马志刚-毕业论文

柴油机电子控制系统的发展

摘要：柴油机的发展水平一直汽车发展水平的重要标志，随着国家对环保的重视和国际石油价格高涨，我国应对柴油机的发展引起足够重视。车用柴油机面临着日趋严格的排放法规和降低燃油消耗率等要求，采用电子控制技术是使柴油机同时满足各种要求的有效手段，而电控单元式整个控制系统的核心，其中的硬件和控制软件设计是否合理将对整个控制系统产生决定性的影响。车用柴油机的结构比较复杂，尤其是新兴的电子控制技术。对于广大汽车驾驶和维修人员来说有着十分重要的意义。文章介绍了柴油机电子控制技术的发展状况，控制原理，应用特点和应用情景。

关键词：柴油机，电子控制，发展

前言

如今柴油机发展越来越完善,以它的高效、功率范围宽广,已广泛应用于工业、农业、军用和民用等领域。在今后相当长的时间内,柴油机还将占有极重要的地位。随着柴油机数量的不断增多,也引起了人们对柴油机燃油经济性和排放性能的关注。特别是当今排放性能已经被提到首要位置。各国政府从20世纪70年代开始就陆续出台了越来越严格的排放法规。如U$98、EUROI、EUROⅢ等等。因此人们也一直在不断地致力于完善柴油机的性能,以期得到好的排放性、经济性、动力性及低噪声,保持一个人类赖于生存的良好环境。

一、柴油机电控技术发展的三个阶段

位置控制、时间控制、时间—压力控制（压力控制）

1、第一代柴油机电控燃油喷射系统（常规压力电控喷油系统）

优点：结构不需改动，生产继承性好，便于对现有柴油机进行升级换代。

缺点：系统响应慢、控制频率低、控制自由度小、控制精度不够高，喷油压力无法独立控制。

2、第二代柴油机电控燃油喷射系统（高压电控喷油系统）

改变了传统燃油供给系统的组成和结构，主要以电控共轨（各缸喷油器共用一个高压油管）式喷油系统为特征，直接对喷油器的喷油量、喷油正时、喷油速率和喷油规律、喷油压力等进行“时间－压力控制”或“压力控制”。

特点：通过设置传感器、电控单元、高速电磁阀和相关电/液控制执行元件等，组成数字式高频调节系统，有电磁阀的通、断电时刻和通、断电时间控制喷油泵

的供油量和供油正时。但供油压力还无法独立控制。

二、柴油机电子控制系统的控制方式可分为三大类

1、开环控制:特点用电子控制装置取代喷油提前调节装置。特点：用电子控制装置取代喷油提前调节装置结构：分配泵凸轮滚环→液压正时活塞→电磁阀控制（燃油反馈压力）油反馈压力）

电磁阀←控制单元←转速、冷却水温、总供油量由电控单元贮存的最佳供油提前角发出指令。元贮存的最佳供油提前角发出指令。

2、闭环控制:电控单元根据喷油传感器着火正时传感器反馈信号通过电磁控制正时活塞达到最佳正时供油提前角。

3、开环—闭环综合控制:电控单元把开环—闭环综合起来，调整实际喷油正时出现误差。进行误差补偿。通常在相邻两次喷油间就能达到调偿。通常在相邻两次喷油间就能达到调整点。

三、柴油机电子控制系统的组成

柴油机电子控系统组成与汽油机一样，仍然有：信号输入装置、电控单元、执行器三部分。

一、传感器信号输入

1、油门踏板位置传感器：反应发动机的负荷信号及怠速确认，主控信号。

2、转速传感器：曲轴位置传感器主控信号与加速踏板位置传感器共同决定喷油量和喷油提前角。

3、泵角传感器：检测泵转角与曲轴位置传感器共同控制喷油量，保证喷油正时改变时不影响喷油量。

4、着火正时传感器：检测燃烧室开始燃烧时刻修正喷油正时

5、冷却液温度传感器：控制发动机工作温度，修正喷油量与喷油正时。

6、进气温度传感器：检测进气温度、修正喷油量与喷油正时。

7、进气压力传感器：检测进气压力、修正喷油量与喷油正时。

8、溢流环位置传感器：检测溢流控制电磁铁的电枢位置，以反馈控制溢流环位置。

9、正时活塞位置传感器：检测电子控制定时器正时活塞位置，将喷油正时提前量信号输入ECU。

10、控制杆位置传感器;检测电子控制柱塞式喷油泵调速器中控制杆位置将喷射量的增减信号反馈给ECU11、控制套筒位置传感器将喷油量增减信号反馈给ECU9、正时活塞位置传感器将喷油正时提前量信号输入ECU。

四、柴油机电子控制的工作原理

1、提高柴油机的经济性降低排放污染，确定最佳喷油提前角，和精确的喷油量。发动机转速、负荷、冷却水温、进气温度、燃油温度、压力等。

2、提高发动机工作可靠性，防止齿条卡死飞车减油复位同时，迅速切断高压泵时油，关闭进气通道。

3、对柴油机运行工况进行实际高精度控制，微机对各种运行参数信息，进行监测处理迅速调节控制。实现柴油机运行工况实时理迅速调节控制。实现柴油机运行工况实时，高精度控制。

4、较强的适应性

对于不同用途不同机型的柴油机，柴油机电子控制系统应有较强的适应性。主要是电控单元EPROM的软件程序调整产品匹配适应能力。

五、柴油机电子控制系统的发展状况

柴油机电子控制技术始于20世纪70年代，20世纪80年代以来，英国卢卡斯公司，德国博士公司，奔驰汽车公司，康明斯公司及小松制作所等都竞相开发新产品并投放市场，以满足日益严格的排放法规要求。

由于柴油机具备高扭矩，高寿命，低油耗，低排放等特点，柴油机成为解决汽车及工程机械能源问题最现实和最可靠的手段。因此柴油机的使用范围越来越广，数量越来越多。同时对柴油机的动力性能、经济性能、控制废气排放和噪声污染的要求也越来越高。今年来，随着计算机技术、传感技术及信息技术的迅速发展，使电子产品的可靠性、成本、体积等各方面都能满足柴油机进行电子控制的要求，并且电子控制燃油喷射很容易实现。

实际上柴油机排气中的CO和HC比汽油机少的多，NOx排放量和汽油机相近，只是排气微粒较多，这与柴油机的燃料机理有关。柴油机是一种非均质燃烧，可燃混合气形成时间很短而且可燃混合气的形成与燃烧过程交错在一起。只有通过提高喷油压力和柴油雾化效果、使用预喷射、分段喷射等可以有效的改善排放。

经过多年的研究和新技术应用，柴油机的现状已与以往大不相同。现代先进的柴油机一般采用电控喷射、高压共轨、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，达到了汽油机的水平。随着国际上日益严格的排放控制标准的颁布和实施，无论是汽油机还是柴油机都面临着严峻的挑战，解决的办法是采用电子控制燃油喷射技术。现在，柴油机电子控制技术在发达国家应用率已达到60%以上。

六、柴油机电子控制技术的目的

优化动力性、改善燃油使用经济性、控制排放，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得最佳工作状况，防止可能发生的危险运行状况，延长零件的使用

寿命。

七、柴油机电子控制技术的优点

1、具有多功能的自动调节性能

柴油机的运转工况是多变的，而且对油耗、排放和可靠性等要求较高。自动控制技术应用于柴油机的调节系统正好可以实现多功能的自动调节，从而保证柴油机的动力性、燃料使用经济性、可靠性和操作方便性等性能充分发挥。

2、减轻质量，缩小尺寸，提高柴油的紧凑性

对于现代高速柴油机而言，由于驱动喷油泵的扭矩较大，要设计一个紧凑和可靠的供油提前自动调节器很复杂，而且在柴油机总体布置上也比较困难。采用自动控制技术解决供油提前角的自动调节问题，不仅可以容易的解决上述难题，而且提高了柴油机的紧凑性。

3、部件安装连接方便，提高了维修性

采用自动控制系统，相关部件尺寸减小（特别是燃油供给系统），安装部位免受空间位置的约束，连接简便，有利于柴油机日常维护和修理。

4、扩展了故障诊断，联络等功能

采用自动控制系统，可方便的与微型计算机连接，很容易实现柴油机性能检测和故障诊断功能，柴油机运行及检测数据的存储与传递等问题也迎刃而解，便于科学管理和使用。

5、使柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配

随着工程机械制造技术高速发展，为了提高自行式工程机械的作业效能，采用了电喷柴油机，电控自动变速器等自动控制装置，使自行式工程机械在作业时，能随着负荷的变化在一定范围内自动调整动力输出、动力传递，柴油机的动力输出和负荷得到更精确的匹配，充分发挥工程机械作业效能。

八、柴油机电子控制系统的特点

柴油机电控技术和汽油机电控技术有许多相似之处，整个系统都是由传感器、电控单元和执行器三部分组成。在电控喷射方面柴油机和汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例），柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节出油量的大小，且柴油机的喷油控制是由发动机转速和加速踏板位置（油门，供油拉杆位置）来决定的。柴油机的电控技术有两个明显的特点：一是柴油喷射电控执行器复杂，二是柴油电控喷射系统的多样化。

九、柴油机电控系统的功能

1.燃油喷射控制

燃油喷射控制主要包括：供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制、供（喷）

油速率控制和喷油压力控制等

2.怠速控制

柴油机的怠速控制主要包括怠速转速控制和怠速时各缸均匀性的控制

3.进气控制

柴油机的进气控制主要包括进气节流控制、可变进气涡流控制和可变配气正时控制。

4.增压控制

柴油机的增压控制主要是由ECU根据柴油机转速信号、负荷信号、增压压力信号等，通过控制废气旁通阀的开度或废气喷射器的喷射角度、增压器涡轮废气进口截面大小等措施，实现对废气涡增压器工作状态和增压压力的控制，以改善柴油机的扭矩特性，提高加速性能，降低排放和噪声。

5.排放控制

柴油机的排放控制主要是废气再循环（EGR）控制。ECU主要根据柴油机转速和负荷信号，按内存程序控制EGR阀开度，以调节EGR率。

6.起动控制柴油机起动控制主要包括供（喷）油量控制、供（喷）油正时控制和预热装置控制，其中供（喷）油量控制和供（喷）油正时控制与其他工况相同。

7.巡航控制

带有巡航控制功能的柴油机电控系统，当通过巡航控制开关选定巡航控制模式后，ECU即可根据车速信号等自动维持汽车以一定车速行驶。

8.故障自诊断和失效保护

柴油机电控系统中也包含故障自诊断和失效保护两个子系统。柴油机电控系统出现故障时，自诊断系统将点亮仪表盘上的“故障指示灯”，提醒驾驶员注意，并储存故障码，检修时可通过一定的操作程序调取故障码等信息；同时失效保护系统启动相应保护程序，使柴油能够继续保持运转或强制熄火。

9.柴油机与自动变速器的综合控制

在装用电控自动变速器的柴油车上，将柴油机控制ECU和自动变速器控制ECU 合为一体，实现柴油机与自动变速器的综合控制，以改善汽车的变速性能。

十、柴油电子控制技术以后的发展趋势

1、高的喷射压力：为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。

2、独立的喷射压力控制：传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机转速负荷有关。这种特性对于低转速，部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖出传递和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷

射压力使喷射持续期，着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经济性最优。

3、改善柴油机燃油经济性：用户对柴油机的燃料消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。

4、最小油量的控制能力：供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量的控制能力发生矛盾。柴油机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油机容易实现最小的油量控制。

结论：

随着柴油机的电控技术的不断发展和完善，电控燃料的喷射系统形式也越来越多，因为排放的法规越来越严格，各种不同的电控系统也都有其各自的优缺点。人们越来越发现柴油机的无穷魅力。柴油机电子控制系统已经成为解决汽车能源问题最现实和最可靠地手段。进年来，新柴油机在设计阶段就把电控系统纳入计划。电控系统与柴油机本体一体化，以至发展为整个动力装置的控制系统或电控一诊断系统已成为当前发展的新特点。可以认为，柴油机的电子控制系统已经进入商业化的成熟阶段。随着人们对环境保护认识，也能更加促进柴油电子控制系统的发展，可以节约汽车的燃料等等及对环境的改善。而且，是否采用最新的电控技术，已成为衡量柴油机先进化的重要标志之一！、

在不久的将来，柴油机电子控制系统的发展将成为汽车发展的重要标志。柴油机电子控制系统的技术也会更加的进步和完善。

参考资料：

1、《柴油机电子控制技术》王尚勇、杨青【M】机械工业出版社2005.01.01

2、《汽车电控柴油机结构原理和维修》栾琪文【M】机械工业出版社 2006.07

3、《汽车发动机构造和维修》沈云鹤【M】中国职业技术教育 2005.