教学课件:第八章柴油机电子控制技术.讲述.ppt
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1、1,到90年代初,“时间控制”式电控燃油喷射系统开发成功,采用了新型高速强力电磁阀代替传统的油量调节齿条(直列泵)或油量调节滑套(VE型分配泵)等,直接对高压燃油进行数字式的高频调节,由电磁阀的关闭时刻和闭合持续时间决定循环供(喷)油量和供(喷)油正时。,2,二、柴油机电控系统的控制项目,1.燃油喷射控制电控汽车柴油机的燃油喷射控制主要包括循环供(喷)油量、喷油正时、喷油规律和喷油压力的控制。此外还有柴油机低油压保护,增压器工作状况保护等。,3,2.怠速控制电控汽车柴油机的怠速控制主要包括怠速转速的控制和怠速时各缸均匀性的控制。3.进气控制电控汽车柴油机的进气控制主要包括进气管节流控制、可变进
2、气涡流控制和可变配气正时控制。,4,4.增压控制汽车柴油机电控系统的增压控制主要包括废气旁通控制和涡流通流面积的控制。5.排放控制汽车柴油机电控系统的排放控制主要是废气再循环(EGR)控制。ECU以柴油机转速和负荷信息作为主控信号,经过查看EGR率与发动机转速、进气量的三维脉谱图和计算修正,输出适当占空比脉冲电压,控制EGR真空电磁阀通电时间,进而控制EGR阀开度,以调节EGR率。,5,6.起动控制起动时,ECU根据柴油机冷却液温度,决定电热塞或进气预热塞是否点燃和决定通电持续时间。当点燃指示灯熄灭,表示起动条件已具备,点燃/起动开关转到“起动”位置,发动机起动。起动完成后或需中断起动时测自动
3、将电源切断。此外,起动控制还包括起动阶段循环供(喷)油量(起动油量)和起动时喷油正时的控制。,6,7.故障自诊断、失效保险当柴油机或电控系统出现故障时,ECU将会点亮仪表板上的指示灯,提醒驾驶员注意,并存储故障信息。检修时,通过一定程序,可将故障代码及有关信息资料调出。当ECU出现故障时,ECU内的备用电路可使系统进入失效保险程序的控制状态,让车辆低速开到最近的维修站检修。8.柴油机与变速器的综合控制在汽车上采用电控自动变速器时,将柴油机ECU与自动变速器ECU合在一起,实现柴油机与变速器的综合控制,以大大改进变速性能。,7,(一)柴油机电控燃油喷射系统的控制内容,1.循环供(喷)油量的控制
4、2.喷油正时的控制3.喷油速率的控制4.喷油压力的控制5.柴油机低油压保护6.增压器工作状况保护,8,3).第三代:燃油蓄压+电磁阀时间控制以高压、中压或低压供油泵、电磁液力控制式喷油器和公共油轨组成的各种电控共轨式喷油系统。最大特征是:喷油系统的两个基本任务燃油压力的形成和燃油量的计量,独立进行。,9,电控共轨式喷油系统分为无液压放大的高压共轨系统和有液压放大的增压共轨系统。运用“时间-压力式”或“压力式”燃油计量原理。,10,电控无液压放大的高压共轨系统的特点优点:电磁阀开关的速率高,喷油器结构简单,尺寸小,在气缸盖上布置方便,制造成本相对较低。喷油速率的控制比较简单,容易实现预喷油。缺点
5、:需要有高压的供油泵,系统中许多零部件处在高压下工作。,11,电控有液压放大的增压共轨系统的特点优点:只需采用具有中等油压(但需要有较大的供油量)的供油泵,就有可能实现非常高的喷油压力。系统中承受高压的零部件较少。缺点:对小油量控制困难,不易进行喷油率的控制。由于电/液控制喷油器中设有液压放大机构,因此喷油器结构复杂,安装尺寸大,在气缸盖上布置较为困难。,12,2.柴油机电控燃油喷射系统几个重要的发展阶段(简晓春)按对循环供(喷)油量、喷油正时、喷油速率和喷油压力等的控制方式分:经历了从“位置控制”到“时间控制”,再到“时间-压力控制”或“压力控制”的发展过程。,13,(三)柴油机电控喷油技术
6、的关键要素,1.传感器技术在电控燃油系统中,通过各种传感器检测出发动机的实际运行状态。共轨压力传感器:测量范围20l80MPa(现在更高);测量精度达到2%;即使在l80MPa的高压状态下仍然具有很高的可靠性。,14,2.软件技术初期,喷油控制程序是:检测出发动机的转速和油门开度,输入到计算机内,计算目标喷油量,向伺服回路发出指令进行控制。后来:控制功能增加,各种控制功能作为一项任务(功能单元)可以独立设计,集中控制。目前的新动向是:正在推进软件模块化、部件化。将会迎来更高层次的标准化、通用化。,15,3.各气缸间转速不均匀控制目的:为了减小柴油机在低速运转或怠速运转时的振动、使发动机平滑运转
7、。方法:通过电子回路检测出各气缸的瞬时角速度,向瞬时角速度高的气缸内减少喷油量,向瞬时角速度低的气缸内增加喷油量。,16,4.排气后处理柴油机微粒滤清器;连续再生捕集器;另一个动向是:正在试验研究柴油机的控制技术。,17,5.电子控制回路在发动机上的安装目前:电控单元安装在发动机驾驶室内。新要求:电控单元直接安装到发动机上。控制单元安装到发动机上的两大难题:承受90-120的高温和10-40GHz高振动。现在正在努力生产将芯片安装到微型复合式底板上,以求提高耐振动性,增大工作温度范围的控制单元。,18,(一)对循环供(喷)油量的控制 1.对循环供(喷)油量的“位置控制”就是将传统的泵管嘴系统中
8、的机械式调速器用电控调速器来代替,即用发动机转速和负荷传感器代替原有的机械式传感机构,用ECU控制的电子调速执行机构代替机械式调速执行机构。,19,特点:具有稳定怠速与超速保护功能,而且可使调速特性在全速式和两速式之间变换。用模拟量来控制执行器的工作。控制精度不高,只能对循环供(喷)油量进行间接的低频连续调节。在喷油泵总成中带有某些机械装置控制,影响控制的响应速度,同时结构也比较复杂。,20,2.对循环供(喷)油量的“时间控制”用高速电磁阀直接控制供油(或喷油)。有较高的控制精度和较快的响应速度。可将循环供(喷)油量控制和喷油正时控制合二为一,大大简化了机构。,21,基本工作原理是:ECU根据
9、柴油机转速传感器、加速踏板角度传感器来的信息,按预存的负荷转速循环供(喷)油量三维脉谱图,确定基本循环供(喷)油量,并根据冷却液温度等信息计算出经过优化的循环供(喷)油量,然后发出指令,使装在溢油通路内的高速电磁溢流阀关闭或打开。,22,循环供(喷)油量的多少决定于电磁溢阀开启的早晚,喷油泵柱塞的往复运动只起吸油和泵油的作用而没有控制循环供(喷)油量的作用;不需调速器,23,24,预喷射循环开始在主喷射循环开始之前,少量燃油在低压下被喷入叫预喷射循环。喷嘴电磁阀吸合,电磁阀针阀被压入到阀座内,关闭高压腔到供油管的通道,高压 腔内开始产生压力。当压力达18MPa时,压力高于喷油针阀弹簧压力,喷嘴
10、针阀上 升,预喷射循环开始。,25,26,主喷射循环开始 喷嘴针阀关闭后短时间内,高压腔内压力立即重新上升。这时喷嘴电磁阀仍然关闭。随着泵活塞下移,高压腔内压力继续升高,约30MPa时,燃油压力高于喷嘴弹簧作用力,喷嘴针阀再次上升,主喷油开始。主喷射循环结束 当发动机控制单元停止激活喷嘴电磁阀后,电磁阀针阀回位,高压油泄掉,喷嘴针阀关闭。主喷射循环结束。,27,泵喷嘴的回油管具有如下功能:1.冷却泵喷嘴。2.排出泵活塞处泄出的燃油。3.通过回油管内节流孔分离来自供油管内的气泡。,28,2.对喷油正时的“时间控制”有“半时间控制”和“时间控制”两种(1)对喷油正时的“半时间控制”:是在溢油通路中
11、仍保留了电控液压自动提前器,供油终点决定于电磁溢流阀开启的时刻。“时间位置”控制。(2)对喷油正时的“时间控制”:取消了电控液压自动提前器,完全用高速电磁溢流阀关闭或开启的时刻来控制喷油正时。,29,(三)喷油速率的控制,1.对喷油速率的“位置控制”主要用于电控直列泵上,通过改变柱塞预行程来实现对喷油速率的控制。按不同的控制部位有控制滑套式、改变柱塞长度式、改变滚柱体高度式3种。,30,(1)控制滑套式工作原理:当滑套上移时,柱塞预行程增大,喷油速率增大;滑套下移时,柱塞预行程减小,喷油速率下降。,杰克赛尔公司(ZEXEL)的“TICS”,31,(2)改变柱塞长度式柱塞长度相对变长,上柱塞的上
12、端面就早关闭柱塞套筒上的燃油进油孔,使柱塞预行程减小,喷油速率下降。反之,则柱塞预行程增大,喷油速率增加。,改变柱塞长度的可变预行程原理,日本小松公司的KP21型喷油泵,32,(3)改变滚轮体高度式在滚柱体内加工出内螺纹,把原喷油泵的滚柱体垫片改成有外螺纹的可旋转部件,通过拉动并使其旋转而改变滚柱体的高度。上述对喷油速率的“位置控制”只能使平均喷油速率的大小可变,而不能优化供油规律曲线。,33,2.对喷油速率的“时间控制”对喷油速率进行“时间控制”能够优化喷油规律曲线。利用喷油泵柱塞上设置泄流槽与电磁阀相结合来实现可控制的低初期喷油速率和供油特性。,34,特点:低速时,由于柱塞速度低,喷油速率
13、小,泄流作用相对较强,使压力上升缓慢,喷油始点推迟,正好满足低速时的燃烧匹配的要求。中等转速时,喷油速率有所加大,喷油始点逐步提前,喷油规律形成靴形喷油规律的形态,正好满足中速时的燃烧匹配的要求。高速时,喷油速率高,泄流作用相对减小,泵端压力上升速度加快,喷油始点提前。,35,(四)喷油压力的控制常规压力电控系统无法实现独立地对喷油压力进行柔性的控制,只能通过对喷油速率或对供油速率和供油规律的调节来使喷油压力发生变化。所以在常规压力电控系统中,没有对喷油压力进行柔性控制的典型方法。,36,三、高压电控喷油系统的燃油喷射控制,(一)、电控共轨系统的简史(二)、电控共轨系统的特点(三)、电控共轨系
14、统的未来(四)、电控共轨系统的组成(五)、电控共轨系统的控制原理,37,戴姆勒-奔驰公司得出电控共轨式燃油系统的优点:它取消了限制喷油的供油凸轮,从而大大增加了自由选择预喷射和主喷射的喷油始点的灵活性;驱动转矩峰值低;喷油压力可自由选定,因此,即使在低转速和小负荷时燃油也能很好地雾化;在喷油嘴开启时,以恒定的电控共轨压力进行喷油;采用与汽油机近乎相同的曲轴箱,相同的机组结构以及相同的曲轴和凸轮轴转角传感系统,可以增加汽油机与柴油机生产中的同一性。,38,(二)、电控共轨系统的特点,1.自由调节喷油压力(共轨压力);2.自由调节喷油量;3.自由调节喷油时刻(正时);4.自由调节喷油率(曲线)的形
15、状;5.广阔的应用领域(用于轿车和轻型载货车,每缸功率可达30kW,用于重型载货车机车和船舶用柴油机,每缸功率约可达200kW左右)。,39,(三)、电控共轨系统的未来,售价将低于现在的同等功能的机械式燃油系统;更可靠,更紧凑;控制功能更出色;将逐步替代现有的机械式燃油系统;但是,由于柴油机的复杂多样,可能在某些领域替代过程比较快,某些领域替代过程比较慢,而在某些领域几乎永远不能完成这种替代。,40,(四)、电控共轨系统的组成,供油泵共轨喷油器,传感器ECU执行器,控制系统,燃料供给系统,41,.电控喷油器)三通阀结构和二通阀结构Three Way Valve和Two Way Valve,42
16、,2)压电晶体式电控喷油器,高压燃油从共轨中进入喷油器后,分成两路:一路由油道进入喷油嘴盛油槽,作用于针阀锥面上;另一路通过节流孔进入活塞顶部的油腔1。,压电晶体堆不通电,单向阀1关闭,不喷油。压电晶体堆通电,压电晶体伸长,单向阀1打开,喷油嘴开始喷油。单向阀2是为了补充油腔2中泄漏的燃油,以保证喷油嘴工作可靠。,43,3.ECU按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息,经过处理后,并把各个参数限制在允许的电压电平上,再发送给各相关的执行机构,执行各种预定的控制功能。处理能力(内存,CPU处理速度,输入输出信息),耐环境性(防水,耐热,耐振)。,44,由压力敏感元件,带求值电路的电路板和带电
17、气插头的传感器外壳组成。,4.特种传感器(博世),以足够的精度,在较短的时间内,测定共轨中的实时压力,并向ECU提供电信号。,1)共轨压力传感器,当膜片形状改变时,膜片上涂层的电阻发生变化,并在用5V供电的电阻电桥中产生电压变化。失效时,具有应急行驶功能的调压阀以固定的预定值进行控制。,共轨燃油,45,2)流量限制器(博世)防止喷油器出现持续喷油现象由共轨流出的油量超过最大流量时,流量限制器将自动关闭流向相应喷油器的进油口,停止继续喷油。,46,当加上一定的压力,球有某一位移时,则对应着一定的流量。,流量突然加大时,则球的位移加大。达到最大时,球将右侧的出油孔堵死,即球落座。没油流入喷油器,起
18、到保护作用。,否则,燃油会一直不停地流入气缸,直到充满气缸!,流动缓冲器的工作原理,47,4)限压阀(博世),作用:相当于安全阀,限制共轨中的压力。,5)压力限制器(电装公司)作用:相当于安全阀,限制共轨中的压力。,压力限制器,49,(五)电控共轨系统的控制原理,1.喷油量控制“时间压力”控制喷油量由共轨压力和喷油器电磁阀通电脉冲决定,可方便、自由地控制。2.喷油正时控制“时间”控制电控喷油器的通电时刻。,50,.喷油率控制喷油率单元时间内喷油量与喷油时间的比。平均喷油率在一个工作循环中,喷入汽缸中的燃油量与相应的喷油时间的比。电控共轨系统的喷油率在一次喷油循环过程中,从喷油开始到喷油结束之间
19、,包括引导喷射、预喷射、主喷射和后喷射、次后喷射等都在内的喷油率。改变喷油率的方法:改变平均喷油率;控制喷油率(曲线)的形状;多段喷射。,51,研究表明:提前喷油使放热提前,可降低放热峰值和燃烧后期的燃气温度,NOx的生成可在一定程度上得到控制。喷射后期的快速断油可以提高有效喷油压力、缩短扩散燃烧期、改善燃油经济性、减少炭烟和颗粒排放。喷油结束时的断油时间的延长使低压喷油时间变长,导致燃烧恶化,排放变差,发动机性能下降。,52,缩短喷油持续时间,下降坡形喷油速率可以降低发动机的炭烟排放。但因初始喷油率过高,NOx排放较高。喷油持续期不变时,上坡形喷油率与矩形喷油率相比,炭烟排放高而NOx排放低
20、。燃烧初期的速率对发动机性能影响较大。为了抑制NOx生成,减少预混合燃烧的比例是一项重要技术。,53,)多段喷射-可同时降低PM和NOx排放,54,关于多段喷射的课题,55,4.喷油压力控制,1)高压喷油的目的:为提高柴油机在中低速工况下的雾化质量而减小喷孔直径,却使喷油延迟期变长,为此,要提高喷油压力。喷油压力越高,燃油雾化越均匀,混合气局部过浓的比例越低,排气中黑烟和颗粒越少。,56,2)喷油压力的控制共轨压力控制系统的任务:控制方法:ECU依据共轨压力传感器提供的信号,向供油泵控制阀发出通电和断电指令,调节供入共轨内的油量,也就控制了供油压力。,共轨压力设定;,共轨压力监视;,共轨压力控
21、制,由ECU、共轨压力传感器、压力限制器、供油泵控制阀等进行监视和控制。,57,3)关于超高压喷油1987年2月在日本筑波创立新燃烧系统研究所,从事柴油机燃烧过程的专项研究。1992年9月再由日本12家大公司共同出资,转建成新燃烧公司。研究目标:确立独创的下一代燃烧系统的全新概念,开发新一代高效率低排放的柴油机。得到日本政府的支持。,58,超高压喷射对燃油的雾化质量有很大的改进。超高压喷射对燃烧过程的影响在燃烧室壁面附近多点同时着火,火焰由周围向燃烧室中心扩展。在喷射终了之前,雾束被火焰覆盖。燃烧时间很短,燃烧后期形成的炭黑很快消失。由于燃烧过快,燃烧室局部温度过高,对NOx排放不利。,59,
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