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1、摘 要电控柴油机技术是目前汽车发动机技术发展的前沿，是汽车动力未来发展的趋势。虽然目前我国的电控柴油机在汽车上的使用率和和市场占有率都并不太高，与发达国家相比还存在很大的差距。但是，随着世界范围内电控柴油机技术的成熟与普及，我国的电控柴油机技术也正逐步发展，并越来越多的出现在汽车上。因此，我们更应该有前瞻意识，学习了解电控柴油机技术，以应对时代之需。本文主要从、电控柴油机的组成及基本工作原理、电控柴油机燃油喷射控制系统、电控柴油机电子调速与EGR系统、电控柴油机故障诊断实例等方面介绍了电控共轨柴油机。关键词：电控共轨柴油机、燃油供给系统、EGR系统、故障诊断 目 录摘 要I目 录II第一章 电
2、控柴油机的优势、特点及其发展概况11.1柴油机的发展11.2柴油轿车的市场分额11.3 柴油机目前的技术水平21.3.1轿车柴油机的进去系统21.3.2喷射装置21.3.3喷油压力21.3.4压缩比21.3.5升功率31.4控制技术水平41.4.1电子控制技术51.4.2柴油喷射系统技术51.4.3排气在循环技术61.4.4涡轮增压几涡轮增压中冷技术6第二章 电控柴油机的组成及其控制原理72.1柴油机燃料供给系的分类与组成82.1.1时间位置控制方式82.1.2时间控制82.1.3燃油供给电子控制系统82.2高压共轨系统的燃油喷射控制92.1.1预喷射92.1.2主喷射92.1.3后喷射9第三
3、章 电控柴油机燃油喷射控制系统123.1燃油供给系统123.1.1低压供油部分123.1.2高压供油部分14第四章 电控柴油机电子调速和EGR系统194.1 EGR率194.2电子调速与EGR集成系统194.3后处理装置22第五章 电控柴油机的其他控制系统235.1启动及暖机控制235.2优化怠速控制235.3多级功率设定控制245.4控制参数校正控制245.5柴油机保护控制25第六章 电控柴油机故障诊断实例266.1宝来TDI轿车不易启动266.2捷达1.9L SDI柴油轿车没有急加速，发动机故障报警灯也亮266.3捷达柴油轿车柴油泵异响276.4捷达柴油SDI轿车发动机突然熄火后再无法启动
4、27致 谢29参考文献30第一章 电控柴油机的优势、特点及其发展概况1.1柴油机的发展柴油机用作轿车发动机由来已久。70 年代由于全球发生石油危机, 人们对于节油产产生紧迫感, 节油的重要性得到普遍公认。在节油新观念的驱动下, 世界汽车工业出现了轿车柴油化的动向。1983 年德国奔驰(Benz) 汽车公司和宝马(BMW ) 汽车公司形成了柴油机轿车系列。于是, 美国、日本等全球各大汽车制造公司和厂商加紧研究轿车柴油机。研究的重点是进一步降低柴油机的油耗指标和提高其升功率等动力指标, 同时控制它的振动、噪声及有害物质的排放。当前, 世界市场竞争日趋激烈, 尤其是全世界各地排放法规日益严格, 环境
5、保护要求日益强烈, 在环保法规的推动下,人们对轿车柴油机提出了新的更高的要求: 低排放、低振动和低噪声、低油耗以及高功率。与车用汽油机相比, 轿车柴油机具有以下优点: 油耗低, 经济性好; 维修简单; 扭矩大而且对应最大扭矩的转速较低即扭矩特性好; 可靠性高; 使用寿命长。另外轿车柴油机的废气排放污染物比轿车汽油机少, 加上结构中没有火花塞和分电器, 消除了轿车汽油机中频频发生的电器系统故障。这些固有特点为柴油机用作轿车动力创造了不可替代的有利条件, 因此, 柴油机在轿车上的应用范围日益扩大。但是, 柴油机用作轿车动力也有一定缺点, 柴油机在轿车上应用, 历来受到这些缺点和障碍的限制。这些缺点
6、是: 质量大, 体积大;制造成本高; 升功率比汽油机低; 运转中的振动和噪声强烈; 尤其是在轿车柴油机的废气排放污染物中含有微粒(PM ) 排放物、碳烟及较高的氮氧化物(NO x)。这些有毒排放物日益引起人们的普遍关注, 成为柴油机在轿车上扩大使用必须解决的新障碍。1.2柴油轿车的市场分额1983 年起, 法国、德国、意大利和英国等欧洲国家中, 柴油机轿车在本国轿车市场中的份额明显上升。1992 年, 法、英两国柴油轿车在本国轿车市场上的份额分别为38% 和12. 5%。德国和意大利两国柴油轿车在本国轿车市场上的占有率分别达到过27% 和24% 的最高点, 之后下跌一段时间又回升, 1992
7、年达到了10%。1993 年德、法两国均出现柴油轿车市场份额回升的局面, 在排量为1. 4 2. 0L 的轿车中, 柴油轿车的市场占有率分别达到了61% 和88%。如今, 甚至豪华型轿车也有采用车用柴油机作动力的。20 多年来, 欧洲地区柴油轿车占轿车总产量的百分比例一直逐年增长, 1980 年为7% , 1995 年为22% , 预计2000 年可达25%。1995 年日本柴油机、汽油机及通用发动机的总产量及其与1994 年相较的增长情况见表1-1。表1-1 1995年日本柴油机的总产量及其增长情况表1.3 柴油机目前的技术水平现以欧洲轿车柴油机为例, 说明目前轿车柴油机已达到的技术水平。柴
8、油机的燃烧室型式由于直喷式柴油机的燃油消耗比分隔式(预燃室和涡流室) 燃烧室的油耗降低15% ,世界各大汽车公司的轿车柴油机纷纷放弃分隔式燃烧室而转向直喷式燃烧室。欧洲直喷式燃烧室轿车柴油机的普及率越来越高, 尤其是共轨式直喷型燃烧室轿车柴油机的性能极大提高, 使轿车柴油机的升功率最高达到了50kW /L 。1.3.1轿车柴油机的进去系统 由于涡轮增压及涡轮增压中冷的进气系统可以大大提高轿车柴油机的最大输出功率, 并可改善废气排放污染物中NO x 的排放量, 同时有利于降低轿车柴油机的运转噪声,所以现代轿车柴油机广泛采用带增压中冷的涡轮增压进气系统。1.3.2喷射装置从直列喷油泵发展到分配式喷
9、油泵、共轨式喷油系统、单元喷嘴, 从单弹簧喷油阀发展到双弹簧喷油阀。目前轿车柴油机上最广泛应用的喷油系统是: 分配式喷油泵系统、泵喷嘴系统、带蓄油器的共轨式喷油系统。1.3.3喷油压力由于提高喷油压力可以降低轿车柴油机的油耗, 并可改善轿车柴油机的微粒(PM )污染物排放量, 所以提高喷油压力是改善轿车柴油机的有力手段之一。目前轿车柴油机的喷油压力已达25M Pa 以上, 个别机型甚至高达120M Pa。目前轿车柴油机上广泛使用的3 种喷油系统中, 喷油泵形成的压力和喷油压力情况见表1-2。表1-2 各种喷油系统的喷油泵压力及喷油压力MPa1.3.4压缩比欧洲轿车柴油机的压缩比已达221 至2
10、01。强化程度欧洲轿车柴油机的最大平均有效压力目前已达1. 55M Pa。活塞平均速度及额定转速欧洲轿车柴油机的活塞平均速度目前达到13 16m /s 额定曲轴转速已达4150r/min (直喷式) 和5000r/m in (分隔式燃烧室)。1.3.5升功率欧洲轿车柴油机的升功率指标目前已达到33 42. 7kW /L ; 现代涡轮增压中冷直喷式轿车柴油机的升功率已超过42kW /L ; 采用4 气门技术后, 这种增压柴油机的升功率可接近50kW /L ; 采用共轨式直喷型燃烧系统的轿车柴油机最高升功率可达50kW /L 。这一数值已和现代车用汽油机的升功率十分趋近。1.3.6百公里油耗。目前
11、, 欧洲轿车柴油机的经济指标较过去十年已有迅速的发展和改善, 空车质量为1000 1300kg 的中级柴油轿车的1/3 混合油耗平均值为0. 06L /m in, 最低油耗已达到0. 05L /km如与降低轿车自重(空车质量) 等措施相配合, 柴油轿车的经济性还可继续改善。例如, 德国现在确定的奋斗目标是0. 03L /km。目前, 德国大众公司1. 9L 电子控制涡轮增压直喷柴油机, 用作奥迪A 4(A udi2A 4) 轿车发动机时, 轿车油耗已达到0. 049L /km。轿车的加速性以美国福特公司的T ran sit FT 150 牌厢式轿车为例。该车总质量2. 5t, 采用功率为72k
12、W 的电子控制燃油喷射式汽油机与同样功率的涡轮增压直喷式柴油机, 自40km/h超越加速至80km /h 的加速过程所需的时间对比, 如表1-3 所示。表1-3 美国Ford公司Transit FT150牌箱式轿车采用不同发动机的加速性对比表1-3 说明轿车柴油机的超越加速性优于同功率的汽油机, 加速时间缩短6s, 约缩短了30%。排放控制水平90年代初,欧洲轿车柴油机的有害排放污染物数量已基本上能满足欧洲1996年废气排放法规的限值标准要求。其中CO2的排放量比汽油机低约20%。目前,在普遍采用排气再循环(EGR)和氧化催化转换器后,欧洲轿车柴油机的排放已全部达到EURO-E标准,部分已达到
13、EURO-E标准。振动、噪声控制水平。欧洲直喷式轿车柴油机的燃烧噪声已接近分隔式燃烧室柴油机,分隔式燃烧室柴油机的噪声已降低到同功率汽油机的水平。但直喷式柴油机的噪声还略高于同功率汽油机。直喷式轿车柴油机在全负荷下, 转速达2000r/m in 时, 于1m 处声压级, 文献公布范围为8691dB (A ) , 而在70 年代, 直喷式轿车柴油机的上述噪声高达92105dB(A )。有文献记载, 目前日本轿车柴油机的烟度值已有明显降低, 其噪声限值已降至77dB (A )。表1-4 菲压特共轨直喷式柴油机1.4控制技术水平目前, 欧洲、日本和美国的轿车柴油机的电子控制技术日益普及。其中电子控制
14、喷油系统发展最为迅速。电控项目包括燃油定量、喷油定时以及排气再循环(EGR )、增压压力、进气管长度、气门正时等。英国Lucas 公司比较注重带泵喷嘴及电子控制的喷油系统。它的喷油泵和喷油器已统一为一个整体结构, 不用连接管, 这样可在精确控制喷油压力、喷油始点、供油量及喷油速率的同时, 保证最高的喷油压力。该公司研制的二级喷射式泵喷嘴装置, 可以降低NO x的排放量和降低最高燃烧温度。梅塞德斯奔驰公司在1997 年法兰克福汽车展出了4 款轿车用共轨直喷式柴油机, 其主要技术参数见表1-5。表1-5 轿车用共轨直喷式柴油机的主要技术参数1.4.1电子控制技术欧、美、日等轿车发达国家为了减少轿车
15、柴油机的废气排放和降低油耗, 研究和开发了许多新技术。研究结果表明, 轿车柴油机采用电子控制技术是今后的主要技术发展方向。因为未来轿车柴油机要采用的许多新技术都需要电子控制技术配合。例如, 喷油延迟技术可以改善NO x 排放和降低噪声, 但却同时会使轿车柴油机的经济性恶化, 油耗增加,为解决排放与油耗的矛盾, 同时满足经济性和环保性要求, 就需要采用能在不同工况和各种环境条件下, 实现两者最佳组合的电子控制技术。又如, 排气再循环(EGR )、可变涡流、废气催化技术等只有采用电子控制技术才能使其与轿车柴油机的运行工况很好地配合。再如, 控制喷油速率、降低初始喷油率可以减少NO x; 实现快速溢
16、流可降低微粒(PM ) 和碳氢化合物HC 排放, 这些都离不开电子控制技术的配合。轿车柴油机的电子控制技术不仅能对柴油机工作过程进行控制,还能对轿车车辆运行过程进行控制。轿车柴油机电子控制的项目很多, 包括燃油定量喷射、喷油始点控制、喷油压力控制、喷油率曲线形状喷油规律控制、排气再循环控制、增压压力控制等, 其中最重要的是轿车柴油机燃油系统的电子控制技术。1.4.2柴油喷射系统技术对未来轿车柴油机喷油系统的发展目标要求如下: 转速范围为600 6000r/min; 喷油速率为每行程4 65mm ; 在曲轴转速1000r/min 时, 喷油压力达到60M Pa, 最大功率转速时喷油压力达到150
17、M P; 最大喷油持续时间达到25; 实现两级喷射供油规律: 预喷射和主喷射, 喷油初期喷油速率较低, 喷油末期截止迅速、安全; 循环偏差小, 喷油时刻、喷油量以及废气再循环均由电子控制装置完全而精确地控制和管理。共轨直喷式供油系统能较好地满足下述要求: 用高的喷油压力改善低转速下的混合气形成; 喷油率曲线和供油规律能保证气缸内压力升高, 速率dpdU降低, 从而降低燃烧噪声。还能降低油耗并能将排放降到最低程度。共轨直喷式供油系统主要由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元(ECU ) 和各种油道压力传感器等部分组成。系统中每一喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连, 公共供油管对喷油器起液
18、力蓄压的作用。工作时, 高压泵以高压将燃油输送到公共供油管, 高压泵、压力传感器和ECU 组成的闭环对公共供油管内的油压实行精确地控制。共轨直喷式供油系统的特点是:a. 喷油定时与燃油计量完全分开, 喷油压力、喷油过程和喷油持续期不受柴油机负荷和转速的影响;b. 可根据需要自由调整每缸的喷射压力、喷油量和喷油始点, 实现对喷油正时、喷油量和喷油速率的最优控制;c. 能以很高的压力可靠地进行喷射, 并能实现预喷射和低压供油。由此可看出, 共轨式直喷柴油机是轿车动力中大有发展前途的新型柴油机。分配式喷油泵朝着高压化和完全电子控制的方向发展; 多孔式喷油嘴的喷油孔直径朝着细微化的方向发展; 直喷式轿
19、车柴油机的燃油喷射系统朝着高压喷射的方向发展。1.4.3排气在循环技术由于轿车柴油机的过量空气系数A 1,目前在汽油机上盛行的三元催化转换器无法还原排气废气中的氮氧化物NO x, 因此,废气再循环EGR技术已成为未来轿车柴油机的常见技术。1.4.4涡轮增压几涡轮增压中冷技术车柴油机涡轮增压及涡轮增压中冷技术可提高气缸充量容积效率, 提高空燃比, 大大增加功率; 如功率保持不变, 便可降低废气烟度, 减少黑烟排放。同时由于提高了充量温度, 缩短了滞燃期, 降低了燃烧噪声。图1-1 电控柴油机增压系统结构图第二章 电控柴油机的组成及其控制原理现代电控柴油机的基本构造与电控汽油机基本相同，都包括了曲
20、柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、进排气系统、冷却系统、润滑系统、起动系统。图2-1 电控柴油机电控元件柴油机和汽油机构造上的不同具体表现在：柴油机为压然式发动机其没有汽油机所带的点火系统。柴油机与汽油机另一大不同点就是柴油机的燃料供给系统，现代的电控柴油机的一大亮点就是其高压共轨的燃料供给系统。下面将介绍下柴油机的燃料供给系。图2-2 电控柴油机燃料供给系柴油与汽油相比具有黏度大，蒸发性强的特点。柴油机采用高压喷射的方法，在压缩行程接近终了的时刻把柴油批喷射进汽缸内，直接在汽缸内部形成均匀的混合气，并借助汽缸内的空气的高温自行发火燃烧。柴油机燃料供给系的功用是完成燃料的储存、滤清和输送工作
21、，按柴油机各种不同的公况要求，定时、定量、定压并以一定的喷油质量喷射入燃烧室，使其与空气迅速而良好的混合燃烧，最后使废气排入大气。2.1柴油机燃料供给系的分类与组成根据喷油的控制方式不同，柴油几燃料供给系分为机械式和电控式。电控式燃料供给系可以分为两大类，即位置控制方式（第一代）和时间控制方式（第二代）。2.1.1时间位置控制方式在不改变传统的喷油的工作原理和基本构造，只是改用电控组件，代替调速器和供油提前器，以控制喷油量和喷油时间。2.1.2时间控制在高压油路中，利用电磁阀直接控制喷油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。目前市场上用的最新的就是电控高压共
22、轨的燃料供给系统，这也是我们所说的第三代燃油供给系统。2.1.3燃油供给电子控制系统共轨喷油系统的控制系统主要由ECU和相应的传感器、执行器组成。ECU是控制系统的核心, 它借助于传感器和数据导线获取驾驶员的要求( 加速踏板位置) 以及柴油机和车辆的实时工况信息, 对这些信息按照预设程序进行处理，向执行器发出相应的控制和调节指令, 对柴油机的运转进行控制和调节。喷油器电磁阀、输油泵继电器、高压油泵进油电磁阀、共轨调压阀等都是控制系统的执行元件。控制系统的传感器主要包括:加速踏板传感器、曲轴转速传感器、凸轮轴位置传感器、增压压力传感器、空气流量传感器、共轨压力传感器、冷却液温度传感器和进气温度传
23、感器等。曲轴转速传感器安装在柴油机飞轮的传感齿盘处, 向ECU提供柴油机的转速和曲轴转角信号。曲轴转速传感器常见的型式有电磁式和霍尔电压式, 其信号齿盘的齿数较多,以提高传感精度。凸轮轴位置传感器一般安装在凸轮轴端部, 由凸轮轴驱动, 向ECU提供作功气缸的顺序和凸轮轴相位( 活塞位置) 信号, 以便确定喷油顺序和喷油起始相位( 喷油正时) 。凸轮轴位置传感器的型式和工作原理与曲轴转速传感器相似, 但信号齿盘的齿( 或槽) 数与发动机缸数相等, 且第一缸和最后一缸对应的齿( 或槽) 与其它缸不同, 以区分缸序。加速踏板传感器是一个由滑动电位计组成的电压分压器, 其滑动触头随加速踏板的移动而滑动
24、。ECU向分压器提供一个基准电压, 当加速踏板移动时, 加速踏板传感器上的分压值随之发生线性变化, ECU通过检测分压值的变化得知驾驶员对发动机扭矩和转速的要求( 这就是俗称的“电子油门”) 。空气流量传感器将进气管的空气流量或压力转化成电信号, ECU可以结合进气温度传感器所感应发出信号计算出柴油机气缸的实时循环进气量, 根据工况和排放法规的要求匹配相应的喷油量( 预喷射油量、主喷射油量、后喷射油量) 和喷油时刻。空气流量传感器有流量传感式和进气歧管绝对压力传感式两类。2.2高压共轨系统的燃油喷射控制2.1.1预喷射无预喷射时, 在上止点前的范围内, 气缸压力上升尚较平缓, 但随着燃烧的开始
25、, 压力迅速上升, 当达到压力最大值时, 形成一个较陡的尖峰, 较高的压力上升率和峰值压力,导致柴油机的燃烧噪声明显提高。预喷射一般在活塞压缩行程上止点前90曲轴转角内进行, 但不应迟于压缩行程上止点前40, 否则燃油可能喷到活塞顶面和气缸壁上, 影响预喷射效果, 并会稀释气缸壁上的润滑油。预喷射时, 少量燃油( 14 mm)喷入燃烧室, 先期产生“预调节”并“发火”, 对主喷射燃油产生“引燃”作用。虽然由于“预反应”和局部燃烧使上止点前的气缸压力略有升高, 但缩短了主喷射的着火延迟期, 使其燃烧平缓, 降低了气缸压力上升率和峰值, 燃烧较为柔和, 而平均气缸压力却有所上升, 减小了燃烧噪声和
26、燃油消耗, 在许多情况下还降低了排放。2.1.2主喷射主喷射提供发动机输出功率所需的能量, 从而基本上决定了发动机的输出扭矩。在高压共轨喷油系统中, 整个喷油过程的喷油压力近似恒定不变。2.1.3后喷射后喷射在主喷射之后的作功行程或排气行程中进行, 后喷射的时机一般在上止点后200曲轴转角内。与预喷射和主喷射不同, 后喷射的燃油在气缸中不会燃烧, 而是在废气高温的作用下蒸发, 随废气进入NOx催化器中作为NOx的还原剂, 以降低废气中NOx的含量。后喷射时机过早, 会造成后喷射的燃油燃烧, 形成“补燃”, 并减小降低NOx排放的效果; 后喷射时机过迟, 会导致燃油稀释发动机气缸壁上的润滑油。后
27、喷射时刻由发动机制造厂家通过试验来确定。高压共轨燃油喷射系统的应用范围广泛, 可用于小型乘用车、各种载货汽车、工程机械和内燃机车、船舶等领域, 其单缸功率可达30 200kW。BOSCH 公司的柴油机电控高压共轨燃油喷射系统是该领域技术与发展的典型代表。1997 年BOSCH公司首次推出第一代轿车用高压共轨柴油喷射系统, 其最高供油压力可达135MPa。2000 年, BOSCH公司开始批量生产第二代高压共轨喷油系统,其最大系统压力提高到160MPa,并开始使用具有油量调节功能的高压泵。经过改进的电磁阀喷油器具备多次喷射功能, 它具有更高的喷射压力、喷油器尺寸紧凑、外形小、喷油量误差小、实行闭
28、环控制、多级喷射等一系列新的特点。BOSCH 公司前两代共轨系统的区别主要是以系统的喷油压力来表征的, 第一代共轨燃油喷射系统的喷油压力为135MPa, 第二代共轨燃油喷射系统的喷油压力为160MPa。2003 年5 月, BOSCH公司开始批量生产第三代紧凑型压电直接控制式喷油器 的共轨喷油系统, 这是柴油共轨喷射技术以高、精、尖的技术内涵为特征的一次技术飞跃。第三代共轨燃油喷射系统的喷油压力仍保持在160MPa, 但其压电式喷油器的高度集成化, 使其压电执行器与喷油器头部喷嘴中的针阀靠得更近, 从而使系统具有优良的“液压响应速度”。喷油器的运动件质量减轻了75%, 并将喷嘴针阀部件的零件数
29、从4个减少到1个, 其液压响应速度达到了市场上提供的所有电磁阀式喷油器的2倍。传统的共轨技术在分段喷油时, 每循环喷油过程最多只能分成57段, 而采用第三代共轨喷油系统, 其喷射过程几乎可按需要不受限制地切分, 燃油计量的精度进一步提高。据资料介绍, 采用第三代共轨燃油喷射系统的柴油机, 其废气排放可以降低15%20%, 功率可以提高5%7%, 噪声明显降低3dB。BOSCH 公司还计划推出喷油压力为180MPa 的改进型第三代共轨喷油系统。BOSCH 公司下一代共轨喷油系统的关键特征仍将是喷油器的变化,新系统将会在喷油器上采用共轴可变喷油嘴和油压增压器。共轴可变喷油嘴将由压电执行器控制两个相
30、互套合的共轴针阀, 分别控制两排紧挨着的喷孔的启闭。流量较低的第一排精密喷孔用于喷射燃烧过程初期所需的少量燃油, 以便使燃烧平稳, 降低燃烧噪声; 进入大负荷时, 大孔径的第二排喷孔被开启, 从而在非常短的时间内喷出所需要的燃油, 以满足柴油机输出最大功率的需要。BOSCH 公司目前正在研发的另一种共轨喷油系统, 采用带油压增压器( HADI) 的喷油器, 其设计思想是高压油泵使共轨管中产生135MPa的油压, 然后经高压油管进入喷油器, 通过一个特殊的转换活塞, 使喷油压力达到250MPa 以上。由于喷油压力非常高, 能使很细的喷射油束与空气更好地混合, 从而使燃烧更加清洁, 效率更高。图2
31、-3 博世第三代电直接控制式喷油器 图2-4 博世第四代共轨可变喷油嘴喷油器第三章 电控柴油机燃油喷射控制系统燃油喷射系统是柴油机的心脏。自上世纪90年代中期以来, 柴油机高压共轨燃油喷射系统的开发和应用, 使柴油机的动力性能和排放性能得到了进一步的提高, 工作噪声进一步降低, 大大提高了柴油机的使用性能。本文将对柴油机高压共轨燃油喷射系统的构造、工作原理及特性, 以及将来的发展方向进行分析和介绍。高压共轨燃油喷射系统的基本组成高压共轨电控燃油喷射系统主要由电控单元(ECU) 、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成 。输油泵( 低压油泵) 将燃油输入高压油泵, 高压油泵将燃油加压后
32、送入高压油轨( 高压油轨中的压力由ECU根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及预设值进行调节) , 高压油轨内的燃油经过高压油管进入喷油器; ECU根据柴油机的运行状态, 由预设程序确定合适的喷油定时和喷油量, 以控制喷油器的喷油起始时刻和持续时间, 操纵电液控制的喷油器将燃油喷入气缸内。柴油机高压共轨燃油喷射系统的构成和工作方式与汽油机电控燃油喷射系统相似, 主要由燃油供给系统和电子控制系统两大部分组成。3.1燃油供给系统柴油机电控高压共轨喷油系统的燃油供给系统又分为低压供油和高压供油两部分。3.1.1低压供油部分低压供油部分的功用是向高压油泵供应足够的燃油。低压供油部分主要由燃油箱、输油泵、
33、燃油滤清器、低压油管等部件组成3.1.1.1输油泵在高压共轨燃油喷射系统中, 目前使用的输油泵有电动滚子(或叶片) 输油泵和机械驱动的齿轮泵两种。图3-1 电动输油泵图电动滚子输油泵的结构和工作原理：它由泵油元件、电动机和连接端盖3 个功能部分组成。泵油元件为滚子泵(容积式) , 泵出的柴油从电动机流过, 使其得到冷却。输油泵的设计泵油量大于柴油机的用油量, 在泵油元件的出口侧和吸油口之间设有限压阀, 当低压油管内的压力超过规定值时, 多余的柴油经限压阀泄回到油箱, 额定泵油压力在0.050.15MPa 之间。电动机为永磁式直流电动机, 电动机的供电由ECU通过继电器控制, 发动机起动时即开始
34、工作, 其转速(泵油量) 不受发动机转速的影响。连接端盖上设有电气接头和低压油管接头。输油泵控制电路中设有安全电路, 可在停机时使输油泵立即停止泵油, 以保证安全。电动输油泵的安装方式有油管安装式和油箱安装式两种。油管安装式输油泵串联在油箱与燃油滤清器之间的低压管路中; 油箱安装式输油泵安装在油箱底部的专用支架上, 其总成通常还包括吸油滤网、油位传感器以及与外部连接的电气和液压接头。齿轮输油泵由发动机通过机械装置驱动, 为了在发动机第一次起动或燃油箱放空后排除燃油系统中的空气, 需在齿轮泵或低压管路上配备手动油泵。3.1.1.2燃油滤清器燃油中的杂质可能使泵油元件、出油阀和喷油器损坏; 水进入
35、喷油系统会产生腐蚀。燃油滤清器有过滤燃油中的水分的功能, 并带有集水槽, 每隔适当的时间必须将积水放掉。有的燃油滤清器还装有自动水位报警装置, 当集水槽中的水位过高时, 报警灯会闪亮报警。图3-2高压共轨喷油系统构成图3.1.2高压供油部分高压供油部分高压供油部分除了设有产生高压燃油的组件外, 还设有高压燃油存储、分配和计量组件, 主要包括:带调压阀的高压油泵,作为高压存储器的共轨管(带有共轨压力传感器),限压阀和限流缓冲器、喷油器、高压油管和回油管等。3.1.2.1高压油泵高压油泵的作用是保证柴油机在各种工况下对高压燃油的需求。由于共轨系统中燃油的喷射过程与油压的产生过程无关, 喷油正时和喷
36、油过程不需由高压油泵凸轮来保证, 高压油泵是一个纯粹的液压泵,常采用多作用凸轮结构, 即凸轮在360转角范围内有多个凸起, 凸轮转动一周可使泵油单元完成多个泵油循环, 其泵油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的原则设计, 因此共轨系统的高压油泵比普通喷油系统中的高压油泵小得多, 其峰值驱动扭矩也较小, 可实现近乎连续的供油。目前,共轨系统采用的高压油泵有径向柱塞泵和直列泵两种类型。BOSCH 公司采用3缸径向柱塞泵,可产生高达135MPa 的燃油压力。该高压油泵采用了多作用凸轮,使其峰值驱动扭矩降低为传统高压油泵的1/9,负荷承载比较均匀, 降低了运行噪声。油轨压力控制是通过对共轨
37、腔中燃油的放泄来实现的。为了减少功率损耗, 在发动机用油量较小的情况下, ECU 通过柱塞泵切断电磁阀阻止吸油阀关闭的方式关断其中的一个泵油单元,使供油量和功率消耗减少。ECU根据发动机不同工况的要求,通过调压电磁阀对的油压进行柔性调节。图3-3 电控高压油泵基本构造图3.1.2.2供油管共轨管又称油轨,起蓄压作用,并将高压燃油分配到各喷油器中。共轨管的容积应能满足削减高压油泵的供油压力波动和喷油器喷油引起的压力振荡,将油轨中的压力波动控制在5MPa 以下的要求, 但其容积又不能太大,以保证有足够的压力响应速度,以快速跟踪柴油机工况的变化。ECD- U2 系统高压油泵的最大循环供油量为600m
38、m3,共轨管的容积为94000mm3。共轨管上还安装有压力传感器、限压阀和限流缓冲器等部件。压力传感器用于测定高压油轨内的燃油压力,ECU 根据油轨压力信号调整向调压电磁阀输出脉冲信号的占空比,使油轨内的压力保持在规定值。图3-4共轨管结构图限压阀的作用是,当油轨中出现压力异常升高时( 如在135MPa 系统中, 油轨内的压力超过150MPa 时) ,能迅速将高压油轨中的压力放泄,使多余的燃油经回油管流回油箱。限流缓冲器与高压油管接头制成一体,可以保证在喷油器高压油管出现燃油漏泄故障时,切断向泄漏喷油器的供油, 并可在正常工作时减小共轨和高压油管中的压力波动。由此可见, 共轨管是该系统中经过精
39、确设计的重要部件。3.1.2.3电控喷油器电控喷油器是高压共轨燃油系统中最关键和最复杂的部件, 它通过高压油管与共轨管相连, 主要由一个喷油器和一个电磁阀构成。ECU 使电磁阀通电后喷油器就开始喷油, 在一定压力下, 喷入的燃油量与电磁阀的通电时间成正比,而与发动机或油泵的(即采用时间控制）。图3-5电控喷油器构造图BOSCH 电控喷油器结构基本都是由与传统喷油器相似的喷油嘴和控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成。电控喷油器的结构图中。在系统尚未建立油压或油压很低时, 喷油嘴针阀11 在其上部弹簧的压力下保持关闭状态, 以防止气缸内的压缩气体倒流进喷油器。在系统建立压力后, 进入喷油器的高压燃油
40、分为两路: 一路向下经喷油通道进入喷嘴处, 做好喷射准备; 另一路经控制室进油量孔7 进入控制室, 操纵针阀的启闭。在电磁阀不通电时, 电磁阀球阀5 关闭控制室顶部的回油量孔6, 高压油轨的燃油压力通过量孔7作用在针阀控制柱塞9 上, 使喷嘴关闭; 电磁阀通电时, 量孔6 被打开,控制室内的压力迅速降低, 控制柱塞升起, 喷油器开始喷油; 当电磁阀断电后, 控制室的压力迅速上升, 控制柱塞下行, 关闭喷油器, 完成一次喷油过程。控制室和进油量孔7、回油量孔6 的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔6 与进油量孔7 的流量率之差及控制室的容积决定了喷油器针阀的开启速度, 而喷油器针阀的关
41、闭速度由进油量孔7 的流量率和控制室的容积决定。进油量孔7 的设计应使喷油器针阀有足够的关闭速度, 以减少喷油器喷射后期雾化不良的部分。控制柱塞上部的控制室容积太大, 针阀在喷油结束时不能实现快速断油, 使后期的燃油雾化不良; 控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程, 使喷射过程的流动阻力加大, 喷油率减小。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力,从而决定了针阀的运动规律。通过仔细调节这两个量孔的流量系数, 可以形成理想的喷油规律。在确定了进油量孔7、回油量孔6 和控制室的结构尺寸后, 就确定了喷油器针阀完全开的稳定的最短喷油过程,同时也就确定了喷油器的稳定最小喷油量( 对实现预喷射和后喷
42、射非常重要)。喷嘴控制着喷油率和喷油形状,是经过精心设计和优化的。高压共轨燃油喷射系统的喷射压力非常高, 而其喷油器的喷孔截面积很小, 如BOSCH公司的喷油器, 6个喷孔的直径0.169mm,在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下, 燃油流动处于极端不稳定状态, 油束的喷雾锥角变大, 燃油雾化更好, 但贯穿距离变小, 因此燃烧室的结构形状、进气涡流应与之很好配合, 以确保获得最佳的燃烧过程。对于喷油器电磁阀, 共轨系统要求它有很高的响应速度, 特别是预喷射和后喷射的采用, 要求控制电磁阀的响应时间更短。在ECU 中采用高电压和大电流控制, 可以提高电磁阀的响应特性。保证喷油器很高的响应速度和
43、理想的喷油规律, 是共轨系统的关键技术。3.1.2.4高压油管高压油管应有足够的燃油流量, 减小燃油流动时的压降, 使高压管路系统中的压力波动较小, 并能承受高压燃油的冲击作用,且在起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量一致, 使柴油机每个喷油器有相同的喷油压力, 从而减少发动机各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能较短, 使从共轨管到喷油器的压力损失最小。BOSCH 公司的高压油管外径为6mm, 内径为2.4mm。第四章 电控柴油机电子调速和EGR系统柴油机燃烧过程主要在空燃比较大的领域内进行，所以CO和HC排放量相对较少。因此对柴油机而言，其主要有害排放物是NOX和微粒，
44、而这两者的控制技术相互矛盾。如何有效控制NOX和微粒，仍然是柴油机所面临的尚未解决好的课题。柴油机NOX控制技术，除燃烧控制系统改善等机内设施之外，很多有效的方法之一就是采用废气再循（EGR）技术；而微粒的控制只要采用后处理装置，即捕集器。这些以近越来越广泛的在柴油机上所运用。4.1 EGR率由于柴油机排气中的氧含量比汽油机高的多，CO2浓度低的多，因此必须增大EGR率才能有效的降低NOX。汽油机FER率一般不超过20%，而直喷史和非直喷式柴油机EGR率可超过40%和25%。增加EGR率，NOX大幅降低，但功率和燃油经济性变差。4.2电子调速与EGR集成系统电子调速系统属于第一代位置控制式电控
45、系统 ,通过控制喷油泵油量控制拉杆调节喷油量。柴油机采用电子调速系统能够提高喷油精度和喷油稳定性,能够明显改善柴油机的经济性和动力性,但要达到国2 排放法规必须进一步采用冷EGR 技术来降低NOx 排放,这一措施非常有效 。为了能够精确控制不同工况下的EGR 率,需要对EGR 阀采用电子控制,目前常用的驱动EGR 阀方式是步进电机驱动和真空阀驱动,本文采用真空阀驱动控制。如果电子调速系统和EGR 系统采用独立控制,需两套传感器和ECU ,控制成本增加,而且控制协调能力变差。为了降低成本,发挥电控系统控制灵活的优点,对这两部分采用集成控制。电子调速系统是在原机械直列喷油泵基础上,以比例电磁铁替代
46、原飞块杠杆机构作为调速器的执行元件,并用控制单元ECU 控制比例电磁铁的动作,实现柴油机调速的目的。它的控制原理是ECU通过传感器采集发动机的转速、负荷、水温、油温、进气压力、进气温度等运行参数,判断柴油机当前运行工况并计算该工况下的目标转速,比较实际转速与目标转速的差值,驱动执行机构调节供油量,实现实际转速与目标转速一致。由于不同工况所需的EGR 率变化范围很大,必须时刻根据柴油机转速、负荷、水温计算该工况的EGR 率,并根据进气压力和进气温度修正目标值,驱动EGR 执行器实现所需的再循环废气量。两者在控制上有集成的基础,首先可以共用传感器采集的柴油机运行参数;其次原系统的控制芯片I/ O、
47、A/ D、ROM 等资源满足EGR系统的使用要求;另外控制原理上两者非常相似,很多功能模块能够共用。由一个ECU 协调两部分的工作,降低了控制系统的复杂度、提高了系统的可靠性。但相对原电子调速系统,在增加了冷EGR 系统后,控制参数、传感器和执行器都相应增加,控制算法和硬件电路更加复杂。因此,在硬件设计和控制算法设计中需系统地考虑。图4-1集成系统控制原理图图4.2控制逻辑图 图4-3电磁阀PWM脉冲信号整个电控系统在原电子调速系统基础上增加了EGR 阀及位置传感器、EGR 冷却器、真空电磁阀等主要部件。为了减少零部件,真空源由柴油机自带的真空泵提供,通过软管与真空电磁阀一端相连,另一端通向E
48、GR 阀膜片室。ECU 通过控制真空电磁阀的开度改变膜片室压力, EGR 阀在弹簧力、气体压力下达到新的平衡,从而改变EGR 率。ECU 为了实现EGR 阀的控制需增加一个真空电磁阀驱动电路,采用PWM 信号控制。同时,需相应增加EGR阀位置传感器信号采集处理电路。ECU 增加这两部分电路,对于采用微处理器的数字电路而言,非常容易实现,而且与原有的比例电磁铁控制信号及拉杆位移传感器信号处理电路类似,所以有很好的集成基础。图4-4 EGR 阀位置传感器信号处理电路EGR 阀位置反馈信号输入后,经过滤波、放大、限幅后进入控制芯片进行A/ D 转换。其它如转速、电子油门踏板、冷却水温等信号与电子调速系统共用。电子调速系统与冷EGR 系统集成后在柴油机上的布置如图4-5所示。图4-5发动机电控系统连接图4-6EG