柴油机电控及喷油系统-课件.ppt

1、柴油机电控及喷油系统华中科技大学 以计算机为核心电控系统的特点及优点以计算机为核心电控系统的特点及优点：可通过软件，采用先进的控制理论，实现复杂的控制算法，如非线性控制、最优控制、自适应控制、模糊神经网络控制等。很大的通用性和灵活性。修改或更换控制软件，可适应不同的机型或适用场合。一台计算机可控制数台机组或系统，实现系统控制或集中控制，便于协调和整体优化。响应速度快，控制参数多，可以反映各气缸、各工作循环的变化，及时实施调控；可以采集多部位的压力、温度、流量、应变、振动等参数，全面评判发动机性能，实现综合优化控制。数字元器件的工作可靠性高，数字信号的传输可靠性由于模拟信号。电控和机械调控系统的

2、区别：电控和机械调控系统的区别：动力机械电控系统与机械调控系统相比，其工作原理、构成元器件、控制方法和策略均发生了根本性变革。在信息获取、处理、转换和控制功能方面引入电子技术。将机械装置、执行部件、计算机等硬件与软件有机结合而构成的控制系统，显著提高了控制精度和响应速度，大幅度扩展了系统功能，有力促进了动力机械技术进步。动力机械水平的不断提高，又使电控系统和理论面临新的机遇和挑战。系统电子控制系统电子控制 动力机械输出机械能给从动机械如车辆、船舶，需要配备变速器、变扭器、功率分配装置、传动轴等，运行工况也要按从动机械的特性和环境随时调节，对动力机械及其传动系统相关的装置进行整体电子控制，称为系

3、统电子控制。系统电控更有利于发挥电控的优势，改善动力机械性能。集中电子控制集中电子控制 车辆、船舶上除动力系统外，还有悬挂、导航、通讯、安全等系统，通常也采用电子控制，将相关系统用计算机集中控制，即便于协调，又可充分利用信息，节约资源，称为集中电子控制。现代集中电子控制系统，采用信息系统控制模式，将整体系统的多个控制功能集中，由一个ECU进行控制，使局部优化转变为整体最佳。系统可随时响应外界环境的变化，寻求整体资源的最佳使用效果。集中控制系统在设计阶段就应按照人、控制对象、环境的整体最佳的原则和目标，进行总体规划与设计，运用系统信息控制模式，根据整体性、动态性、开放性的控制准则，采用计算机网络

4、信息技术，实现控制集成化。集中控制系统不再是仅为提高机械系统的功能而增加的装置，而是以控制系统为主，通过信息、指令的传感和传输，机械系统的执行，实现终极功能的智能化、网络化和信息化。柴油机作为动力机械，总是与车辆、船舶、发电机等相匹配，负载设备的运行特征对柴油机的控制性能有重要影响，有时将负载设备的某些参数，如车速、变速器传动比、发电机电流频率等送回控制装置，作为反馈信号，提高电控系统的响应速度和控制精度。柴油机车辆巡航式电子控制系统，将车辆行驶、柴油机运行一起考虑，进行整体控制，可充分发挥电控系统的优势，获得更好的效果。车辆巡航电控系统框图柴油机电控系统组成柴油机电控系统组成传感器和开关控制

5、装置执行器喷油、进气及增压装置传感器和开关传感器和开关 及时、准确地获取相关信息，输送给控制微机，信号尽可能用电量，便于传输和处理。分为模拟信号和数字信号两大类。对传感器的基本要求是：工作范围（量程）足够宽，有一定的过载能力；线性度好，灵敏度高，与测量系统和控制系统匹配合理；响应快、精度高、稳定性好；内部噪声小，抗干扰能力强；易于校准维修，成本低、寿命长；工作可靠，消耗能量少。柴油机除正常运行状态外，还存在冷起动、暖机、怠速、加速、拖动等特殊工况，它们的控制模式不同，当运行状态改变时，控制微机依据相关参数进行判别，由开关实现控制模式转换。传感器主要用来检测传感器主要用来检测：工作循环参数如曲轴

6、转速、涡轮增压器转速、曲轴转角和上止点、凸轮轴位置、进排气温度和压力、气缸压力和温度、喷油量和喷油压力、喷油正时、排气再循环率等；状态特征参数如冷却剂温度、润滑油压力和温度、关键零部件的温度、振动特征量；性能参数如功率、排放量、负荷、转速等。控制装置控制装置 柴油机电控系统的控制装置以计算机为核心，含硬件和软件两部分。硬件如控制器、运算器、存储器，信号输入输出及转换器件、外围设备等，是电控系统的驱体。软件包括系统软件和工程应用软件，是电控系统的灵魂，架起人的思维与系统硬件间的桥梁，软件品质关系到电控系统能否正常运行，影响硬件功能的充分发挥，决定控制系统及动力机械性能的优劣。系统软件是计算机操作

7、、运行、维护的相关程序，用于文件和数据管理，人机交流，支持系统正常运行，具有通用性，一般由软件公司开发，计算机厂家提供。工程应用软件是用户根据控制对象的特点和控制要求，进行理论分析、试验研究、参数标定等，获得数学模型、控制规律、控制目标和功能，包括被控动力机械的特征值、图谱、控制模式、优化规则等，是电控系统主要技术关键之一。执行器执行器 控制装置发出的指令，通过各种控制阀、继电器、驱动器等执行器件提高能量水平，转换运动形式，作用于柴油机的燃油系统、进排气系统等，改变相应的控制参数，使柴油机的工作过程或工况发生变化，实现预期控制目的。执行器的功率、控制特性，主要零件的强度、刚度和运动精度直接影响

8、电控系统性能，需要认真选配或设计。按工作原理分，柴油机常用的执行器有机械式、液压式、电磁式、电子式等类型，如杠杆电磁铁、螺线管、直流电机、步进电机等。可根据动力机械的类型、功率、使用要求；电控系统的精度、响应特性，进行选用或设计。喷油、进气及增压装置喷油、进气及增压装置 改变喷油量、喷油率、喷油压力、喷油正时，调节进气量、进气压力、进气流动状态等参数，即可控制柴油机的运行工况。燃油的压力、油量、喷射速率、雾化等参数有严格的定量要求；进气压力和流动状态需要控制；涡轮增压器的流通面积、排气再循环率需要调整。这些功能由燃油泵、喷油器、节气门、增压器、控制阀等器件，按照控制微机发来的指令分别实现。柴油

9、机品种多，用途广，生产批量大，这些特有的执行器由专业研发机构、制造企业设计和生产，供主机厂选配，并有国际、国家技术规范保证其通用性和产品质量。柴油机对喷油系统的主要要求柴油机对喷油系统的主要要求喷油量应与柴油机工况相适应，整个柴油机寿命期内，循环之间、气缸之间喷油精度，喷油量有良好的一致性；精确的喷油正时，灵活的喷油正时控制能力，各气缸、各工作循环喷油正时的良好一致性；柴油机各工况下有高的喷油压力和喷射能量，随工况的变化喷油压力可自由控制；油束及燃油在燃烧室中分布合理，有助于油气充分混合；喷油率可控制，通过压力控制优于针阀升程调节；快速响应能力；可靠性好，使用寿命长；性能/价格比高。如果排放策

10、略保持不变，柴油机技术继续提高，排气后处理如果排放策略保持不变，柴油机技术继续提高，排气后处理逐渐推广，未来喷油系统研发焦点如下：逐渐推广，未来喷油系统研发焦点如下：提高喷油压力，减小喷孔面积；多次喷射（分离喷射）；有升程控制功能的新喷油驱动器；更高的喷油（量和正时）精度，通过新型传感器和闭环控制实现；更高水平的ECU功能和故障诊断，32位微处理器、存储达2MB、驱动器（如压电、磁电、两级电磁等）、车载电压（42V）；减小故障率可能性；减小生产容差。1 针阀，2 针阀体，3 针阀锥面，4针阀密封面，5 喷孔，6 针阀腔，7 进油孔，8压力室图6-8 孔式喷油嘴结构喷油率控制目的喷油率控制目的

11、减少滞燃期内的喷油量 减少滞燃期内的可燃混合气量 拟制预混合燃烧 加强扩散燃烧 喷油结束干脆减小初始喷油率减小初始喷油率 拟制喷油初期针阀升程 供油率影响喷油率 较小喷孔直径预喷射预喷射 两套喷油系统 两级喷射 电控喷油（喷油压力控制）喷油率控制原理和方法dq/df(2p/)0.5/6n 式中，p为喷孔前和缸内气体的压力差；为喷孔的流量系数；f为喷孔的几何流通面积；为燃油密度；n为喷油泵凸轮轴转速 靴型喷射 为降低初始喷油率，控制初始喷油量，将一次喷油持续期分做两个阶段：预喷油持续期和主喷油持续期。预喷油阶段的喷油压力和喷油率较低，主喷油阶段的喷油压力和喷油率较高，控制预喷油持续期，就可以改变

12、预喷油量。整个喷油规律呈靴形，故称为靴型喷射。靴型喷射的主要参数有：喷油正时、预喷油压力、预喷油持续期、最高喷油压力、主喷油波形和持续期。预喷射 喷射过程中，预喷射压力和主喷射压力的波形分离，形成两次喷油：主喷射和预喷射，预喷射压力较低，油量较小（总喷油量的5%以内)。预喷射主要参数：预喷射合主喷射压力、预喷射和主喷射持续期、预喷射和主喷射正时。预喷射压力和喷油量，预喷射正时及其与主喷射正时的关系，影响柴油机工作过程和性能。多次喷射 除预喷射、主喷射外，有时还需要先进的二次喷射，在主喷射之后，膨胀或排气期间，喷射少量燃油，配合NOX催化转化器和排气再循环，改善排放性能。分离喷射，优化燃烧过程。

13、这种两次以上的喷射，成为多次喷射。柴油机电控喷油系统的类型柴油机电控喷油系统的类型从工作原理考虑，柴油机电控喷油系统可分为三大类型：位置控制式电控喷油系统时间控制式电控喷油系统压力时间控制式电控喷油系统位置控制式电控喷油系统位置控制式电控喷油系统 在传统喷油泵-高压油管-喷油器系统基础上，保持燃油泵送和计量机构不变或适当改进，由电子调速器取代机械调速器，传感器将柴油机相关信息输送到电控单元，电控单元运算、处理后发出指令到执行器，通过齿条（拉杆）、滑套的位置变化改变喷油量和喷油正时，实现燃油喷射的系统。以位置变化作为典型控制环节，所以称为位置控制式电控喷油系统。与机械调速器相比，电子调速器的信息

14、处理能力、控制精度、响应速度均具有显著优势，有利于柴油机综合性能改善。该系统中喷油泵、喷油器的结构及其在柴油机上的布置保持不变，喷油装置生产企业长期积累的技术、经验和生产设备能继续使用，更换调速器和驱动器，增加部分传感器即可实现电子控制，继承性好，容易为柴油机生产企业和用户接受。因为燃油泵送和计量机构基本不变，所以该系统喷油参数受柴油机转速和负荷影响较大，难以实现理想喷油规律，凸轮机构、柱塞套的应力和变形限制了喷油压力的提高。时间控制式电控喷油系统时间控制式电控喷油系统 由柱塞式喷油泵或泵油元件承担燃油泵送和压力升高任务，传感器将柴油机相关信息传输给电控单元，运算处理后向执行器发出指令，由电磁

15、阀控制喷油量、喷油率和喷油正时，有利于提高计量精度，增加系统功能和控制灵活性，电磁阀以时间为基础工作，故称为时间控制喷油系统。该系统结构、布置上与传统的单体泵和泵-喷嘴系统相类似，有一定的继承性。引入传感器、执行器、控制微机后，信息处理、控制精度和能力大幅提高，柴油机性能明显改善，发展潜力大，已批量生产，广泛应用。凸轮通过挺柱、滚轮等随动件，推动柱塞运动泵送燃油，喷油压力随柴油机的转速而变化，难以满足改善部分工况性能的要求；凸轮运动副的摩损和变形，也限制了喷油压力的提高。电控单体喷油泵系统电控单体喷油泵系统 电控单体喷油泵系统在柴油机上的布置与传统单体泵系统基本相同，喷油泵、高压油管、喷油器相

16、连接，与柴油机的气缸一一对应，但喷油泵中柱塞偶件的工作原理和结构已大相径庭。电控单体喷油泵的柱塞上无控制斜槽，柱塞偶件受泵油凸轮的驱动，仅完成提高燃油压力，供应高压燃油的任务，可以此为目标优化设计，提高喷油压力和喷油率；供油量、供油率、供油正时的控制，完全由高速电磁阀按电控单元的指令实施。传感器采集柴油机的运行、热力状态、振动等参数，监测环境、燃油的变化，将信息输入控制微机进行优化决策，可显著改善柴油机的综合性能，电控泵电控泵-喷嘴系统喷嘴系统 电控泵-喷嘴系统与机械式泵喷嘴系统相比，在柴油机上的布置和外观相似，但工作原理及性能大不相同。电控泵-喷嘴系统取消柱塞上的螺旋槽，柱塞偶件受凸轮及随动

17、件的驱动，完成燃油压力升高、供应高压燃油的任务，由高速电磁阀实现燃油计量功能，控制喷油量、喷油率和喷油正时。无螺旋槽的柱塞副密封性好，喷油压力高；高速电磁阀控制精度高，动态响应快，便于控制喷油规律，且断油干脆，有利于改善柴油机综合性能。该系统喷油压力随曲轴（凸轮）转速而变，不利于柴油机部分工况性能优化。高喷油压力时凸轮型线较陡，驱动扭矩峰值大，对传动机构、缸盖和机体的组合刚度要求较高。压力时间电控喷油系统压力时间电控喷油系统 现代柴油机的经济性、排放、振动、噪声等综合性能要求越来越高，希望通过喷油参数优化燃烧过程，甚至影响排气后处理，对喷油系统的要求也日益提高。实现柴油机全工况优化，需要在整个运转范围内，对工作循环的喷油量、喷油次数、喷油压力、喷油率、喷油正时进行柔性控制，研发压力时间电控喷油系统。该系统改变传统喷油系统的工作原理和结构，实现燃油泵送、压力升高，燃油计量功能分离，喷油压力与柴油机转速无关，可独立调控，由高速电磁阀在电子控制单元驱动下实现喷油量、喷油压力、喷油规律、喷油正时的最佳控制，高速电磁阀是系统的关键部件，喷油压力可自由调控，因而称为压力时间式电控喷油系统。