柴油发动机电控系统.docx

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柴油发动机电控系统

柴油发动机的电控系统

柴油机电控系统以柴油机转速和负荷作为反映柴油机实际工况的基本信号，参照由试验得出的柴油机各工况相对应的喷油量和喷油定时MAP来确定基本的喷油量和喷油定时，然后根据各种因素（如水温、油温、、大气压力等）对其进行各种补偿，从而得到最佳的喷油量和喷油正时，然后通过执行器进行控制输出。

柴油机电控系统概述

【任务目标】

（1）柴油机电控技术的发展。

（2）柴油机电控技术的特点。

（3）柴油机电控系统的基本组成。

（4）应用在柴油机上的电控系统。

【学习目标】

（1）了解柴油机电控技术的发展。

（2）了解柴油机电控技术的特点。

（3）了解柴油机电控系统的基本组成。

（4）掌握应用在柴油机上的电控系统。

柴油机电控技术的发展

1.柴油机电控技术的发展

1）柴油机技术的发展历程

柴油用英文表示为Diesel，这是为了纪念柴油发动机的发明者――鲁道夫·狄塞尔（RudolfDiesel）如图8-1所示。

狄塞尔生于1858年，德国人，毕业于慕尼黑工业大学。

1879年，狄塞尔大学毕业，当上了一名冷藏专业工程师。

在工作中狄塞尔深感当时的蒸气机效率极低，萌发了设计新型发动机的念头。

在积蓄了一些资金后，狄塞尔辞去了制冷工程师的职务，自己开办了一家发动机实验室。

针对蒸汽机效率低的弱点，狄塞尔专注于开发高效率的内燃机。

19世纪末，石油产品在欧洲极为罕见，于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题（他用于实验的是花生油）。

因为植物油点火性能不佳，无法套用奥托内燃机的结构。

狄塞尔决定另起炉灶，提高内燃机的压缩比，利用压缩产生的高温高压点燃油料。

后来，这种压燃式发动机循环便被称为狄塞尔循环。

鲁道夫·狄塞尔压燃式发动机

像所有伟大的发明家一样，狄塞尔的前进道路上困难重重。

实验证明，植物油燃烧不稳定，成本也太高，难以承担狄塞尔的“重任”。

好在当时石油制品在欧洲逐渐普及，狄塞尔选择了本来用于取暖的重馏分燃油———柴油作为机器的燃料。

压燃式发动机的结构强度始终是个难题。

一次实验中，汽缸上的零件象炮弹碎片一样四处飞散，差点儿造成人员伤亡。

实验不顺利，狄塞尔的资金也渐渐耗尽。

他不得不回到制冷机工厂谋生。

但狄塞尔没有向困难屈服，他利用业余时间继续实验，一步步完善自己的机器。

1892年，狄塞尔终于研发出一台实用的柴油动力压燃式发动机。

这种发动机扭矩大，油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前景。

狄塞尔随即投入到柴油机生产的商业冒险中。

不幸的是，作为优秀的工程师，狄塞尔缺乏商业头脑。

他在经济上渐渐陷入困境。

1913年狄塞尔已处于破产的边缘。

但狄塞尔发明的柴油机，在汽车、船舶和整个工业领域得到越来越广泛的发展。

1976年，德国大众首先在高尔夫轿车上采用柴油发动机；

1989年，德国大众高尔夫柴油车获得“低排放车”的称号。

同年大众从Fiat的研发机构获得部分技术，制造出第一台带有增压、直喷技术的5缸发动机R5TDI，这台发动机被放在奥迪100车型上试用。

1990年，德国大众正式推出增压、直喷系列柴油机TDI，从此德国大众在柴油动力技术的开发和应用上一直走在世界的前沿；

1993年，开发出4缸涡轮增压直喷柴油发动机（TDI）；

1995年，开发出自然吸气式直喷（SDI）柴油发动机；开发出变截面涡轮增压器VGT；

1998年，开发出泵喷嘴（PumpeDüse）技术；

1999年，开发出百公里油耗3升的路波轿车柴油动力。

而一升级柴油动力轿车的出世创造了百公里油耗0.99升的记录，成为世界上最省油的轿车。

发动机采用铝制自然吸气式单缸柴油机，采用了先进的高压直接喷射技术，排量为0.3升；

2002年，一汽-大众率先将捷达SDI轿车投放中国市场；

2004年，一汽-大众引入TDI技术。

20世纪90年代，电控技术在柴油机上应用日益增多，控制精度不断提高，控制功能不断扩大，提高了柴油机的竞争力。

2000年欧洲轿车的柴油化率达到27%，到2005年增加到30%。

2003年西欧柴油轿车产量达到400万辆。

一向对发展柴油轿车保持低姿态的美国，2000年也有10%的轿车装用了柴油机。

2）柴油机电控技术的发展历程

（1）技术发展经历了三个阶段：

第一代柴油机电控系统：

采用“位置控制”和“时间控制”，供（喷）油压力与传统柴油机相同，称为常规压力电控系统。

以电控泵为代表。

第二代柴油机电控系统：

采用“时间-压力控制”或“压力控制”，喷油压力较高，称为高压电控系统。

以共轨系统为代表的。

第三代柴油机电控系统：

集“共轨”技术、“时间控制”燃油喷射技术、涡轮增压中冷技术、多气门技术、废气再循环技术、选择性催化还原、过滤器再生技术、压电技术等于一体，以压电式高压共轨系统为代表。

共轨系统构成示意图

3）现代柴油机先进技术

“共轨”技术：

指利用一个“公共油轨”向各缸喷油器供油，油压可独立控制。

“时间控制”燃油喷射技术：

由ECU控制的高速电磁阀来直接控制供（喷）油的开始与结束时刻。

涡轮增压中冷技术：

废气涡轮增压及结构如图8-4所示，中冷却器冷却（50℃以下）。

多气门技术：

每个气缸2个以上气门。

废气再循环技术：

降低NOx的排放量。

涡轮增压中冷技术增压结构

多气门技术

柴油机废气再循环

柴油机电控技术的特点

1.柴油机电控技术的特点

1）柴油机采用电控技术的优势

（1）燃油经济性和排放性更好。

（2）工作可靠性更高。

（3）低温起动更容易。

（4）运转更稳定。

（5）适应性强。

（6）动力输出和负荷匹配更精确。

（7）实现增压控制。

（8）结构紧凑，维修方便。

柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好。

柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。

但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。

不同之处主要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。

压燃点火方式

柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度可以达到500-700℃，压力可以达到40—50个大气压。

活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的扭矩很大，所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。

传统柴油发动机的特点：

热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。

因此，柴油发动机无需点火系统。

同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。

由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。

热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车的使用。

但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。

由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。

传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机（转速较低），噪声、振动较高，炭烟与颗粒（PM）排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。

特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”。

现代柴油发动机

2）柴油机与汽油机比较

对混合气浓度的控制方式不同，汽油机在理论混合气浓度附近工作，柴油机对混合气浓度没有相对固定的要求。

柴油机与汽油机

对喷油压力的要求不同：

汽油机多点系统压力0.25～0.35MPa，单点系统压力0.07～0.10MPa，而柴油机喷油压力高达100～200MPa，建立更高的喷油压力是重点和难点。

对燃烧过程的控制途径不同：

汽油机通过控制点火正时和点火能量来控制，柴油机通过控制喷油正时、喷油持续时间和喷油速率来控制。

柴油喷射的电控执行器复杂：

柴油机具有高压、高频、脉动等特点，而且对喷油正时的精度要求很高，这就导致了柴油喷射的电控执行器要复杂得多。

柴油机电控燃油喷射系统形式多样：

传统的柴油机具有结构完全不同的系统，形成了柴油喷射系统的多样化。

汽油发动机

 汽油发动机是以汽油作为燃料的发动机。

由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。

汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉，运转平稳。

与柴油发动机相比，汽油机具有噪声低，运转平顺、冬季易于启动、发动机有效转速范围大（1000-7000rpm）、响应速度快等特点。

汽油机的缺点是热效率低于柴油机，油耗较高，点火系统比柴油机复杂，可靠性和维修的方便性也不如柴油机。

柴油发动机

柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。

但由于柴油机用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸发，而其自燃温度却较汽油低，因此可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。

不同之处主要是，柴油发动机气缸中的混合气是压燃的，而不是点燃的。

与汽油发动机相比，柴油机具有燃油经济性好、尾气中氮氧化合物较低、低速大扭矩等特点，因其出色的环保特性而被欧系车推崇，而对于平顺性、噪声等缺点，在欧洲先进汽车工业下，已不是什么难题，当前柴油机性能和工况已经和汽油机相差无几。

柴油机电控系统的基本组成

1.柴油机电控系统的基本组成及类型

柴油机电控系统。

柴油机电控系统框图

2.电控的基本组成：

柴油发动机电控系统由传感器、ECU控制单元、执行器和线束四部分组成。

他们之间的关系及各部分的功能。

柴油发动机电控系统的基本组成

1）电控系统的类型：

（1）开环控制。

开环控制系统在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。

开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。

主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

（2）闭环控制。

闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。

闭环控制系统又称反馈控制系统。

开环控制与闭环控制

3.柴油机电控系统传感器（三类）

运行工况传感器：

用来检测柴油机运行工况基本参数的传感器，如加速踏板位置传感器、凸轮轴／曲轴位置传感器、空气流量计等。

修正信号传感器：

用来检测柴油机运行工况非基本参数的传感器，如冷却液温度传感器、燃油温度传感器、进气温度传感器、进气压力传感器等。

反馈信号传感器：

闭环控制系统中用来检测执行元件实际位置的传感器，包括供（喷）油量传感器（如供油齿条位置传感器、滑套位置传感器、燃油压力传感器等）和供（喷）油正时传感器（如分配泵正时活塞位置传感器、着火正时传感器等）两大类。

如图8-13所示。

加速踏板位置传感器：

用于向发动机控制单元提供加速踏板的位置信号。

加速踏板位置传感器一般与加速踏