汽车发动机原理课件：柴油机电控

一、电控柴油喷射系统的分类及工作原理电控柴油喷射系统按控制方式分类，可分为第一代位置控制式系统和第二代时间控制式系统，而时间控制式系统按喷射原理来分，又可分为柱塞脉动式供油系统和共轨式喷油系统两种。１.位置控制式喷油系统图5-34表示位置控制式喷油系统简图，其特点是在传统喷油泵、高压油管、喷油器系统上，加装一个电控装置发展而成的。它不改变传统喷油系统的工作原理和结构，只是用电控装置取代调速器和提前器，对直列泵的油量调节齿杆和VE泵的溢流环套以及油泵驱动轴和凸轮轴的相互位置进行低频连续调节，以控制油量和定时，所以称为位置控制系统。这一类系统生产继承性强，安装方便，采用电磁阀、旋转电磁铁、步进电动机等都可作为执行机构，因此它在目前国外电控柴油机喷油系统中，商品化程度最高且已批量生产应用。图5-35是位置控制式ECD－V1型VE分配泵电控系统的简图。该系统的油量控制是由溢流控制阀1接受ECU指令而执行的。控制阀作用时，使控制杠杆3上端以其支点Ａ为中心左、右移动，而杠杆3下端则使溢流环套4轴向移动，从而达到改变油量的目的。定时控制由供油提前控制阀7执行，它按照ECU发出的指令打开或关闭由输油泵入口分流进入活塞上腔10的低压油路。接近于大气压的低压油进入活塞上腔后，会改变原来内部压力(即泵腔压力)的大小，从而改变活塞8的位置，相应改变滚轮5与凸轮的相对位置，即调整了供油定时。位置控制式电控燃油喷射系统显然只是对传统喷油系统的初步电控化改造。由于未变更原有喷油装置，喷油特性也未改变，因此一般不可能对喷油率和喷油压力进行调控。２.时间控制式喷油系统工作原理是利用高速强力溢流电磁阀来直接控制喷油始点和喷油量，一般情况下，电磁阀关闭喷油即开始，电磁阀打开喷油即终止，因此，喷油始点取决于该电磁阀的关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。同时通过变更电磁阀升程或改变电磁阀所控制的油压来实现喷油率或喷油压力的控制。再加上每缸一阀(直列泵)、响应快等优点，已成为当前柴油机电控喷油系统的主要开发目标。如前所述，时间控制式系统又有两种类型:(１)时间控制式柱塞泵脉动供油系统。此类系统仍保持传统的柱塞往复运动脉动供油方式，但柱塞只起加压、供油作用，取消了齿杆、齿圈、柱塞斜槽乃至出油阀等调节油量的装置与结构，直接由电磁阀控制油量与定时。由于供油泵结构简化、泵体及柱塞副刚度加强，承压能力也相应提高。目前市场上广泛使用的这一类系统有三种。①电控泵喷油器系统。由传统重型车用柴油机的机械泵喷油器系统发展而来。该系统将喷油泵、喷油器合为一体，没有高压油管，每缸一组，作为一个部件直接安装在柴油机汽缸盖上，由设置于缸盖上的油泵凸轮轴驱动，如图5-36所示。在凸轮驱动下，柱塞1作上下往复运动。电磁溢流阀2开启时，柱塞腔4中为低压油。柱塞下行时，腔4中低压油通过旁通油路3由电磁阀溢流口溢出。开始喷油时，电磁阀关闭，柱塞下行使燃油加压，高压油直接由纵油道5进入传统喷油嘴6中喷油。电磁阀打开，溢流口开启，则喷油终止。柱塞上行回程时，由旁通油路吸油。②电控单体泵系统。由原用于大、中型柴油机上的机械单体泵系统发展而来。单体泵的特点是具有结构刚性好的高压单体喷油泵、较短的高压油管，发动机缸体上设有各缸共用的油泵凸轮轴，而各缸的喷油泵分别安装在靠近喷油器的部位，其承压能力仅次于泵喷油器。喷油压力可以高达130MPa，实现了柴油机的高压喷射，有效地降低了微粒排放。图5-37是改造后的电控单体泵。电磁溢流阀安装在泵端靠近油管接头处，可直接控制柱塞泵出的高压油:电磁阀开启时，柱塞顶泵出的油被旁通流回低压腔。电磁阀关闭则实现高压供油。柱塞回程时，则反过来由低压腔进油。与泵喷油器系统相比，电控单体泵喷油系统具有较高的机械效率和较小的喷油系统驱动损失。在结构上由于没有驱动机构，也没有机械力传到汽缸盖和喷油器上，且在汽缸盖上占用的空间也较小，可为柴油机进、排气系统的结构设计获得较大的自由度。③电控分配泵系统。时间控制式电控VE泵系统与位置控制式系统相比，取消了溢流环及其操纵机构，直接利用高速强力电磁阀来控制喷油和定时，结构进一步简化。图5-38所示为ECD－V3型电控分配泵系统。系统取消了断油阀而采用两级阀机构。两级阀由上端小电磁阀1(导向阀)和下端液压自动阀7(主阀)组成，主阀不直接受电磁阀控制。导向阀在喷射阶段处于关闭状态(电磁线圈断电)，此时VE泵腔通往主阀的低压油路8被切断，主阀上、下均与柱塞腔相通，压力基本相同，由于上部承压面比下部大，在上下总压差及弹簧力作用下主阀关闭，进行燃油喷射。导向阀通电开启时，主阀上腔与VE泵泵腔相通，压力迅速下降，主阀在下部高压油作用下开启，燃油经旁通道9泄流，喷油中止。主阀及旁通道流通截面大，阻力小，泄油通畅。而导向阀承压面小，响应快捷。两阀配合工作，可满足控制精度及喷油质量的要求。(２)时间控制式共轨喷油系统。这种共轨式喷油泵系统不再应用传统柱塞泵脉动式供油原理，而是先将燃油或者其他传递动力的工质，如机油，以高压(所需喷油压)或中压(10MPa左右)状态储集在被称为共轨的容器中，然后利用电磁三通阀将共轨中的压力油引到喷油器中实现喷射。共轨中若为与喷油压相同的高压燃油，就直接进入盛油槽(针阀腔)，推动针阀进行喷射。这就是所谓的“高压共轨系统”，如图5-39所示。高压共轨喷油系统的主要组成部件有:控制燃油量的高压泵、油轨、高压油管、喷油器、电控单元、各种传感器和电磁阀等执行器。高压供油泵将油箱中来的低压燃油泵入共轨腔中，而由高压泵、油轨压力传感器和电控单元共同形成了一个油轨压力闭环控制回路，可以通过控制油泵控制阀调节油压到喷油所需的高压。燃油高压的产生是与喷油分开的，产生的喷射压力与发动机的转速、喷油量无关，喷油压力可在一定范围内控制选择。而且平均喷油压力可以得到增高，在喷油过程中最高压力可以达到160MPa的高压。共轨系统中的高压泵与喷油器之间的燃油容积起到一个蓄压器的功能。在整个喷射过程中，油轨内的压力波动很小，几乎保持不变。高压共轨式电控喷油系统的核心部件是喷油器。共轨腔的高压油一路直通到喷油器的盛油槽中，另一路通向喷油器上的三通电磁阀。当ECU命令此阀切断泄油通路时，高压油经进油止回阀到达液压活塞上腔。此时，整个活塞、顶杆、针阀组件按设计要求处于液压平衡的状态，在针阀弹簧的压力下，针阀处于关闭状态。一旦三通阀转换到切断高压油路而打开泄流通路时，液压活塞上腔迅速泄压，其中燃油经节流孔流向泄油路。此时，针阀在盛油槽内高压油作用下克服弹簧预紧力而开启喷油。泄流道上设置节流孔的目的是控制液压活塞上腔泄油的速率，以便获得较低的初始喷油率。装用这种高压共轨式电控喷油系统，并不需要对柴油机的结构作重大变动，在现有的柴油机上布置困难不大。因此，这种喷油系统被看作是取代传统喷油系统，最具有发展前途的一种电控高压喷油系统。它可以装用在每缸30KW左右的轻型载货汽车的柴油机上，也可装用于每缸50KW以上的重型载货汽车柴油机上。它是21世纪新一代柴油机满足汽车排放、汽车燃料经济性等法规所必需应用的一种燃料喷射系统。二、电控柴油喷射系统的组成柴油机电控喷油系统与汽油机类似，也由传感器、电子控制单元(ECU)和执行器三部分组成。图5-40所示为位置控制式电控直列泵系统的组成简图。１.传感器传感器的作用是实时检测和感知柴油机及车辆运行状态各种信息，包括使用人员的操作思想、操作量等信息，并把它输入到控制单元中去。其中最重要的传感器是图中画了框的柴油机转速传感器、油门齿条位置传感器、喷油提前角传感器和加速踏板位置传感器。２.电子控制单元(ECU)ECU核心部分是计算机，由微处理机及其接口硬件和一整套软件组成，同时包括有一定的输入、输出通道接口电路等。软件的核心内容是发动机的各种性能调节曲线、图表和控制算法。ECU的作用是负责信息的采集、处理、运算决策、执行程序，并将运行结果作为控制指令输出到执行器。其中，喷油量和喷油定时脉冲是ECU发出的最重要的控制指令。此外，还有一种通信的功能，即和其他的控制系统，如传动、制动装置等控制器进行数据传输与交换，同时考虑到汽车其他系统的实时情况，适当修正喷油系统的执行指令，即适当修正喷油量、喷油提前角等，与此同时还可以向其他的控制系统输送必要的信息。３.执行器执行器为接受ECU传来的指令，并完成所需调控任务的元器件。例如，在直列柱塞式喷油泵系统中，有调节油门拉杆位移的执行器，以控制喷油量，有调节柴油机驱动轴和喷油泵凸轮轮相位差的执行器，以控制喷油定时，在分配式喷油泵系统中，则装有调节控制套筒位置的执行器，来控制喷油器和装有提前角自动调节器转动滚柱圈位置的执行器，以控制喷射定时。执行器按工作原理大致可分为电磁式、液压式和其他方式等。电磁式是用电磁铁把电能转换为磁力工作，液压式则是用电磁阀转换为液体的压力流，而得到操纵力。其他方式中有使用压电元件的执行器和使用双金属的和正在实用的形状记忆合金的执行器等。在电控的喷油系统中，有专用的执行器，如伺服式电磁阀、转动式螺线管和步进电动机等。在直列喷油泵的电控系统中，主要的执行器是在电子调速器内控制喷油量的动圈式线性螺线管和用液压驱动偏心凸轮调整喷油定时的电磁阀。动圈式线性螺线管也称线性直流电动机，可以实现双向移动，它由外壳、磁铁、线圈组等组成，根据圆柱形线圈上电流的方向与大小，可产生两个方向上任意大小的力。若其推力与线圈组的自重和复位弹簧力平衡时，就能控制油门拉杆的位置。在油门拉杆上装有位置传感器，可以实现反馈控制。高压共轨式电控喷油系统中，执行器是一个高速电磁阀，它设在喷油器上，电控单元指令电磁阀对喷油系统进行控制，高速电磁阀在电控喷油系统中起决定性的作用，承担着所有的喷射控制功能。电磁阀的关闭时刻与关闭持续时间决定控制的喷定时与喷油量。它的快速关闭才能确保喷射定时准确和迅速形成高压，快速开启可保证喷射的迅速切断与稳定卸载，若缓慢地开启，将引起卸载过慢，导致后期喷射不良等问题。另外，由于汽车经常行驶在不同的地区，其使用条件(如温度、湿度、灰尘、振动、冲击等)非常苛刻，而且汽车零件还易接触到腐蚀性的物质。为了确保使用安全可靠，汽车的电控系统必须具有高的耐环境性和可靠性。尤其是电子控制设备最怕受到强电磁波的干扰，严重时，它会使系统产生误动作或失效。电磁波的干扰可来自发动机本身，以及来自环境的打雷、广播、送电线路等，因此电控喷油系统本身必须具有抗电磁波干扰的能力。图5-41列出一种丰田车用柴油机电控系统的传感器与控制项目。除了喷油量与喷油定时的基本控制项目以外，还设有一些扩展的附加控制。三、电控柴油喷射系统的控制功能电子控制的柴油机喷油系统实现的功能已经很多，而且许多控制的功能是机械式喷油系统所无法实现的。主要的控制功能有以下各项。１.喷油量的控制在系统的控制功能中，最主要的是喷油量控制，ECU根据各传感器输来的信息确定目标的油门拉杆位置。这个目标值和装在调速器内的油门拉杆位置传感器的检测值在驱动电路中进行比较后，产生与两者差值成比例的驱动电流。计算机根据加速踏板位置传感器和转速传感器的输入信号，首先计算出基本喷油量。然后根据来自冷却液温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器以及电动机等的信号，对这个基本喷油量加以修正，再与来自控制套筒位置传感器的信号进行反馈修正，最后确定最佳喷油量。因此，当汽车在低温起动、加速、高原行驶或涡轮增压运行等工况下，都可以决定柴油机运转所需要的最佳喷油量。来自ECU的控制信号，操纵一个电磁阀产生一电磁力，移动分配式喷油泵的控制套简来调节喷油量。在喷油量控制中有的还采用PID比例微积分控制，其比例放大系数是非线性的，在输入信号幅值低时，放大系数大，而幅值较高时，放大系数小，这样得以稳定各参数，获取良好的动态响应，在发动机整个转速范围内，都能精确地控制喷油量。２.喷油定时的控制在电控喷油系统中，能够较精确地控制喷油定时。根据柴油机转速、负荷和冷却液温度的信号在ECU中利用预先储存的喷油定时脉谱，计算确定喷油始点的目标值。另一方面通过检测上止点参考脉冲和喷嘴针阀升程传感器输出脉冲之间的夹角，计算出实际喷油始点，在和目标值相比较后，决定最佳喷油始点，控制单元就输出一个脉宽可调的信号来控制一个电磁阀。该电磁阀便可确定作用在喷油提前器活塞上的控制油压来移动活塞位置，改变发动机驱动轴和凸轮轴之间的相位，以调节喷油定时。为了实现柴油机的燃烧及时与完全，电控系统应根据柴油机的运行状态和环境条件来控制喷油定时。以上两项是最基本的控制功能。每一种柴油机都可通过大量试验，作出以转速和加速踏板位置为自变量，以目标喷油量(或齿杆行程或供油脉宽)和目标定时为因变量的MAP三维曲面图，如图5-42所示。３.怠速转速的控制柴油机怠速转速反常波动主要是各缸供油和燃烧不均匀所引起。在机械式控制中用两速调速器加以控制。在电子控制的情况下，操作全部由计算机控制，根据加速踏板传感器、车速传感器、起动信号及转速等信号，可以决定怠速控制何时开始，其次再根据冷却液温度传感器、空调器等信号，算出怠速转速以及相应的喷油量。为了使怠速能够保持稳定，也可以根据发动机转速的反馈信号，不断地对该喷油量进行修正。４.起动喷油量的控制柴油机低温起动时，由于发动机的摩擦阻力大，起动性变得较差。因此低温起动时，柴油机必须加大喷油量，使柴油机发出的转矩大于自身的摩擦力矩，才能顺利起动。在电控喷油系统中，由油门和转速决定基本喷油量，再由冷却液温度传感器的信号等，决定起动补偿油量。两者的综合结果可快速实现冷起动—暖机—怠速的全过程。５.各缸喷油均匀性的控制柴油机各缸爆发压力不同将引起发动机转速波动，从而也产生振动。特别是汽车在低速范围内行驶时，这个振动会使乘员感到不舒服。各汽缸间相对产生的转速不均匀，是由于各缸的喷油量不均和各缸的燃烧状态不均所产生的。为了减小转速波动，电控系统应先检测各缸的转速波动情况，并分别调整每一汽缸的喷油量，使之喷油均匀。６.过渡性能与烟度控制通过过渡过程中对油量和喷油定时的综合补偿来满足最佳过渡性能和降低烟度的要求，如增压柴油机开始加速时加大供油提前角，可获得加大加速转矩和减小冒烟的双重效果。７.喷油规律与喷油压力的控制对于某些新型式的电控喷油系统，还可以通过对溢流电磁阀升程、蓄压腔(共轨腔)压力等有关参数的综合控制来控制预喷射油量、喷油率和喷油压力，以全面改善柴油机性能。８.废气再循环的控制通过与电控喷射系统相结合，可以实现对废气再循环更精确、更理想的控制。图5-43给出了一轿车柴油机在不同转速、负荷的工况下。通过电控来实现的废气再循环量的控制特性，由图可见，随着转速、负荷的增长，废气再循环量逐渐减少，直至废气再循环控制阀完全关闭，在高速、高负荷工况下不再有废气参加燃烧。由废气再循环量的控制特性得到的基本量，还要根据不同的大气压力、温度以及冷却液温度进行修正，在过渡工况时也还要进行特别的动力预先调节，以保证过量空气系数不至于过小，避免过多的炭烟排放量，实现完善、及时的燃烧。９.扩展的功能与汽油机的电控系统相同，柴油机的电控系统还可以根据运行的需要扩展一些功能，例如增加自诊断、安全保护与自适应控制等。电控系统越复杂，则实际应用场合一旦发生故障后，维修时为了找寻故