柴油機(jī)電控系統(tǒng)

 

柴油機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展

在柴油機(jī)的電子控制系統(tǒng)中，最早研究并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的是電子控制柴油噴射系統(tǒng)，到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了三代變化：

1. 第一代電控柴油噴射系統(tǒng)：位置控制式。

2. 第二代電控柴油噴射系統(tǒng)：時(shí)間控制式。

3. 第三代電控柴油噴射系統(tǒng)：高壓共軌式系統(tǒng)。

柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的特點(diǎn)

提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性  降低氮氧化物和微粒的排放 提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性 改善低溫起動(dòng)性 控制渦輪增壓  適應(yīng)性廣 控制精度高、響應(yīng)快

柴油機(jī)電控系統(tǒng)的功能

 1. 燃油噴射控制 2. 怠速控制 3. 進(jìn)氣控制 4. 增壓控制 5. 排放控制 6. 起動(dòng)控制7. 巡航控制  8. 故障自診斷和失效保護(hù)9. 柴油機(jī)與自動(dòng)變速器的綜合控制

柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的基本組成

傳感器

傳感器是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)電控的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用是感知和檢測發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛的運(yùn)行狀態(tài)，并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給ECU。柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)所用的傳感器多數(shù)與汽油機(jī)電控系統(tǒng)相同。在柴油機(jī)電控系統(tǒng)中常用的傳感器有壓力傳感器、溫度傳感器、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、空氣流量傳感器及氧傳感器等。此外，在電控系統(tǒng)中還有開關(guān)量采集電路，用于檢測空調(diào)、離合器、擋位、制動(dòng)、巡航控制等開關(guān)量的狀態(tài)信息。所有的信息經(jīng)過電控單元的信號(hào)采集模塊處理后送到發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元，作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制的依據(jù)。

柴油機(jī)電控單元

執(zhí)行器

執(zhí)行器主要是接收ECU傳來的指令，并完成所需調(diào)控任務(wù)。不同柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的執(zhí)行元件有很大差異，如電控直列泵[b1] 和分配泵中的線性螺線管，電控單體泵和泵噴嘴中的電磁閥，電控共軌系統(tǒng)中的PCV閥和噴油器電磁閥，以及空氣系統(tǒng)控制中的各種閥門控制器等。執(zhí)行器的水平?jīng)Q定了最終柴油機(jī)能夠達(dá)到的性能。

第一代位置控制式電控燃油噴射系統(tǒng)

位置控制式直列柱塞泵

位置控制式電控分配泵系統(tǒng)

第一代位置控制式電控燃油噴射系統(tǒng)的控制特點(diǎn)

位置控制式直列柱塞泵

ECU根據(jù)加速踏板位置傳感器信號(hào)（即負(fù)荷信號(hào)）和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并參考供油齒條位置、冷卻液溫度、進(jìn)氣壓力等傳感器信號(hào)，按內(nèi)存控制程序計(jì)算供油量和噴油提前角控制參數(shù)值，再通過ECU中行程或位置伺服電路，使電子調(diào)速器內(nèi)的線性螺線管控制噴油泵供油齒條的行程或位置。

1. 噴油量的控制

線性螺線管安裝在原噴油泵供油齒條的一端，螺線管中的鐵心與噴油泵的供油齒條連成一體。當(dāng)控制電流通過螺線管時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)作用在鐵芯上的與螺線管中電流成正比的電磁力，推動(dòng)油量調(diào)節(jié)齒桿移動(dòng)，當(dāng)推力與復(fù)位彈簧力平衡時(shí)，齒桿就停留在某一位置上。齒桿位置傳感器將信號(hào)傳給ECU，ECU根據(jù)齒桿的實(shí)際位置和預(yù)定位置間的偏差量，發(fā)出改變輸入螺線管電流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就能精確控制齒桿的位置，從而改變噴油量

位置控制式直列柱塞泵電子調(diào)速器結(jié)構(gòu)

2. 噴油正時(shí)的控制

圖6-5 電控直列柱塞泵供油正時(shí)系統(tǒng)組成

1 – 轉(zhuǎn)速表  2 – 故障指示燈  3 – 供油齒條位置傳感器  4 – 柴油機(jī)  5 – 噴油泵  6 – 正時(shí)傳感器  7 – 正時(shí)控制閥  8 – 轉(zhuǎn)速傳感器  9 – 正時(shí)控制電磁閥  10 – 冷卻液溫度傳感器

正時(shí)控制閥工作原理圖

正時(shí)控制閥工作原理

1 – 凸輪軸  2 – 液壓腔  3 – 液壓活塞  4 – 大偏心輪  5 – 小偏心輪  6 – 驅(qū)動(dòng)軸 7 – 驅(qū)動(dòng)盤   8 – 滑塊銷  9 – 滑塊  10 – 電磁閥

位置控制式電控分配泵系統(tǒng)

ECD型電控分配泵結(jié)構(gòu)

1. 噴油量的控制

位置控制式電控分配泵電子調(diào)速器結(jié)構(gòu)

噴油量的控制

噴油量的控制方式

2. 供油正時(shí)的控制

正時(shí)控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

第一代位置控制式電控燃油噴射系統(tǒng)的控制特點(diǎn)

1. 保留了傳統(tǒng)的噴油泵-高壓油管-噴油器系統(tǒng)，只取消機(jī)械調(diào)速器，改用電子執(zhí)行器來完成分配轉(zhuǎn)子與滑套或柱塞和柱塞套之間的相對位置控制。

2. 增加反饋位置的傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及燃油溫度傳感器等，從而實(shí)現(xiàn)對油泵的精確控制。

3. 電子控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，不同轉(zhuǎn)速與負(fù)荷下的噴油量可以靈活標(biāo)定，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)穩(wěn)態(tài)工況范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性可以按照性能最佳的方式來確定，且響應(yīng)速度快。

第二代時(shí)間控制式電控燃油噴射系統(tǒng)

電控分配泵噴射系統(tǒng)

電控泵噴嘴系統(tǒng)

第二代時(shí)間控制式電控燃油噴射系統(tǒng)的控制特點(diǎn)

 

1. 噴油量控制

時(shí)間控制式電控燃油噴射系統(tǒng)

(1)時(shí)間控制式轉(zhuǎn)子分配泵結(jié)構(gòu)

(2)轉(zhuǎn)子分配泵的供油量控制系統(tǒng)

控制ECU根據(jù)各種傳感器信號(hào)計(jì)算出供油量后，向控制器發(fā)出指令和相關(guān)信息控制器則根據(jù)ECU的指令和相關(guān)信息，并參考燃油溫度傳感器信號(hào)對分配給各缸的供油量進(jìn)行平衡（均勻性控制），并通過驅(qū)動(dòng)器（放大電路）直接控制高速電磁溢流閥工作。

噴油量控制原理圖

(3)高速電磁溢流閥結(jié)構(gòu)

電磁溢流閥結(jié)構(gòu)示意圖  1 – 電樞  2 – 電磁線圈  3 – 輔助閥  4 – 主閥

電磁溢流閥工作原理

 

2. 噴油正時(shí)控制

        噴油正時(shí)控制機(jī)構(gòu)與位置控制式電控分配泵一樣，即通過正時(shí)活塞的移動(dòng)來改變端面凸輪與滾輪的相對位置來實(shí)現(xiàn)噴油提前角的控制的，而正時(shí)活塞的位置則由加在上面的液壓大小所決定。ECU通過控制正時(shí)控制電磁閥線圈電流的通斷來控制作用在正時(shí)活塞上的油壓，從而實(shí)現(xiàn)對噴油提前角控制，但取消了定時(shí)活塞位置傳感器，反饋信號(hào)來自于曲軸位置信號(hào)和噴油泵轉(zhuǎn)角傳感器的無齒段信號(hào)間的相位差。在油泵驅(qū)動(dòng)軸上裝有泵角脈沖發(fā)生器，泵角傳感器向ECU輸入燃油何時(shí)開始噴射的信號(hào)，曲軸位置傳感器向ECU輸入曲軸基準(zhǔn)位置的參考信號(hào)。ECU根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)才能確定噴油提前角。

電控泵噴嘴系統(tǒng)

1. 電控泵噴嘴系統(tǒng)的組成

2. 泵噴嘴

Bosch公司電子控制泵噴嘴結(jié)構(gòu)

泵噴嘴工作原理

 1-凸輪 2-柱塞 3-回位彈簧 4-高壓腔 5-電磁閥針閥  6-電磁閥閥腔 7-進(jìn)油通道 8-回油通道 9-線圈 10-低壓腔

第二代時(shí)間控制式電控燃油噴射系統(tǒng)的控制特點(diǎn)

1. 產(chǎn)生高壓的裝置與機(jī)械式噴油系統(tǒng)、第一代位置控制式系統(tǒng)相同，都需要用凸輪軸來驅(qū)動(dòng)柱塞，用壓縮燃油來產(chǎn)生噴射需要的力。

2. 油量控制和調(diào)節(jié)裝置與第一代位置控制式系統(tǒng)已經(jīng)完全不同。第一代的位置電控中，油量調(diào)節(jié)裝置是油量控制套筒，而第二代時(shí)間控制式的電控系統(tǒng)中，控制油量的執(zhí)行器是電磁閥，直接由電磁閥的動(dòng)作完成每個(gè)噴射過程。

3. 噴射過程更加直接和精確。噴射過程中，電磁閥關(guān)閉的時(shí)間決定噴油正時(shí)，電磁閥關(guān)閉的持續(xù)時(shí)間決定噴油量和噴射壓力，電磁閥直接調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。

4. 由于仍需要凸輪型線的驅(qū)動(dòng)來產(chǎn)生噴射所需的高壓，其噴射壓力嚴(yán)重依賴于凸輪型線的設(shè)計(jì)，使得噴油壓力控制、噴油速率控制和噴油定時(shí)控制都沒有得到充分發(fā)揮，從而也限制了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步改善。

第三代共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)

從功能方面分析，電控共軌系統(tǒng)可分為兩部分：電控系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)。

1. 電控系統(tǒng)

2. 燃油供給系統(tǒng)

燃油供給系統(tǒng)的組成

共軌式電控燃油噴射系統(tǒng)工作原理

1. 高壓供油泵

高壓供油泵結(jié)構(gòu)示意圖

1 – 出油閥  2 – 密封件  3 – 調(diào)壓閥  4 – 球閥  5 – 安全閥  6 – 低壓油路  7 – 驅(qū)動(dòng)軸  8 – 偏心凸輪  9 – 柱塞泵油元件  10 – 柱塞腔  11 – 進(jìn)油閥  12 – 柱塞單向閥

2. 調(diào)壓閥（PCV）

調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

3. 共軌組件

（1）限壓閥（壓力限制閥）

（2）流量限制閥

（3）共軌壓力傳感器

4. 噴油器

共軌式噴器結(jié)構(gòu)示意圖a 噴油器關(guān)閉狀態(tài)  b 噴油器噴射狀態(tài)

高壓共軌系統(tǒng)的特點(diǎn)

1. 可實(shí)現(xiàn)高壓噴射，噴射壓力比一般噴油泵高出一倍，最高已達(dá)200MPa。

2. 可改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速及低負(fù)荷性能。

3. 可優(yōu)化燃燒過程，使發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、煙度、噪聲及排放等性能指標(biāo)得到明顯改善，并有利于改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。

4. 可實(shí)現(xiàn)共軌壓力的閉環(huán)控制。共軌上的壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋共軌中的壓力，通過控制PCV的電流來調(diào)整進(jìn)入共軌的燃油量和軌道壓力，形成獨(dú)立的共軌壓力閉環(huán)子系統(tǒng)。

5. 共軌沿發(fā)動(dòng)機(jī)縱向布置，高壓泵、共軌和噴油器各自的位置相互獨(dú)立，便于在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝和布置。

6. 從技術(shù)總體實(shí)現(xiàn)難度上看，共軌系統(tǒng)組成較復(fù)雜，機(jī)械、液力和電子、電磁閥耦合程度高，加工制造、控制匹配要求的水平高，與第二代時(shí)間控制式相比，具有性能好的同時(shí)，開發(fā)難度也加大。

柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)實(shí)例

SDI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制軸向壓縮式分配泵系統(tǒng)

1. 電子控制軸向壓縮式分配泵系統(tǒng)的組成

 SDI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制軸向壓縮式分配泵系統(tǒng)

1 – 加速踏板位置傳感器  2 – 制動(dòng)燈開關(guān)  3 – 離合器開關(guān)  4 – 車速信號(hào)  5 – 轉(zhuǎn)速信號(hào)  6 – 電子節(jié)氣門  7 – 針閥升程傳感器  8 – 冷卻液溫度傳感器  9 – 進(jìn)氣溫度傳感器  10 – 燃油溫度傳感器  11 – 噴油泵  12 – EGR閥  13 – 故障指示燈

2. 電子控制單元

電控單元實(shí)物

2. 軸向壓縮分配泵

 SDI軸向分配泵零件圖

1 – 燃油分配泵驅(qū)動(dòng)輪固定螺栓  2 – 燃油分配泵驅(qū)動(dòng)輪  3 – 輪轂螺母  4 – 進(jìn)油管  5 – 密封環(huán)  6 – 燃油切斷控制閥  7 – 連接管 8– 回油管  9 – 壓緊螺母  10 – 高壓油管  11 – 連接管  12、22 – 螺栓  13 – 噴油器  14 、18 – 緊固螺栓  15 – 支架  16 – 底座  17 – 隔熱密封環(huán)  19 – 噴油正時(shí)控制閥  20 – O型環(huán)  21 – 濾網(wǎng)  23 – 軸套  24 – 分配泵支架  25 – 固定螺栓

 3. 油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

4. 供油提前角自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)