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1、长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：第三章 工程机械电喷柴油机长安大学 工程机械学院讲师：张宏兵2014年3月长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：柴油发动机柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它是由德国发明家鲁道夫 狄塞尔(RudolfDiesel)于1892年发明的，为了纪念这位发明家，柴油就是用他的姓Diesel来表示，而柴油发动机也称为狄塞尔发动机。柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：本章主要内容1.电喷柴油机对电子控制装置的基本要求2.电喷柴油机传感器的基本构造与工作原理3.电喷柴油机ECM的应用4.电喷柴油机
2、控制系统执行器的应用5.电喷柴油机在工程机械中的应用长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：一 电喷柴油机对电子控制装置的基本要求长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷技术的发展 电喷技术的发展目前已经历了3个阶段位置控制型（电子调速器）时间控制型时间控制与压力控制型结合（高压共轨电控喷射）长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：柴油机的燃烧方式柴油机的燃烧方式是将燃烧油喷射到被压缩的空气中，然后进行燃烧、做功，这种燃烧方式是通过自动发火实现的。它在很大程度上受喷射方式或燃油喷射装置类型的影响。对此，燃油的雾化程度以及喷射油束的分布、方向及对其热的燃烧表面的冲击起着很大
3、的作用。并且相关的活塞位置或曲轴转角到上止点前的喷油始点，决定了柴油机的燃烧过程。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 较高的喷射压力 独立的喷射压力控制 改善柴油机燃油经济性 独立的燃油喷射正时控制 可变的预喷射控制能力 最小油量的控制能力 快速断油能力 降低驱动扭矩冲击载荷长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 较高的喷射压力为満足排放法規的要求，柴油噴射圧力可以从10 MPa提高到200 MPa以上。高噴射圧力可明显改善柴油和空气的混合质量，縮短着火延迟期，使燃焼更迅速、更彻底，并且控制燃焼温度，从而降
4、低废气排放。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 独立的喷射压力控制传统柴油机供油系統的噴射圧力与柴油机的转速負荷有关。这种特性对于低特速、部分負荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系統具有不依頼转速和負荷的噴射圧力控制能力，就可选择最合适的噴射圧力使噴射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工況下的废气排放最低而径済性最优。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 改善柴油机燃油经济性用戸対柴油机的燃油消耗率非常关注。高噴射圧力、独立的噴射圧力控制、小噴孔、高平均噴油圧力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了
5、柴油机的燃油使用经济性。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 独立的燃油喷射正时控制噴射正时直接影响到柴油机活塞上止点前噴人汽缸的油量，決定着汽缸的峰値爆发圧力和最高温度。高汽缸圧力和温度可以改善燃油使用径済性，但导致氮氧化合物(NOx)増加。而不依頼于转速和負荷的噴射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间実現最佳平衡的关键措施。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 可变的预喷射控制能力預噴射可以降低颗粒排放，又不増加氮氧化合物(NOx)排放，还可改善柴油机冷启动性能、降低冷态工況下的自排放，降低噪声，改善
6、低速扭矩。但是預噴射量、預噴射与主噴射之向的时间间隔在不同工況下的要求是不一致的。因此，具有可変的預噴射控制能力対柴油机的性能和排放十分有利。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 最小油量的控制能力供油系统具有高噴射圧力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有預噴射能力后将会使控制小油量的能力进一歩降低。由于工程机械用柴油机的工況很复杂，怠速工況径常出現，而电噴柴油机容易実現最小油量控制。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 快速断油能力噴射結束时必須快速断油，如果不能快速断油，在低
7、圧力下噴射的柴油就会因燃焼不充分而冒黑烟，増加HC排放。电噴柴油机噴油器上采用的高速电磁开关阀很容易実現快速断油。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机对电子控制装置的基本要求 降低驱动扭矩冲击载荷燃油噴射系統在很高的圧力下工作，既増加了駆功系統所需要的平均扭矩，也加大了冲击載荷。燃油噴射系統対駆劫系統平穏、加載和卸載的能力，是种衡量噴射系統的标准。而电噴柴油机技术中的高压共軌技术則大大降低了駆功扭矩冲击載荷。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：二 电喷柴油机传感器的基本构造与工作原理长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机电子控制系统工程机械用柴油
8、发动机电子控制系統主要由传感器、电控单元、执行器等部件組成。传感器用来监控发动机上各部件及各系统的运行状況，并将数据传送给ECU。执行器根据电控单元所传输过来的电压信号来控制喷油正时与喷油量，在外部环境变化的情况下，ECU通过一系列传感器采集到的信息，经过计算对比分析，然后通过对喷油器电磁阀通电时间的长短和早晚来调整喷油量与喷油正时。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机电子控制系统组成与工作原理长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机传感器的应用 温度类传感器 压力类
9、传感器 位置类传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：温度类传感器温度类传感器主要包括冷却液温度、进气温度、燃油温度、机油温度传感器等。上述温度类传感器几乎都采用了负温度系数(NTC)热敏电阻式的，其工作原理完全相同。NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：冷却液温度传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：冷却液温度传感器 作用把当前冷却液温度信号传送给ECM。ECM根据冷却液温度传感器信号，用于修正发动机的启动、暖机时的喷油
10、量。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：进气温度传感器 作用在增压柴油机中，不同温度下的增压空气密度不同，发动机需要进气歧管温度传感器产生的信号来修正增压压力和喷油量。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：燃油温度传感器 作用用于检测燃油温度，并将信号送人ECM。ECM利用燃油温度信号计算喷油始点和喷油量。电子控制模块(ECM)使用燃油温度传感器来监测发动机燃油的温度。如果燃油温度太高且启用发动机保护，会引起功率降低情况，并可能导致停机。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：机油温度传感器 作用测量发动机的机油温度，机油温度变高并且发动机保护特性起作用。长安大学工程机
11、械学院讲师：张宏兵E-mail：压力类传感器电控柴油机用压力类传感器主要包括共轨压力传感器、增压压力传感器、机油压力传感器等，主要用于进行压力测定，并向ECM提供电信号。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：共轨压力传感器 作用测定油轨中的燃油压力，并向ECM提供电信号，由ECM对高压油泵上的PCV 阀实施反馈控制，通过增减供油量来调节油轨中的油压，使其稳定在目标值范围。PCV是英文Positive Crankcase Ventilation（曲轴箱强制通风）三个字的简写，中文的意思是曲轴箱（或油底壳）积极通风控制系统。PCV阀由阀体、阀门、阀盖、弹簧组成，不可分解。长安大学工程机械学
12、院讲师：张宏兵E-mail：共轨压力传感器 结构原理共轨系统的共轨压力传感器由压力敏感元件(焊接在压力接头上)、带求值电路的电路板和带电气插头的外壳组成。燃油经过一小孔流向共轨压力传感器，传感器的膜片将孔的末端封住。高压燃油经压力室的小孔流向膜片。膜片上安装有半导体敏感元件，可将压力转换成电信号。通过导线将产生的电信号传送到一个向ECM提供测量信号的求值电路。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：共轨压力传感器 结构原理当膜片形状变化时，膜片上涂层的电阻发生变化。当由系统压力引起膜片形状变化(150MPa时的变化量约为1 mm)，促使电阻值改变，并在5 V供电的电阻电桥中产生电压变化。
13、电压在0-70mV之间变化(具体数值由压力决定)，经求值电路放大到0.5-4.5 V。精确测量油轨中的压力是共轨系统正常工作的必要条件。共轨压力传感器的 测量精度约为最大值的2%。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：共轨压力传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：增压压力（进气压力）传感器 作用用于检查增压压力。发动机ECM将测量值与增压压力设定值进行比较。如果实际值与设定值不符，ECM将通过电磁阀调整增压压力，实现增压压力控制。ECM还根据增压压力传感器输入的信号防止在冷机启动时发动机冒白烟。当驾驶员踏下油门踏板要求增加喷油量时，ECM将检查涡轮增压压力所要求的喷油量是
14、否相适应，如果不适应，ECM将按照涡轮增压压力成一定比例地控制喷油量，以免喷油量过大导致不完全燃烧，防止废气排放超标。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：增压压力（进气压力）传感器 结构半导体压敏电阻式增压压力传感器由硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线组成。硅膜片用单晶硅制成，它是压力转换元件。硅膜片的长和宽约为3 mm，厚度约为160m，在硅膜片的中部经光刻腐蚀成直径2mm、厚度为50m的薄膜片。在薄膜片的圆周上有四个应变电阻，用惠斯通电桥方式连接。然后再与传感器内部的温度补偿电阻和信号放大电路混合集成电路连接。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：增压压力（进气
15、压力）传感器结构长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：增压压力（进气压力）传感器 工作原理硅膜片的两面一面通真空室，一面通进气歧管。在进气压力作用下，膜片会产生应力，应变电阻的阻值会发生变化，惠斯通电桥上的电阻值平衡就被打破，在电桥的输人端输入一定的电压时，输出端可得到变化的信号电压。当发动机运转时，进气流作用在硅膜片上，使硅膜片产生应力，应变电阻的阻值会发生变化，电桥输出电压也随之变化。当节气门开度变大时，进气压力升高，膜片的应力也增大，应变电阻的阻值变化率也增大，电桥输出电压升高，经放大电路放大后，传感器输人ECM的信号电压也升高。而当节气门开度变小时，由于气流流速升高，进气压力反
16、而降低，膜片的应变力减小，应变电阻的变化率减小，电桥输出电压降低，经放大后，传感器输入ECM的信号电压也降低。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：增压压力传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：机油压力传感器 作用向ECM输入发动机主油道的压力，当机油压力低于预定值时，ECM将降低发动机转速和功率，以保护发动机。当机油压力下降到一定值，ECM将使仪表板上的红色报警灯闪亮，以提醒驾驶员应当立即停车检修。如果ECM不设有停机保护功能，当机油压力低于极限值30s后会使发动机自动停机。有些车辆安装有于动延时按钮，当按下按钮后，发动机运转时间将再延长30s，以使驾驶员将车开到安全地
17、点。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：机油压力传感器 结构原理机油压力传感器的内部有一个可变电阻，一端输出信号，另一端搭铁。当油压增高时，压力油通过润滑油道接口推动膜片弯曲，膜片推动滑动臂移动到低电阻位置，输出电流增大；当油压降低时，输出电流减少。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：机油压力传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：位置类传感器在柴油机电控系统中，位置传感器主要包括：发动机转速（曲轴位置）传感器、凸轮位置传感器、加速踏板位置传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：发动机转速(曲轴位置)传感器 作用发动机转速(曲轴位置)传感器又称作发动
18、机曲轴位置传感器(或发动机转角传感器)。在电控柴油机中，发动机转速传感器用于检测发动机转速和曲轴位置，ECM根据此信号计算喷油始点和喷油量。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：发动机转速(曲轴位置)传感器 结构电磁感应式速度传感器内部有一电磁铁芯和磁线绕组，电磁铁芯产生电磁场，速度信号轮在旋转时切割磁场，在磁线绕组上产生交流信号，ECM通过计量交流信号的频率即可计算出信号轮的转速。触发轮(或称信号盘)与曲轴同步旋转，在其外圆周加工了许多凸齿或凹齿。传感器固定在发动机机体上，磁铁芯与触发轮保持0.5-1.2 mm的间隙。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：发动机转速（曲轴位置
19、）传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：发动机转速(曲轴位置)传感器 工作原理当发动机旋转时，触发轮的轮齿顺序通过磁头，使磁隙不断发生变化，通过感应线圈的磁通也不断发生变化，从而在线圈的两端产生交变电动势。这些交流信号经过整形放大后，形成方波被送人ECM。为了让ECM根据传感器信号判断曲轴位置，还应在触发轮上对应着某一缸的上止点做一个或几个空缺齿。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：凸轮轴位置传感器 作用凸轮轴位置传感器的功用是采集配气凸轮轴的位置信号，并输入ECM，以便ECM识别汽缸1压缩上止点，从而进行顺序喷油量、喷油时刻控制和爆燃控制。此外，凸轮轴位置信号还用于发
20、动机启动时识别出第一次点火时刻。因为凸轮轴位置传感器能够识别哪一个汽缸活塞即将到达上止点，所以称为汽缸识别传感器。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：凸轮轴位置传感器 结构原理磁力线穿过的路径为永久磁铁N极定子与转子间的气隙转子凸齿转子凸齿与定子磁头间的气隙磁头导磁板永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势。由于转子凸齿与磁头间的气隙直接影响磁路的磁阻和传感线圈输出电压的高低，因此在使用中，转子凸齿与磁头间的气隙不能随意变动。气隙如有变化，必须按规定进行
21、调整，气隙一般设计为0.2-0.4 mm。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：凸轮轴位置传感器长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：加速踏板位置传感器 作用电控柴油机中，车辆的加速是由安装在加速踏板上的传感器获取加速信号，然后把加速信号传递到ECM，由ECM操纵电控喷油泵调节喷油量。加速踏板位置的大小反映了柴油机负荷的大小，柴油机在转速一定时，进气量基本不变，而喷油量随负荷的大小而变化，负荷增大，喷油量就增大。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：加速踏板位置传感器 结构原理在康明斯车用和工程机械用电控发动机上，传统的机械拉杆式油门被一个标准的6线式电子油门所取代，油
22、门踏板和发动机之间不再有任何的机械连接，既提高了油门的响应速度和精度，也有利于整车的布置。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：加速踏板位置传感器 结构原理油门内部由一个电位计(可变电阻)和一个单刀双掷开关组成。单刀双掷开关的作用是向ECM提供怠速与非怠速信号，所以此开关也叫怠速校验开关。在司机介于踩下与不踩油门之间的位置时，此开关分别处在非怠速与怠速两个不同的接通位置，ECM即可通过此开关的接通位置判断司机是否已经踩下油门。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：加速踏板位置传感器 结构原理司机踩下油门的深度，即油门踏板开启角度或油门信号，是通过一个电位计来提供的。此电位计的工
23、作电压为5V，油门信号电压在略大于0V和小于5 V之间的电压变化。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：三 电喷柴油机ECM的应用长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机ECM的应用和传统的机械控制的发动机相比，电控发动机通过一个中央电子控制单元(ECM)来控制和协调发动机的工作，ECM就像人的大脑一样，通过各种传感器和开关实时监测发动机的各种运行参数和操作者的控制指令，通过计算后发出命令给相应的控制元件，如喷油器等，实现对发动机的优化控制。控制系统通过精确控制喷油时间和喷油量，以达到降低排放和提高燃油经济性的目的。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油
24、机ECM的应用电喷柴油机ECM处在整个发动机控制系统的核心位置。各种输入设备，包括传感器、开关和油门踏板向ECM提供各种信息，ECM通过这些信息来判断发动机当前的运行工况和操作者的控制指令。输出设备为执行元件，它们执行ECM通过计算得出的各种控制指令。在所有的执行元件中，最重要的执行元件是实现喷油量控制和喷油时间控制的元件。在不同的燃油系统中，实现喷油量和喷油时刻控制的元件各有不同。比如共轨系统中实现喷油量和喷油时刻控制的是喷油器中的电磁阀。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电喷柴油机ECM的应用长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：四 电控柴油机控制系统执行器的应用长安大
25、学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控柴油机控制系统执行器的应用 作用ECM根据加速脚踏板位置传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器等信号，确定高压共轨内的燃油压力，通过占空比信号(PWM)调节共轨压力调节间来控制共轨压力，并通过共轨压力传感器的反馈信号，ECM实现对共轨内的燃油压力进行闭环控制。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控柴油机控制系统执行器的应用 结构原理电子燃油控制执行器安装有法兰，用以固定在高压泵或共轨上。衔铁销将钢球压在密封座上，以使高压端对低压端密封。一方面弹簧将衔铁销往下压，另一方面电磁线圈还对衔铁销有作用力。为进行润滑和散热，整个电磁阀周围都有燃油
26、流过。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控柴油机控制系统执行器的应用长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控柴油机控制系统执行器的应用 电子燃油控制执行器有两个调节回路:一是低速电子调节回路，用于调整共轨中可变化的平均压力值;二是高速机械液压式调节回路，用以补偿高频压力波动。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控柴油机控制系统执行器的应用(1)电子燃油控制执行器不工作时共轨或供油泵出口处的压力高于调压阀进口处的压力。由于元蓄电池的电磁铁不产生作用力，当燃油压力大于弹簧力时，调压阀打开，根据输油量的不同，打开程度大一些或小一些。弹簧的设计负荷约为10 MPa。
27、长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控柴油机控制系统执行器的应用(2)电子燃油控制执行器工作时如果要提升高压回路中的压力，除了弹簧力之外，还需要再建立一个磁力。控制调压阀，直至磁力和弹簧力与高压压力之间达到平衡时才被关闭。然后调压阀停留在某个开启位置，保持压力不变。当供油泵改变，燃油经喷油器从高压部分流出时，通过不同的开度予以补偿。电磁铁的作用力与控制电流成正比，控制电流的变化通过脉宽调制来实现。调制频率为1 kHz时，可以避免电枢的干扰运动和共轨中的压力波动。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：五 电喷柴油机在工程机械中的应用长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail
28、：电控喷油柴油机原理图长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控喷油柴油机的优点 自由控制喷油压力喷油压力不受曲轴转速以及凸轮形状的影响，可以根据需要灵活控制，能够提高喷油压力、提高供油能量、改善雾化质量、缩短喷油延续时间，从而降低NOx排放。在大负荷工况下可以通过提高喷射压力。推迟喷油定时的方法求得NOx和PM(颗粒)的折中关系。在低负荷工况下则需要减少混合燃料的比例，同时降 低喷油初期的喷射压力。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控喷油柴油机的优点 精确控制喷油量根据传感器的信息。ECU计算出目标喷油量，计算出喷油装置需要的供油时间，并向驱动单元发送驱动信号，从而控制
29、喷油量。在基本喷油量、怠速转速控制、启动油量控制、各缸不均匀油量补偿控制、恒定转速控制等各种运行状况下，实现最佳喷油量控制。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控喷油柴油机的优点 精确控制喷油定时通过各种传感器监测发动机当时的工况条件和环境条件，并根据这些实时条件计算出最佳喷油时间，将结果送给执行器(定时控制阀TCV)，控制流入或流出提前机构的工作油。由于工作油对提前机构的作用，改变燃油压送凸轮的相位角，或提前、或延迟，从而控制喷油定时。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控喷油柴油机的优点 自由控制喷油率电喷柴油机能够自由地实现对喷油率的控制，不仅能够实现靴形喷油率，还可以实现多段喷油。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：自由控制喷油率长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：电控喷油柴油机的优点 扩展了故障诊断、联络等功能自我故障诊断功能就是由ECU监视，发现电子控制系统中故障产生的位置，并向驾驶员或修理人员提供故障信息的功能。同时可以解决运行参数及监测数据的存储与传递，有利于对机械的动态管理。长安大学工程机械学院讲师：张宏兵E-mail：工程机械中装配电喷柴油机的应用状况