柴油机电子控制系统的发展

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1、商丘科技职业学院毕业论文（设计）目 录1前 言32电子控制柴油机概述42.1何谓电喷柴油机42.2柴油机电子控制技术的发展状况52.3柴油机电子控制技术的目的及优点62.3.1柴油机电子控制技术的目的62.3.2柴油机电子控制技术的优点62.4柴油机电控技术的特点72.4.1柴油机是一种热效率比较高的动力机械72.4.2柴油机的喷射系统形式多样72.5电控柴油喷射系统分类72.5.1位置控制系统82.5.2时间控制方式92.5.3时间压力控制方式92.5.4压力控制方式103电子控制柴油机技术介绍103.1单体泵技术113.1.1单体泵控制油路123.1.2单体泵系统的另一个优势123.2泵喷

2、嘴技术133.3高压共轨技术154柴油机电子控制技术的发展趋势174.1高的喷射压力174.2独立的喷射压力控制174.3改善柴油机燃油经济性174.4独立的燃油喷射正时控制174.5可变的预喷射控制能力184.6最小油量的控制能力184.7快速断油能力184.8降低驱动扭矩冲击载荷185结 论196参考文献20摘 要柴油机的发展水平一直是车辆发展水平的重要标志，随着国家对环保的重视和国际石油价格高涨，我国应对柴油机的发展引起足够重视。车用柴油机面临着日趋严格的排放法规和降低燃油消耗率等要求，采用电子控制技术是使柴油机同时满足各种要求的有效手段,而电控单元是整个控制系统的核心，其中的硬件和控制

3、软件设计是否合理将对整个控制系统产生决定性的影响。车用柴油机的结构比较复杂，尤其是新兴的电子控制技术，对于广大汽车驾驶与维修人员来说有着十分重要的意义。文章介绍了柴油机电子控制技术的发展状况、控制原理和应用特点及高压共轨技术的工作原理、研究方向、应用前景。关键词：柴油机 电子控制 发展1 前 言随着汽车电子技术日趋完善，时至今日，汽车电子化已达到相当高的程度。柴油机发展越来越完善，以它的高效、功率范围宽广，已广泛应用于工业、农业、军用和民用等领域。随着柴油机数量的不断增多，也引起了人们对柴油机燃油经济性和排放性能的关注，特别是当今排放性能已经被提到首要位置。因此人们也一直在不断地致力于完善柴油

4、机的性能，以期得到好的排放性、经济性、动力性及低噪声，保持一个人类赖于生存的良好环境。影响柴油机排放性、经济性的因素很多，而且相当复杂。改善柴油机的排放性能、经济性能最主要的手段是改善燃烧性能，这在实践中叶得到了证实。控制燃烧性能的最主要的方法有两种：一是合理组织燃烧室内的涡流；二是采取燃烧室内燃油高压喷射。另外，还可以通过控制燃油喷射率以改善燃烧性能。因为燃油喷射率对NOx、黑烟、噪声的影响也很大。在低负荷时，降低平均喷射率可以降低NOx的排放；而在高负荷时，相对提高平均喷射率则有助于减少黑烟。喷射初期的喷射率是决定预混合气量的重要因素之一，为了降低NOx和噪声，喷射初期希望喷射率低一些。喷

5、射中期，为了降低黑烟，则希望喷射率高一些，而喷射后期则希望尽量短，喷油提前角对柴油机的排放性和经济性影响也较大。而且影响结果有时是相互矛盾的。比如，喷油提前角增大，HC排放量减少，但又增加了NOx的排放量。所以，现代直喷式柴油机燃油喷射系统必须具备以下要求：a具有高的喷射压力，且压力灵活可调；b能够精确控制喷油定时和喷油量；c能够最优控制燃油喷射率；d断油干脆。而要同时达到以上要求，传统的依靠凸轮机构组成的喷油系统是无法达到的。因此必须采用电子控制式柴油机喷油系统。2 电子控制柴油机概述2.1 何谓电喷柴油机 采用电子控制燃油喷射及排放的柴油机即为电喷柴油机。电喷柴油喷射系统由信号输入装置（传

6、感器）、电子控制单元（ECU）和执行元件三大部分，如图2-1所示。图2-1 柴油机电控系统的组成其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、油门踏板位置、喷油时刻、进气温度、进气压力、燃油温度、冷却水温度等传感器，将实时检测的参数同时输入计算机(ECU)，与已储存的设定参数值或参数图谱(MAP图)进行比较，经过处理计算按照最佳值或计算后的目标值把指令送到执行器。执行器根据ECU指令控制喷油量(供油齿条位置或电磁阀关闭持续时间)和喷油正时(正时控制阀开闭或电磁阀关闭始点)，同时对废气再循环阀、预热塞等执行机构进行控制，使柴油机运行状态达到最佳 1 。2

7、.2 柴油机电子控制技术的发展状况 柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司、德国博世公司、奔驰汽车公司、美国通用的底特律柴油机公司、康明斯公司、卡特彼勒公司、日本五十铃汽车公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。 由于柴油机具备高扭矩、高寿命、低油耗、低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。依靠传统的机械控制喷油系统已无法满足上述要求，也难以实现喷油量、喷油压力和喷射正时完

8、全按最佳工况运转的要求。近年来，随着计算机技术、传感器技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。 实际上，柴油机排气中CO和HC比汽油机少得多，NOx排放量与汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机燃烧机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短，而且可燃混合气形成与燃烧过程交错在一起。通过分析柴油机喷油规律得到：喷入燃料的雾化质量、汽缸内气体的流动以及燃烧室形状等均直接影响燃烧过程的进展以及有害排放物的生成。提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。 经过多年的研究

9、和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准(如欧洲、标准)的颁布与实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法之一是采用电子控制燃油喷射的技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家的应用率已达到60%以上。 2.3 柴油机电子控制技术的目的及优点 2.3.1 柴油机电子控制技术的目的 优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况，延长零件的使用寿命。

10、2.3.2 柴油机电子控制技术的优点 （1）具有多功能的自动调节性能 工程机械用柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。自动控制技术应用于柴油机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油机动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。 （2）减轻质量、缩小尺寸、提高柴油机的紧凑性 对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角自动调节问题，不仅可以容易地解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。 （3）部件安装连接方便，提高了维修性 采用

11、自动控制系统，相关部件尺寸减小(特别是燃油供给系统)，安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常维护及修理。 （4）扩展了故障诊断、联络等功能 采用自动控制系统，可方便地与微型计算机相连，很容易实现柴油机性能检测与故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用。 （5）使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配 随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发

12、挥工程机械作业效能。 2.4 柴油机电控技术的特点 柴油机电控技术与汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比(汽油与空气的比例)，柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节输出油量的大小，且柴油机喷油控制是由发动机的转速和加速踏板位置(油门、供油拉杆位置)来决定的。柴油机电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。 2.4.1 柴油机是一种热效率比较高的动力机械 柴油机燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点。其喷射压力高达200MPa，为汽

13、油机喷射压力的百倍以上。对燃油高压喷射系统实施喷油量的电子控制，困难大得多。而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高，相对于柴油机活塞上止点的角度位置远比汽油机要求准确，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。 2.4.2 柴油机的喷射系统形式多样 传统的柴油机具有直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸泵等结构完全不同的系统。实施电控技术的执行机构比较复杂，形成了柴油喷射系统的多样化；同时柴油机需要对油量、定时、喷油压力等多参数进行综合控制，其软件的难度也大于汽油机。 2.5 电控柴油喷射系统分类 最先出现的是电控喷油泵技术，而后又发展了电控泵喷嘴技术和高压共轨喷射技术，后两种技术是现在最主要的柴油机电

14、控喷射技术。其中，电控泵喷嘴技术的喷油压力非常高，可以达到200MPa，并且泵和喷嘴装在一起，所以只需要很短的高压油引导部分，泵喷嘴系统也可以实现很小的预喷量，其喷油特性是三角形的，并采用了分段式预喷射，这是很符合柴油机的要求(大众公司的TDI发动机就是使用这种技术)。但电控泵喷嘴技术的喷油压力受柴油机转速影响，使用蓄压系统的高压共轨技术可以解决这个问题。它的喷油压力低于泵喷嘴系统，能达到160MPa。 2.5.1 位置控制系统第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统，它用电子伺服机构代替机械调速器控制供油滑套位置以实现供油量的调整。其特点是保留了传统的喷油泵高压油管喷油器系统，只是对齿条

15、或滑套的运动位置由原来的机械调速器控制改为计算机控制，如图2-2所示。使控制精度和响应速度得以提高。其优点是柴油机的结构几乎不需要改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。缺点是“位置控制”系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度还不够高，喷油压力也无法独立控制。这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。图2-2 第一代柴油机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）2.5.2 时间控制方式供油量的“位置控制”特点是用模拟量来控制执行元件工作，通过对喷油泵油量控制机构的定位来得到所需的供油量。不论采用何种类型的电子调速器，总是需要由部分机械装置来完成对喷油泵供油量的调节，也会降低控制精度和响应速度，所以继供油量“位置控制”之后出现了“时间控制”。2.5.3 时间压力控制方式第二代柴油机电控燃油喷射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，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，如图2-3所示。在该系统中，ECU通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频