1、2022年12月13日星期二一、柴油机电控技术的一、柴油机电控技术的发展发展一、柴油机电控技术概述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70年代开始，经历了三代：位置控制时间控制时间压力控制（压力控制）柴油机电控技术的发展：第一代（位置控制方式）1.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
2、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。2.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。3.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。柴油机电控技术的发展：第二代（时间控制方式）1.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。1.优点：优点：控制
3、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。2.缺点：缺点：供油压力无法控制。2.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。3.电控泵喷嘴系统有：德国波许公司的PDE27/PDE28系统，等等。柴油机电控技术的发展：第三代（时间-压力方式）1.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。2.基本改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主
4、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。3.油压油泵并不直接控制喷油，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。1.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。4.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，发展速度十分迅速。5.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
5、HEUI系统等。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。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
6、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。二、柴油机电控系统的功能与组成柴油机电控系统的功能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
7、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。柴油机电控系统的功能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柴油机电控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
8、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、反馈信号传感器、燃油温度传感器等和信号开关柴油机控制柴油机控制ECU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。执行元件执行元件执行ECU的指令，调节柴油机的供（喷）油量和供（喷）油正时。三、柴油机供（喷）油量控制本节内容：位置控制方式 时间控制方式 时间压力控制方式 压力控制方式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
9、械传动机构，只是对齿条或者滑套的运动位置予以电子控制。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。直列式柱塞泵位置控制方式执行元件：执行元件：占空比控制型电磁阀反馈元件：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量改变供油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
10、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，以此进行反馈控制转子分配泵位置控制方式 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量改变供油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
11、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。时间压力控制方式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时间压力控制方式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控
12、制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制三通电磁阀工作实现喷油量和喷油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。压力控制方式在后期开发的柴油机电控共轨式燃油喷射系统中，为降低对供油压力的要求，喷油量的控制采用控制喷油压力的方法实现，即喷油量的“压力控制”方式。喷油器喷孔尺寸一定，喷油时间一定，控制喷油压力即可控制喷油量；而在增压活塞和柱塞尺寸一定时，喷油压力（即增压压力）取决于共轨中的油压，共轨中的油压是由ECU根据各种传感器信号通过燃油压力调节阀来控制的，所以将此种喷油量控制方式称为“压力控制”方式。在系统中，ECU根据实际的共轨压力信号对共轨压
13、力进行闭环控制。共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理，通过油锤响应、液力增压、共轨蓄压或者高压共轨等形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程，可以实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。第三代共轨电控喷射系统典型系统高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。第三代共轨电控喷射系统喷射系统 预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。
14、这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOX排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。四、柴油机供（喷）油正时控制直列柱塞泵供油正时电控系统组成：组成：正时控制器、电磁阀、柴油机转速传感器、正时传感器和ECU等。正时传感器供油齿条位置传感器正时控制器转子分配泵供
15、油正时电控系统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输油泵吸油口日本电装公司ECD-V1系统日本电装公司ECD-V3系统日本五十铃公司I-TEC系统直列柱塞泵电控系统美国Caterpillar公司HEUI系统日本电装公司ECD-U系统五、柴油机电控燃油喷射系统实例日本电装公司ECDV1系统日本丰田公司柴油轿车最
16、早装的就是日本电装公司开发的ECDV1系统。该系统是在转子分配式喷油泵的基础上，加装电子控制装置而形成的。主要传感器主要传感器包括：发动机转速传感器、加速踏板位置传感器、滑套位置传感器、正时活塞位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、车速传感器、空档开关、起动开关、空调开关等。控制功能控制功能包括：燃油喷射控制、进气节流控制、预热塞控制、自诊断和安全保护功能等。ECU正时控制电磁阀TCV正时活塞位置传感器滑套控制电磁阀滑套位置传感器断油电磁阀转速传感器日本电装公司ECD-V1系统图日本电装公司ECDV3系统日本电装公司开发的ECDV3系统也是在转子分配式喷油泵基础上，增加
17、电子控制装置形成的柴油机电控燃油喷射系统。与ECDV1系统相比，主要是喷油量控制方法不同，ECDV3系统是通过控制喷油时间来实现对喷油量控制的，即ECU在确定喷油器的喷油开始时刻后，再通过溢流控制电磁阀来控制柱塞泵回油的时刻（即停止喷油的时刻），以此来控制喷油量。为控制喷油时间，在转子分配式喷油泵内增设了泵角传感器。泵角传感器采用电磁感应式，向ECU提供喷油泵凸轮轴位置和转角信号。ECDV3系统装用光电式着火正时传感器，对喷油正时实施反馈控制。发动机转速传感器安装在曲轴上。正时控制电磁阀TCV溢流控制电磁阀SPV着火正时传感器泵角传感器日本电装公司ECD-V3系统图发动机转速传感器发动机转速传
18、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 正时控制阀石英晶体棒光敏
19、晶体管线束连接器光电式着火正时传感器光电式着火正时传感器着火正时传感器着火正时传感着火正时传感器器用以检测气缸内混合气燃烧的实际开始时刻，以此信号对供油正时进行反馈控制。混合气燃烧石英晶体棒检测到光的变化光敏晶体管将光信号变成电压信号信号输出到ECU。喷射开始辅助阀开启主阀开启辅助阀开启指令信号主阀辅助阀高压油腔控制阀线圈回油控制电磁阀工作原理泵角脉冲发生器泵角脉冲发生器（泵角检测齿轮）（泵角检测齿轮）缺齿齿溢流控制阀高压室泵角检测齿轮ECU泵角传感器柱塞行程对应的喷油量泵角信号溢流控制阀控制信号溢流角缺齿部喷油量控制原理日本五十铃公司ITEC系统五十铃公司LTEC（全电子控制式）是在转子分配
20、式喷油泵基础上，增加电子控制装置形成的全电子控制式柴油机电控燃油喷射系统。系统的主要特点系统的主要特点：具有巡航控制功能，设有燃油温度传感器，不对喷油正时进行反馈控制。此外，加速踏板位置传感器采用差动电感式；进气节流（节气门）不受ECU控制。直列柱塞泵电控系统装用直流电动机式电子调速器的直列柱塞泵电控系统，用电子调速器取代原有的机械调速器，以实现对喷油量的控制；用正时控制器取代原有的机构离心式供油提前角自动调节器，来对喷油正时进行控制；设有油量调节拉杆（或齿条）位置传感器和正时传感器，对喷油量和喷油正时的控制均采用闭环控制方式。电磁阀回位弹簧转速传感器供油拉杆美国Caterpillar公司HE
21、UI系统HEUIHydraulic Electronic Unit Injector该系统具有共轨式共轨式柴油机电控燃油喷射系统的基本组成和结构，属第三代电控共轨式燃油喷射系统。系统控制功能控制功能包括：燃油喷射控制、进气控制、起动控制、故障自诊断、失效保护和应急备用，同时还具有与其他控制系统进行数据传输的功能。喷油量控制采用了压力控制压力控制方式，通过由传感器、ECU和执行元件等组成的控制系统，对循环喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力进行控制。高压机油泵高压机油共高压机油共轨轨HEUI喷油器燃油滤清器输油泵燃油箱燃油回油管ECURPCV压力控制阀机油泵机油箱机油冷却器机油滤清器油压300k
22、Pa油压200kPa油压423MPa喷射压力可达150MPa低压燃油共低压燃油共轨轨美国Caterpillar公司HEUI共轨式液压喷油系统HEUI系统的特点中压共轨电控液压式喷射系统；系统共轨中采用燃油和柴油机润滑油两条共轨两条共轨，因此系统中有润滑油和燃油两套油路两套油路；采用机油共轨油道驱动燃油增压活塞，对燃油增压，实现高压喷油；利用高速开关电磁阀控制共轨油道中机油进出增压活塞，实现燃油压力的上升与下降，从而实现喷油的定时控制；通过采用预喷射量孔控制初期喷油率实现预喷；喷油压力与柴油机转速和负荷无关。日本电装公司ECDU2系统系统主要用于载重汽车装用的柴油机上，日本日野汽车公司、三菱汽车
23、公司和日产汽车公司生产的载重汽车柴油机多数采用ECDU2系统。系统具有共轨式共轨式喷油系统的基本组成和结构，属于第三代柴油机电控燃油喷射系统。系统组成系统组成：由各种传感器、ECU、燃油压力控制阀和三通电磁阀等组成的控制系统，对喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力进行时间压力控时间压力控制制。日本电装公司ECD-U2高压共轨式喷油系统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高压供油泵低压输油泵回油管燃油滤清器共轨高压溢流阀压油管共轨高压油管喷油器燃油箱日本电装公司ECD-U2系统油路高压
24、供油泵的控制高压供油泵的控制吸油压油凸轮升程HPCV工作状态阀关闭阀开启预行程压力控制阀PCV柱塞共轨高压供油泵结构和传统的直列柱塞泵相似。压力控制阀压力控制阀PCV的作用是通过调整供油泵供入共轨内的燃油量来调整共轨内的燃油压力。PCV阀阀断电和通电的时刻决定了高压供油泵向共轨内供入的燃油量。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）二位三通阀结二位三通阀结构构共轨共轨固定的内阀可上下移动的外阀喷油嘴阀体液压活塞电控喷油器早期ECDU2系统的电控喷油器采用二位三通电磁阀结构；在新结构的ECDU2系统中，都采用二位二通电磁阀结构。
