组成图5-1高压共轨燃油喷射系统组成框图图5-2电控共轨燃油喷射系统的组成原理（1)电子控制系统电子控制系统由传感器、电控单元和执行器组成。电子控制系统的框图如图5-3所示。电控单元是电控共轨燃油系统的核心部分。根据各个传感器的信息,电控单元计算出最佳喷油时间和最合适的喷油量,并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内向喷油器发出开启电磁阀或关闭电磁阀的指令等,从而精确控制发动机的工作过程。图5-3电子控制系统组成框图（2）燃料供给系统燃料供给系统主要由供油泵、共轨和喷油器组成，如图5-4所示。供油泵将燃油加压成高压油后供入共轨内，共轨实际上是一个燃油分配管，存储在共轨内的高压燃油在适当时刻通过喷油器喷入发动机气缸内，电控共轨系统中的喷油器是由电磁阀控制的喷油阀，电磁阀的开启和关闭由电子控制单元控制。图5-4燃油供给系统组成2．系统的控制原理电控高压共轨燃油喷射系统的控制原理如图5-5所示。图5-5电控高压共轨燃油系统的控制原理2．系统的控制原理燃油由齿轮泵经滤清器从油箱中抽出。此时的压力约0.2MPa，然后油流分为两路：一路经安全阀上的小孔作为冷却油通过供油泵的凸轮轴流入压力控制阀，然后流回油箱；另一路充入3缸供油泵。在供油泵内，燃油压力上升到135MPa，进入共轨。高压燃油从共轨流入喷油器后又分为两路：一路直接喷入燃烧室；另一路在喷油期间与针阀导向部分和控制柱塞处泄露出的燃油一起流回油箱。在电控高压共轨燃油系统中，由各种传感器（如发动机转速传感器、加速踏板位置传感器、各种温度传感器等）实时检测发动机的实际运行状态，由电子控制单元根据预先设计的程序进行计算后，求出适合于该运转状态的喷油量、喷油时间、喷油率模型等参数，使发动机处于最佳工作状态。电子控制单元具有自我诊断功能，它对系统的主要零部件进行技术诊断，如果某个零件产生了故障，诊断系统会向驾驶员发出警报，并根据故障情况自动做出处理。在电控高压共轨燃油系统中，供油压力与发动机的转速、负荷无关，是可以独立控制的。由共轨压力传感器测出燃油压力，并与设定的目标喷油压力进行比较后进行反馈控制。3．系统的控制功能（1)调节喷油压力利用共轨压力传感器测量共轨燃油压力，从而调整的供油量，控制共轨压力。共轨压力就是喷油压力。（2)调节喷油量以发动机的转速及油门开度等信息为基础，由电子控制单元计算出最佳喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油量。（3)调节喷油速率根据发动机运行的需要，设置并控制喷油率：预喷射、后喷射、多段喷射等。（4)调节喷油时间根据发动机的转速和负荷量参数，计算出最佳喷油时间，并控制电子控制喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭等，从而准确控制喷油时间。5.系统的喷射方式（1)二段喷油法二段喷油法是指在主喷油之前有一个喷油相当小的预喷过程，即预喷射加主喷射。在主喷射之前进行预喷射（持续时间约为1ms）可以使燃烧噪声明显降低。（2)多段喷油法多段喷油法是将每一个工作循环中的喷油过程分成若干段来进行，每段喷油均是相互无关、各自独立的，其主要目的是控制燃烧速度。图5-6各段喷油的作用喷射

作用引导喷射通过预混合燃烧，降低颗粒排放效果预喷射缩短主喷射的着火延迟，降低NOX和燃烧噪声后喷射促进扩散燃烧，降低颗粒排次后喷射排温升高，通过供还原剂，促进后处理（催化剂）电控高压共轨燃油喷射系统主要部件有预供油泵、燃油滤清器、高压油泵、压力控制阀、高压共轨管、限压阀、流量限制器、喷油器等，各部件在发动机上的分布位置如图5-7所示。图5-7电控高压共轨燃油系统各主要部件的分布位置6．系统的主要部件（1）预供油泵电控高压共轨燃油系统中所采用预供油泵分为电动式预供油泵和齿轮式预供油泵两种。1)滚柱式电动油泵滚柱式电动油泵主要由泵、电动机、端盖3个部分组成，如图5-8所示。2)齿轮泵式预供油泵齿轮泵由两个反向旋转的齿轮构成，其结构如图5-9所示。图5-8电动油泵的构造图5-9机械式预供油泵（2）燃油滤清器为了使油泵、喷油器等元件保持清洁，在燃油供给系统中安装燃油滤清器。除此之外，燃油滤清器还可以减少燃油中水对喷油器的腐蚀。滤清器中有一个储水室（见图5-10）。调整放水螺钉可以排除滤清器中的水。图5-10燃油滤清器（带油水分离器）（3）高压油泵1)高压油泵的结构组成高压油泵主要由泵体、切断阀、安全阀、压力控制阀等部件组成，如图5-11和图5-12所示。在高压油泵内部，燃油通3个呈120°放射状的泵活塞组成。在每个旋转周期内，3个输送冲程同时进行，只有在低峰值时才产生驱动扭矩，整个油泵驱动应力就会保持一致。将排量为2L的发动机运转到规定的转速，使共轨内油压达到135MPa时，高压油泵需要消耗3.8kW的功率。

图5-11高压油泵的组成2)高压油泵的工作过程

燃油输送至高压油泵。使燃油强制通过安全阀处的节流孔，进入高压油泵的润滑和冷却系统。带有偏心凸轮的驱动轴带动3个泵柱塞随着凸轮的形状上下运动。压力达到安全阀开启压力时，油泵泵出的油将通过高压油泵进油阀进入泵腔，此时泵腔中的活塞向下运动（吸油过程）。当活塞到达下止点时，进油阀关闭。当泵腔中的油压超过输送过程中正常压力时，压力会再增加从而打开出油阀，将油输送到高压油路。泵活塞继续输送燃油，一直到上止点（压油过程），之后压力迅速下降，活塞回位，出油阀关闭，直到活塞再次向下运动。泵腔中的压力降到油泵压力以下时，进油阀再次起动，开始下一个循环。图5-12高压油泵的断面图（4）压力控制阀压力控制阀的组成如图5-13所示，其主要由电磁铁、弹簧、电枢、球阀等组成。压力控制阀的工作过程：图5-13压力控制阀的组成1)压力控制阀不通电时压力控制阀不通电时，没有电磁铁的外力作用，过量的高压油的压力大于弹簧的弹力，顶开弹簧，压力控制阀开启大小由油量决定。弹簧预先设计最大压力约为lOMPa。2)压力控制阀通电时压力控制阀通电时，阀座的压紧力增大，使压力控制阀保持关闭状态，直到一边的高压压力与另一边弹簧的弹力加电磁铁的力达到平衡，阀门打开，然油压力保持恒定。（5）共轨共轨高压蓄压器如图5-14所示，其存储高压燃油，共轨高压蓄压器对所有汽缸而言都是公用的。当大量的燃油排出时，几乎能维持内部的压力不变。图5-14共轨高压蓄压器的组成（6）限压阀限压阀的构造如图5-15所示，限压阀通过打开轨道旁通道限制轨道中的压力。限压阀允许短时间内轨道上的最大压力为150MPa。图5-15限压阀的结构图5-16流量限制器的结构（7）流量限制器流量限制器的结构如图5-16所示，流量限制器内部有一个柱塞，通过弹簧直接与共轨高压蓄压器相连。柱塞的底座密封，通道贯穿进出口。通道的尾部直径减少，起节流作用。1）正常情况下柱塞位于停止位置，流量限制器的导轨端向上顶着止动器。喷射燃油时，流量限制器通过柱塞改变燃油的体积，以补偿喷油器从导轨内喷出的燃油体积。在喷油末期，柱塞偏离底座而占据中间的位置，没有将出口完全关闭，同时燃油可以通过节流孔。2）严重泄漏时由于大量燃油离开燃油导轨，流量限制器被迫离开静止位置并且向上顶着出口的密封底座。柱塞保持在这个位置，向上顶着流量限制器喷油器侧的止动器，阻止燃油到达喷油器。3）轻微泄漏时由于存在泄漏量，流量限制器柱塞不能回到静止位置。几次喷射发生之后，柱塞移动到出口孔径处的密封底座上，向上顶着流量限制器喷油器侧的止动器，直到发动机熄灭、切断喷油器的燃油输人为止。（8）喷油器喷油始点和喷油数量是通过电触发喷油器控制的，其结构如图5-17所示，主要由喷油嘴部分、油压活塞部分和电磁阀部分组成。喷油器中由电磁阀直接控制喷油始点、喷油间隔和喷油终点，从而直接控制喷油量、喷油时间和喷油率。喷油器实际上完成了传统喷油装置的喷油器、调速器和提前器的功能。图5-17喷油器的结构（1）喷油器关闭（复位状态）在复位状态下，电磁阀不吸合，因此喷油器关闭，如图5-18(a)所示。弹簧力将电枢下的球阀压向节流孔座处，节流孔关闭。

(2)喷油器打开（开始喷油）电磁阀由伺服电流激活，伺服电流能确保电磁阀迅速开启如图5-18(b)所示，由触发的电磁阀施加的吸合力大于阀弹簧的拉力时，电枢打开节流孔。阀控制室的压力降低引起作用在柱塞上的外力减小，因此针阀打开，燃油喷出。(3)喷油器全部打开喷油器针阀打开的速度取决于节流孔和反馈孔的流量。喷油器全部打开时，喷油器喷入燃烧室的油压几乎等于轨道中的油压。(4)喷油器关闭（喷油结束）。电磁阀不吸合，弹簧力将球阀压回球阀座中。节流孔关闭，燃油通过反馈孔，阀控制室中充满燃油，压力与针阀弹簧的弹力一起将针阀关闭，喷油器不喷油。喷油器关闭的速度取决于反馈孔的流量。（a）（b）图2-27喷油器的工作过程（a）喷油器关闭（b）喷油器打开三、中压共轨燃油喷射系统中压共轨系统对喷油量控制采用“压力控制”方式的中压共轨系统。中压共轨系统如图5-19所示。ECU根据各传感器信号控制调压阀,以调节共轨中的油压;ECU同时通过控制安装在喷油器上的电磁阀工作,使喷油时间保持不变,以实现喷油量的控制。图5-19中压共轨系统1-公共油轨；2-回油管；3-调压阀；4-