博士柴油共轨实验台设计研究毕业说明书.docx
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博士柴油共轨实验台设计研究毕业说明书
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业：
汽车维修工程教育
班级学号：
汽修0403–06
学生姓名：
方作棋
指导教师：
尤明福教授
二〇〇九年六月
天津工程师范学院本科生毕业设计
博士柴油共轨实验台设计研究
Theresearchofdesignofexperimentrigfor
commonrailaccumulatordieselofBOSCH
专业班级：
汽修0403
学生姓名：
方作棋
指导教师：
尤明福教授
系别：
汽车与交通学院
2009年6月
摘要
随着柴油共轨技术的不断成熟，电控柴油共轨技术在汽车上的应用逐渐开始普及。
对于汽车维修专业的学生来说，对电控柴油共轨技术的深入了解将是非常重要的。
在实践教学中，由于在实车上难于设置故障及演示故障现象,会使学生对电控柴油共轨技术原理的理解与学习遇到了一定的困难。
开发设计一台适合实训实验教学用的实验台非常必要。
本论文首先对柴油机共轨电路图研究，然后对实验台进行设计研究，再对实验台的面板图进行设计，面板图分为博世柴油共轨控制系统电路图，动态显示器，电脑液晶显示器及采用智能故障设置装置。
并对实验台故障现象故障原因进行分析总结，主要是传感器故障、执行器故障、继电器故障和综合故障的检测分析。
关键词：
共轨电路图；实验台设计；共轨技术；故障检测
ABSTRACT
Nowadays,thecommonrailaccumulatortypeelectronicallycontrolleddieselinjectionsystemhasbeengraduallywidelyappliedonautomobilesowningtoitsstepwiseperfection.Asaresult,itisextremelyimportantforstudentswhomajorinautomobilemaintenancetopossessanin-depthgripofthistechnique.However,thedifficultiesinestablishinganddemonstratingauto-faultsonrealsamplesinthepracticalteachingprocesshavebecomebarriersinthewayofstudents’learningandcomprehendingtheworkingprinciplesofthistechnique.Therefore,itisnecessarytodevelopanexperimentrigofcommonrailaccumulatordiesel-injectionengineaccordingtotheteachingandpracticingneeds.
Thisdissertationwasfirstlyfocusedonthecircuitdiagramofacommon-raildieselengineandthedesignofthetest-bed.Then,itdescribedthedesignofthepanel’sblueprintwhichwasdividedintofourpartsincludingacircuitdiagramofthecontrolsystemofBoschdieselengine,adynamicdisplay,aLCDcomputerscreenandanintellectualfaultsettingdevice.Besides,ithadalsomadeananalysisandaconclusionofthefaults’symptomsandreasons,whichcontainsthedetectionandanalysisofsensorfaults,actuatorfaults,relayfaultsandthecomprehensiveones.
KeyWords：
common-railcircuit；testtabledesign；commonrailtechnology；faultdetection
1绪论
目前国外轿车采用柴油发动机日益普遍，奔驰、奥迪、大众、宝马、雷诺、沃尔沃等欧洲名牌车都有采用柴油发动机，因为现代先进的柴油机采用电控喷射、共轨、涡轮增压、中冷等技术，在重量、噪音、烟度等方面已取得重大突破，并达到了汽油机的水平，而且具有低油耗、经济性好的优点，相比汽油机更环保。
由于柴油机电控共轨技术发展于90年代后期，引入我国还属于新型技术，并且在各个汽车教育领域还没有普遍开展，现介于柴油共轨系统技术先进，结构复杂与汽油电控发动机有一定的差别，研究博世柴油共轨发动机的各种传感器和执行器的信号，设计并制作出一台博世柴油共轨试验台。
制作柴油共轨实验台的目的是为了拉近了实际汽车维修与教学之间的距离，提高教学水平。
开发和制作柴油共轨试验台是对于各个教育领域是非常必要的，并且有很高的发展前景。
本实验系统是一台多功能的电控发动机综合实验台，是一种以实物装置与检测、模拟装置相结合的新型教学实验实训设备。
发动机部分电控系统电路图在实验台面板上清楚的显示出来，实验台面板上设置相关检测点及执行器工作显示装置，实验台涵概了柴油共轨发动机各方的知识点，又自带教学软件使教师容易操作讲解，学生容易学习，它能够满足柴油共轨发动机教学任务所涉及的实习及实验。
实验台上可实现的功用是通过设置的检测端子可反复无损伤的对发动机电控系统的各种参数进行系统的分析与研究，使学生理解各种工况下发动机ECU的控制原理，以及传感器、执行器的动态参数值的变化情况，如反馈电压和传感器波形变化，及各电控元件的动态数据流等等。
实验台的故障设置部分采用了二十多个可控制的故障点，可以迅速使发动机切换进入不同故障状态，学生可以观察各种故障对发动机工况的影响，确定故障现象，并可以利用电脑检测仪，万用表等仪器在实验台上进行检测和故障诊断与排除。
故障设置点使教师可以在实验台上对学生进行“电控发动机故障诊断与排除”的考核。
既有利学生的学习，又有利于教师的教学，是一种非常有效的教与学的结合产物。
2电控柴油机喷射系统
2.1柴油机对燃油系统的基本要求
2.1.1自由控制喷油压力
研究表明：
喷油压力是柴油机系统的最重要的参数[1]。
特别是在排放法规越来越苛刻的时代要求下，一方面要努力提高喷油压力，另一方面更需要能够自由地控制喷油压力。
在凸轮驱动的机械式燃油系统中，喷油压力是由凸轮形状等一系列参数决定的，人们不可能按照自己的愿望改变喷油压力，只有在电子控制的共轨式燃油喷射系统中才能做到自由控制喷油压力。
2.1.2自由控制喷油时间
在传统的泵—管—嘴系统中，由于采用了一定长度的高压油管，在喷油泵端对燃油加压的压力波传递到喷油嘴的过程是一个非常复杂的过程，人们是没有办法加以有效控制的。
一般都是凭经验，通过参数组合，最后由试验决定喷油时间。
在传统的机械式燃油系统中，一般是采用提前器控制喷油时间，但是，这是相当粗糙的。
在第二代和第三代电控燃油系统中，采用高速电磁阀之后，才真正实现了自由控制喷油时间。
2.1.3自由控制喷油率
喷油率形状决定着柴油机的燃烧过程的质量，决定着柴油机的经济性、工作柔和性和排放指标等。
在传统的机械式燃油系统中，喷油率图形几乎是无法控制的，在时间控制式电控燃油系统中可以比较方便地控制喷油率。
在共轨系统中，可以方便地实现预喷射、主喷射、多段喷射——包括3段喷射、5段喷射或更加复杂的喷油率模型。
2.1.4精确控制每循环喷油量
根据发动机的实际运行工况和当时的外界环境条件精确控制每循环喷油量。
在传统的机械式燃油系统中，由机械式调速器控制喷油量，但是，这种系统的控制精度不能满足当代柴油机的要求。
柴油机中每循环的喷油量不仅取决于外界负荷以及工作条件有关。
例如：
环境温度、湿度等。
图2-1特性曲线
2.2电控柴油机的基本控制理论
2.2.1喷油压力控制
图2-2喷油压力和平均喷雾粒径的关系
提高喷油压力一直是柴油机燃油系统追求的基本目标之一[2]。
最近的实验表明：
喷油压力与发动机的PM、NOx排放量关系很大。
提高喷油压力是改善柴油机排放的有效措施之一。
1柴油机在低速和中速工况下，为了使燃油雾化良好，所以减少喷油孔直径。
这样，在动力输出工况下，喷油延迟期显然过长，因此，为了动力输出，必须要有高的喷油压力，缩短喷油延迟期。
2试验观察结果表明：
喷油压力越高，在喷雾束中局部区域的油汽当量比变低。
由于高压喷射，在能量高的局部区域内，空气能比较活跃地引入雾束内部。
因此，局部过浓的混合气比例降低，所以排气中黑烟明显降低。
电控共轨系统中是采用特种传感器来控制喷油压力的。
共轨系统的特点是对共轨压力进行闭环控制。
共轨系统的所有传感器和执行器，除了共轨压力传感器外都可以从现有的柴油喷射系统中得到。
燃油压力由共轨压力传感器测量。
第一代电控共轨系统产品中，由调压阀按柴油机工况将压力调到正确的静态或动态设定值。
在共轨压力控制功能中有三项任务：
共轨压力设定；共轨压力控制和共轨压力监控。
柴油机转速、喷油量、大气压力、进气温度和冷却液温度都对共轨压力设定值有影响。
共轨压力设定值是共轨压力控制中最基本的输入参数。
共轨压力监控单元将目前共轨压力与共轨压力设定值进行比较。
发动机转速、发动机起动、冷却液温度以及共轨压力值等作为控制的相关参数，也都要直接传送到共轨压力监控单元中。
作为喷油嘴端的输入参数首先是共轨压力，此外，还有燃烧室几何形状、涡流、标定转速等。
通过各种参数——预喷射和主喷射始点、预喷射和主喷射喷油量、相对于主喷射的预喷射时间、共轨压力以及废气再循环率——决定柴油机特性。
其中，共轨压力是最重要的参数之一。
大量参数是相互依赖的，所以优化处理非常费事。
排放和噪音之间的协调就是一例，两者均受共轨压力的影响。
在电控共轨式燃油系统中，喷油压力与发动机的转速无关，由供油泵直接决定。
目前，实用的喷油压力已达120Mpa，不久的将来就会达到150Mpa。
2.2.2喷油时间的控制
合适的喷油时间的好处
1排放法规
首先应当考虑排放法规的各种限值。
柴油机排气中最难解决的课题是如何降低NOx排放值。
各种试验研究表明：
柴油机排气中NOx气体成分的含量与气缸内最高平均温度有直接关系。
适当控制气缸内最高平均温度Tmax，就可以控制NOx排放值。
2着火始点
根据排放法规，对照图2-3，可以根据着火始点大体决定喷油始点。
当没有排放法规限制时，着火始点可以选在D处；随着排放法规的严格，着火始点越来越往后推迟：
从D点→到D’→到D”点。
相应地气缸内最高平均温度Tmax从2200°C→下降到2000°C→下降到1900°C。
从而可以满足相应的NOx排放法规的要求。
图2-3喷油时间与气缸压力
3着火延迟
着火延迟期长，预混合燃烧量增加，Tmax升高，NOx排放量增加；压缩比ε小，则着火延迟期长。
在任何情况下都应该尽量缩短着火延迟期。
当压缩比ε=18—18.5时，着火延迟期约为2.5°—3°曲轴转角，适合于欧Ι排放标准；当压缩比ε=16—17时，着火延迟期约为4°—4.5°曲轴转角时，一般不能满足欧Ι排放标准；如右图2-4所示。
例如图2-4：
同样经历2ms时间，则1000r/min时占12°CA；2000r/min时占24°CA；3000r/min时则占36°CA。
由于转速对凸轮转角影响较大，喷油延迟和着火延迟所占凸轮转角角度随转速升高而增加。
为了保证燃烧始点总能发生在上止点附近的最佳位置，就要求转速升高时喷油始点亦相应提前。
图2-4凸轮转速及相对应的关系
4喷油时间的计算
控制计算机根据油门开度以及发动机的转速计算出目标喷油时间。
利用进气压力、冷却水温对喷油时间进行修正。
起动时，根据起动机信息、冷却水温、发动机转速对目标喷油时间进行修正。
实际喷油时间的计算方法如下：
从发动机方面，检测压缩上止点位置和曲轴转角传感器的上止点信号之间的关系。
喷油泵方面，求出喷射波形与转速传感器的发动机脉冲之间的关系；这样，如果计算出上止点信号和发动机脉冲之间的相位差，就可以推算出实际喷油时间。
5反馈控制
所谓反馈控制是指：
对图中的实际压缩上止点和喷油开始点之间的角度差Ｑ进行控制。
但是，实际压缩上止点和喷油波形都不作为信号检出。
为此，必须用上述方法计算出实际喷油时间。
2.2.3喷油量控制
柴油机的基本能量是来自柴油在气缸内燃烧所做的功，柴油机输出的动力决定于供入气缸内油量的多少。
喷油量的计量机构和控制机构是燃油系统的主要组成部分
如果使发动机的转速和喷油时间保持不变，仅只改变每循环供入气缸中的燃油量，则发动机动的输出功率和燃油消耗率的变化情况。
这是由于气缸内部混合气的形成过程、燃烧过程等一系列的物理的、化学的变化因素决定的，所以每循环供油量的多少是有严格的制约的。
但是，由图2-1中曲线可见，在一定的范围内，发动机的输出功率大体上和每循环的供油量成正比，所以，按照油门开度的大小调节喷油量，就可以控制发动机的输出功率。
如果喷油量越过A点，则输出功率下降，冒黑烟，而且排气中的有害成分迅速增加。
这是由于相对于气缸中有限的空气量，燃油量过多，氧气不足，不能完全燃
烧，变成碳黑而排出的缘故。
因此，不论在何种情况下，每循环供入气缸中的燃油量必须充分利用排气中的有害成分，必须符合排放法规。
2.2.4喷油率控制
喷油率——单元时间内喷油量与喷油时间的比。
在电控共轨系统中，由供油泵提供高压燃油，经过高压配管、高压燃油存储在共轨内。
电控喷油器内的电磁阀控制针阀偶件的背压，决定喷油器开启和关闭时间。
喷油压力与发动机转速无关，始终维持在高压状态——目前一般为135Mpa。
电磁阀直接控制针阀升程进行喷射。
因此，在电控共轨系统中，不仅可以完成一般意义上的喷射，而且还可以实现引导喷射、预喷射等多段喷射。
可以完全独立地、自由地控制喷油压力、喷油量、喷油率和喷射时间。
在多段喷油过程中，各段喷油的利用和目的如图2-5所示。
图2—5各段喷射的作用说明
1、引导喷射
引导喷射相对于主喷射提前角度很大，由于预混合燃烧的效果，PM排放和燃烧噪声引导喷射越提前，烟度和噪声越低，引导喷射可以明显降低燃烧噪声
2、预喷射
多段喷射时的预喷射和前述机械式系统中的预喷射有所差别。
在主喷射之前进行的预喷射，可以使燃烧噪声明显降低。
但是，由于预喷射会导致PM增加，因此，可以通过使预喷射段靠近主喷射段的办法降低PM排放。
图2-6是在中速、中负荷工况下应用预喷射的试验结果，由图可见，缩小预喷射和主喷射的间隔（时间间隔≤0.4ms可使烟度降低，但是降低噪声的效果不明显）。
图2-6预喷射的效果
3、主喷射
发动机的动力主要来源。
4、后喷射
后喷射是紧靠在主喷射之后进行的喷射，可使扩散燃烧更快地进行，因此，可以降低主喷射中产生的PM。
图2-7是在中速、中负荷工况下进行后喷射的实例。
由图可见，当后喷射靠近主喷射（间隔≤0.7ms）时可以降低PM，
图2-7后喷射效果
对于引导喷射和后喷射过程，因为是在活塞离开上止点段距离的位置进行的，燃油有可能会附着到气缸壁上。
解决的办法是：
分成几段喷射，而且每段的喷射量少一些。
此外，为了实现后处理装置再生（复原）而进行的次后喷射中，对发动机的转矩会带来不良影响，为此，必须采取适当的措施对主喷射的指令值进行修正。
5、次后喷射
次后喷射是在离开主喷射相当的时间间隔之后进行的喷射，由于排气温升和还原成分的供给，可使催化剂的活性增加。
但是如果次后喷射的时间过迟，则可能导致燃油附着到气缸壁上。
因此，次后喷射的时间必须适当。
2.3柴油机电子控制燃油系统的三代变革
2.3.1第一代：
凸轮压油+位置控制
代表性的ECD-V1电控分配泵系统如图2-8所示：
ECD-V1是在VE分配泵的基础上进行电子控制改造而成的电控分配泵系统[3]。
它是一种位置控制式分配泵系统，其结构如右图所示。
该系统保留了VE分配泵上控制喷油量的溢油环，取消了原来的机械调速机构，采用一个布置在油泵体上方的线性电磁铁，通过杠杆来控制溢油环位置，从而实现喷油量控制，并由溢油环位置传感器（电感式传感器）作为反馈信号，实现闭环控制。
ECD-V1电控分配泵的喷油正时控制也保留了VE泵上原有的液压提前器，它用一个定时控制阀（TCV）来控制液压提前器活塞的高压腔和低压腔之间的压差。
当电磁阀通电时，吸动磁芯，高压腔与低压腔形成通路，两室之间压力差消失，在复位弹簧作用下，提前器活塞复位，带动滚轮转动，形成喷油提前。
同时，系统中还设置了供油提前器活塞位置传感器，形成喷油定时的闭环控制。
图2-8ECD-V1电控分配泵
2.3.2第二代：
凸轮压油+电磁阀时间控制
图2-9ECD-V3时间控制方式
下面介绍一下电装公司具有代表性的ECD-V3电控分配泵系统
ECD-V3系统是在ECD-V1的基础上发展而成的。
如图2-9所示。
主要改进之点是：
取消了溢油环，在泵的泄油通路上设置了一个电磁溢流阀，采用时间控制。
图2-10电磁溢流阀的工作原理
电磁溢流阀由一个小电磁阀（导向阀）和一个液压自动阀（主阀）组成，如图2-10所示。
当电磁溢流阀通电时，高压燃油通过主阀上的小孔同时作用于主阀的背面。
由于电磁溢流阀通电过程中线圈产生激磁，导向阀压在阀座上。
主阀座面的密封截面小于主阀直径，作用于主阀背面的力大于作用于主阀正面的力，故主阀压向阀座。
此时高压燃油不会溢流；当电磁溢流阀中没有电流流过时，导向阀在弹簧力作用下开启，主阀背面的燃油溢流，主阀正面的燃油压力由于小孔节流，下降比较慢，这样主阀就自动开启，高压腔内燃油迅速泄压，停止喷油。
结果，达到了用一个较小的激磁力产生高压密封（导向阀密封面积小），而在溢流时又有足够大的流通截面积（主阀密封面积大），保证迅速溢流，而且响应灵敏。
2.3.3第三代：
燃油蓄压+电磁阀时间控制
电控共轨燃油系统的主要组成部分是：
电控喷油器、供油泵、各种传感器和电控单元——ECU等。
如图2-11所示
电控共轨系统的特点：
自由调节喷油压力；自由调节喷油量；自由调节喷油率形状；自由调节喷油时间；
图2-11共轨系统组成
2.4Bosch共轨式柴油喷射系统
2.4.1Bosch采用柴油喷射系统的种类
Bosch采用柴油喷
射系统的种类
直列式柴油喷射泵（In-LineFuelinjectionpump）
分配式柴油喷射泵（Distributorfuelinjectionpump）
单柱塞柴油喷射泵（singleplungerfuelinjectionpump）
高压储油喷射系统（Accumulatorinjectionsysterm）
1、直列式柴油泵
PE标准型直列泵为最常见的的一种喷射泵，它通过柱塞上不同的螺旋位置控制喷油量，其齿杆有机械式调速器控制，，而现在汽车有电子执行器控制。
它普遍使用，从小客车到潜艇都采用。
控制套直列式燃油喷射泵，有一套在柱塞本体上下滑动，与PE相比较，在喷油量与喷油正时控制上比较方便。
2、分配式柴油喷射泵
轴向活塞分配式喷射泵：
只有一个轴向活塞用于泵油，配油等，移动控制套由于改变喷油量。
该类型喷油泵以VE型为代表，可用于大、中、小型车。
径向活塞分配式喷射泵：
在分配器的轴内有2~4个径向活塞，与凸轮环组合为高压泵，以产生高压油，喷油量则由高压电磁阀控制。
该类型的喷射泵以ＶＲ型为代表，主要用于小车。
3、单柱塞燃油喷射泵
整体式喷油器：
又称UIS（unitinjecetorsystem）它是将喷射泵和喷油嘴组合在一起，每缸一个装在汽缸盖上，有发动机凸轮轴直接或间接驱动。
由于省略了高压油管，其喷射压力可达200mpa，用于小型车与大型货车、客车、拖车。
单体泵：
又称UPS（unitpumpsystem）,每缸有一个泵，由发动机凸轮轴驱动，泵与喷油嘴总成间以一短高压油管连接，用于大型载货车、大客车、柴油火车、轮船。
4、高压储油共轨系统：
即共轨式喷射系统，为目前采用最先进的燃油喷射系统，用于小型车，中型车、重型车、柴油火车、轮船、潜艇。
2.4.2Bosch共轨式柴油喷射系统的构造与作用
1、燃油供给系统的组成：
Bosch共轨式柴油喷射系统的组成，由是低压油路零件、高压油路零件、传感器及ECU等所构成
2、低压油路各零件的构造与作用
（1）燃油泵滚柱式
低压供油泵的种类
齿轮式
（2）柴油滤清器
柴油中的杂质，可能导致泵零件、出油阀及喷油嘴等的磨损；另外柴油中含水。
可能变成乳状物或因温度变化而凝结，如水进入喷射系统，则导致零件锈蚀。
与其他喷射系统相同，共轨式喷射相同也需要附有水分储存室的柴油滤清器，必须定期打开防水螺钉放水。
现在也来越多的小客车用柴油发动机设有自动警告装置，当必须泄放柴油滤清器内的水分时，警告灯会点亮。
3、高压油路各零件的构造与作用
组成：
高压油路各零件，包括高压油泵、油压控制阀、高压储存器，即共轨、共轨油压传感器、压力限制阀、流量限制阀及喷油器
（1）高压泵
高压泵负责将低压柴油转变成可达135MPA的高压柴油，送入共轨内；在所有发动机作用状态下，均能提供足够的高压柴油，并能提供额外的柴油以供迅速起动用，以及能够速建立起共轨内的压力。
如图所示燃油泵送来约（0.5-1.5）×10的低压柴油，从柴油入口，经安全阀，进入低压油道，再经进气阀，送入正在行柱塞的上方，此时为吸气行程。
图2-12高压泵工作原理图
（2）油压控制阀
用以保持共轨内正确的油压，施加在电枢的里有两个，一个为簧力，一个为电磁力。
为了润滑及冷却，整个电枢式永久泡在柴油中。
（3）共轨蓄能器
共轨内的油压应随时保持一定，以确保当喷油器打开的瞬间，喷射压力能维持一定值。
如图共轨2-13的构造，为一长贮存管，经流量限制器，将高压柴油送往各缸喷油器。
共轨上装有油压传感器、压力限制阀及流量限制器。
（4）共轨油压传感器
共轨油压传感器必须迅速，精确检测共轨内瞬间的压力变化，将电压信号送给ECU,以调节适当的油压。
当膜片因油压而变形时，半导体装置的变化范围从0-70MV,再由计算电路放大为0.5-4.5V。
油压为150MPA时膜片的变形量约1MM，计算精度为±2%。
若共轨油压传感器失效时，ECU会以紧急功能及固定值控制油压控制阀作用，使车辆可开回修理厂。
（5）压力限制
打开通道以限制共轨内的最大压力，功用与过压阀相同，压力限制阀允许打开共轨内压力短时间内达到150MPA。
在正常作用压力约135MPA时，锥形阀关闭；当系统超过最大压力时，锥形阀打开，柴油流回油箱。
（6）流量限制器
正常作用时：
柱塞在其行程上方，当柴油喷射时，喷油器端喷射压力的降低，使柱塞向下移，通过柱塞位移，使柴油由共轨流出，以补偿柴油容积；当喷射末期时，柱塞在底座上方，并没有将出口完全封闭；接着
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