大柴电控共轨柴油机电控系统原理与检修

1、大柴CA4DC2电控共轨柴油机电控系统原理与检修大柴EDC16电控系统是一个新型的全电子控制柴油机燃油喷射系统，它不再采用机械调速器（没有齿杆装置）。与传统的机械喷射系统不同的是：EDC16系统采用扭矩控制策略,可以自由地控制柴油机输出扭矩（喷油量）和喷油开始时间（喷油定时）两个参数。因此,该系统能够满足国家第3阶段（国III）及后续的排放法规的要求。CA4DC2系列电控柴油机采用的就是EDC16共轨系统控制逻辑。本节以EDC16共轨系统为例，来说明大柴CA4DC2系柴油机电控高压共轨系统的电气原理及使用维护。一、大柴CA4DC2电控共轨柴油机的电控燃油系统的组成EDC16大体可划分为燃油系统

2、和电控系统2个部分。燃油系统主要包括共轨、高压油管、喷油器、电控高压泵；电控系统主要包括电控单元ECU、传感器、开关以及线束oCA4DC2柴油机电控高压共轨示意图如图3-8所示，其使用及调整数据如表3-1所示。图3-8CA4DC2柴油机电控共轨系统示意图表3-1电控高压共轨柴油机使用与调整数据项目标准值配气相位（以曲轴转角计）进气门开启始点上止点前16进气门关闭终点下止点后52排气门开启始点下止点前66排气门关闭终点上止点后12气门间隙（mm）（温态）进气门间隙0.35排气门间隙0.35柴油机转速（r/min）最低空载转速700最高空载转速3960喷油提前角（静态、以曲轴转角计）10压缩余隙（

3、mm）0.511.03主油道机油压力（MPa）怠速标准压力0.15极限压力0.05额定转速标准压力0.40.5极限压力0.2气门导管安装尺寸（气门导管露出缸盖平面的高度）（mm）16喷油器安装尺寸（头部高出缸盖底平面的高度）（mm）3.20.5压缩压力（MPa）/（r/min）标准值2.94(200)极限值2.45(200)二、CA4DC2电控柴油机及整车匹配的基本功能电控系统功能（1）起动控制：对于一台柴油机，为确保起动的可靠性和起动烟度排放要求，喷油定时和起动扭矩必须根据以下方式设定：喷油定时=/（转速、喷油量、冷却液温度）；起动扭矩=/（转速、冷却液温度、起动时间）。起动控制功能一直处于

4、激活状态,直到柴油机转速超过起动结束转速，进入到怠速控制，此时，驾驶员才能对柴油机进行操作。起动停止转速由冷却液温度和大气压力决定。（2）低怠速控制：当柴油机进入到怠速控制阶段，怠速控制器起作用，控制柴油机的运转。怠速控制器是一个纯PID控制器，由该控制器保持怠速转速为一个常数。怠速转速与冷却液温度相关，例如：在柴油机温度低时的怠速转速比温度高时的转速要高。此外，如果油门踏板出现故障，怠速转速将提高，以保持让驾驶员可将车辆开到维修站的最低转速。（3）驾驶性控制方式：来自油门踏板的值，被解释为：根据当时柴油机的转速，驾驶者对车轮输出扭矩的期望值。可用下列数学式表示：期望扭矩=/（油门踏板位置值、

5、柴油机转速）。（4）扭矩限制：柴油机输出的最大扭矩可用以下方式进行限制。1）烟度限制最大扭矩的限制与吸入的空气压力和空气温度有关，这2个参数决定进气量。由最大进气量限制最大扭矩，防止柴油机冒黑烟。2）柴油机保护不管在什么状态下，一旦冷却液温度超出上限，最大扭矩必须作相应的减小，以防止柴油机过热。3）应急扭矩限制当诊断出电控系统有严重问题时，柴油机将降低最大扭矩，迫使驾驶员去维修站修正错误。以下的错误类型可能导致该功能发生：油门踏板传感器故障；转速信号故障；电磁阀驱动故障。（5）喷油定时调整：喷油定时的调整是为了满足排放法规和燃油经济性的需要，同时还兼顾到冷起动和低噪声。喷油定时的调整与柴油机性

6、能和附加修正有关。可表示为：喷油定时=/（转速、喷油量、冷却温度、进气压力、大气压力）。（6）各缸均匀性：由于喷油器的制造公差，引起燃油喷射量不同，各缸均匀性功能对其进行补偿。（7）冷起动辅助控制：在低温环境下，为提高柴油机的冷起动性能，电控单元会根据当前柴油机的温度，来决定是否需要进气预热以及预热时间长短，这是通过对进气预热继电器的控制实现的。（8）燃油加热（非ECU功能）：因为柴油机油泵靠燃油润滑，因此要求燃油温度不能低于一定值，燃油细滤器中的控制器会根据当前柴油机温度起动燃油加热器。燃油加热器集成在柴油机燃油细滤器上。（9）性能降低处理：一旦检测到电控系统自身有问题时，柴油机将起动性能降

7、低。相应的性能下调量与超出或低于设定值的偏差有关。例如柴油机冷却液温度太高，ECU会做出降低扭矩的要求。（10）柴油机停车：在异常的条件下，如果操作者在起动开始时就诊断出有问题，系统将阻止起动，柴油机将被停机。以下几种条件下会导致停机：冷却液温度太高；柴油机燃油系统有致命故障；低压油路有泄漏或供油不畅。整车匹配功能（1）柴油机排气制动（可选）：通过驾驶室内排气制动开关，驾驶员可以通知ECU现在进入到排气制动状态，ECU会采取减油措施。但是排气制动不是由ECU进行控制，仍与原机械柴油机控制方式相同。（2）最大车速限制（可选）：最大车速控制功能设定最大的行车速度限制，防止驾驶者超速行驶。最大车速限

8、制值由电控系统预先编程设定。（3）冷起动预热（可选）为适应寒区车辆冷起动，柴油机可以进行冷起动预热，预热时间长短由ECU内相应的脉谱图控制。（4）空调怠速提升（可选）：在驾驶员打开空调时，ECU可以进行怠速提升，防止柴油机怠速负载能力不足而熄火。（5）ISO接口：ISO通信接口采用ISO9141（K线）标准串行数据通信方式，可实现与电控单元之间的数据交换。它包括有以下功能：诊断数据的交换（错误信息，清除出错列表）；控制系统的编程（读取和编程有关参数）；实现柴油机测试功能；读出测量值和计算值。（6）柴油机转速接口：柴油机转速接口用于向转速表或变速器电控单元传送转速信号，这样可以不必再装一个转速传

9、感器。转速信号为数字式，柴油机飞轮每转发出2个方波信号，幅值为蓄电池电压。（7）自诊断功能：电控单元具有实时自诊断功能，一旦电控单元检测出故障，会将故障信息以及当前的环境信息存储到电控单元中，同时在仪表板上的故障指示灯闪亮，通知驾驶员需要去维修站进行维修!在维修站由维修人员使用专门的诊断工具连接到电控单元上，读出故障信息。三、CA4DC2系列电控高压共轨柴油机电控系统原理在共轨喷油系统中，喷油压力的建立与喷油量互不相关，喷油压力不取决于柴油机的转速和喷油量。在高压燃油存储器（即“共轨”）中，始终充满着高压燃油。而喷油量、喷油正时和喷油压力由电控单元（ECU）根据其中存储的特性曲线（脉谱图）和传

10、感器采集的柴油机运转工况信息算出，然后控制每缸喷油器的高速电磁阀开闭来实现。共轨喷油系统的控制部分和传感器部分包括：ECU、曲轴转速传感器、凸轮轴相位传感器、加速踏板传感器、增压压力传感器、空气品质流量计、共轨压力传感器及冷却水温度传感器。ECU借助于传感器得知驾驶员的要求（加速踏板位置）以及柴油机和车辆的实时工作状态，处理由传感器产生并经数据导线输入的信号，对柴油机进行控制和调节。曲轴转速传感器测定柴油机的转速，凸轮轴相位传感器确定发火顺序和相位。加速踏板传感器是一种电位计，它通过电压信号告知ECU关于驾驶员对扭矩的要求。空气品质流量计告知ECU柴油机实时的进气空气品质与流量，根据排放法规的

11、要求来匹配相应的基本喷油量。在有增压压力调节的增压柴油机上,增压压力传感器用以测定增压压力。在低温和柴油机处于冷态时,ECU可根据冷却水温度传感器和进气空气温度传感器的信号值确定合适的喷油始点、预喷射油量和其他参数的额定值。1喷油特性普通喷油系统的喷油特性在普通的喷油系统，例如分配泵和直列泵中，只有主喷射而没有预喷射和后喷射，而在电磁阀控制的分配泵中仅可实现预喷射。普通喷油系统中压力的产生和喷油量的计量是通过凸轮和供油柱塞来实现的。这种方法对喷油特性来讲，会产生下列现象：喷油压力随转速和喷油量的增加而升高；喷油过程中喷油压力上升，但到喷油终了时又降低到喷油器关闭压力。因此，会产生下列结果：小喷

12、油量时的喷油压力较低；峰值喷油压力是平均喷油压力的2倍以上；喷油过程曲线近似于三角形，这有利于燃烧完善。峰值喷油压力对喷油泵及其驱动装置构件承受的负荷具有决定性的影响。对普通喷油系统而言，它是燃烧室中混合气形成品质好坏的评价尺度。共轨喷油系统的喷油特性：对理想的喷油特性，除了普通喷油特性的要求之外，还有下列要求：对柴油机的任何一个工况点，喷油压力和喷油量的确定都可以是互为独立的；喷油开始初期(即在喷油开始到燃烧开始之间的点火延迟期内)的喷油量应尽可能小。带有预喷射和主喷射的共轨喷油系统可满足上述要求，如图3-9和图3-10所示。图3-9共轨喷油系统的喷油特性图3-10喷油器针阀升程和压力特性曲

13、线共轨喷油系统采用模块式结构，喷油特性主要决定于下列组件：电磁阀控制的喷油器（用螺纹拧装在气缸盖上）；压力存储器（共轨）；高压泵；ECU；曲轴转速传感器；凸轮轴相位传感器。在小型乘用车上用的共轨喷油系统中，产生喷油压力的高压泵采用径向柱塞泵，其转速以固定的传动比与柴油机转速相关，而压力的建立与喷油量无关。由于连续的供油，高压泵可设计得比普通喷油系统中用的高压泵小得多，设计时考虑的峰值驱动扭矩也较小。喷油器通过高压油管与共轨相连，它主要由一个喷油器和一个电磁阀构成，ECU使电磁阀通电，就开始喷油。在一定压力下，喷入的燃油量与电磁阀的接通时间成正比，而与柴油机或泵的转速无关（时间控制的喷油方式）。

14、喷油量可通过电磁阀控制的相应设计,并在ECU中采用高电压和大电流来控制，以提高电磁阀的响应特性。喷油正时是通过电控系统中的角度一时间系统来控制的。为此在曲轴上装有一个转速传感器，并且为了识别缸序或相位，在凸轮轴上也装有一个相位传感器。（2）燃油喷射种类1）预喷射喷射可在上止点前90内进行。如果预喷射的喷油始点早于上止点前40曲轴转角，则燃油可能喷到活塞顶面和气缸壁上，使润滑油稀释到不允许的程度。预喷射时，少量燃油（14mm3）喷入气缸，促使燃烧室产生“预调节”，从而改善燃烧效率。压缩压力由于预反应或局部燃烧而略有提高，因此缩短了主喷油量的着火延迟期，降低了燃烧压力上升幅度和燃烧压力峰值，燃烧较

15、为柔和。这种效果减小了燃烧噪声和燃油消耗，许多情况下还降低了排放。在无预喷射时的压力特性曲线（图3-10a）中，在上止点前的范围内，压力上升尚较平缓，但随着燃烧的开始压力迅速上升，达到压力最大值时，形成一个较陡的尖峰。压力上升幅度的增加和尖峰导致柴油机的燃烧噪声明显提高。而在有预喷射的压力特性曲线（图3-10b）中，在上止点前范围内，压力值略高，但燃烧压力的上升变缓。预喷射间接地通过缩短着火延迟期而有助于柴油机扭矩的增加。根据主喷射始点和预喷射与主喷射之间的时间间隔的不同，燃油耗降低或增加。2）主喷射喷射提供了柴油机输出功率所需的能量，从而基本上决定了柴油机的扭矩。在共轨喷油系统中，整个喷油过

16、程的喷油压力近似恒定不变。3）后喷射对于那些催化NO的催化器而言，后喷射的燃油充当还原剂，用于还原NO；XX它在主喷射之后的做功行程或排气行程中进行，其范围一般在上止点后200。内。与预喷射和主喷射不同，后喷射的燃油在气缸中不会燃烧，而是在废气中剩余热量的作用下蒸发，带入NO催化器中作为NO的还原剂，以降低废气中NO的含量。过迟的后喷射会导致燃油XXX稀释柴油机的润滑油，其喷射范围要由柴油机制造厂家通过试验来确定。（3）燃油系统柴油机电控高压共轨喷油系统由低压供油部分和高压供油部分组成，如图3-11所示。图3-11共轨燃油喷射系统示意图（1）低压供油部分共轨喷油系统的低压供油部分包括：燃油箱（

17、带有滤网）、输油泵、燃油滤清器及低压油管。1）燃油箱燃油箱必须抗腐蚀，且至少能承受2倍的实际工作油压，并在不低于0.03MPa压力的情况下仍保持密封。如果油箱出现超压，需经过适当的通道和安全阀自动卸压。即使车辆发生倾斜，或在弯道行驶，甚至发生碰撞时，燃油也不会从加油口或压力平衡装置中流出。同时，燃油箱必须要远离柴油机，如果车辆发生交通事故时，可减小发生火灾的危险。2）低压油管低压供油部分除采用钢管外，还可使用阻燃的包有钢丝编织层的柔性管。油管的布置必须能够避免机械损伤，并且在其上滴落的燃油既不能聚积，也不会被引燃。3）输油泵输油泵是一种带有滤网的电动泵或齿轮泵，它将燃油从燃油箱中吸出，将所需的

18、燃油连续供给高压泵。输油泵的任务是在任何情况下，为燃油提供所需的压力，并在整个使用寿命期内，向高压泵提供足够的燃油。目前输油泵有2种类型，即电动输油泵（滚子叶片泵）和机械驱动的齿轮泵，电动输油泵结构示意图如图3-12所示。4）滤清器燃油滤清器将进入高压泵前的燃油滤清净化，从而防止高压泵、出油阀和喷油器等精密件过早磨损和损坏。图3-12电动输油泵示意图（2）高压供油部分共轨喷油系统的高压供油部分包括：带调压阀的高压泵、高压油管、作为高压存储器的共轨（带有共轨压力传感器）、限压阀和流量限制器、喷油器、回油管。1）高压泵高压泵将送到共轨的燃油压力升到135.0MPa，高压燃油经高压油管进入类似管状的

19、共轨中。2）共轨在共轨中燃油仍保持其压力，即使喷油器喷油时，由于燃油的弹性而产生蓄压作用，燃油压力基本保持不变。燃油压力由共轨压力传感器测定，通过调压阀调节到规定数值。限压阀的任务是将共轨中的燃油压力限制在150.0MPa以内。3）喷油器当高压燃油在喷油器中被电子控制的电磁阀释放时，喷油器开启，将燃油直接喷入柴油机燃烧室。4）高压油管高压燃油油管必须能够经受喷油系统的最大压力和喷油间歇时的局部高频压力波动。该油管是由钢管制成，通常外径为6mm，内径为2.4mm。各缸的高压油管长度是完全相同的，共轨与各缸喷油器之间的不同间距通过各缸高压油管的弯曲程度进行长度补偿，但油管长度应尽可能短一些。（4）

20、基本电路设计电路时，首先整车厂要根据用户需求，双方确认电控系统的功能要求。根据大柴提供的CA4DC2电控柴油机电控系统说明及ECU接线原理图（图3-13）,然后明确整车与柴油机的匹配状况，如整车相关仪表类型、整车功能需求、ECU接线要求等。图3-13CA4DC2系列柴油机ECU的K端接线图1）电控系统功能选择根据用户要求，以及柴油机ECU的性能要求，安装前对柴油机ECU的功能调查如表3-2所示。表3-2CA4DC2柴油机ECU功能调查表序号功能类型功能描述备注整车配备1冷起动辅助电阻丝ECU根据环境情况控制冷起动辅助装置，提高可选继电器X1控制柴油机冷起动性能指示灯X12怠速控制-在低温环境下

21、提高柴油机怠速转速，快速热车必选3空调怠速提开关控制开启后空调后，提升柴油机怠速转速可选常开开关X1升装置4速度限制柴油机转限制柴油机的最高转速必选-速限制车速限制限制车辆的最高车速可选5柴油机制动排气辅助利用增加排气阻力的方式加速制动（ECU不控可选常开开关X1制动（开制排气制动继电器）关控制）6信号输入输柴油机转ECU输出表示柴油机转速的方波信号，占空比可选接整车转速表出速输出50%，幅值为电瓶电压车速输入ECU接收车速传感器信号来计算车速,信号要必选车速传感器X1求为方波7外部通讯CANCAN-Bus（SAEJ1939）用于与外部装置通讯可选CAN接口x1K-LineISO9141编程和

22、诊断接口必选-8智能诊断故障灯报当系统出现故障时，故障指示灯及时显示报警必选故障指示灯x1警K-Line诊通过ISO9141接口，借助诊断工具，读取及清必选诊断插座X1应急功能断除ECU存储故障转速传感在转速传感器失效的情况下，柴油机要降低最必选-器失效大允许转速油门踏板在油门踏板传感器失效的情况下，提高怠速、必选-失效降低功率压力传感在进气压力传感器失效时降低功率必选-器失效水温过高水温超过设定的上限时，降低功率必选-其它根据故障类型，自动做出恢复、保护或停机必选-2）ECU引脚接口说明ECU的K端接线原理图如图3-13所示。点火开关信号点火钥匙与柴油机ECU的K28相连。主继电器ECU通过

23、K72控制主继电器的通断，来控制ECU（K01、K02、K03）的通电和断电。建议选择品质可靠的继电器，触点容量要140A。继电器线圈具体规格详见表3-3。表3-3ECU外接继电器技术说明参数描述MinTypMaxTa环境温度（C）40-+100UBATT蓄电池电压（V）81216L线圈电感（mH）-300R线圈电阻（Q）75-500I线圈电流（mA）100-350注：此说明仅对继电器线圈，不包括继电器触点。针对进气预热继电器（ECU的K93脚），线圈电流最大为2.2A。3）制动开关信号出于整车安全性考虑，2路制动信号（主、辅制动信号）必须分别接到ECU的K17和K80上，否则会影响整车安全，

24、并造成诊断灯常亮。主制动开关信号来自制动踏板（常开），辅助制动信号来自气路（常闭）。2个信号的控制建议采用独立开关。如果无法满足要求，主制动信号必须采用独立开关，辅助制动信号可使用继电器模拟。4）离合开关信号离合开关（常闭）应与ECU的K58脚相接，否则会影响怠速控制、排气制动等功能。5）空调开关信号（可选）空调开关（常开）应与ECU的K54相连，以实现空调怠速提升功能，提升后的怠速根据空调的负荷能力和发电机的发电量而定。6）车速信号车速信号通过车速传感器获取，接入ECU的K75脚，否则会因无法进行档位识别影响ECU部分功能，导致性能偏移、最大车速限制功能失效等问题。将车速信号引入ECU有车速

25、传感器直接引入和仪表板引入。ECU对车速传感器输出信号波形要求如图3-14所示。当信号处在灰色区域时，ECU将无法正确识别。因存在电路干扰，车速传感器输出信号不可以同时并联给仪表板和ECU，只能单独给ECU或者先单独输出给仪表，再由仪表输出给ECU。如果采用仪表板引入车速信号，为保证车速信号的准确度，仪表板电路和车速传感器的搭铁由ECU的K02提供，不能直接将仪表板和车速传感器的搭铁接到车体。7）排气制动开关信号（可选）排气制动开关（常开）应与ECU的K66相连，以便车辆进行排气制动时，ECU采取断油等措施。但是排气制动控制方式属于机械控制方式，还需要另外在油门机构上串联相应开关实现（解除）排

26、气制动控制功能。图3-14柴油机ECU对车速传感器信号波形要求8）冷起动预热继电器（可选）控制冷起动预热装置的继电器与K93相连。继电器的触点容量应2150A。9）诊断插座K25接整车的诊断插座。诊断插座一般安装在整车的仪表板处。采用AMP179631-1标准OBD诊断插座，其16脚接电源正极（主继电器30端），4、5脚接电源负极，7脚接ECUK25。其端口示意如图3-15所示。图3-15AMP179631-1标准OBD诊断插座10）指示灯K92接预热指示灯（可选），K71接诊断灯。各指示灯如果使用发光二极管,应串并联规定的电阻，如图3-16所示。发光二极管的具体规格如表3-4所示。各指示灯如

27、使用小灯泡，则没有串并联电阻要求。图3-16发光二极管连接电路表3-4ECU外接LED指示灯技术说明参数描述MinTypMax柴油机。11）CAN接口（可选）如采用CAN通信，应与ECU的CAN接口K61（CAN2-L）、K62（CAN2-H）相连。由于柴油机ECU内部配置了120Q电阻，因此，外部也要接120Q电阻（CAN高与CAN低之间）。12）电子油门踏板柴油机ECU通过电子油门踏板感知驾驶者对整车动力性的要求，因此,电子油门踏板的性能及可靠性将对整车的安全性有极大的影响。电子油门踏板可以由大柴直接提供，也可以是整车厂自己采购。但是如果整车厂自己采购，则应根据大柴提供的技术要求选取,并将

28、电子油门踏板的样件提供给大柴进行电气性能检测，大柴出具认可报告后,才能采购，并且电子油门踏板的可靠性由整车厂自行负责。电子油门踏板传感器的相应引脚与柴油机ECU的K45、K09、K30、K46、K31、K08相连。13）燃油滤清器CA4DC2电控柴油机燃油滤清器为燃油细滤器，应该在整车粗滤器之后。此滤清器集成了燃油加热器、油水分离器和手油泵。燃油加热器由燃油温控开关和加热器组成，加热系统独立控制，需要另加1个继电器，连接方法如图3-17所示。油水分离器报警信号需要接到ECU的K40端，接法如图3-18所示。燃油滤清器第1次使用达到5000km时，建议更换；以后每行驶30000km更换一次。（3

29、）整车线束要求CA4DC2电控柴油机的线束由柴油机线束和整车线束2部分组成，如图3-19所示。ECU的K端94芯插头针脚说明及接线线径要求如表3-5所示。图3-17加热系统加装继电器示意图图3-18油水分离器接ECU示意图图3-19CAD4C2电控柴油机线束组成表3-5K端94芯插头针脚说明及接线线径要求针脚缩写名称线径（mm2）K01V-V-BAT+Ra蓄电池正极（由主继电器来）2.5K02G-G-BAT-1蓄电池负极2.5K03V-V-BAT+Rb蓄电池正极（由主继电器来）2.5K04G-G-BAT-2蓄电池负极2.5K05V-V-BAT+Rc蓄电池正极（由主继电器来）2.5K06G-G-

30、BAT-3蓄电池负极2.5K08G-R-APP2油门踏板传感器2搭铁0.5K09I-A-APP1油门踏板传感器1信号0.5K17I-S-BRKMN主制动信号0.35K25B-D-C0M1通信接口K-Line0.35K28I-S-T15T15点火开关（开关到BAT+）0.35K30G-R-APP1油门踏板传感器1搭铁0.5K31I-A-APP2油门踏板传感器2信号0.5K40L-S-WFLS油门分离器信号0.5K42I-S-STRREQ起动要求信号0.75K45V-V-5VAPP1油门踏板传感器1电源0.5K46V-V-5VAPP2油门踏板传感器2电源0.5K48O-T-ENGN柴油机转速输出0.35K54I-S-ACSW空调开关0.35K58I-S-CONV离合开关信号0.35K66I-S-EBR排气制动开关0.5K68O-S-STREN起动要求信号0.75K70O-S-ACRLY空调继电器输出0.75K71O-S-ERL