第九章柴油机电控技术简介

第九章柴油机电控技术简介 • 本章主要内容： • 柴油机电控技术概述 • 柴油机电控燃油喷射系统功能与组成 • 柴油机供（喷）油量控制 • 柴油机供（喷）油正时控制 • 柴油机电控燃油喷射系统实例

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）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：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：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。

柴油机电控技术的发展：第二代（时间控制方式）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：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：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。

柴油机电控技术的发展：第三代（时间-压力方式）柴油机电控技术的发展：第三代（时间-压力方式） • 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：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。

柴油机电控燃油喷射系统的优点 • 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 • 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 • 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 • 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 • 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 • 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 • 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 • 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 • 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 • 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 • 主要是废气再循环（EGR）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 • 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 • 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（柴油机电控燃油喷射系统的喷油压力较高约19.6MPa）。 • 由传感器、ECU、执行元件三部分组成。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予以电子控制。 • 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。

供油拉杆 回位弹簧电磁阀转速传感器各种传感器 ECU 电子调速器控制占空比电磁阀反馈齿条位置传感器转速传感器直列式柱塞泵位置控制方式 • 执行元件：占空比控制型电磁阀 • 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 • 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。电子调速器

滑套位置传感器 偏心钢球线圈定子偏心钢球柱塞转子轴转子轴定子偏心钢球滑套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

发动机转速传感器 溢流控制阀（高速电磁阀）着火正时传感器喷油器正时控制电磁阀时间控制方式 • 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。 • 喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，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。

高压供油泵 高速电磁阀喷油器共轨（Common-rail）燃油压力传感器时间－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。

燃油压力传感器 ECU 加速踏板位置传感器三通电磁阀单向节流阀油泵压力控制阀控制室共轨管发动机转速传感器液压活塞凸轮轴位置传感器喷嘴针阀喷油器高压供油泵时间－压力控制方式

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。

供油齿条位置传感器 正时控制器正时传感器四、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：正时控制器、电磁阀、柴油机转速传感器、正时传感器和ECU等。

滚轮 ECU 滑销输油泵吸油口压力腔供油提前角电磁阀正时传感器弹簧正时活塞转子分配泵供油正时电控系统供油提前角电磁阀FLASH动画 • 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。

五、柴油机电控燃油喷射系统实例 • 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-U２系统

日本电装公司ECD－V1系统 • 日本丰田公司柴油轿车最早装的就是日本电装公司开发的ECD－V1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。

滑套位置传感器 断油电磁阀滑套控制电磁阀转速传感器正时活塞位置传感器 ECU 正时控制电磁阀TCV 日本电装公司ECD-V1系统图

日本电装公司ECD－V3系统 • 日本电装公司开发的ECD－V3系统也是在转子分配式喷油泵基础上，增加电子控制装置形成的柴油机电控燃油喷射系统。 • 与ECD－V1系统相比，主要是喷油量控制方法不同，ECD－V3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。 • ECD－V3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。

着火正时传感器 溢流控制电磁阀SPV 泵角传感器正时控制电磁阀TCV 日本电装公司ECD-V3系统图

传感器 控制单元执行器发动机转速传感器水温传感器加速踏板位置传感器着火正时传感器泵角位置传感器燃油温度传感器燃油压力传感器 …等 ECU EDU SPV 喷油量 TCV 喷油正时其它控制：进气节流 EGR 预热塞控制 …等 A/C开关点火开关加速踏板开关鼓风机开关 …等自诊断失效保护 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

线束连接器 光敏晶体管石英晶体棒着火正时传感器 • 着火正时传感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。光电式着火正时传感器

高压室 主溢流阀溢流控制电磁阀控制阀线圈溢流控制阀开启主溢流阀开启喷射开始溢流控制阀开启指令信号电磁溢流控制阀工作原理

齿 ECU 溢流控制阀缺齿泵角传感器高压室泵角检测齿轮柱塞行程对应的喷油量缺齿部泵角信号溢流控制阀控制信号溢流角喷油量控制原理泵角脉冲发生器（泵角检测齿轮）

日本五十铃公司I－TEC系统 • 五十铃公司L－TEC（全电子控制式）是在转子分配式喷油泵基础上，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：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。

供油拉杆 回位弹簧电磁阀转速传感器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。

美国Caterpillar公司HEUI系统 • HEUI＝Hydraulic Electronic Unit Injector • 该系统具有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。

高压机油共轨 油压4～23MPa HEUI喷油器高压机油泵低压燃油共轨喷射压力可达150MPa RPCV压力控制阀油压200kPa 油压300kPa ECU 燃油滤清器机油滤清器燃油回油管输油泵机油冷却器机油泵机油箱燃油箱美国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，因此系统中有润滑油和燃油两套油路； • 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ECD－U2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、三菱汽车公司和日产汽车公司生产的载重汽车柴油机多数采用ECD－U2系统。 • 系统具有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：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－压力控制。

燃油压力传感器 ECU 加速踏板位置传感器三通电磁阀单向节流阀油泵压力控制阀共轨管控制室发动机转速传感器凸轮轴位置传感器液压活塞喷嘴针阀喷油器高压供油泵日本电装公司ECD-U2高压共轨式喷油系统

高压油管 喷油器共轨共轨高压溢流阀压油管回油管燃油滤清器低压输油泵高压供油泵燃油箱日本电装公司ECD-U2系统油路

吸油压油凸轮升程H 预行程阀开启阀关闭 PCV工作状态压力控制阀PCV 共轨柱塞高压供油泵 • 结构和传统的直列柱塞泵相似。 • 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。高压供油泵的控制

高压溢流阀 溢流缓冲器燃油压力传感器共轨（Common-rail）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。燃油压力传感器检测共轨内的燃油压力。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。

电控喷油器 • 早期ECD－U2系统的电控喷油器采用二位三通电磁阀结构； • 在新结构的ECD－U2系统中，都采用二位二通电磁阀结构。固定的内阀可上下移动的外阀共轨阀体液压活塞喷油嘴二位三通阀结构

弹簧泄油线圈通电时间决定喷油量外阀内阀进油通断节流孔开始喷油，决定喷油正时二位三通阀工作原理电磁阀脉冲波形电磁阀通电，外阀上移打开泄油口，关闭进油口，液压活塞上方油泄压，针阀打开，喷油。电磁阀断电，外阀落座，关闭泄油口，打开进油口，液压活塞下移将针阀关闭，喷油结束。

第九章 柴油机电控技术简介