8241徐立明电控高压共轨柴油机控制原理与故障诊断资料.docx
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8241徐立明电控高压共轨柴油机控制原理与故障诊断资料
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
电控高压共轨柴油机控制原理与故障诊断
学生姓名
徐立明
学号
82011241
院系
汽车工程系
专业
汽车检测与维修技术
班级
820112
指导教师
汪东明副教授
顾问教师
二〇一三年十一月
摘要
为了满足日趋严格的排放法规和进一步提高柴油机的经济性和动力性的要求，电控高压共轨技术在这种背景下孕育而生。
电控高压共轨柴油机作为节能环保发动机，在节能与环保意识日益增强的今天，已成为车用发动机的一种必然选型。
其喷油控制与故障监控策略的研究，对提高燃油喷射控制精度、实现节能减排目标、提高发动机运行稳定性与可靠性以及优化发动机整体性能具有重要的现实意义。
本文主要介绍了国外、内电控高压共轨柴油机的发展，详细分析了高压共轨的组成及工作原理，重点介绍电控高压共轨系统的故障诊断和它的检修具体步骤，最后列举了哈弗、锡柴等汽车上经常出现的故障进行了分析了解。
关键词：
高压共轨；电控柴油机；控制原理；故障诊断
Abstract
Tomeettheincreasinglystringentdieselemissionregulationsandtofurtherimprovetheeconomyandpoweroftherequirements,electronicallycontrolledhighpressurecommonrailtechnologyinthiscontextbred.Electronicallycontrolledhighpressurecommonraildieselengineasanenergy-savingenvironmentalprotection,energysavingandenvironmentalprotectioninthegrowingawarenessoftoday,hasbecomeaninevitablevehicleengineselection.Itsinjectioncontrolandfaultmonitoringpolicyresearch,toimprovethefuelinjectioncontrolprecision,toachieveenergyreductiontargets,improvestabilityandreliabilityoftheengineisrunningandoptimizingtheoverallperformanceoftheenginehasimportantpracticalsignificance.Thispaperdescribestheforeigncountries,electronicallycontrolledhighpressurecommonraildieselenginewithinthedevelopmentofadetailedanalysisofthecompositionandworkofhighpressurecommonrailprinciplefocusesonelectronicallycontrolledhighpressurecommonrailsystemfaultdiagnosisandrepairitsconcretesteps,thelastcitedHavel,Xichaiothercarsoftenfailureswereanalyzedtounderstand.
Keywords:
Highpressurecommonrail;electronicallycontrolleddieselengine;controlprinciple;faultdiagnosis
第一章绪论
1.1电控柴油机发展
电控柴油发动机与传统柴油机的主要区别在于它的燃油供给系统的不同，前者采用的是电控燃油喷射系统，而后者采用的是机械式燃油喷射系统。
从结构和功能的角度看，柴油机的电控系统包括燃油系统的电子控制和柴油机空气供给系统的电子控制。
电子控制系统的应用使得柴油机在动力性、经济性和排放性能等方面都取得巨大的进步。
早在20世纪70年代，人们就开始研究柴油发动机电子控制技术来替代机械控制。
到目前为止，已经研究出许多功能各异的柴油机电子控制技术，大部分已经产品化并投放市场。
这期间经历三代。
第一代——位置控制系统
这种系统的主要特点是保留了大部分的燃油系统部件，如喷油泵—高压油管—喷油嘴系统和喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上的螺旋槽等零件，只是用电子伺服机构替代机械式调速器来控制供油滑套或燃油齿条的位置，使得供油量的调整更为灵敏和精确。
图为第一代电控柴油机分配泵，最明显的特征就是具有用于调整控制油量的油量调节器及滑套位置传感器（如图1-1）。
这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的正时和喷油率控制系统（TICS）。
图1-1（位置控制式）电控柴油分配泵
第二代——时间控制式
这种系统可以保留原来的喷油泵—高压油管—喷油器系统，也可以采用新型高压燃油系统。
其喷油量和喷油正时是由电脑控制的强力高速电磁阀的开闭时刻所决定：
电磁阀关闭，执行喷油；电磁阀打开，喷油结束。
即喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决于电磁阀关闭时间的长短，因此可以同时控制喷油量和喷油定时。
传统喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的斜槽和提前机构等全部取消，使系统对喷油定时和喷油量控制的自由度更大。
图为时间控制式的径向柱塞分配泵，其明显特征是泵上装有油泵控制单元、控制喷油量的喷油控制电磁阀和控制喷油提前角的定时控制电磁阀（如图1-2）。
图1-2径向柱塞分配泵
第三代——时间—压力控制式
也称高压共轨系统，这种系统包括了高压共轨系统和中压共轨系统这是20世纪90年代国外最新推出的新型柴油机电控喷油技术。
该系统摈弃了传统的泵—管—喷嘴的脉动供油方式，用一个高压油泵在柴油机的驱动下，连续将高压燃油输送到共轨管内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油嘴，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止（如图1-3为康明斯柴油机高压共轨系统）。
图1-3康明斯柴油机高压共轨系统
为满足日益严格的尾气排放法规，降低发动机的燃油消耗和减少废气排放中的有害成分，单靠传统的机械控制不足以解决问题，目前满足我国国Ⅲ排放标准的柴油发动机主要采用的是电控高压共轨系统。
1.2电控高压共轨柴油机的发展
1.发展前期
自从1991年日本电装公司发表ECD-U2高压共轨系统论文以来，国外燃油系统制造商纷纷投入巨额资金和人力开发共轨系统。
博世公司于1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁阀采用球阀结构。
目前博世公司共轨系统在欧洲乘用车和轻型车柴油机上已得到普通应用，如德国戴姆勒-奔驰公司C系列轿车、意大利AlfaRemeo156轿车、德国大众的奥迪3.3L型V8涡轮增压柴油机、美国通用公司与日本五十铃公司合资生产的Duramax6600柴油机及美国康明斯公司的ISBe3.9L和5.9L全电控柴油机等。
德尔福与西门子分别在1998年和2000年推出轿车MultecDCR1400共轨系统，采用径向柱塞转子式供油泵，德尔福公司的喷油器电磁阀设计在喷油器内，使得喷油器体积更小巧；西门子喷油器采用压电执行器，响应时间更短；而日本电装公司在1991年研究开发出的ECD-U2第一代产品，并于1995年匹配Hino的J08C柴油机、五十铃的6HK1柴油机，经过多年的改进与完善，最新产品已用于轿车的ECD-U2P系统。
目前，共轨燃油喷射系统应用十分普遍，博世公司已生产出2500万套共轨系统，并在江苏无锡投资建设了技术中心和工厂，实现了本地化生产。
长城汽车与博世公司开发出了高压共轨柴油发动机，此外奥迪、奔驰、华泰等品牌也推出了采用共轨系统的汽车。
我国部分大学、研究所和企业也通过合作或独立自主研发，取得了各具特色的研究成果，并有数十项专利公布。
因此，我国在电控直喷式柴油机方面已积累了一定的经验，但总体来说与国外还存在差距，主要体现在制造工艺和批量生产的质量控制。
此外，国内共轨系统相关配套体系不健全，部分零部件还依靠进口，如单片机芯片、共轨压力传感器等。
国外公司与中国企业竞争已不占绝对优势，相对于汽油机而言，国内在电控柴油机方面与国外差距相对较小。
这得益于两方面原因：
一是我国原有柴油机使用车辆大都具有自主品牌，二是我国柴油机使用车辆的舒适性要求不高，价格低廉，国外公司与中国企业竞争不占优势。
2.高速发展期
随着排放标准的提高，柴油机必须采用电控喷射系统。
目前国内柴油电控系统主要有共轨、单体泵等，和国外先进技术比，虽然还不具备对等的实力，但发展势头良好。
如无锡油泵油嘴研究所研发的共轨系统已在无锡公交使用，同时国内从事电控柴油机研发的企业数量较多，因而国内在电控柴油机市场今后一定会有所作为。
而国外公司提供的产品价格相对较高，供货价格取决于批量，在目前我国电控柴油机批量还不大的前提下，他们很难拿到比较满意的价位。
同时，在售后服务及配件供应方面，国内自主品牌系统也存在明显的优势，国内自主研发的电控燃油系统竞争力主要体现在以下几方面：
首先，价格便宜，经济批量较小。
其次，对于轻卡产品，在批量不大的情况下匹配共轨技术，可选择高喷射压力的PM型直列泵+电子调速器+冷却EGR方案，这也是我们的优势。
还有，对于中重型车辆，在国Ⅲ阶段已开始实施共轨、单体泵等技术路线。
当然，国内在电控柴油机系统方面还面临很多挑战，如制造工艺不成熟，批量规模较小；燃油品质难以保证；柴油机后处理技术水平不高等。
但这些会随时间推移，不久将逐步得到解决。
1.2.1国外高压共轨柴油机的发展
目前，国外在柴油机电控共轨喷射系统方面的研究进展很快，并有多种共轨喷射系统设计并投产，其中主要以德国的博世、美国的德尔福、日本的电装为主（如图1-4）。
图1-4国外电控高压共轨柴油机
1.德国博世系统
德国Bosch公司于2003年推出了第三代使用压电喷油器的高压共轨电控喷射系统。
与前两代以喷油压力表征的共轨系统相比，第三代共轨系统以其高精尖的技术内涵为特征，喷油压力为160~180MPa。
压电式喷油器的高度集成化，使其压电元件与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”。
喷油器运动件质量减少了75%，针阀部件数从4个减少到了1个，响应速度为所有电磁式喷油器的2倍。
Bosch正在研究带压力扩大器的共轨燃油概念系统。
在这种系统中，高压油泵先在共轨管中产生135MPa的压力，然后通过一个特殊的转换活塞使喷油压力达到250MPa以上。
由于压力如此之高，因而雾化更加良好，更容易与空气混合，从而燃烧得更彻底。
2.美国德尔福系统
美国德尔福公司最具代表性的是先进的Multec DCR柴油共轨喷射系统。
Multec DCR设计独特的喷油器是带有平衡控制和反馈控制的电磁阀喷油器!
其响应迅速并能精确计量燃油。
这种喷油器只需12V工作电压，大大降低了生产成本和复杂程度，并且非常节能，整个系统采用积木式设计，移植性好，可用于不同形式和不同种类的发动机。
3.日本电装系统
日本电装的ECD-U2共轨系统由高压供油泵、共轨管、喷油器、各种传感器和电控制单元组成。
根据发动机转速和负荷的不同，泵控制阀与油压传感器联合对共轨压力实行闭环控制，由于单向孔板节流作用，可形成德尔塔型（三角型）喷油规律，对燃烧十分有利。
喷嘴的开启和关闭完全由喷油器控制腔中的压力和共轨压力的差值决定，改变施加在三通阀上的电脉冲宽度，可以控制喷油量；改变三通阀上的电脉冲发生时刻，可控制喷油定时。
1.2.2国内高压共轨柴油机的发展
目前我国对高压共轨燃油喷射系统的研究与开发尚处于起步阶段，发动机燃油喷射系统由机械式喷射系统向电控式喷射系统过渡还主要依靠国外技术来实现。
为了尽快提高我国的自主开发和核心竞争力，应不遗余力的在电控喷油器、液力控制阀、喷油嘴偶件和高速执行器、ECU软硬件等关键零部件的制造以及控制策略和功能、匹配标定技术、提高产品可靠性和安全、降低制造成本等方面开展研究（如图1-5）。
图1-5国内高压共轨柴油机
其中天津大学研制的FIRCRI高压共轨系统正处于硬件在环仿真和实机测试阶段，上海交通大学开发的CD-1型高压共轨系统处于匹配玉柴6110柴油机的准备阶段，北京理工大学、华中理工大学等也正在开发自己的高压共轨技术，无锡威孚集团与博世公司已经联合建立了无锡博世汽车柴油机系统股份有限公司，开始了高压共轨系统的生产。
在控制策略上，目前国内主要采用经典的PID控制方法，这种方法原理简单，易于实现，稳定性好，但存在需要在不同工况下反复调节和不能在线调节等缺点。
1.3电控高压共轨技术发展
第一代共轨系统。
第一代共轨高压泵总是保持在最高压力，导致燃油的浪费和很高的燃油温度。
第一代共轨技术为商用车设计的，最高喷射压力为140MPa，乘用车压力为135MPa。
自从1991年日本电装公司发表ECD—U2高压共轨论文以来，国外燃油制造商纷纷投入具额的资金和人力来开发共轨技术。
博世1995年发表了用于轿车的高压共轨系统，采用了径向柱塞转子式供油泵，喷油器电磁阀采用球阀控制。
博时公司于1997年首家批发生产燃油喷射系统的乘用车，当时博士和奔驰联合推出了共轨技术柴油奔驰C级轿车，而当时阿尔法罗密欧156也是最早使用共轨技术的乘用车之一。
第二代共轨技术。
第二代共轨技术可根据发动机需求来改变输出压力，并具有预喷射和后喷射功能，带有控制油量的油泵，压力达到160MPa。
即使在压力较低情况下，该系统也可根据实际的状况提供适量的喷油压力。
不仅有助于燃油的消耗，还可以降得燃油的温度，从而省去燃油冷却装置。
预喷射降低了发动机噪声。
在主喷射前的百万分之一秒内少量的燃油被喷入汽缸压燃，预热燃烧室。
预热后的气缸使主喷射压燃更容易，缸内的压力和温度不在突然增加，有利于降低燃烧噪声。
在膨胀过程中产生后喷射，产生二次喷射，缸内温度增加到200度到250度，降低了排气中的碳氢化合物。
第三代共轨技术。
第三代高压共轨带有压电直列式喷油器。
2003年第三代面世，压电式直列式共轨技术代替了电磁阀，实现了更加精确的喷射控制。
省去了回油管，结构上更加简单。
压力从20到200MPa弹性调制，最小喷射量控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放，最高喷射压力达到180MPa。
此套带有压电式高压共轨技术使带预喷射和后喷射喷油率的曲线更加自由。
1.4电控高压共轨的特点及优缺点
众所周知，提高柴油机动力性、经济性和降低排放的中心任务是改善柴油机的燃烧过程。
而只有通过灵活的燃油喷射控制才能实现最佳的缸内燃烧。
电控高压共轨系统，是柴油机电控技术发展过程中的一个重大飞跃，是迄今为止针对柴油机的最佳解决方案。
因为它改变了传统的机械式喷油系统的组成结构，使喷射压力的产生完全独立于发动机的转速和喷射过程，真正地实现了喷油压力、喷油时刻、喷油量和多次喷射的独立及柔性控制，从而实现与发动机的完美匹配，大大提升了柴油机的动力性、经济性、排放及噪声方面的综合性能。
特点：
（1）自由调节喷油压力（共轨压力控制）。
（2）自由调节喷油量。
（3）自由调节喷油时间。
（4）自由调节喷油率。
（5）更高的喷油压力。
（6）喷油压力与实际工况相适应。
（7）与其它电控柴油喷射系统相比，电控高压共轨系统具有较高的经济和技术优势。
（8）控制参数多，控制精确。
（9）动力性、经济性、排放净化性好。
（10）系统油压波动小。
（11）采用高速电磁开关阀控制，控制灵敏度高。
（12）适用范围广。
（13）系统成本高，维修费用高。
图1-6控制精确的喷油速率
图1-7电控高压共轨和电控单体泵的对比
优点：
（1）自由控制喷油压力
电控喷油柴油机的喷油压力不受曲轴转速以及凸轮形状的影响，可以根据需要灵活控制，能够提高喷油压力、提高供油能量、改善雾化质量、缩短喷油延续时间，从而降低NOx排放。
在大负荷工况下可以通过提高喷射压力。
推迟喷油定时的方法求得NOx和PM（颗粒）的折中关系。
在低负荷工况下则需要减少混合燃料的比例，同时降低喷油初期的喷射压力。
（2）精确控制喷油量。
根据传感器的信息。
ECU计算出目标喷油量，计算出喷油装置需要的供油时间，并向驱动单元发送驱动信号，从而控制喷油量。
在基本喷油量、怠速转速控制、启动油量控制、各缸不均匀油量补偿控制、恒定转速控制等各种运行状况下，实现最佳喷油量制。
（3）精确控制喷油定时。
通过各种传感器监测发动机当时的工况条件和环境条件，并根据这些实时条件计算出最佳喷油时间，将结果送给执行器（定时控制阀TCV），控制流入或流出提前器的工作油。
由于工作油对提前机构的作用，改变燃油压送凸轮的相位角，或提前、或延迟，从而控制喷油定时。
（4）自由控制喷油率。
电喷柴油机能够自由地实现对喷油率的控制，不仅能够实现靴形喷油率，还可以实现多段喷油。
（5）扩展了故障诊断、联络等功能。
自我故障诊断功能就是由ECU监视、发现电子控制系统中故障产生的位置，并向驾驶员或修理人员提供故障信息的功能。
同时可以解决运行参数及监测数据的存储与传递，有利于对机械的动态管理。
缺点：
（1）价格较高
（2）国内无供应商
（3）匹配时间和供货受供应商制约
（4）要求燃油品质非常严格
第二章电控高压共轨柴油机的结构原理
2.1电控高压共轨的组成
柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新技术，因为它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术及喷油结构于一身。
它不仅能达到较高的喷射压力、实现喷射压力与喷油量的精确控制，而且能实现预喷射和后喷，从而优化了系统。
高压共轨发动机由以下2大部分组成：
燃油系统以及电控系统（如图2-1）。
图2-1电控高压共轨系统组成
2.1.1燃油系统
图2-2燃油系统组成
1.主要由供油泵、共轨、喷油器等组成（如图2-2）。
（1）供油泵（高压油泵）——将燃油产生高压，供到共轨内。
（2）共轨——实际上是一个燃油分配管，储存在共轨内的燃油在适当的时刻经过高压油管输送到喷油器，喷入发动机的气缸内。
（3）喷油器——喷油器是由电磁阀控制的喷油阀，由ECU控制电磁阀控制其开关，从而控制电磁阀的喷油时间和喷油量。
2.电控共轨燃油喷射系统的工作过程（如图2-3）。
图2-3电控共轨燃油喷射系统的工作过程
2.1.2电控系统
——由传感器、ECU、执行器三部分组成。
1.传感器
——采集发动机实际运行状态信息参数，传给ECU。
主要传感器有：
（1）发动机转速传感器（曲轴转速传感器、凸轮轴转速传感器）
曲轴转速传感器检测发动机转速信号，凸轮轴转速器确定发动机工作顺序。
（2）加速踏板位置传感器
检测油门踏板信号（驾驶员转矩的要求）。
（3）空气流量传感器（进气压力传感器）
检测发动机空气流量信号。
（4）增压压力传感器
检测增压器增压压力信号
（5）冷却液温度传感器、进气温度传感器
ECU根据温度传感器的数值对喷油始点、喷油率等参数进行最佳匹配。
（6）共轨压力传感器
采集共轨内的燃油压力，进行反馈，控制共轨内的燃油压力。
2.ECU
——根据各传感器传来的发动机的实际运行状态参数，进行计算、分析、发出控制指令，对喷油时间、喷油量、喷油率、喷油压力进行控制，同时具有故障自诊断和故障应急功能。
3.执行器
由ECU控制各种电磁阀的开启和关闭时刻，对共轨内的喷油压力，喷油器的喷油量、喷油时间、喷油率进行控制。
目前世界上主要有三大公司在研究和生产柴油机高压共轨系统，他们是德国的博世（BOSCH）、日本的电装（Denso）和美国的德尔福（Delphi）。
德国博世公司从推出第一代、第二代柴油机高压共轨系统后，现在已经发展到第三代高压共轨喷射系统。
2.2电控高压共轨系统的工作原理
高压共轨燃油喷射技术是通过高压油泵压缩燃油至共轨管内形成高压，再由高压油管分配到每个喷油器，并通过控制喷油器上的高速电磁阀的开启与关闭定时定量地将高压燃油喷射至柴油机燃烧室内，以保证最佳的雾化和燃烧效果，从而使发动机获得最佳的性能。
高压共轨系统主要由低压回路和高压回路两部分组成。
低压回路包括低压油管、燃油滤清器和齿轮泵等，高压回路包括高压油泵、共轨管、高压油管和喷油器等部件。
发动机工作时，高压油泵上自带的齿轮泵通过负压从油箱中吸油，并以一定的压力（约5～7bar）将过滤后燃油送入高压油泵。
燃油进入高压柱塞腔后被压缩，通过高压油管进入共轨管形成高压，每缸喷油器通过高压油管与共轨管相连，以实现高压喷射（如图2-4）。
图2-4电控高压共轨系统的工作原理
2.3电控高压共轨柴油机的燃油电器元件
2.3.1燃油粗滤器和精滤器
带手动油泵和油水分离器的燃油粗滤器可以滤去燃油中的污染物、杂质、颗粒物和水分，并可对分离出来的水量进行监控。
手油泵是燃油滤清器内提供燃油的设备，也是保证发动机首次启动必须使用的设备。
当发动机燃油耗尽时，进行油水分离器内的排水工作，更换燃油滤清器后，重新启动发动机前要先按压手动输油泵直到按不动为止。
燃油滤清器安装在粗滤器与高压泵柱塞之间，对进入高压泵柱塞前的燃油进一步过滤。
电控共轨系统对燃油滤清的分离效率、流量和水分分离能力有特殊的要求，燃油粗滤器的滤水能力要达到93%，燃油精滤器的滤水能力要达到95%（如图2-5）。
图2-5燃油精滤器和燃油粗滤器
2.3.2低压输油泵
高压泵的后面一般安装有齿轮式吸油泵或叶片式吸油泵，由高压泵的轴驱动，把油从油箱中抽出并送到高压泵。
输油泵出现故障时无法给高压泵提供足够的燃油，这会造成高压过低使发动机无法正常工作或无法成功启动。
齿轮泵不需要维修，如果损坏直接更换。
首次启动前或当油箱被抽干时需为其加注燃油，可把手油泵直接安装在齿轮泵或低压油管上。
吸入负压、输出油压和回油流量是齿轮输出性能的相关参数，因为齿轮泵与高压泵集成在一起，无法测量输出压力；又因为回油流量与发动机其他参数有关（如喷油器工作性能、发动机转速、高压泵性能等），所以吸入压力就成了测量齿轮泵最常用的方法。
齿轮泵的吸入压力为—70~—30KPa，该压降来自燃油滤清器的过滤阻力（如图2-6）。
图2-6低压输油泵
2.3.3高压油泵
高压油泵是高压共轨系统中的关键部件之一，它的主要作用是将低压燃油加压成为高压燃油，储存在油轨内等待ECU的喷射指令。
高压油泵由齿轮泵、油量计量单元、溢流阀、进出油阀和高压柱塞等部分组成。
其润滑方式为机油润滑，润滑油路与发动机润滑油路直接相连。
齿轮泵的任务是向高压油泵供给足够的低压燃油，安装在高压油泵泵体后端，依靠位于高压油泵凸轮轴末端的齿轮来驱动，它的转速是高压油泵2．85倍。
当燃油进入高压部分后，一路经过油量计量单元进入高压柱塞腔，经压缩后进入油轨，同时多余的燃油通过溢油阀回到油箱中。
油量计量单元的主要作用是调节进入高压柱塞腔的油量，以控制共轨管内的燃油压力的大小（如图2-7、2-8）。
图2-7高压油泵的组成
图2-8高压油泵的断面
2.3.4共轨组件
共轨管是电控高压共轨系统中所特有的零部件，主要包括高压接头、节流孔、轨压传感器和压力限制阀（如图2-9）。
共轨管的主要作用是蓄压和分配燃油，阻尼燃油压力波动同时还限制最高燃油压力，使之
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