汽车发动机构造与维修第9章电子控制柴油喷射系统

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1、第9章 电子控制柴油喷射系统,9.1 电子控制柴油喷射系统概述 9.2 高压共轨电子控制柴油喷射系统 9.3 丰田汽车公司的电控式柴油机 9.4 柴油机电子控制系统的故障诊断,9.1 电子控制柴油喷射系统概述,9.1.1 电子控制柴油喷射系统的优点 与传统的机械方式比较，电子控制柴油喷射系统(简称电控柴油喷射系统)具有如下优点： (1) 改善了柴油机的动力性、 经济性、 排放性和工作可靠性。 (2) 对喷油定时的控制精度高， 反应速度快， 改进了柴油机的调速控制。 (3) 柴油机具有自我保护功能和故障诊断功能。 (4) 控制策略灵活。,9.1.2 电子控制柴油喷射系统的类型 电控柴油喷射系统可

2、分为两大类，即位置控制系统和时间控制系统。 第一代电控柴油喷射系统是位置控制系统。它不改变传统喷油系统的工作原理和基本结构，只是采用电控组件代替调速器和供油提前器， 对分配式喷油泵的油量调节套筒或柱塞式喷油泵的供油齿杆的位置，以及油泵主动轴和从动轴的相对位置进行调节，以控制喷油量和喷油定时。其优点是，无须对柴油机的结构进行较大改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造；缺点是，控制系统执行频率响应仍然较慢， 控制频率低，控制精度不够稳定。由于喷油率和喷油压力难于控制，而且不能改变传统喷油系统固有的喷射特性，因此很难较大幅度地提高喷射压力。,第二代电控柴油喷射系统是时间控制系统， 其特点是在

3、高压油路中，利用电磁阀直接控制喷油的开始时间和结束时间，以改变喷油量和喷油定时。它具有直接控制、响应快等特点。但其无法实现喷油压力的灵活调节，且较难实现预喷射或分段喷射。,第三代电控柴油喷射系统是时间控制系统，即共轨式电控燃油喷射系统是比较理想的燃油喷射系统。它不再采用喷油系统柱塞泵分缸脉动供油原理，而是用一个设置在喷油泵和喷油器之间的、 具有较大容积的共轨管， 把高压油泵输出的燃油蓄积起来并稳定压力，再通过高压油管输送到每个喷油器上，由喷油器上的电磁阀控制喷射的开始和终止。 电磁阀起作用的时刻决定喷油定时，起作用的持续时间和共轨压力决定喷油量。由于该系统采用压力时间式燃油计量原理， 因此又可

4、称其为压力时间控制式电控喷射系统。按其共轨压力的高低可分为高压共轨、 中压共轨和低压共轨三种。,9.1.3 电子控制柴油喷射系统的基本原理 电控柴油喷射系统由传感器、电控单元(ECU)和执行机构三部分组成。传感器采集转速、温度、 压力、 流量和加速踏板位置等信号，并将实时检测的参数输入计算机； ECU是电控系统的“指挥中心”， 对来自传感器的信息与储存的参数值进行比较、运算，确定最佳运行参数；执行机构按照最佳参数对喷油压力、喷油量、喷油时间、喷油规律等进行控制，驱动喷油系统， 使柴油机工作状态达到最佳。,9.2 高压共轨电子控制柴油喷射系统,9.2.1 高压共轨电子控制柴油喷射系统的组成 高压

5、共轨电控柴油喷射系统的基本组成如图91所示， 它主要由低压油路、高压油路、传感与控制等几部分组成。 (1) 低压油路：由油箱34、柴油粗滤器32、电动输油泵33和柴油细滤器35等组成。其作用是产生低压柴油，并将其输往高压泵。其结构原理与传统的柴油机燃油供给系的低压油路相似。 (2) 高压油路：由喷油泵1、调压阀36、高压油管3、高压存储器(共轨管)5、流量限制器8、限压阀9和电控喷油器10等组成。其基本作用是产生高压（160 MPa）柴油。,图91 高压共轨电控柴油喷射系统,9.2.2 高压共轨电子控制柴油喷射系统主要部件的结构与工作原理 1. 高压泵 高压泵(见图92)的作用是产生高压油。它

6、采用三个径向布置的柱塞泵油元件9，相互错开120，由偏心凸轮8驱动， 出油量大， 受载均匀。,工作时，从输油泵来的柴油流过安全阀5，一部分经节流小孔流向偏心凸轮室供润滑冷却用，另一部分经低压油路6进入柱塞室。 当偏心凸轮8转动导致柱塞下行时，进油阀11打开，柴油被吸入柱塞室；当偏心凸轮8顶起时，进油阀关闭， 柴油被压缩，压力剧增，达到共轨压力时，顶开出油阀1， 高压油被送去共轨管。 在怠速或小负荷时，输出油量有剩余，可以经调压阀3流回油箱； 还可以通过控制电路使柱塞单向阀12通电，使电枢上的销子下移，顶开进油阀，切断某缸柱塞供油，以减少供油量和功率损耗。,图92 高压泵,图93 调压阀,3.

7、高压存储器 高压存储器(共轨管)的结构如图94所示，其作用是存储高压油，保持压力稳定。共轨管上安装有压力传感器2、 限压阀3和流量限制器4。 共轨压力传感器(见图95)用螺纹6紧固在共轨管上，其内部的压力传感膜片4感受共轨压力， 通过分析电路，把压力信号转换成电信号传至ECU进行控制。,图94 高压存储器（共轨管）的结构,图95 共轨压力传感器,限压阀(见图96)的作用是限制共轨管中的压力。当压力超过弹簧5的弹力时，阀门2打开卸压， 高压油经通流孔3和回油孔8流回油箱。,图96 限压阀,流量限制器(见图97)的作用是防止喷油器出现持续喷油。 活塞2在静止时，由于受弹簧4的作用力，总是靠在堵头一

8、端。 在一次喷油后，喷油器端压力下降， 活塞在共轨压力作用下向喷油器端移动，但并不关闭密封座面6。只有在喷油器出现持续喷油，导致活塞下移量大，才封闭通往喷油器的通道， 切断供油。,图97 流量限制阀,4. 电控喷油器 如图98所示，电控喷油器是共轨柴油喷射系统的核心部件， 其作用是准确控制向气缸喷油的时间、 喷油量和喷油规律。,图98 电控喷油器,电控喷油器回油阀5受电磁阀3控制， 电磁阀3通电时， 回油阀才打开。 由共轨管来的高压油经进油口4进入喷油器内，有一部分高压油由进油量孔7流向控制室8，并作用在柱塞10上，压向喷油器针阀13，使其关闭密封锥面14，停止喷油；另有一部分高压油经喷油器体

9、9的斜油道进入喷油器针阀承压锥面12， 力图顶开针阀喷油。,在喷油器不喷油时，电磁阀3不通电， 回油阀5处于关闭状态。由于柱塞10上部的受压面积比针阀承压锥面大， 因此作用在柱塞上的液压力大于作用在喷油器针阀承压锥面的向上分力，针阀关闭。当电磁阀通电时，回油阀5受电磁力作用打开，控制室8与回油孔1连通，使柱塞10上方的液压力小于喷油器针阀承压锥面12的向上分力，针阀升起，喷油器喷油。喷油量的大小取决于喷油嘴开启的持续时间(决定于ECU输出脉宽)、 喷油压力及针阀升程等。由于高压喷射压力非常高， 喷油嘴喷孔非常小(如BOSCH公司的6孔、 直径为0.169 mm的喷孔)， 故使用中应特别注意柴油

10、的高度清洁。,5. 传感与控制部分 传感与控制部分包括传感器、电控单元(ECU)和执行机构。 高压共轨喷油器的喷油量、喷油时间和喷油规律除了取决于柴油机的转速、负荷外，还跟众多因素有关，如进气流量、 进气温度、冷却水温度、燃油温度、 增压压力、电源电压、凸轮轴位置、废气排放等。 所以，必须采用相应传感器， 采集相关数据，其采集的数据量达15 000个s。传感器的结构和原理与电控汽油喷射系统的传感器的基本相同。 ,由各种传感器采集的数据，都被送入电控单元(ECU)， 并与存储在里面的大量经过实验得到的最佳喷油量、喷油时间和喷油规律的数据进行比较、分析，计算出当前状态的最佳参数， 其运算速度达20

11、00万次/s。 通过ECU计算出的参数，再返回去通过执行机构（电磁阀等），控制电动输油泵、高压油泵、 废气再循环等机构工作， 使喷油器按最佳的喷油量、喷油时间和喷油规律进行喷油，控制输出的速度达2000次/s以上。其控制原理与电控汽油喷射系统的相似。,图99 丰田ECD的控制系统的组成,图910 丰田ECD的构成,9.3 丰田汽车公司的电控式柴油机,1. 喷油量的控制 如前所述，分配式喷油泵的喷油量，通过移动控制套筒加以调节。以往的机械式控制装置，把加速踏板、离心式调速器(高速时起作用)和各种弹簧组合起来，移动控制套筒。 如图911所示，在ECD系统中，ECU根据加速踏板位置传感器和发动机转速

12、传感器的信号，首先算出基本喷油量，其次， 根据来自水温传感器、进气温度传感器、进气压力传感器和起动机等的信号，对这个基本喷油量加以修正，再经来自溢流环(控制套筒)位置传感器的信号的进一步反馈修正后，才决定最佳喷油量。,图911 基本喷油量的计算和修正,因此，汽车在低温启动、加速、涡轮增压以及在进气密度小的高原地带行驶等特殊工况下，都能决定柴油机运转时最佳的喷油量。 来自ECU的控制信号，传到溢流控制电磁阀，产生磁力， 吸引可动铁芯(见图912)。 在图911中，控制信号的电流越大，磁场强度越强。可动铁芯克服弹簧力向左方移动，利用杠杆的作用把溢流环推向右方，结果柱塞泵的有效供油行程变大， 喷油量

13、增加。,图912 溢流控制电磁阀和位置传感器,由于溢流环位置传感器的铁芯直接与可动铁芯连接， 故溢流环的位置信号由计算机反馈(见图911)。 加速踏板位置传感器(见图913)利用与加速踏板联动的电位计，以电压值作为加速踏板的行程信号输入计算机。,图913 加速踏板位置传感器的结构与内部接线 (a) 结构； (b) 内部接线,2. 怠速转速等的控制 以往的机械式调速器除了具有限制空转最高转速的离心式调速器之外，还含有调节启动、怠速和部分负荷等工况下的喷油量的弹簧，结构很复杂。怠速拟定、低温时通过蜡式节温器对快速怠速的拟定以及使用空调器时通过膜片拟定怠速增量等， 都分别由另外的机械进行调节。因此，

14、这些机构的拟定值， 随着时间的推移，也会失常。 ,在电子控制的情况下，这些操作可全部靠ECU完成(见图99)。ECU根据加速踏板位置传感器、车速传感器、 起动机信号以及发动机转速信号(反馈信号)等，决定ISC(怠速速度控制)何时开始工作， 其次由水温传感器、空调器和空挡开关等信号， 算出所定的怠速转速，并决定与该转速相对应的喷油量。此外，根据发动机转速反馈信号，无论在何种条件下，为了使怠速能够保持在所定的转速，应不断对喷油量进行修正。,3. 喷油时刻的控制 机械式供油提前角自动调节器的喷油时刻取决于喷油泵的供油压力，而供油压力则是随着发动机转速和喷油量的变化而改变，因此，只能对喷油时刻进行粗糙

15、的线性调节。但是，就电子控制式而言，由于用电子计算机计算喷油时刻， 并能自由地调节喷油正时器，故能够进行精确控制。,如图914所示，电子控制式喷油时刻的调节方法与机械式的相同。通过正时活塞左侧低压室的低压， 加上弹簧力、 与右侧高压室的高压之间的压力差，推动正时活塞，滚环向着与驱动轴相反的方向转动，使喷油时刻提前。高压室和低压室间设有通道， 通过改变位于该通道上的喷油正时控制阀的开度， 调节高、 低压室间的压力差。,图914 喷油时刻的调节,ECD通过改变输往喷油正时控制阀线圈的电流的占空比来控制喷油时刻。对于喷油时刻的控制信号，首先，根据发动机转速和加速踏板的位置大致上予以确定；然后，根据进

16、气压力、冷却水温和起动机等信号再加以修正， 最后确定下来(见图915)。,图915 喷油时刻的决定,4. 进气节流控制 进气歧管的空气通路分成主、副两支，并在两支通路上分别设置大直径的主节气门和小直径的副节气门。 副节气门按全开、 半开和全闭三种情况调节。设置副节气门的目的是为了在发动机暖机后怠速运转时减少进气量， 以降低发动机爆发压力、振动与噪声，并在发动机停止时切断充气。,开启、关闭副节气门的促动器，由A、B两个串联的膜片室组成(见图916)。用计算机控制两个电磁阀VSV1和VSV2的动作，使A、B两室与大气压或者真空连通。当冷却水温在60以下时， 副节气门全开； 当水温在60以上时(暖机后的状态)， 副节气门半开， 采用与发动机联动的真空泵制取真空， 并储存在真空箱里。,图916 进气节流系统,5. 自我诊断和安装装置 与汽油机电子控制系统的情况相同，柴油机电子控制系统采用亮灯报警，表示有异常发生。此外，利用氧传感器检查器，能够找出异常的地方