柴油發動機電子控制系統

一、柴油發動機電子控制技術的發展狀況

              國際上受日益嚴格的排放法規限止，目前柴油機電子控制技術在國外達到60%--90%

       優點：改善柴油機動力性、經濟性、降低排放          和噪音。

二、柴油發動機電子控制系統內容及功能

1．噴油量控制

2．噴油正時控制

3．怠速控制

4．各缸噴油量不均勻修正

5．排氣再循環控制

6．進氣節流控制

7．增壓控制

8．進氣渦流強度控制

9．起動預熱控制

10．故障自診斷及故    障保護功能

一、柴油發動機噴油量控制

•          發動機轉速信號                    （基本噴油量）

•          節氣門位置/加速踏板信號            （基本噴油量）

•          進氣溫度信號                       （修正噴油量）

•          進氣壓力信號                       （修正噴油量）

•          冷卻液溫度信號                     （修正噴油量）

              燃油特性修正、低溫起動后修正、急減速修正以適應不同工況不同工作條件變化的需要。通過電磁溢流閥對噴油量進行精確控制

二、柴油發動機噴油正時控制
       噴油正時是由發動機轉速和加速踏板位置決定的，并由冷卻液溫度、進氣溫度、進氣壓力等信號進行修正。通過著火正時傳感器檢測實際燃燒開始時刻實現對噴油正時的閉環控制。排除燃油十六烷值、大氣條件變化引起噴油正時差異，實現對噴油正時的最佳控制。

三、柴油發動機怠速控制

       由于發電機、空調動力轉向等輔助裝置工作狀態的變化引起柴油機負荷變化導致發動機轉速變化。柴油機控制系統通過反饋控制系統控制怠速噴油量，使怠速控制在目標轉速。

四、柴油發動機各缸噴油量不均勻修正

              由于各缸噴油泵的性能差異導致各缸噴油量的差異，引起發動機轉速波動即所謂：怠速顫振。電控系統通過作工沖程時的曲軸轉速變化判斷各缸噴油量的差異。利用電磁溢流閥快速響應，及時修正各缸的噴油量來降低發動機轉速波動，按各缸轉速無波動偏差來控制各缸噴油量。

五、柴油發動機排氣再循環控制

              減少排氣中的NOX排放量，與汽油機電  控系統相同。

六、柴油發動機進氣節流控制

              系統通過控制節氣門的開度，控制進氣量，降低怠速時的振動和噪聲，停車時系統關閉節氣門中斷進氣，減輕發動機的振動。

七、柴油發動機增壓控制

              電控系統控制增壓壓力和進氣量、空燃比。

八、柴油發動機進氣渦流強度控制

              系統通過控制進氣通道的變化，以便在不同轉速負荷下更好地組織進氣渦流，改善燃燒質量，提高動力性、經濟性、降低排放和污染。

九、柴油發動機起動預熱控制

              在不同的起動條件下系統通過控制起動預熱塞的通電時間改善柴油機低溫起動和低溫怠速運轉。

十、柴油發動機故障自診斷及故障保護功能

       此項與汽油機電控系統的故障自診斷失效保護功能基本相同。

三、柴油機電了控制系統的控制方式

柴油發動機控制方式可分為三大類：

                     1、開環控制、

                     2、閉環控制、

                     3、開環—閉環綜合控制

1、開環控制

       特點：用電子控制裝置取代噴油提前調節裝置。結構：分配泵凸輪滾環→液壓正時活塞→電磁閥控制（燃油反饋壓力）電磁閥←控制單元←轉速、冷卻水溫、總供油量由電控單元貯存的最佳供油提前角發出指令。

2、閉環控制

       電控單元根據噴油傳感器著火正時傳感器反饋信號通過電磁閥控制正時活塞達到最佳正時供油提前角。

3、開環—閉環綜合控制

              電控單元把開環—閉環綜合起來，調整實際噴油正時出現誤差。進行誤差補償。通常在相鄰兩次噴油間就能達到調整點。

柴油發動機電子控制的組成及工作原理

1、提高柴油機的經濟性降低排放污染

       確定最佳噴油提前角，和精確的噴油量。發動機轉速、負荷、冷卻水溫、進氣溫度、燃油溫度、壓力等。

2、提高發動機工作可靠性

       防止齒條卡死“飛車”減油復位同時迅速切斷高壓泵時油，關閉進氣通道。

3、對柴油機運行工況進行實際高精度控制

       微機對各種運行參數信息，進行監測處理迅速調節控制。實現柴油機運行工況實時高精度控制。

4、較強的適應性

       對于不同用途不同機型的柴油機，柴油機電子控制系統應有較強的適應性。主要是電控單元EPROM的軟件程序調整產品匹配適應能力。

柴油發動機電控系統原理圖

柴油機電子控系統組成

與汽油機一樣仍然有信號輸入裝置、電控單元、執行器三部分。

一、柴油發動機傳感器信號輸入

1、油門踏板位置傳感器、反應發動機的負荷信號及怠速確認，主控信號。

2、轉速傳感器、曲軸位置傳感器主控信號與加速踏板位置傳感器共同決定噴油量和噴油提前角。

3、泵角傳感器、檢測泵轉角與曲軸位置傳感器共同控制噴油量保證噴油正時改變時不影響噴油量。

4、著火正時傳感器、檢測燃燒室開始燃燒時刻修正噴油正時

5、冷卻液溫度傳感器、控制發動機工作溫度，修正噴油量與噴油正時。

6、進氣溫度傳感器、檢測進氣溫度、修正噴油量與噴油正時。

7、進氣壓力傳感器、檢測進氣壓力、修正噴油量與噴油正時。

8、溢流環位置傳感器、檢測溢流控制電磁鐵的電樞位置，以反饋控制溢流環位置。

9、正時活塞位置傳感器、檢測電子控制定時器正時活塞位置，將噴油正時提前量信號輸入ECU。

10、控制桿位置傳感器、檢測電子控制柱塞式噴油泵調速器中控制桿位置將噴射量的增減信號反饋給ECU

11、控制套筒位置傳感器、檢測電控分配式噴油泵調整器中控制筒位置將噴油量增減信號反饋給ECU

12、發動機點火開關信號、空調信號、動力轉向油壓開關信號、空擋起動開關信號

二、柴油發動機電子控制單元  ECU

              功能與組成汽油機電控單元基本相同。

三、柴油發動機執行器

              電動調速器、溢流控制電磁鐵、電子控制正時控制閥、電子控制正時器、電磁溢流閥、高速電磁閥、電子液力控制噴油器等。

柴油機電子控制系統類型結構及工作原理

一、柴油發動機電子控制式噴油泵

       主體是普通噴油泵、電子控制調速器和噴油提前角調節器，電控式噴油泵 

                     分：1、柱塞式、2、分配式

1、柴油發動機電子控制柱塞式噴油泵

   傳感器：加速踏板位置傳感器、水溫傳感器、N-TDC傳感器（轉速-凸輪軸位置傳感器）、起動開關、空調開關

2、實際動作反饋信號：時間傳感器、控制桿位置傳感器（電動調速器內）

ECU 對輸入控制信號和反饋進行分析處理計算發出相應的噴油量及噴油提前角命令執行元件：電動調速器、電磁閥、執行精確噴油量和噴油提前角。

1、噴油量控制

       ECU 控制電動助推器上下移動，通過聯桿機構變為控制桿水平移動，實現噴油量的增減控制。

2、噴油提前角控制

       ECU控制電磁閥來控制發動機機油泵進入時間控制器的油壓，使時間控制器動作改變噴油泵凸輪軸與油泵驅動軸曲軸相對位置來實現的。

柴油發動機電磁閥結構雙組式

       P孔道發動機主油道進入電磁閥

       R孔道回流通道，一部分機油流回發動機油底殼。

       A孔道控制油壓流入時間控制器。

       ECU控制電磁閥調節R孔的回流量從而控制控制A通往時間控制器的油壓控制調節活塞位置來實現噴油提前調節。

時間控制器結構

       組成：缸筒、活塞、大小凸輪、法蘭園盤受電磁閥控制的油壓大小、活塞位置發生改變通過活塞上的銷帶動凸輪偏轉帶動法蘭偏轉一定角度實現噴油提前調節。

2、柴油發動機電子控制分配式噴油泵組成：

       輸入信號：加速踏板位置傳感器、轉速傳感器、水溫感器、燃油溫度傳感器、起動開關反饋信號：套筒位置傳感器

電控單元分析處理計算發出噴油量及噴油提前角參數命令。執行元件電動調速器時間控制器接受ECU指令精確控制噴油量和噴油提前角。

柴油發動機燃油溫度傳感器G81

柴油發動機調節活塞位置傳感器G149

柴油發動機油量調節器N146

柴油發動機供油提前角自動調節機構

柴油發動機供油提前角調節閥 N108

柴油發動機停機斷油示意圖

1、柴油發動機噴油量控制

       是由ECU控制電動調速器中的控制套筒的位置來實現增減噴油量。轉子式電磁執行器和油量控制機構組成

工作原理：

       非對稱磁極芯上繞有線圈ECU根據有關輸入信號可通過改變占空比的方法控制流入線圈電流大小使轉子在0-60%范圍內旋轉，通過轉子軸端偏心安裝的滾珠改變控制套筒的位置來實現噴油量的增減控制，轉子上端有控制套筒位置傳感器用以向ECU反饋噴油量的變化情況。

2、柴油發動機噴油提前角的控制

電控分配泵噴油提前角的控制由時間控制器（定時器）控制

       原理迅時控制閥受ECU控制正時活塞高壓室和低壓室的中間通路，控制通往正時活塞高壓室的油壓來實現對噴油提前角的控制。

       當正時控制閥線圈通電時高低壓室相通正時活塞兩端壓力差消失，回位彈簧作用正時活塞回位使噴油時間推遲，反之正時控制閥斷電，使噴油時間提前。

柴油發動機用電子控制VE型噴油泵（COVEC-I）日本五十鈴公司4FB1柴油機電子控制系統（1-TEC）

柴油發動機電動調速器的構成

柴油發動機電動調速器剖面原理

2L-THE型柴油機電子控制系統ECD

有ECD-Ⅰ型和ECD-Ⅱ兩種。

ECD-Ⅰ型仍保留一部分機械控制機構只是噴油量及噴油提前角采用電子控制方式噴油量是采用電磁鐵控制桿移動溢流環的位置來實現的。

ECD-Ⅱ型在噴油量的控制方式有根本改變它是通過ECU控制電磁溢流閥、定時開關溢流通路實現控制噴油量的同時采用了著火正時傳感器檢測柴油混合氣開始燃燒時刻更精確的控制噴油提前角。

ECD-Ⅰ型柴油機電子控制系統

輸入信號：轉速傳感器、加速踏板位置、水溫、進氣溫度、進氣壓力、發動機開關、空調、P/N檔開關。

反饋信號：溢流環位置、正時活塞位置

控制噴油量的執行器：溢流控制電磁鐵、噴油提前正時控制閥、進氣節流閥、廢氣再循環、真空控制閥。

1、柴油發動機噴油量控制

       溢流控制電磁鐵使控制桿移動控制溢流環的位置來實現。流入定子線圈的電流在0.4-0.9A變化。

2、噴油提前角

       正時控制電磁閥，控制正時來完成控制高低壓室的柴油壓力差來實現。

五十鈴4FB1-TEC豐田公司的2L-THE柴油機ECD-Ⅰ型、ECD-Ⅱ均采用這種噴油正時控制方式。

ECD-Ⅱ型柴油機電子控系統

1、柴油發動機噴油量

       只有燃油特征修正、低溫起動修正、急減速修正。

2、柴油發動機噴油提前角

       對負荷、轉速、溫度、壓力、修正、實際燃燒開始時間修正、減小燃油十六烷值和大氣條件變化的影響。

3、柴油發動機怠速控制

       空調、發電機、動力轉向、P/N檔開關、引起發動機負荷變化，電控單元仍控制在目標穩定怠速同時反饋控制方式控制怠速噴油量

4、柴油發動機各缸噴油量不均勻修正

       通過曲軸位置傳感器檢測曲軸轉速變化來判斷利用電磁溢流閥的快速響應及時修正各缸噴油量降低發動機波動

5、柴油發動機進氣節流控制

       是通過ECU控制電磁閥來控制進氣節流閥控制怠速進氣量，停車時關斷進氣降低怠速噪聲停機振動。

6、柴油發動機排氣再循環控制

   減少排氣中的NOX排放量，與汽油機電控系統相同。

7、柴油發動機起動預熱控制

       通過ECU控制預熱塞的通電時間來提高柴油機低溫起動和低溫怠速運轉。

8、柴油發動機故障自診斷及安全保護功能

       與汽油機一樣，出現故障跛行運轉，點亮發動機故障燈緩慢回家。

1、柴油發動機噴油量控制

       控制柱塞泵高壓室與低壓室的通路溢流閥的開啟時刻改變柱塞的泵油行程（有效行程）來實現ECD-Ⅱ型系統電磁溢流閥直接控制溢流通路簡單迅速、噴油量精確。

       a、停止噴油器干脆

       b、關閉時能保持高壓室燃油壓力

       c、響應快發動機高速時也能精確控制噴油量

       d、電磁閥線圈為12V或12V以下，功率消耗小

ECD-Ⅱ系統電磁溢流閥雙重閥結構，主閥為液壓閥，開閉受燃油壓力控制、輔助閥為電磁閥開閉受ECU控制。

ECD-Ⅱ系統電磁溢流閥工作過程

1、柴油發動機壓縮噴射

       ECU向輔助閥通電輔助閥，關閉主閥右側壓力大于左側壓力關閉噴油器噴油

2、柴油發動機輔助溢流

       ECU切斷輔助閥電流、輔閥打開主閥右側壓力小于左側壓力右移增容減壓

3、柴油發動機主溢流輔助閥打開，泄壓、主閥左移高壓室壓力迅速降低停止噴油

ECD-Ⅱ系統噴油量控制方式共65齒在90°間隔上有四處缺2個齒兩面個齒所對應的泵軸轉角為5.625°對應曲軸轉角為11.25°每一個缺齒部分的第一泵角脈沖信號對應的正好是柱塞開始泵油的位置0度噴油量不會因噴油提前角的改變而受影響

1、柴油發動機噴油提前角的控制方式

       ECU根據泵角傳感器和曲軸轉角傳感器來確定噴油提前角，泵角是開始噴射信號曲軸位置是基準位置參考

確定基本提前角噴油提前角加速踏板位置和轉速信號修正。

曲軸位置傳感器

       安裝位置

       曲軸360°轉角產生一個脈沖信號（新型）在曲柄上、油泵驅動輪上（舊型）曲軸720°轉角產生一個脈沖信號、新型曲軸位置傳感器大大提高了噴油提前角精度

2、起動時噴油提前角控制

       起動時ECU根據加速踏板、車速、起動開關控制正時閥來控制噴油提前角開環控制在ECD-Ⅱ系統改變曲軸位置傳感器位置（新型）使開環轉為閉環反饋控制時的發動機低轉速范圍、減小每次起動時間偏差改善起動性能。

3、著火正時傳感器

       燃燒的光通過石英棒導入光敏三極管轉為電信號，ECU根據實際著火時刻修正噴油提前角，1、減小因大氣壓力變化對發動機的影響，2、減小因不同十六烷值對發動機的影響，3、減小因噴油泵機械結構差異及其它因素對發動機的影響。

噴油泵—噴油器式電控系統、用高速電磁閥來、控制噴油泵—噴油器

泵噴嘴結構與傳動機構

1、通過高速電磁閥開閉控制高壓燃油回油通路的開閉時刻從而控制噴油開始及停止的時刻來實現對噴油提前角及噴油量控制

2、高速電磁閥受ECU控制

       ECU根據發動機轉速加速踏板位置水溫進氣溫度及壓力傳感器輸入信號分析處理計算出相應的最佳控制參數值控制電磁閥線圈電流導通與關斷的時刻及通電時間長短，實現對噴油提前角及噴油量的實時控制

圖為美國Lucas公司開發的重型卡車用的電控EUI噴油泵—噴油器

電控EUI噴油泵—噴油器系統

ECU根據柴油機轉速，加速踏板位置水溫增壓壓力等傳感器信號控制噴油泵—噴油器上的電磁閥實現對提前角及噴油量控制。

Caterpillar公司開發的HEUI（Hydraulic Electronic unit Injector）

電控噴油系統

特點：噴油泵的柱塞采用液壓驅動，噴油壓力等控制不受發動機轉速及負荷影響

柱塞式高壓滑動油泵將壓力升高到4-23 Mpa泵入蓄壓總管，控制閥作用在加壓柱塞上，使加壓柱塞下面的小活塞能產生30-120 Mpa的噴油壓力由噴油嘴噴出。

電控單元ECM根據各有關信號控制噴油正時噴油量（噴油持續時間）

HEUI 泵-噴嘴

電子控制預行程可控制噴油泵

       噴油泵的噴射壓力對柴油機可燃混合氣的形式及燃燒盾量影響很大，尤其是直噴式柴油機為了獲得良好的燃燒性能，要求噴油壓力較高（柴油霧化）高壓油管的壓力在普通柴油機上沒有發動機的轉速變化成正比，轉速高壓力高轉速低壓力低，壓力的變化引起噴油量時間發生變化，為了保證高速時管壓不至于過高低速時不至于過低電控預行程噴油可控式噴油泵正是這一種電控供油速率可控泵來完成的。

1、原理

柱塞套筒下方設有一個控制套筒通過調節桿的上下移動來控制預行程量的變化二是進油口設置在柱塞上燃油的噴射過程與普通噴油泵不同

進油過程

凸輪升程低位置時，柱塞上的進油孔位于控制筒的下邊，燃油從柱塞的進油孔進入壓力室，壓力室與儲油室相通，壓力室壓力室壓力不會升高。

開始壓油

       當柱塞被凸輪頂起，開始上升柱塞的進油孔，被控制套筒關閉，所對應的凸輪升程即為預行程，壓力室壓力開始上升并開始壓油

噴油過程

柱塞上有凹槽與柱塞中心進油孔相通柱塞上行至進油孔被控制套筒關閉起，到柱塞上凹槽與控制筒上出油孔連通為止，此間柱塞上的進油凹槽均被關閉，隨著柱塞的上升壓力室的燃油被壓送到噴油器（即噴油行程）柱塞的這段行程為有效泵油行程。

柱塞總行程（凸輪升程所決定）一定時，預行程越大有效行程越小，泵油量越小，噴油量越少，反之越多。

停止噴油

       柱塞上的凹槽與控制筒上的出油口連通時，壓力室的高壓燃油通過柱塞上的出油口凹槽回油泄壓，停止泵油

從工作過程可看出，泵油量的大小決定柱塞的有效泵油過程，而有效行程決定于開始泵油的時刻和停止泵油時刻，開始泵油時刻決定于預行程大小，停止油泵決定于柱塞凹槽與出油口位置，只要使控制套筒沿柱塞上下移動，即可改變預行程，從而改變開始泵油時間，改變泵油量，也可改變噴油提前角，預行程小泵時刻提前泵油量大，預行程大泵油開始晚，泵油量小

預行程控制機構

       控制筒的上下移動是由預行程機機構（電磁線圈）通過U型接頭轉動定時桿上銷釘撥動控制套筒上下移動來改變預行程的，并根據預行程位置傳感器反饋信號進行修正

預行程可控式噴油泵電控系統

輸入信號：發動機轉速、加速踏板位置、水溫、壓力、車速傳感器、控制筒位置、齒條位置

執行器：控制套筒機構、電動調節器、故障診斷燈、經濟行程燈、蜂鳴器

系統功能：預行程控制（供油速率、噴油提前角）噴油量控制，故障自診斷經濟行程監控，自動控制車輛經濟速度行駛等。

1，預行程控制

根據輸入信號，ECU處理計算最佳參數值控制螺旋電磁線圈來進行反饋控制，反饋信號由控制套筒位置傳感器輸入

2，噴油量控制

       根據輸入信號ECU處理、計算最佳噴油量參考數值，控制電動調速器改變油量控制齒條位置來控制噴油量

由于改變預行程的同時也改變了噴油提前角故該系統不再單設噴油提前控制裝置

故障自診斷系統

故障自診斷系統根據故障的性質，限制柴油機的性能或使柴油機停車。

故障發現后的對策有三種

1、維持工作

2、改變工作—減少噴油、增加噴油量、降低  轉速、跛行運行。

3、柴油機停車

故障碼

       John Deere公司故障碼