柴油电控2009

1、柴油发动机电控技术魏健柴油机燃油供给系统的发展 柴油机的电子控制晚于汽油机的电子控制。通过改进燃烧系统和增压中冷等技术措施来改善排放、降低油耗、提高功率等方面潜力较大。柴油车的保有量比装有汽油机的小轿车保有量少得多。研制快速、大功率、高性能的电控执行器技术难度大。柴油车还存在着N0，排放高、炭烟多，柴油机与车辆的匹配性、驾驶性、舒适性差等固有的缺陷。对柴油机提出了低污染、低油耗、高比功率的更高要求。20世纪80年代以来微电子技术的迅速发展。推动和加速了柴油机电控的发展。 柴油机电控技术的发展 柴油机电控喷油系统控制的具体要求 中心任务：改善柴油机的燃烧过程。保证组成燃烧过程的进气、喷油、燃烧三

2、要素中的油、气良好混合和在不同工况下满足不同的燃烧和放热要求。喷油是最重要的因素，喷油系统的控制成为柴油机电控的核心。柴油机电控喷油系统控制的具体要求 高喷射压力：高喷射压力可提高喷油速率，缩短喷油持续时间，促进燃油与空气的混合，从而可提高燃油经济性，显著降低炭烟和微粒的排放。目前柴油机上的喷油压力已达120180 MPa，个别的可达到200 MPa左右。 n控制喷射压力传统喷油泵系统的喷射压力与发动机转速关系很大。最佳的喷射压力必须取决于发动机负荷和转速。例如为了降低怠速和低负荷时的噪声要求有低的喷射压力。柴油机电控喷油系统控制的具体要求 n柔性控制喷射定时优化喷油定时对于同时控制N0 x和

3、微粒都是重要的。柔性控制喷射定时，要考虑发动机负荷和转速两个方面。柴油机电控喷油系统控制的具体要求 柴油机电控喷油系统控制的具体要求为 喷油率图形可灵活、准确控制喷油率图形包含喷油始点、喷油终点和单位曲轴转角的喷油量。喷油始点（喷油定时）直接影响经济性、动力性、冷起动性、工作柔和性和排放。喷油规律的控制希望初始喷油量不要太多，以减小NOx的排放量、降低燃气最大爆发压力和噪声。 机械是VE泵燃油系统的组成n1油箱n2燃油滤清器n3VE泵n4喷油嘴n5回油管n6预热塞n7蓄电池n8预热塞和启动开关n9预热塞控制装置BOSCHVE泵的结构n1带压力调节器的叶片泵n2带分配器的高压泵n3机械调速器n4

4、断油电磁阀n5正时器BOSCHVE泵的结构n1压力调节器n2调速器总成n3溢流口n4带高压泵头n5叶片泵n6正时器n7凸轮盘n8断油电磁阀BOSCH柱塞的驱动BOSCH柱塞驱动零件图n1连接器n2滚轮及架n3凸轮盘n4柱塞驱动端n5柱塞n6连接元件n7控制套n8泵头法兰n9出油阀壳n10柱塞回位弹簧BOSCH柱塞压油、送油阶段n进油口关闭n在BDC，进油槽1关闭进油通道，出油槽2打开到出油口。BOSCH柱塞压油、送油阶段n燃油输送n柱塞向TDC运动，压缩高压室3及通道中的油。油通过出油通道4被压到喷油嘴。BOSCH柱塞压油、送油阶段n送油终了n当控制套5打开泄油口6时，送油终了。BOSCH柱塞

5、进油阶段n进油n将近TDC时进油通道被打开，在柱塞向BDC返回的整个行程中，高压室吸油，泄油口再次关闭。此时出油通道也关闭。BOSCH带高压室的泵头结构n1控制套n2泵头n3柱塞n4出油阀壳n5出油阀BOSCH正时器n1滚轮架n2滚轮n3滑块n4销n5正时活塞n6凸轮盘n7柱塞BOSCH正时器的动作原始位置n1泵壳n2滚轮架n3滚轮n4销n5活塞通道n6盖n7活塞n8滑块n9活塞弹簧正时器的动作后位置断油电磁阀结构n1进油通道n2柱塞n3泵头n4断油电磁阀n5高压室BOSCH柴油电控VE泵(位置控制型)n电控VE泵是在机械式VE泵的基础上发展来的。可以简单的认为是用电控器件代替了机械式调速器和

6、正时器，使喷油量和喷油时刻得到优化。BOSCHVEEDCn组成模块：n1传感器：确认操作条件，将物理量转换为电信号。n2ECU：带有微控制器的ECU按照专门的程序处理信息，并发出相应的电信号。n3执行器：将ECU的电信号输出转变为机械量。BOSCH例子说明代号名称功能D2读识线圈检查点火钥匙的信息G149位 移 传 感器反映喷油量控制单元动作部件的位置G81燃 油 温 度传感器给控制单元提供油温信号来修正喷油量G80针 阀 动 作传感器给控制单元提供喷油正时信号G70空 气 流 量计用于检测发动机的负荷条件G72增 压 进 气温 度 传 感器测量进入气缸前的进气压力，来修正增压压力G28发 动

7、 机 转速 和 参 考传感器控制单元通过转速和参考信号确定发动机转速和实际的喷油时刻G79油 门 位 置传感器控制单元根据此信号确定喷油量Q6预热塞用于加热燃烧室J360加 热 器 继电器控制加热器的工作F60怠速开关提供怠速信号F制 动 灯 开关给出制动信号，解除巡航和防止油门传感器给出错误信号F36离 合 器 开关若分离，喷油量短时减少已确保换档平 顺G62冷 却 液 温度传感器给出发动机温度信号来修正喷油正时、AGR、增压、怠速调整及加热器的工作G68车 速 传 感器给出车速信号DF发电机给出负载信号J362防盗电脑判别钥匙是否合法，可以禁止起动发动机K117防 盗 指 示灯钥匙非法时亮

8、，发动机不能起动J359加 热 器 继电器控制加热器的工作Q7加热器根据发动机温度加热冷却液K166诊断接口用于连接诊断仪器N146燃 油 量 控制单元直接控制喷油量N109断 油 电 磁阀关掉点火钥匙时切断油路N108正 时 电 磁阀调整喷油正时K29故障灯指示故障N18废 气 再 循环电磁阀控制废气再循环的量N75增 压 控 制电磁阀控制增压压力J52预 热 塞 继电器控制预热塞的工作s w i t c h Compressor off 空调开关给出空调工作信号判断发动机负荷是否增加Speed signal车速信号给速度表显示针阀动作传感器n1底座n2线圈n3压力销n4导线n5插头BOSC

9、H针阀动作传感器n1压缩弹簧n2线圈n3压力销n4线圈铁芯n5线圈架 ELWE针阀动作传感器信号n1针阀动作传感器信号（未处理）n2处理后的针阀动作传感器信号n3发动机转速信号n4处理后的发动机转速信号n5计算后的开始喷射信号BOSCH柴油电控VE泵结构（位置型）n1控制套位置传感器n2喷油量控制电磁执行器n3断油电磁阀n4分配柱塞n5喷油始点电磁阀n6控制套BOSCH泵内传感器（位置型）控制套位置传感器位移传感器n当电感线圈被施以一交变信号时，铁芯内部将产生交变的电磁场，受其影响动、静测量环将产生电涡流，而该电涡流又将反作用于电感线圈，改变其阻抗。输入为高频信号，输出信号经前置放大、相敏整流

10、、功率放大和滤波后，得到一个随角度变化的电压u信号，测量电压u，就可以确定动测量环转过角度的大小。n求值电路可求出输出电压Ua与参考电压Uref比值。该比值与短路环的位置成正比。参考短路环可调节斜率。控制套位置传感器位移传感器喷油量控制电磁执行器喷油量控制电磁执行器n这种旋转式比例电磁阀，主要由线圈、定子、转子、回位弹簧、转子转角传感器以及与转子一体的驱动轴等组成。在驱动轴的下端偏心设置传动销，并与油量控制滑套相连接。旋转式比例电磁阀是通过两个线圈的反向信号占空比来控制流经线圈的电流，并结合回位机构控制转子的转向和旋转位移。当ECU控制流经线圈的电流时，转子旋转某一角度，此时与转子一体的驱功轴

11、下端的偏心销同步旋转，带动油量控制活套移动、滑套的位置与转子的旋转角度有关。旋转范围0-60，滑套移动量1.5-2mm。 喷油量控制电磁执行器n喷油量被精细地控制在0到最大范围内。一个角位移传感器将旋转式的电磁执行器的旋转角度反馈给ECU，来确定喷油量。在没有电压提供给电磁执行器时，在回位弹簧的作用下，喷油量被减到0。正时器局部TOYOTA正时器电磁阀TOYOTA喷油始点控制电磁阀n泵腔内的压力取决于泵的转速，这个压力作用于正时活塞的一端，这个压力用一个电磁阀来调整。电磁阀打开，压力减小，喷油始点延迟，完全关闭时，压力增加，喷油始点提前。ECU可以调节电磁阀的占空比在中间范围变化。闭环控制（位

12、置型）BOSCH喷油量闭环控制n喷油量对启动、怠速、功率输出、操纵性能和微粒排放有着决定性的影响。因此相应的启动喷油量、怠速、全负荷、加速踏板特性、冒烟极限和泵油特性脉谱都写在ECU内。司机通过加速踏板传感器输入它的需求（扭矩和发动机转速），ECU查出脉谱图的相应数据并接受实际传感器的值，计算出用于确定泵内旋转执行器位置的设定值。旋转执行器配备有核对信号装置，确保控制套正确定位。喷射始点闭环控制n喷射始点影响确定、噪声、油耗和排放。ECU中也有喷射始点脉谱图。喷油嘴内的针阀动作传感器直接识别实际的喷油始点并和脉谱中的喷油始点比较。如有偏差，ECU通过改变正时器电磁阀的占空比来缩小偏差直到0。发

13、动机超速断油和启动时，喷油始点信号不可用或不合适，闭环控制关掉，开环模式被选择。正时器电磁阀的占空比由脉谱读出。EGR闭环控制nEGR是将排气引到进气，从而降低排放。ECU通过空气流量计信号，可以计算出实际的EGR率，和脉谱中的比较，如有偏差，通过改变电磁转换器的触发信号来调节废气的量，即调整EGR率。时间控制型电控VE泵n时间控制就是基本上保留了传统的泵管嘴系统，取消了VE泵油量控制滑套等械传动机构，用高速电磁阀直接控制供油(或喷油)，与位置控制型相比有较高的控制精度和较快的响应速度。并且将油量控制和供油（喷油）正时控制合二为一，使结构简化。时间控制型电控VE泵轴向柱塞式1进油口；2修正电阻

14、；3油出口；4泵角度传感器；5电磁溢流阀；6进气温度传感器；7EGR阀；8EGR阀用的VSV；9真空；10空气；11曲轴转速与位置传感器；12冷却液温度传感器；13增压压力传感器；14油门踏板位置传感器；15VSV；16VSV；17进气节流阀；18电控单元；19正时控制阀轴向柱塞式结构n喷油量控制阀（SPV）连接到高压室TOYOTASPV阀工作n正常情况下电流通过线圈导向阀关闭，油压和弹簧力使主阀关闭通过A。当ECU切断线圈中的电流时，导向阀打开通道B，主阀内压力下降，通道A被打开。轴向柱塞泵和SPV阀工作n吸油行程：SPV阀关闭，柱塞左移，燃油吸入高压室n喷射：SPV阀关闭，柱塞右移，压力达

15、到预定值时，喷油嘴打开n喷射结束：SPV阀打开，燃油压力下降，喷油结束n需要断油时，SPV阀始终打开TOYOTASPV阀对油量的控制TOYOTA柴油共轨系统n1空气流量计n2ECUn3高压泵n4高压蓄压器（轨）n5喷油器n6曲轴传感器n7水温传感器n8燃油滤清器n9加速踏板位置传感器BOSCH传统喷油系统的喷油特性n喷油压力随转速和喷油量的增加而增加。n喷油压力先增加，在喷嘴关闭时降低。n结果：喷油量小时喷油压力低；峰值压力比平均压力的两倍还高；符合有效燃烧的需求；喷油率呈三角形。n峰值压力取决于喷油泵部件和驱动的机械负荷。它决定混合气形成的质量。共轨系统的喷油特性n喷油量和喷油压力与转速无关

16、且相互独立。对于每一个工况都可以提供形成理想混合气的喷油量和压力。n喷射开始的喷油量尽可能的少，以缩短滞燃期。n图为具有引燃喷射和主喷射的共轨系统喷油特性。共轨系统的喷油特性为得到上述特性，以下元件是必备的：-电磁阀控制的喷油器（ECU驱动）-蓄压器即轨-高压泵（压力的产生独立于喷射过程）-电控单元（ECU）-曲轴转速传感器-凸轮轴转速传感器共轨系统的喷油特性引燃喷射：-14mm3引燃喷射可以达到以下效果：使压缩压力有小幅增加，导致接下来的主喷射的滞燃期缩短；使燃烧压力升高率和峰值减小，使燃烧柔和、降低油耗、在多数情况下排放也好了。共轨系统的喷油特性-主喷射：发动机扭矩输出的能量来之主喷射。在

17、喷射过程中喷油压力维持不变。-后喷射：主要用于NOX催化转换器。后喷射一般在上止点后200度曲轴转角进行。共轨系统油路组成共轨系统传感器n1高压泵2关断阀n3压力控制阀4滤清器n5带油泵的油箱n6ECU7蓄电池8油轨n9油轨压力传感器n10燃油温度传感器n11喷油器n12冷却液温度传感器n13曲轴转速传感器n14加速踏板位置传感器n15凸轮轴转速传感器n16空气流量计n17增压压力传感器n18进气温度传感器n19涡轮增压器共轨系统传感器共轨系统执行器n1加热控制单元n2ECUn3仪表盘n4电池n5加热塞n6喷油器n7EGR位置调节器n8增压压力调节器n9真空泵n10涡轮增压器共轨系统部件高压泵

18、n1驱动轴2异形凸轮n3带柱塞的泵元件n4高压室5吸油阀n6关断电磁阀n7出油阀8油封n9高压出口n10压力控制电磁阀n11球阀12回油n13来自输油泵的油进口n14带截流孔的安全阀n15通往高压部件的低压油道共轨系统部件高压泵n1驱动轴n2异形凸轮n3带柱塞的泵元件n4进油阀n5出油阀n6进口共轨系统部件压力控制阀n1阀球n2衔铁n3电磁线圈n4弹簧n5电器连接器共轨系统部件油轨n1油轨n2来自高压泵的进口n3油轨压力传感器n4压力控制阀n5回油箱n6流量限制器n7连喷油器共轨系统部件油轨压力传感器n1电器连接器n2计算电路n3带传感元件的膜片n4高压连接通道n5安装螺纹n压力压力1500b

19、ar时，时，变形量约变形量约1mm。n输出电压输出电压0.54.5v共轨系统部件油轨压力限制阀n1高压连接通道n2阀n3通道n4活塞n5弹簧n6弹簧座n7阀体n8回油共轨系统部件流量限制器n1油轨连接口n2密封圈n3活塞n4弹簧n5壳体n6连接到喷油器n7座n8截流孔共轨系统部件喷油器n1回油n2电器连接n3电磁阀n4高压油进口n5阀球n6泄油孔n7馈入口n8阀控制室n9阀控制活塞n10供油通道n11喷嘴针阀共轨系统部件喷油器装有这种压电晶体喷油器，可以在一个燃烧周期内完成最多5次的高精确度的喷射。高响应的压电喷油器可以获得短的喷油周期和微量燃油的雾化喷射，从而提高燃烧性能。喷射间歇可达0.1

20、ms。（电磁线圈喷油器可达0.4ms）应用较多的是：锆钛酸铅系列压电多晶材料。压电晶体应变很小，一个20mm的压电晶体变形仅为20m，如果用它直接驱动阀芯，不仅位移小而且所需驱动电压太高。要对其输出位移进行放大。压电晶体堆一般由力学上的串联和电学上的并联构成。压电晶体片在电学上相当于电容，层数过多会使电容增加，就会增加充放电时间，形成较大的迟滞，影响响应时间。一般采用适当的层数加液压放大。共轨系统部件喷油器泵喷嘴式喷射系统柴油机优点：燃烧噪音低油耗低排放清洁效率高技术因素：高达2050bar的喷射压力精确控制喷射循环预喷射循环泵喷嘴系统泵喷嘴系统泵喷嘴组成：泵喷嘴组成： 喷油泵、喷嘴以及控制单

21、元电磁阀功能：功能：产生所需要的高喷射压力。按正确的时间和正确的喷油量喷油泵喷嘴系统安装注意：泵喷嘴通过卡块固定在缸盖上。泵喷嘴必须安装到位。若泵喷嘴与缸盖不垂直，禁固螺栓会松动，引起泵喷嘴或缸盖的损坏。安装位置：泵喷嘴直接安装于发动机气缸盖上，因此缸盖与分配式喷射系统的缸盖有很大的区别，比较高。泵喷嘴系统传动机构：传动机构：凸轮轴配有四个辅助的喷射凸轮来驱动滚柱式摇臂，从而驱动泵喷嘴的泵活塞。喷射凸轮阀凸轮滚柱式摇臂O型换隔热密封垫喷嘴针阀喷嘴针阀缓冲元件喷嘴弹簧供油管收缩活塞回油管喷嘴电磁阀电磁阀针阀活塞弹簧泵活塞球销高压腔喷射凸轮滚柱式摇臂缸盖泵喷嘴系统凸轮的运行：泵活塞被高速下压并在高

22、压腔内迅速获得一个高喷射压力。泵活塞缓慢平稳的上、下移动，使无气泡的燃油流入泵喷嘴的高压腔内。一个陡峭的上升面一个平滑的下降面喷射凸轮喷射凸轮喷射凸轮喷射凸轮滚轮式摇臂滚轮式摇臂滚轮式摇臂滚轮式摇臂泵活塞泵活塞泵活塞泵活塞泵喷嘴系统 喷射循环：吸油喷射循环：吸油滚柱式摇臂滚柱式摇臂泵活塞泵活塞活塞弹簧活塞弹簧高压腔高压腔电磁阀针阀电磁阀针阀喷嘴电磁阀喷嘴电磁阀供油管供油管 在供油循环期间，泵活塞在活塞弹簧压力作用下向上移动，这样使高压腔内容积扩大。 喷嘴电磁阀不动作，电磁阀针阀处于静止位置，供油管到高压腔的通道打开，供油管内的油压使燃油流入高压腔。 燃油流入高压腔。回油管回油管 预喷射循环开始

23、预喷射循环开始 喷射凸轮通过滚柱式摇臂将泵活塞压下，将高压腔内的燃油排出到供油管。 发动机控制单元使喷嘴电磁阀吸合起动 预喷射循环，此时，电磁阀针阀被压入到阀座内，关闭高压腔到供油管的通道。 高压腔内开始产生压力。当压力达180bar时，压力高于喷油针阀弹簧压力，喷嘴针阀上 升，预喷射循环开始。喷射凸喷射凸轮轮高压腔高压腔泵活塞泵活塞电磁阀电磁阀座座电磁阀针电磁阀针阀阀供油管供油管喷油针喷油针阀阀泵喷嘴系统回油管回油管 在预喷射循环，喷嘴针阀行程被液力“阻尼垫”阻尼。因此，可以准确控制喷射量。 如图，在前1/3行程，喷嘴针阀无阻尼打开，将燃油喷入燃烧室。 当缓冲塞堵住喷嘴壳体的内孔时，针阀上部

24、的燃油只能通过泻油间隙排入喷嘴弹簧室，从而形成一液力阻尼垫，限定预喷射循环的针阀行程。无阻尼行程无阻尼行程喷嘴弹簧室喷嘴弹簧室喷嘴壳体喷嘴壳体泄油间隙泄油间隙液力阻尼垫液力阻尼垫缓冲塞缓冲塞预喷射的控制预喷射的控制 缓冲塞阻尼作用缓冲塞阻尼作用泵喷嘴系统 喷射针阀打开后，预喷射立即结束 喷射针阀打开后，高压腔内继续上升的压力使收缩活塞下移，使高压腔内容积扩大，于是，压力瞬时下降。这时施加在针阀上的弹簧力和液体压力增大，因此喷嘴针阀关闭，预喷射结束。 收缩活塞的下移增加了喷嘴弹簧的压紧程度。在接下来的主喷射循环，若想再次打开针阀，油压必须比预喷射过程中的油压高。高压腔高压腔泵活塞泵活塞喷嘴电磁阀

25、喷嘴电磁阀收缩活塞收缩活塞喷嘴弹簧喷嘴弹簧喷嘴针阀喷嘴针阀预喷射循环结束预喷射循环结束泵喷嘴系统 主喷射循环开始：主喷射循环开始： 喷嘴针阀关闭后短时间内，高压腔内压力立即重新上升。这时喷嘴电磁阀仍然关闭，泵活塞下移。 约300bar时，燃油压力高于喷嘴弹簧作用力，喷嘴针阀再次上升，主喷油开始。喷射过程中，压力不断上升，最高可达2050bar。 主喷射循环结束：主喷射循环结束： 当发动机控制单元停止激活喷嘴电磁阀后，喷射循环结束。 此时，电磁阀弹簧使电磁阀针阀回位，燃油被泵活塞排出到供油管，泄压。喷嘴针阀关闭。主喷射循环结束。高压腔高压腔泵活塞泵活塞喷嘴电磁阀喷嘴电磁阀喷嘴弹簧喷嘴弹簧喷嘴针阀喷嘴针阀泵喷嘴系统泵喷嘴的回油管的功能泵喷嘴的回油管的功能节流孔节流孔泄油泄油1.冷却泵喷嘴，来自供油管的燃油冲刷通向回油管的泵喷嘴油道。2.排出泵活塞处泄出的燃油。3.通过回油管内节流孔分离来自供油管内的气泡。泵喷嘴系统泵活塞泵活塞回油管回油管进油管进油管燃油供给系统燃油供给系统单向阀：发动机不工作时，防止燃油回流。旁通阀：若燃油内有空气，则通过此处排出。节流孔与过滤器：收集、分离供油管内的气泡。限压阀1：调节供油管内压力7.5bar时打开。限压阀2：保持回油管内压力在1bar。泵喷嘴系统 燃油分配管燃油分配管燃油分配管集成在