单元7柴油机电控喷油技术资料.pptx

1柴油机电控喷油技术2一、柴油机电控技术概述n柴油机电控技术的发展柴油机电控技术是在解决能源危机和排放污染两大难题的背景下，在飞速发展的电子控制技术平台上发展起来的。汽油机电控技术的发展为柴油机电控技术的发展提供了宝贵经验。柴油机电控系统的开发研究从20世纪90年代开始，经历了三代：位置控制时间控制电控共轨（压力时间）3柴油机电控技术的发展：第一代（位置控制方式）保留了传统柴油机供给系统的基本组成和结构，只是取消了机械控制部件（调速器等），增加了传感器、ECU、执行器等组成的控制系统，使控制精度和响应速度得以提高。优点：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：缺点：响应慢，控制精度不高，供油压力不能控制。在直列柱塞泵上实施位置控制的有：日本电装公司的ECD-P1、ECD-P2、ECD-P3系统；德国波许公司的EDR系统；美国的PEEC系统等。在分配泵上实施位置控制的有：日本电装公司的ECD-V1系统；德国波许的EDC系统；美国的PCF系统等。4柴油机电控技术的发展：第二代（时间控制方式）基本保留了传统燃油供给系统的组成和结构，通过高速电磁阀直接控制高压燃油的适时喷射。一般情况下，电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。因此可实现供油量控制，又可实现供油正时的控制。优点：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。缺点：缺点：供油压力无法控制。在分配泵上实施时间控制的有：日本电装公司的ECD-V3系统；美国Stanadyne(恩达耐)公司的DS型和RS型（DS型已用于GM公司1994年的增压柴油机上，RS型已用于GM公司的客货两用车和越野车）；日本丰田公司的ECD-2系统，等等。电控泵喷嘴系统有：德国波许公司的PDE27/PDE28系统，等等。5柴油机电控技术的发展：第三代（压力-时间方式）这是国外于20世纪90年代中期研制的一种新型柴油机电控技术。基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）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。油压油泵并部直接控制喷油，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。优点：优点：可实现高压喷射（最高达200Mpa），喷射压力独立于发动机转速，可实现理想喷油规律，具有良好的喷射特性。共轨喷射系统是柴油机燃油系统的一个发展方向。目前在卡车和轿车柴油机上得到广泛应用，发展速度十分惊人。国外典型共轨喷射系统：日本电装公司的ECD-U2系统；美国BKM公司的servojet系统；美国Caterpiller公司的HEUI系统，等等。6柴油机电控燃油喷射系统的优点改善低温起动性改善低温起动性电子控制系统能够以最佳的程序替代驾驶员进行这种麻烦的起动操作，使柴油机低温起动更容易。降低氮氧化物和烟度的排放降低氮氧化物和烟度的排放采用柴油机电控技术，可精确地将喷油量控制在不超过冒烟界限的适当范围内，同时根据发动机工况调节喷油时刻，从而有效地抑制排烟。提高发动机运转稳定性提高发动机运转稳定性采用柴油机电控系统，无论负荷怎样增减，都能保证发动机怠速工况下以最低的转速稳定运转，有利于提高其经济性。7柴油机电控燃油喷射系统的优点提高发动机的动力性和经济性提高发动机的动力性和经济性柴油机电控系统中，ECU根据传感器信号精确计算喷油量和喷油正时。从而提高发动机的动力性和经济性。控制涡轮增压控制涡轮增压采用电子控制技术可以对增压装置进行精确的控制。适应性广适应性广只要改变ECU的控制程序和数据，一种喷油泵就能广泛用在各种柴油机上，而且柴油机燃油喷射控制可与变速器控制、怠速控制等各种控制系统进行组合实现集中控制，有利于缩短柴油机电控系统开发周期，并降低成本，从而扩大柴油机电控系统的应用范围。8二、柴油机电控燃油系统的功用与组成n功用：燃油喷射控制燃油喷射控制主要包括：供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制、供（喷）油速率控制和喷油压力控制等。怠速控制怠速控制主要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制。进气控制进气控制主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。增压控制增压控制根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过各种措施，实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制。9排放控制排放控制主要是废气再循环（EGR）控制。起动控制起动控制主要包括供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制和预热装置控制。巡航控制巡航控制ECU根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。故障自诊断故障自诊断包含故障自诊断和失效保护两个子系统。柴油机与自动变速器的综合控制柴油机与自动变速器的综合控制10柴油机电控燃油系统的组成柴油机电控燃油喷射系统除了控制喷油量外，对喷油正时和喷油的压力都有很高的要求（柴油机电控燃油喷射系统的喷油压力较高约19.6MPa）。由传感器、传感器、ECU、执行元件、执行元件三部分组成。传感器：传感器：加速踏板位置传感器、进气温传感器、反馈信号传感器、燃油温度传感器、水温传感器、曲轴位置传感器、涡轮增压压力传感器等和信号开关。控制器（控制器（ECU电子控制单元）电子控制单元）根据各传感器输入信号和内存程序，计算出供（喷）油量和供（喷）油开始时刻，并向执行元件发出执行令信号。执行器执行器执行ECU的指令，调节柴油机的供（喷）油量和供（喷）油正时。11三、电控分配泵系统1、位置控制方式位置控制系统位置控制系统不仅保留了传统的泵管嘴系统，还保留了原喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽等控制油量的机械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置给予以电子控制。n供（喷）油量控制特点：供（喷）油量控制特点：用电子调速器取代传统机械离心式调速器。用发动机转速传感器和加速踏板位置传感器代替原有的转速和负荷传感机构（如离心飞块、真空室等）；用ECU控制的电子执行元件来代替机械离心式调速执行机构和加速踏板传动机构。12位置控制式分配泵系统13通过滑套位置传感器的反馈信号，得到滑套的实际位置，以此进行反馈控制电动调速器n ECU控制电磁阀线圈的占空比线圈的输入电流变化转子轴转动的电磁力矩变化偏心钢球绕转子轴中心线左右转动滑套左右移动改变柱塞的回油时间改变供油改变供油量量偏心钢球柱塞线圈滑套位置传感器定子转子轴偏心钢球滑套定子偏心钢球转子轴14正时控制器在原供油提前角自动调节器活塞两侧油腔之间增加一条液压通道，并由ECU通过电磁阀控制该液压通道来实现。ECU控制电磁阀的占空比正时活塞两端的压力差变化正时活塞左右移动由滑销带动滚轮架转动改变供油正改变供油正时时通过正时传感器的信号，得到实际的供油正时，以进行反馈控制。正时活塞 弹簧滚轮滑销压力腔正时传感器供油提前角电磁阀ECU输油泵吸油口15时间控制方式发动机转速传感器溢流控制阀（高速电磁阀）着火正时传感器正时控制电磁阀喷油器在回油通道中安装一个由ECU控制的高速强力电磁阀来取代滑套控制回油通道的开闭。一般情况下，电磁阀关闭开始喷油；电磁阀打开喷油结束。喷油始点喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量喷油量取决于电磁阀关闭的持续时间。可取消油量控制滑套，还可取消泵油柱塞上的回油槽。16时间控制式电控分配泵系统17时间控制式电控分配泵系统特点n计算机内设有时钟，通过利用时钟，控制喷油终了时间，从而控制喷油量。控制喷油量终了的执行机构是电磁阀，对每一次喷油都进行控制，因此，可以取消其他的喷油量控制机构。另外，在时间控制方式中，电子回路计较简单。典型的时间控制式电控分配泵厂品有：日本电装ECDV3分配泵、德国博世公司的VP44型分配泵 18时间控制式电控分配泵系统时间控制式电控分配泵系统-ECDV5电控分配泵电控分配泵 19泵油装置端面凸轮内凸轮结构202122电磁溢流阀当电流流过线圈时，电枢吸引铁芯。同时，溢流阀滑动，和滑阀体紧密结合，保持柱塞腔内密封。由于柱塞滑动，完成压油和喷射。一旦线圈中没有电流流过时，在弹簧力的作用下，滑阀开启，柱塞腔内燃油经过溢流阀内的通路开始溢油，喷油结束。当柱塞反向滑动时，燃油又被吸入阀腔内。电磁溢流阀开启后，柱塞腔内的高压燃油流回喷油泵腔中，燃油喷射结束。23喷射开始溢流控制阀开启主溢流阀开启溢流控制阀开启指令信号主溢流阀溢流控制电磁阀高压室控制阀线圈电磁溢流控制阀工作原理24定时控制阀安装在喷油泵腔内，根据计算机送来的信号，适时开启或关闭喷油泵压力腔和定时活塞低压腔之间的燃油通道。当电流流过线圈时，定子磁芯被磁化，可动铁芯被吸引而压缩弹簧，燃油通路开启。TCV的开启程度是根据计算机送来的通过线圈的电流的ONOFF时间比（占空比）进行控制。如果ON时间长，则阀的开启时间亦长。TCV的开启时间长，从喷油泵腔内流入提前器低压腔内的燃油多，提前器低压腔内的压力就高，因此，提前器活塞橡胶度延迟方向移动。反之，TCV开启时间短，提前器活塞向角度提前的方向移动。定时控制阀25断油阀（FCV）在发动机处于停止状态或类似停止状态时，断油阀将燃油切断。通电后，断油阀开启，燃油被吸入柱塞腔内。26电子驱动单元（电子驱动单元（EDU）为了高速驱动在高压下工作的电磁溢流阀，采用了EDU。可实现减少排气中的颗粒和有害成分 EDU的状态是由ECU监管的，万一发生异常时，则令发动机停止运转。EDU的工作原理：蓄电池电压通过高电压发生回路（DC/DC变换）变换成高电压。EDU根据个传感器送来的信息将信号送到EDU的EMU端子。这样，大约150V的高电压由SPV+端子输出到电磁溢流阀。这时，EDUF端子上输出喷油确认信号。27四、电控直列泵系统四、电控直列泵系统 电子控制技术应用到直列泵中的基本方案首先是实现喷油量调节机构和喷油定时控制机构的电子控制。这就是电子调速器和电子提前器。而喷油泵本体基本不变。电控直列泵比较有代表的产品有：日本电装公司电控直列泵：ECDP、ECDP2、ECDP3等 德国博世公司电控直列泵：H系列 日本杰克塞尔电控直列泵：COPEC、TICS（可变预行程直列泵）美国Caterpilar公司PEEC系统 日本小松公司的KP21型电控直列泵 28电子调速器电子调速器 电子调速器的内部主要有以下4部分构成：（1）线性螺线管控制线圈中的电流，使喷油泵的调节齿杆移动。（2）齿杆位置传感器由线圈和铁芯构成，检测出调节齿杆的位置。（3）转速传感器检测出发动机的转速（4）传感器放大器将检测到的齿杆位置传感器的信号放大后送到计算机中。此外还有，油门踏板位置传感器、水温传感器和启动信号等。29喷油量控制原理 30喷油量控制原理n执行元件：执行元件：占空比控制型电磁阀n反馈元件：反馈元件：齿条位置传感器 ECU控制电磁阀线圈的占空比铁芯产生电磁力铁芯推动供油齿条移动至与回位弹簧平衡改变供油改变供油量量通过齿条位置传感器的反馈信号，得到齿条的实际位置，以此进行反馈控制。各种传感器ECU电子调速器电子调速器占空比电磁阀转速传感器齿条位置传感器反馈控制电磁阀回位弹簧转速传感器供油拉杆电子调速器电子调速器31电子提前器电子提前器电磁阀由ECU驱动，控制作用在油压活塞上的油压。油压活塞左右移动使转换机构上下运动，从而改变发动机驱动轴和凸轮轴之间的相位。32相位差的检出方法发动机驱动轴和凸轮轴上分别装有转速脉冲发生器和进角脉冲发生器如图所示。对应两个脉冲发生器分别装置了传感器。从这两个传感器的信号ne和n可检出两者的相位差。33五、电控共轨系统五、电控共轨系统20世纪90年代，博世公司和日本电装公司先后研制出一种全新的燃油喷射系统电控共轨燃油系统。从此开始了绿色柴油机时代。34电控共轨系统电控共轨系统第三代柴油机电控系统中最典型的是电控共轨式燃油喷射系统。在电控共轨式燃油喷射系统中，各缸喷油器共用一个高压油轨（即高压油管）。对喷油量的控制采用时间压力控制或压力控制，用的最多的是时间压力控制方式。共轨（Common-rail）喷油器燃油压力传感器高压供油泵高速电磁阀35博世第三代高压共轨，奥迪V6TDI3.0柴油机使用361994年博世第一代电控共轨系统年博世第一代电控共轨系统电控共轨燃油系统主要由 ECU 高压燃油泵 喷油器 空气流量计 共轨组件、限压阀和调压阀 油门位置传感器 电磁断油阀等组成37电控共轨系统特点电控共轨系统特点（1）共轨压力高达135200MPa，使得喷油雾化极好，燃烧彻底，发动机的动力性和经济性好。（2）采用高速电磁阀控制燃油喷射，可以实现预喷射（一个工作循环可以实现46次燃油喷射）是柴油燃烧更彻底。（3）闭环控制38电控共轨系统优点电控共轨系统优点（1）自由调节喷油压力：利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力，从而调整高压燃油泵的供油量来控制共轨压力（共轨压力就是喷油压力）。（2）自由调节喷油量：以发动机的转速和油门开度信息等为基础，由计算机计算出最佳喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油参数。（3）自由调节喷油率：根据发动机用途的需要，设置并控制喷油率：预喷射、后喷射、多段喷射等。（4）自由调节喷油时间：根据发动机的转速和负荷等参数，计算出最佳喷油时间，并控制喷油电磁阀的开启时刻，从而准确控制喷油时间。39电控共轨系统基本工作原理电控共轨系统基本工作原理燃油从油箱经输油泵供入高压油泵中，在高压油泵中提升压力后，送入共轨，共轨内的燃油压力在25MPa（怠速）160MPa（额定转速）。共轨内的高压燃油供给各个气缸所对应的喷油器，设置在喷油器上的电磁阀根据ECU的指令动作，控制各个气缸的喷油时间和喷油量。40电控共轨系统基本工作原理电控共轨系统基本工作原理ECU加速踏板位置传感器发动机转速传感器凸轮轴位置传感器高压供油泵油泵压力控制阀燃油压力传感器共轨管三通电磁阀单向节流阀控制室液压活塞喷嘴针阀喷油器41电控共轨系统供油泵结构电控共轨系统供油泵结构42奥迪V6 3.0TDI 发动机齿轮泵和高压泵 43电控共轨系统供油泵工作原理电控共轨系统供油泵工作原理组成与工作原理：由驱动轴、柱塞、进、出油阀、电磁断油阀、压力调节阀和机体组成。驱动轴由发动机驱动，其偏心凸轮有三个凸轮，分别驱动三组柱塞，驱动轴每转一圈，三柱塞分别上下运动一次。当柱塞下行时，燃油从吸油管经单向阀、进油阀被吸入，如下图所示。当柱塞克服弹簧上行时，油压将进油阀关闭，由于柱塞与套的高精度及高速压油，因此，能产生很高的压力。顶开出油阀，从高压油管压出。柱塞的复位是靠受压弹簧压动与之镶嵌的弹簧座而实现的。44电控共轨系统电控共轨系统供油原理柱塞下行，控制阀开启，低压燃油经控制阀流入柱塞腔。柱塞上行，但控制阀中尚未通电，控制阀仍处于开启状态，吸进了燃油但并未升压，经控制阀流回低压油腔。ECU计算出满足必要的供油量的定时，适时地向控制阀通电，并使之开启，切断回油通路，柱塞腔内燃油压力升高。因此，高压油经出油阀（单向阀）压入共轨内；控制阀开启后的柱塞行程与供油量对应。如果使控制阀的开启时间（柱塞预行程）改变，则供油量随之改变，从而可以控制共轨压力。凸轮越过最大升程后，则柱塞进入下降行程，柱塞腔内的压力降低；这时出油阀关闭，压油停止；控制阀处于停止通电状态，控制阀开启，低压燃油将被吸入柱塞腔内，即回复到状态。45压力调节阀 当压力过高时，ECU控制压力调节阀打开溢油阀泄压 46喷油结构与工作原理喷油结构与工作原理电控共轨燃油系统中喷油器中的电磁阀由ECU直接控制其喷油始点、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。电磁阀实际上完成了传统喷油装置中的喷油器、调速器和提前器的功能 47奥迪V6 3.0TDI 发动机压电喷油器这种喷油阀是利用压电效应来控制的。压电效应 是指当离子构成的晶体（电气石、石英、酒石酸钾钠）发生变形时，会产生一个电势。压电效应也可以反过来用，即加上电压后晶体会被拉长。采用压电喷油阀的好处在于：每个工作行程可产生多个触发周期；大大缩短多个喷油阀之间的切换时间；可以产生很大的力以对抗共轨压力；燃油卸压时可精确地控制行程；触发电压为110148V，这取决于轨道的压力。48电控共轨系统电控共轨系统作用是接受从高压油泵来的高压燃油，并按照ECU的指令向各个气缸分配燃油。共轨组件中有压力限制器、流动缓冲器和压力传感器等，随时监测有无过剩燃油流出、喷射、监测压力是否正常并进行控制。49高压溢流阀燃油压力传感器溢流缓冲器高压溢流阀高压溢流阀常闭，当共轨内油压超过设定值时，阀门打开泄压。燃油压力传感器燃油压力传感器检测共轨内的燃油压力。溢流缓冲器溢流缓冲器通过高压油管与喷油器相连，可使共轨内和高压油管内的油压波动减小，且一旦流出油量过多时，切断燃油通道，停止供油。共轨（Common-rail）50发动机转速传感器发动机转速传感器水温传感器水温传感器加速踏板位置传感器加速踏板位置传感器着火正时传感器着火正时传感器泵角位置传感器泵角位置传感器燃油温度传感器燃油温度传感器燃油压力传感器燃油压力传感器 等ECUA/C开关开关点火开关点火开关加速踏板开关加速踏板开关鼓风机开关鼓风机开关 等自诊断失效保护EDUSPVTCV其它控制：其它控制：进气节流 EGR 预热塞 控制 等传感器传感器执行器执行器控制单元控制单元喷油量喷油正时EDU=Electronic Driver Unit 电子驱动单元SPV=Spill Control Valve 溢流控制阀 TCV=Timing Control Valve 正时控制阀51发动机ECU的控制n喷油正时的确定：通过计算发动机转速和加速踏板开启度角来决定，根据水温和进气压力的量来进行修正，得出最佳喷油正时。n喷油控制：1、起动喷油量控制：发动机温度越低，喷油量越大，为确保能起动，当水温低时，ECU将喷油提前，并提高发动机转速。2、喷油率控制：一个循环内分段喷油。n怠速控制